基于RFID技術的智慧園區室內定位算法

吳文炤 ，王瀟 ，趙鯤鵬 ，文亞鳳

（1.北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070；2.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；3.國家電網公司客戶服務中心，天津 300012）

基于RFID技術的智慧園區室內定位算法

吳文炤1，王瀟2，趙鯤鵬3，文亞鳳2

（1.北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070；2.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；3.國家電網公司客戶服務中心，天津 300012）

針對南北園區智慧樓宇內大量資產設備全方位管理的多方面需求，在基于RFID系統資產設備管理的基礎上，利用閱讀器與電子標簽之間的無線感知特性，結合參考標簽與定位模糊環概念，提出了一種多閱讀器信息融合的室內定位算法，算法具有定位精確度高、復雜度低、成本低的特點，能夠對樓宇內資產設備標簽進行快速準確定位，從而實現對智慧園區樓宇內的大量資產進行更高效、更智能的全周期管理。

智慧園區；RFID；定位；信息融合

1 引言

伴隨著物聯網技術在建設智能電網中的廣泛應用，電網在信息化、自動化、智能化等方面都有顯著提升，物聯網技術也成為支撐智慧園區建設的核心技術之一。作為物聯網核心技術之一的射頻識別（radio frequency identification，RFID）［1］技術通過非接觸式無線通信方式對智慧園區內大量資產設備進行高效便捷的智能化管理。園區樓宇內的各種資產設備數量龐大、流動頻繁，對資產設備位置信息的有效管理是實現資產全周期管理過程中非常重要的一部分。

適用于室內定位環境的定位技術包括射頻識別定位技術［2］、超寬帶定位技術［3］、光跟蹤定位技術［4］等。由于 RFID定位系統具有非接觸、非視距、定位精度高、成本低等特點，逐漸成為室內定位系統的優選技術，受到越來越多的關注。目前，已有許多基于RFID的定位技術以及典型的系 統，如 LANDMARC［5］、VIRE［6］等 ，這些都 為 RFID 室 內 定位技術提供了豐富的指導經驗，奠定了良好的基礎。LANDMARC定位系統通過引入位置固定的參考標簽來輔助定位，根據閱讀器接收到的目標標簽與參考標簽的信號強度值之差，選出最近鄰的參考標簽，通過權重質心法估計目標標簽位置。但是LANDMARC定位精度受閱讀器最大可測能級數的影響較大。

基于以上分析，針對智慧園區RFID資產管理系統的特點，本文在LANDMARC系統參考標簽的基礎上，將定位模糊環的思想引入RFID定位技術中，提出多閱讀器信息融合的RFID室內定位算法，算法具有較高的定位精度、低復雜度、低成本、低能耗的特點，是應用于智慧園區樓宇具有較高性價比的定位算法。

2 RFID系統組成及原理

RFID技術是一種非接觸式的無線通信系統，主要包括閱讀器、電子標簽和天線3個部分。

RFID系統通過射頻電磁場把標簽上的數據信息傳輸到閱讀器，從而完成自動識別和目標追蹤的功能，RFID系統架構如圖1所示。

圖1 RFID系統架構

（1）電子標簽

RFID電子標簽內部有設備廠商預先設定好的唯一的ID，嵌入物體上，以此來識別目標對象。當電子標簽位于閱讀器的通信識別范圍內時，標簽便通過微型天線將存儲于內部芯片的ID信息發送給閱讀器。RFID標簽具有可重復多次使用、數據安全可靠、耐用性強、體積小巧、形式多樣等特點。

（2）閱讀器

閱讀器也稱讀寫器，用于對電子標簽的讀取或寫入。閱讀器主要由射頻模塊和基帶模塊2個部分組成。其中射頻模塊是閱讀器的核心部分，由天線和調制解調電路組成，其主要功能有兩個：一是發射無線信號，使其識別范圍內的電子標簽做出響應；二是對標簽傳回的信號進行相應的加工處理，提取標簽數據。

