（电路与系统专业论文）基于射频识别RFID的室内定位系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目：基于射频识别( r f i d ) 的室内定位系统研究 专业：电路与系统 硕士生：刘宗元 指导教师：黄以华副教授 摘要 随着无线技术、移动计算设备和互联网技术研究的不断深入和发展，以及 许多应用系统需要知道目标的位置信息，定位服务系统受到了越来越多的关注 1 1 。目前应用最广泛的定位系统是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， g p s ) 。但是，由于室内电磁环境复杂多变，使得该系统无法满足室内定位精 度的要求。为了提高室内定位精度，人们提出了多种适用于室内环境的定位技 术，主要研究方向有蜂窝无线定位、无线局域网定位、红外线定位、超声波定 位以及r f i d 定位等。 目前，国内外已出现的室内定位系统有g s m 、c d m a 、a c t i v eb a d g e 、 r a d a r 以及a c t i v eb a t 等1 2 1 。与上述定位系统相比，r f i d 技术具有非视距和 非接触的优点；它能以非凡的速度工作，较大的传输范围以及高性价比也是 r f i d 的优势所在。 本文的主旨是研究r f i d 室内定位系统及其算法。主要工作安排如下： 首先，介绍了一些关于r f i d 室内定位系统的基本知识，接着分析了一些 现存的r f i d 室内定位系统和算法。 接下来提出对r f i d 室内定位算法的改进策略。一种策略是改进r f i d 室 内定位系统的标签摆放位置。另一种策略基于传统的贝叶斯滤波理论算法，但 改进了原算法的先验概率模型。两种策略从不同角度克服了传统算法的一些缺 点。 最后，基于所提的改进策略，使用m a t l a b 工具建模仿真。仿真结果表明， 改进策略能提供更好的定位精度。 关键字：射频识别；室内定位；信号强度；定位算法 l t i t l e ：t h er e s e a r c ho f i n d o o rl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nr f i d m a j o r ：e l e c t r o n i cc i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ：l i u z o n g y u a n s u p e r v i s o r ：h u a n g y i h u a ab s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tm a n ya p p l i c a t i o ns y s t e m sn e e dt ok n o wt h ep h y s i c a ll o c a t i o n o fo b j e c t s ，t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，m o b i l ec o m p u t i n gd e v i c e s ，a n d 也eh l t e m e th a sm a d eag r o w i n gi n t e r e s ti nl o c a t i o n - a w a r es y s t e m sa n ds e r v i c e s 1 1 t h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i st h em o s tw e l l k n o w nl o c a t i o ns e r v i c ei n u s et o d a y h o w e v e r ，g p sh a sap o o rp o s i t i o n i n ga c c u r a c yi n t h eb u i l d i n gw h e r e e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti sc o m p l i c a t e dv a r i a b l e m a n yd i f f e r e n ta p p r o a c h e sf o r i n d o o rl o c a t i o nh a v e b e e np r o p o s e di nt h er e c e n ty e a r s l a n s ，i n f r a r e d ，u l t r a s o n i c a n dr f i da r et h em a i nr e s e a r c hf i e l d s a tp r e s e n t , r e s e a r c h e r sh a v ed e v e l o p e ds e v e r a lt y p e so f i n d o o rl o c a t i o ns e n s i n g s y s t e m s ，s u c h 嬲a c t i v eb a d g e ，r a d a r , a c t i v e b a t ，e t c 【2 】c o m p a r e dw i t ht h e l o c a t i o ns y s t e m sa b o v e ，r f i dt e c h n o l o g i e sh a v es e v e r a la d v a n t a g e s t h en oc o n t a c t a n dn o n 1 i n e o f - s i g h tn a t u r eo ft h i st e c h n o l o g ya r es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sc o m m o n a m o n ga l lt y p e so fr f i ds y s t e m s t h e yc a nw o r k a tr e m a r k a b l es p e e d s t h eo t h e r a d v a n t a g e sa r et h e i rp r o m i s i n g t r a n s m i s s i o nr a n g ea n dc o s t e f f e c t i v e n e s s t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h et h e o r ya n da l g o r i t h mo f t h e r f i dt e c h n i q u eb a s e di n d o o rl o c a t i o ns y s t e m t h ep r i n c i p a lt a s