基于RFID的室内定位算法改进

论文总字数：13575字

目 录

第一章 绪论 1

1.1室内定位算法的研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文研究重点 2

第二章 定位算法基本理论 4

2.1射频识别系统的组成 4

2.2 常用的几种室内定位算法 4

2.3 RSSI线性定位算法 6

2.3.1 RSSI线性定位算法原理 6

2.3.2 RSSI线性定位算法误差分析和优缺点 8

2.4 LANDMARC定位算法 10

2.4.1 LANDMARC定位算法原理 10

2.4.2 LANDMARC定位算法误差分析和优缺点 12

第三章 改进算法 13

3.1改进算法基本思路 13

3.2改进算法的建模和仿真 13

3.3改进仿真结果分析 16

3.4本章小结 18

第四章 结束语 19

参考文献 20

致谢 21

基于RFID的室内定位算法改进

吴倩倩

，China

Abstract: In this paper, first introduces two kinds of existing indoor positioning algorithm based on RFID RSSI linear positioning algorithm and LANDMARC algorithm, analyzes its advantages and disadvantages, through the combination of the two algorithms of RFID indoor positioning algorithm is improved, the improved algorithm is more accurate and greatly reduce the computational complexity of the algorithm.Through a large number of simulation operations, the improved algorithm basically meets the requirements set, compared to the original two algorithms in the accuracy and reduce the amount of calculation to achieve the desired objectives.The positioning error is reduced by 54.7% compared with the RSSI algorithm, and the location time of the system is reduced by 43.1% compared with the LANDMARC algorithm.

Keywords:RFID， indoor location algorithm，RSSI ，LANDMARC ，Matlab

第一章 绪论

1.1室内定位算法的研究背景与意义

高速发展的物联网技术和不断增长的定位需求使室内射频定位系统成为在室内环境的定位系统中不可或缺的部分,同时室内定位技术也是当今定位技术发展过程的重要突破点。室内定位技术不像室外定位技术，不能直接从定位卫星或基站中提取定位的各项数据和时间信息，此外室内定位技术需要克服室内信号传输环境的复杂性和室内干扰源的多样性的影响，室内定位准确性不能得到保证，难以满足实际定位的精度要求，所以当前对于室内定位算法的改进和研究具有深远意义。要想更好的实现准确的室内定位，采用新的定位方法与技术势在必行。当今，基于超声波定位的技术、基于红外线的定位技术、基于超宽带的定位的技术、射频识别定位技术等都是比较常见的室内定位技术^[1]。红外线和超宽带定位技术（UWB）具有系统成本昂贵、系统结构复杂等缺点。蓝牙定位技术的定位精度相比于其他技术而言又较差。射频识别技术（RFID）凭借其不用接触识别、识读距离远、信息存储量大、可读写标签信息、读写速度快、抗干扰能力强、可以实现同时读取多标签等优点，逐步成为了室内定位技术中的佼佼者，从而被广泛应用日常生活中^[2]。射频（RFID）定位系统的组成一般有三部分：信号阅读器、电子标签和相关的应用软件。该定位系统通过阅读器接收到电子标签反馈的信号强度（RSSI）强弱，阅读器与电子标签的距离通过信信号强度值（RSSI）的大小来表示，距离越远则信号强度值越小^[3]。

1.2国内外研究现状

无线电的发明的过程中，无线射频技术开始孕育，雷达技术的进一步发展推动了射频技术的发展。与大部分定位技术一样，射频识别技术（RFID）最开始作为军事武器出现在人们的视野中，在第二次世界大战中美军应用的“信息化武器”就是射频识别技术。1948年，Harry Stockman在无线射频研究探索中，发表了《Communication by means of refelected power》，初步奠定了理论基础，为无线射频技术提供了理论支持。60.70年代，射频识别技术开始了蓬勃发展，逐步应用于各个行业，如商业系统、工业系统等。到如今，射频识别技术已经初步完善，有了飞速长足的发展。

根据测量技术的差异，现有的基于RFID的室内定位方法主要有LANDMARC定位算法和RSSI线性定位算法。

(1)国外在RSSI定位算法研究中代表性的进展有：Petri Myllymaki等人创作的论文中提出：测定定位系统中物体位置的过程可以看作

机器学习积累的过程——根据收集到的已知区域的样本来构建RSSI在其他不同区域的分布类型。利用概率性问题制定相关框架的方法可以实现定位。Battiti等人独辟蹊径，从神经网络传输的角度，定义多个参考节点的信息强度值为输入值，节点的位置坐标为输出值，通过多层感知机制（MLP）来推理对应的位置信息，实现定位。微软公司设计开发了结合系统经验数据与定位环境衰减系数的RSSI定位系统——RADAR原型系统，该系统通过采集大量的数据并采用匹配法则来确定目标的具体位置，提供客户定位服务与其它外延应用^[4]。