（3）天線

天線的作用是在閱讀器和電子標簽之間傳遞射頻信號，以控制數據的讀取和通信。天線在閱讀器和標簽之間發射電磁波，為電子標簽提供能量，并且負責接收來自標簽返回的信號。

RFID系統的工作原理是：首先閱讀器通過天線發射一定頻率的射頻信號，處于閱讀器射頻識別范圍區域內的電子標簽感應到射頻信號，其天線產生感應電流使得標簽獲得能量被激活，然后向閱讀器發送標簽ID。

3 智慧樓宇室內定位算法

3.1 定位模糊環

在RFID技術的室內定位算法中，最經典的就是LANDMARC系統算法，其核心思想是通過引入位置固定的參考標簽來輔助定位，目標標簽與其鄰近的參考標簽受到的環境影響是一致的，閱讀器接收到位置鄰近的目標標簽與參考標簽的信號強度值近似，所以系統根據閱讀器分別接收到的目標標簽與參考標簽的信號強度值的差值，選出最近鄰的參考標簽，通過權重質心法估計目標標簽位置。但是，根據無線信號在自由空間的傳播特性，僅考慮目標標簽與參考標簽的信號強度值近似，只能說明參考標簽在以閱讀器為圓心、以目標標簽信號強度R為圓心的圓周線附近，并不能說明該參考標簽位置與目標標簽近鄰。在實際應用中，由于環境因素（如多徑效應、溫度、干擾與噪聲等）的變化，會造成接收到的無線信號強度的偏差，故本文引入定位模糊環的思想［7］，即在定位過程中，目標標簽應處于以閱讀器為圓心，以信號強度值R+Re為內半徑、R-Re為外半徑的模糊環內。本文算法標簽布局及定位模糊環如圖2所示。

圖2 標簽布局及模糊環

假設本算法定位區域中有H個閱讀器、N個參考標簽，由于目標標簽位于模糊環內，處于模糊環外的參考標簽對目標標簽的定位意義不大，所以為減少計算量降低系統能耗，只選取模糊環內的參考標簽進行位置估計，設模糊環內的參考標簽數為M（M＜N）個。H個閱讀器分別讀取目標標簽和M個參考標簽的信號強度，以向量形式表示，則目標標簽的場強向量記作 R=（R1，R2，…，RH），其中 Rj表示第j個閱讀器讀取的目標標簽的場強值；參考標簽的場強向量記作：S（i）=（S1（i），S2（i），…，SH（i）），其中 Sj（i）表示第 j個閱讀器讀取的第 i個參考標簽的場強值 （1≤j≤H，1≤i≤M）。

根據定位模糊環的特性，定義隸屬度：

其中，D（i，j）=|Rj-Sj（i）|，表示參考標簽與目標標簽的場強距離；Re為定位模糊環寬度參數，其值大小是環寬度的一半，根據定位實際環境而定。

隸屬度函數如圖 3 所示，D（i，j）越接近 0，隸屬度μ（i，j）越接近 1，則表明參考標簽越靠近定位模糊環的中心圓周線，即圖2中模糊環中虛線所示的圓周，但是這還不能說明該參考標簽與目標標簽位置近鄰，因此采用信息融合的方法解決這一問題。

圖3 隸屬度函數示意

3.2 多閱讀器信息融合

當參考標簽距離目標標簽較遠時，會存在某個或者某些閱讀器判定隸屬度 μ（i，j）較接近于 1，但是其他的閱讀器判定的結果可能是 μ（i，j）＜＜1，所以采用最小值融合的方法，融合后的值較小，即可判定參考標簽距離較遠，則可以排除該參考標簽；當參考標簽距離目標標簽較近時，所有的閱讀器計算得到的 μ（i，j）都較接近 1，采用最小值融合法融合后的結果仍較接近1，故而判定該參考標簽為目標標簽的近鄰標簽。最小值融合方法如下所示：