k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t , s o m eb a s ek n o w l e d g ea b o u tt h er f i di n d o o rl o c a t i o ns y s t e mi s i n t r o d u c e d a n dt h e ns o m ee x i s t i n gi n d o o rl o c a t i o ns y s t e ma n di t sa l g o r i t h ma r e a n a l y z e d s e c o n d ，p r o p o s et w on e w i d e a st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fr f i di n d o o r l o c a t i o na l g o r i t h m f i r s to n eg i v e sa no p t i m a la r r a n g e m e n to fr e f e r e n c et a g s s e c o n d 中山大学硕士学位论文 o n eg i v e sa l la l g o r i t h mb a s e do ng e n e r a lb a y e s i a n b a s e da l g o r i t h m b o t hn e wi d e a s m a k es o m ei m p r o v e m e n t st oo v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m t h i r d ，b a s e do nt h ei m p r o v e da l g o r i t h mas i m u l a t i o nm o d e li sd e s i g n e du s i n g m a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a np r o v i d eb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m k e y w o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ；i n d o o rl o c a t i o n ；s i g n a ls t r e n g t h ； l o c a t i o na l g o r i t h m 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：年月日 导师签名：氆哆尹 日期：呻年夕月。, - e l 第一章绪论 第一章绪论 随着无线技术，移动计算器件以及互联网的快速发展，人们对定位系统以 及服务产生了越来越浓厚的兴趣，很多应用都需要得到目标的室外甚至是室内 的物理位置。室内定位传感系统在今年来越来越受到欢迎，这些系统提供了一 个新的自动化层次，那就是自动目标定位检测。本章阐述课题的研究意义和国 内外的研究情况，然后概述射频识别系统的基本原理以及现有的室内定位系统 的技术，最后给出了本论文的主要工作以及内容安排。 1 1 课题研究背景与意义 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术，是种利用射频 通信实现的非接触自动识别技术。r f i d 标签具有体积小，容量大，寿命长， 可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、 定位及长期跟踪管理。r f i d 技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球 范围内物品跟踪与信息共享。r f i d 技术应用于物流、制造、公共信息服务等 行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成 熟，r f i d 产业将成为一个新兴的高科技技术产业群，成为国民经济的新增长 点。因此，研究r f i d 技术，发展r f i d 产业对提升社会信息化水平，促进经 济可持续发展，提高人民生活质量，增强公共安全与国防安全等方面产生深远 的影响，具有战略性的重大意义。 二十世纪九十年代以来，r f i d 技术的到了快速的发展。经济发达国家和 地区已经将其应用于很多领域，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。近 年来，中国已经初步开展了r f i d 相关技术的研发以及产业化工作，并在部分 领域开始应用，但基础薄弱，缺乏核心技术，应用分散，不具备规模优势。 中国人口众多，经济规模不断扩大，正成为全球制造的中心，r f i d 技术 有广阔的应用市场。当前r f i d 技术与应用发展迅速，中国有必要抓住这一时 中山大学硕士学位论文 机，集中开展r f i d 核心技术的研究和开发，指定符合国情的技术标准，推动 自主公共服务体系的建设，促进具有竞争力的产业链形成，促使中国在该领域 占有一席之地1 3 1 。 最近几年来，无线通信系统成长速度惊人。无线技术已经与其他技术一样 进入了消费应用、医疗、工业、公共安全、物流以及运输等领域。自组织传感 器网络，给予内容的信息服务、跟踪、导航等都是无线技术能应对的应用领域。 正因为无线信息接入在现今能够广泛地获得，所以对在无线网络中的准确定位 提出了更高的要求，包括室内和室外的定位1 4 5 】。 室内定位传感系统能够提供自动目标定位检测。在实际中依靠这种自动化 实现的应用程序有很多。比如一个仓库里面某些存储产品的位置检测，医院里 面的医护人员或者仪器的位置，还有遍布在工厂里面的贴有标签的保养工具。 因此，室内定位系统是一个非常具有研究价值的领域。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 射频识别系统的基本原理和结构 一套完整的r f i d 系统，是由阅读器( r e a d e r ) 与电子标签应答器( t a g ) 以及应用软件系统三个部分组成。电子标签可以分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和无源电子标签( p a s s i v et a g ) 。有源电子标签内装有电池，无线射频标签没有 内置电池【6 】。对于有源电子标签来说，根据标签内装电池的供电情况不同又可 分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和半无源电子标签( s e m i - p a s s i v et a g ) 【7 】。 有源电子标签又称为主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同 时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通讯所需的射频能 量。 