(2)国内在基于RSSI线性室内定位技术方面：香港科技大学的赵弋洋等人为了解决传统质心算法定位精度过低的问题，提出了一种基于全景插入虚拟参考标签的VIRE算法。该算法运用线性插值的原理，测出虚拟参考标签信号强度值（RSSI）和其位置坐标，实现室内传输环境的细粒度化。但是全景插入虚拟参考标签的VIRE算法不适用所有情况，在特殊情况中会产生冗余计算，具有局限性^[5]。虽然国内对于室内定位研究技术的研究起步落后于国外，但国内从事相关研究的人员对这项技术的有足够高的重视。不但清华大学、复旦大学、同济大学等高等大学参与研究，还不断出现了例如华为、中兴、大唐等通信公司等专门研究室内定位技术的单位。

(3)国外在LANDMARC算法进展：在2003年，香港科技大学与密歇根州立大学合作，提出了LANDMARC系统。LANDMARC系统通过引入参考定位标签，根据参考标签与待定位标签之间的信号差异，确定与定位标签临近的参考标签，采用对定位坐标的加权算法来确定待定位标签的位置^[6]。该定位系统不但降低了定位系统成本，还提高定位系统的准确性。

(4)国内对此技术研究的代表性进展有：孙瑜、范志平在原本LANDMARC定位算法的基础上提出了一种改进算法，该算法根据物理位置连续性的原理将“最近邻居”理念与数据融合的思路相结合^[7]。黄以华、刘宗元等人剖析了LANDMARC主流算法，在经典贝叶斯算法的基础上，优化标签放置，然后通过概率分析法，实现了目标标签的位置预测，提出了一种改进算法^[8]。张健翀通过构建参考模型，得出最近邻居参考标签的相关规律，提出了将传统的矩形网格改变为一种等腰三角形网格分布的参考标签布局的改进思路。该改进方法在没有提高参考标签的密度仅仅改变其布局的前提下，在不同噪声环境中具有更好的抗干扰能力，具有更好的适应性^[9]。王远哲、毛陆虹等人提出了一种目标标签历史轨迹算法。该算法引用了动态K值理念，利用标签历史位置加权，使改进后的算法能够更好克服随机干扰。闫格、俱莹等人通过加入网格虚拟参考标签的方法对LANDMARC算法进行改进，有效的减小了多径效应导致的估计误差。^[10]10。

就国内而言，虽然从2003年起一直有大学和相关的科研单位在着手研究基于RFID的室内定位技术，但都把目光集中于LANDMARC室内定位算法上，缺乏对于其他定位算法理论进一步开发与理解，缺乏相关的实际的场景应用。正因如此，我们需要进一步对RFID室内定位系统进行研究和探索。

1.3本文的研究重点

本文主要先介绍几种室内定位算法，比较其优缺点。发现其中两种算法（RSSI线性定位算法、LANDMARC算法）具有互补性，可以通过结合两种算法提出改进算法。详细介绍这两种算法的原理，分析比较两种算法在精度和运算量上的优缺和适用环境，通过结合两种算法，在非边缘区域使用LANDMARC算法，在边缘区域使用RSSI算法，给出改进的RFID室内定位算法，使改进后的算法更精确并大大减少算法的运算量，主要包括以下内容：

（1）介绍RFID室内定位算法的发展背景和研究现况；

（2）介绍几种常用的室内定位算法，分析其优缺点；

（3）介绍RSSI线性定位算法和LANDMARC算法的原理，分析其误差原因和优缺点；

（4）提出改进算法并将三种算法进行仿真比较；

（5）得出结论，总结与展望，点出本研究各方面的不足，对性能的完善提出新的展望；

第二章 室内定位算法的基本理论

2.1射频识别系统的组成

一般情况下，射频识别系统通常由RFID阅读器及电子标签两个基础的部分构成，有时还需要其他软硬件支持。射频阅读器又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体。射频（RFID）系统的工作原理如图2.1所示：

图2.1 RFID系统流程图

1. RFID阅读器

射频阅读器：读取RFID标签中相关信息的硬件设备，一般由天线、耦合元件及芯片组成。阅读器可设计为手持RFID读写器或者固定式读写器两种。可以简单地把其功能分化为两个基础的功能模块——高频接口模块（发送器和接收器）和控制单元。阅读器读取电子标签中的相关信息转化为相关信号，然后通过天线将信号发送到地面监控中心。

1. RFID标签

RFID电子标签是射频系统中的响应部分，由天线、耦合元件及芯片三个部分组成。每个电子标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。当RFID阅读器读取RFID标签中相关的信息时，调制好的信息编码通过天线发射到阅读器中，再由其阅读模块进行读取；当RFID阅读器向RFID标签写入相关信息时，RFID标签将天线传输过来的解码信号放入其存储模块中。

2.2常用的几种室内定位算法

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