其中，F表示融合算子，采用最小值算子進行融合計算；μ～（i）表示融合后，第i個參考標簽與目標標簽的接近程度，將其定義為參考標簽貼近度。

當μ～（i）小于某一設定值β（?β∈［0，1］）時，表示參考標簽i和目標標簽的位置相對較遠。當μ～（i）大于該設定值β時，參考標簽i和目標標簽的位置相對較近，則表示如下：

其中，R代表參考標簽i與目標標簽的位置關系：參考標簽i和待定位節點A的位置較為接近。μR（i）表示參考標簽 i對關系 R 的隸屬度，當 μR（i）≥β時，參考標簽 i隸屬于關系R，隸屬于關系R的所有參考標簽即判定為與目標標簽位置近鄰，可參與目標標簽的定位計算。在目標標簽近鄰的參考標簽中選擇全部或者若干個貼近度最大的標簽進行加權質心運算，貼近度越大表示參考標簽距離目標標簽越近，其所占據的權重越大，設k為所選取最終參與計算的參考標簽數目。目標標簽的位置如下：

所得結果即目標標簽的估計坐標。

4 算法性能

根據本文算法定位原理，利用MATLAB軟件對該算法進行仿真，仿真環境為10 m×10 m的室內方形區域，在方形區域的4個角落分別放置一個閱讀器，按照網格形狀均勻布置參考標簽，目標標簽采用隨機部署的方式，圖4為參考標簽按照5×5的網格形狀部署分布。根據RFID系統中閱讀器與標簽之間通信距離有限的特點，本文采用相對定位誤差E表示算法的定位精度，通信距離R設為5 m。

其中，x、y為估計坐標，x＇、y＇為真實坐標。

圖4 標簽布局

4.1 閱讀器及參考標簽數量對定位精度的影響

閱讀器及參考標簽數量對定位精度的影響如圖5所示。5條曲線分別為不同參考標簽部署密度下，隨著閱讀器數目的增加，相對定位誤差的變化情況，在仿真過程中，閱讀器隨機布置于定位空間。可以看出，隨著閱讀器數量的增加，相對定位誤差減少，這是由于本文算法信息融合的特點，融合多個閱讀器的判決信息綜合判定參考標簽是否與目標標簽近鄰，且得到近鄰參考標簽更精確的貼近度，以此來計算目標標簽位置，從而得到更高的精確度。

圖5 閱讀器及參考標簽數量對定位精度的影響

為準確反映不同參考標簽部署密度對算法定位精度的影響，在定位區域中參考標簽分別以 4×4、5×5、8×8、10×10、16×16的網格形狀排列，即參考標簽的部署間隔分別為 2.5 m、2 m、1.25 m、1 m、0.625 m。由仿真結果可知，隨著參考標簽部署密度的增大，相對定位誤差減小，這是因為參考標簽數量增加密度增加，可選擇的與目標標簽近鄰參考標簽數量更多，篩選出參與定位計算的參考標簽貼近度更大，所以定位結果更精確。當參考標簽密度增大到一定程度，由10×10到16×16時的定位精度的提高相對較小，其主要原因在于當參考標簽部署密度過高時，過多的參考標簽信號會對閱讀器接收信號產生干擾。因此，在參考標簽的布局中選擇1 m的布置間隔最優，既可以提高算法精確度，又能降低算法復雜度，降低系統整體能耗。

4.2 定位模糊環寬度參數尸e對定位精度的影響

定位模糊環寬度參數Re的大小關系到選取的近鄰參考標簽的數量以及參考標簽與目標標簽的貼近程度。Re太小，模糊環變窄，定位計算可選擇的近鄰參考標簽的數目就少，影響定位精度；Re太大，模糊環太寬，環內參考標簽數目過多，不僅影響定位精度，而且增加了算法運算量。所以應選擇合適的寬度，Re對定位精度的影響如圖6所示，由仿真結果可得，當Re=3時，相對定位誤差最小，所以在本環境中將模糊環寬度參數設置為Re=3 m。