半无源电子标签内的电池仅仅对标签内要求供电维持数据的电路，标签芯 片工作所需电压以及本身耗电很少的标签电路进行供电。标签没有进入工作状 态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因 而电池可维持几年，设置长达1 0 年；当标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅 2 第一章绪论 读器发出的射频信号激励，进入工作状态，标签与阅读器之间信息交换的能量 支持以阅读器供应的射频能量为主( 反射频调制方式) ，标签内部电池的作用 主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量不转换为射 频能量【8 1 。 无源电子标签( 被动标签) 没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时， 电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出 的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式 完成电子标签信息向阅读器的传送。 主动标签和被动标签各有其优缺点，总结起来就是： 1 主动标签自身带有电池供电，读、写的距离较远，体积较大，与被动标 签相比成本更高，一般具有较远的阅读距离。不足之处是电池不能长久使 用，能量耗尽后需更换电池。 2 无源电子标签在接收到阅读器( 读出装置) 发出的微波信号后，将部分 微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有 很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近。相比有源系 统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读写装置，是r f i d 系统信 息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元 组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读 器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过 e t h e m e t 或w l a n 等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。 应答器是r f i d 系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件( 线圈、微带 天线等) 和微芯片组成无源单元。 应答器通常包括： 钆天线：用来接收由阅读器送过来的信号，并把所要求的数据送回给阅读 器。 b a c d c 电路：把由卡片阅读器送过来的射频信号转换成d c 电源，并 经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源。 c 解调电路：把载波去除以取出真正的调制信号。 3 中山大学硕士学位论文 d 逻辑控制电路：译码阅读器所送过来的信号，并依其要求回送数据给阅 读器。 e 内存：作为系统运作及存放识别数据的位置。 调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给阅 读器。 阅读器通常包括： 钆天线：用来发送无线信号给t a g ，并把由t a g 响应回来的数据接收回来。 b 系统频率产生器：产生系统的工作频率。 c 相位锁位回路( p l l ) ：产生射频所需的载波信号。 d 调制电路：把要送给t a g 的信号加载到载波并送给射频电路送出。 e 微处理器：产生要送给t a g 信号给调制电路，同时译码t a g 回送的信 号，并把所得的数据回传给应用程序，若是加密的系统还必需做加解 密操作。 存储器：存储用户程序和数据。 g 解调电路：解调t a g 送过来的微弱信号，再送给微处理器处理。 h 外设接口：用来和计算机联机。 应用软件系统通常包含： 色硬件驱动程序：连接、显示及处理卡片阅读器操作。 b 控制应用程序：控制卡片阅读机的运作，接收读卡所回传的数据，并进 行相对应的处理，如开门、结帐、派遣、记录等。 c 数据库：储存所有t a g 相关的数据，供控制程序使用。 1 2 2r f i d 技术发展历史及其现状 r f i d 并不是新技术，早在二战时它就被美军用于战争中识别自家和盟军 的飞机，但自2 0 0 3 年这项技术又开始被众人所追捧。研究机构f o r r e s t e rr e s e a r c h 称r f i d 是2 0 0 4 年四大i t 趋势之一，“其构建的物联网将为世界带来革命性 的变化 。i b m 、s a p 、微软等i t 巨头纷纷重金投入此项技术和解决方案的开 发，试图从中分一杯羹。在1 9 2 2 年，诞生了雷达( r a d a r ) 。作为一种识别敌 4 第一章绪论 方空间飞行物( 飞机) 的有效兵器，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作 用，同时雷达技术也得了极大的发展。r f i d 直接继承了雷达的概念，并由此 发展出一种生机勃勃的新技术叫f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表的“利 用反射功率的通讯 奠定了射频识别r f i d 的理论基础。 表1 1r f i d 技术发展时间表 雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了 1 9 4 1 - 1 9 5 0 年 r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 1 - - 一1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 一- 1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 1 9 7 1 - - - ，1 9 8 0 年 技术测试得到加速。出现了一些最早的r f i d 应用。 r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开 1 9 8 1 - - - 1 9 9 0 年 始出现。 r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到广 1 9 9 1 - - 2 0 0 0 年 泛采用，r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了 1 9 4 1 1 9 5 0 年 r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 1 - - 1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 在r f i d 技术发展的前1 0 年中，有关r f i d 技术的国际标准的研讨空前热 烈，国际标准化组织i s o i e c 联合技术委员会j t c l 下的s c 3 1 下级委员会成立 了r f i d 标准化研究工作组w g 4 。