圖6 Re對定位精度的影響

4.3 與LANDMAC算法對比

為驗證算法的有效性，在不同參考標簽密度下與經典RFID定位系統LANDMAC［5］對比，相對定位誤差如圖 7所示。閱讀器按照圖 4 布局，參考標簽分別按照 4×4、5×5、8×8、10×10、16×16的網格形狀排列。由圖 7可知，本文算法對目標標簽的定位效果明顯要優于LANDMAC系統。這是由于LANDMAC系統采用目標標簽與參考標簽能量等級歐氏距離的辦法確定近鄰參考標簽：一方面，能量等級的劃分會引入誤差；另一方面，目標標簽與參考標簽的信號強度值近似只能說明參考標簽在以閱讀器為圓心、以目標標簽信號強度R為圓心的圓周線附近，并不能說明該參考標簽位置與目標標簽近鄰。本文算法直接利用信號強度值，并且采用信息融合的辦法可更準確地選擇出近鄰參考標簽，從而提高定位精度。

圖7 與LANDMAC算法對比

5 結束語

針對南北園區智慧樓宇內大量資產設備全方位管理的多方面需求，通過物聯網智能感知技術對智慧樓宇的資產進行有效管理及維護，在基于RFID系統資產設備管理的基礎上，利用RFID技術中閱讀器與電子標簽之間的無線感知特性，結合定位模糊環概念，提出多閱讀器信息融合的RFID室內定位算法，算法具有定位精度較高、復雜度低、功耗小等特點，能夠對樓宇內資產設備標簽進行快速準確定位，從而實現對智慧園區樓宇內的大量資產設備進行更高效、更智能的全周期管理。

［1］ 李程，錢松榮.射頻識別動態定位方法 ［J］.通信學報，2013（4）：144-148.LI C，QIAN S R.RFID dynamic positioning method ［J］.Journal on Communications，2013（4）：144-148.

［2］王遠哲，毛陸虹，劉輝，等.基于參考標簽的射頻識別定位算法研究與應用［J］.通信學報，2010（2）：86-92.WANG Y Z，MAO L H，LIU H，et al.Research and application of RFID location algorithm based on reference tags ［J］.Journal on Communications，2010（2）：86-92.

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［6］ZHAO Y Y，LIU Y H，LIONEL M N.VIRE：active RFID-based localization using virtual reference elimination ［C］／／The InternationalConference on ParallelProcessing，September 10-14，2007，Xi’an，China.New Jersey：IEEE Press，2007：56.

［7］TANG L，GONG Y，LUO Y，et al.Positioning algorithms by information fusion in wireless sensor networks［J］.Wireless Personal Communications，2014，74（2）：545-557.

Indoor localization algorithm based on RFID technology for smart park

WU Wenzhao1，WANG Xiao2，ZHAO Kunpeng3，WEN Yafeng2
1.Beijing GuoDianTong Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China 2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China 3.State Grid Customer Services Center，Tianjin 300012，China

To meet the various requirements of full range management of vast device in buildings of smart park，an indoor localization algorithm about information fusion of multi readers was proposed.Based on device management in RFID system，using the wireless sensing characteristics between the reader and the tag，and combining with the reference tag concept，an indoor localization algorithm based on RFID was proposed.The algorithm had the characteristic of high position accuracy，low complexity and low cost.This algorithm could realize the localization of device tag in smart buildings，and realize management to a large number of device in buildings of smart park more efficiently and intelligently.

smart park，RFID，localization，information fusion

TN98

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016073

2015-09-20；

2016-02-01

吳文炤（1966-），男，北京國電通網絡技術有限公司高級工程師，主要從事電力信息通信方向研究工作。

王瀟（1990-），女，華北電力大學碩士生，主要研究方向為無線傳感器網絡及RFID標簽定位。

趙鯤鵬（1976-），男，國家電網公司客戶服務中心高級工程師，主要研究方向為電力信息通信。

文亞鳳（1968-），女，華北電力大學副教授，主要研究方向為信息系統與信息安全。