尤其是在1 9 9 9 年1 0 月1 日正式成立的，由 美国麻省理工学院m i t 发起的a u t o i dc e n t e r 非盈利性组织在规范r f i d 应用 方面所发挥的作用将越来越明显。a u t o i dc e n t e r 在对r f i d 理论、技术及应用 研究的基础上，所做出的主要贡献如下： a 提出产品电子代码e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 概念及其格式规划， 为减化电子标签芯片功能设计，降低电子标签成本，扩大r f i d 应用领域 奠定了基础。 b 提出了实物互联网的概念及构架，为e p c 进入互联网搭建了桥梁。 5 中山大学硕士学位论文 c 建立了开放性的国际自动识别技术应用公用技术研究平台，为推动低成 本的r f i d 标签和读写器的标准化研究开创了条件。 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、 瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，低频近距离 r f i d 系统主要集中在1 2 5 k h z 、13 5 6 m h z 系统；高频远距离r f i d 系统主要集 中在u h f 频段( 9 0 2 m h z - 9 2 8 m h z ) 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。u h f 频段 的远距离r f i d 系统在北美得到了很好的发展；欧洲的应用则以有源2 4 5 g h z 系统得到了较多的应用。5 8 g h z 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f i d 系统。 我国在r f i d 技术的研究方面也卓有成就。比较典型的是在中国铁路车号 自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动识别系统。 铁道部曾将货车自动抄车号项目列为八五重点攻关技术研究课题。在2 0 世纪 9 0 年代中期，国内有多家研究机构参与了该项技术的研究，探索了多种实现方 案，最终确定了r f i d 技术为解决货车自动抄车号的最佳方案。进而，在r f i d 实现技术方面又探索了有源标签方案、无源标签倍频方案等。最后选定了无源 标签r f i d 方案。经过多年的现场运行考验，铁路车号自动识别系统工程于1 9 9 9 年全面投入建设。 r f i d 极为广泛的应用前景促使不同的组织纷纷出台各自的标准体系。但 到目前为止，r f i d 在国际上还没有一个成熟的标准，各个组织推出的标准互 不兼容。主要的标准体系有以下三种： 1 i s or f i d 标准体系 i s o 的r f i d 标准体系包括通用标准和应用标准两部分。通用标准提供了 一个基本框架，应用标准是对它的补充和具体规定。i s o 1 e c 联合工作组成立 了s c 3 1 子委员会，负责所有基础性、通用性的标准，如数据标准( 数据协议 i s o i e c l 5 9 6 1 、i s o f l e c1 5 9 6 2 、i s o i e c1 5 9 6 3 以及其它编码标准) 、空中接 口标准( i s o 玎e c1 8 0 0 0 系列) 、测试标准( 一致性测试i s o i e c l 8 0 4 6 、性能 测试方法i s o i e c1 8 0 4 7 对应于空中接口标准) 、实时定位( r t l s ) 方面的标 准( i s o i e c2 4 7 3 0 系列应用接口与空中接口通信标准) 。i s o 把不同行业的应 用标准交给其与应用相关的子委员会，如r f 在供应链领域中的应用标准由i s o 6 第一章绪论 t c1 2 2 1 0 4 联合工作组负责制订( 1 7 3 5 8 、1 7 3 6 3 至1 7 3 6 7 ) 。r f i d 的应用标 准是在r f i d 关于电子标签编码、空中接口协议、读写器通信协议等通用标准 基础之上，针对不同使用对象，对于不同应用确定了使用条件、标签尺寸、标 签位置、数据内容和格式、使用频段等方面的特定应用要求的具体规范，同时 也包括数据的完整性、人工识别等其他一些要求。 2 e p c g l o b a lr f i d 标准体系 e p c g l o b a l 采用r f i d 技术的主要目标是解决供应链信息透明度，使各环节 中所有合作伙伴都能够了解单件物品的相关信息，如位置、生产日期等信息。 为此制订了e p c 电子产品编码标准，力图对所有物品提供单件唯一标识，同时 还制订了空中接口协议和读写器协议标准。同时，( e p c g l o b a l 提出了供应链 各方信息共享的“物联网 系列标准，包括e p c 中间件规范、对象名解析服 务o n s ( o b j e c tn a m i n gs e r v i c e ) 、物理标记语言p m l ( p h y s i c a lm a r k u p l a n g u a g e ) 等。 3 日本泛在中心r f i d 标准体系 日本泛在中心关于r f i d 标准的基本思路类似于e p c g l o b a l ，目标也是构建 一个从信息的采集到信息共享完整的标准体系。日本制订了具有自主知识产权 的r f i d 标准，在编码方面提出了u c o d e 码，兼容日本已有的编码体系，同时 也兼容国际上其它的编码体系，包括e p c g l o b a l 编码体系。日本力推微波频段 2 4 5 g h z ，在空中接口方面积极参与i s o 的标准制订工作，也尽量考虑与i s o 相关标准兼容。 一 尽管r f i d 的市场应用前景是可以预期的，但目前其应用还不十分成熟。 r f i d 技术缺乏国际统一的标准体系是一个重要的原因，另一个重要原因是 r f i d 应用的成本问题。在美国，一个电子标签的最低价格是2 0 美分，只有标 签的单价下降到1 0 美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。r f i d 阅 读器的价格大都在1 0 0 0 美元以上，一个企业需要安装数十台、甚至上千台这样 的机器，成本过高。此外，r f i d 应用对企业后台系统的要求较高。使用r f i d 技术需要有完善的后台供应链系统。对许多企业来说，这个条件根本就不具备。 总之，就目前来说，缺乏一致性的标准体系、成本偏高、行业应用尚未明 朗化，是r f i d 技术获得广泛应用的障碍。 7 中山大学硕士学位论文 1 2 3r f i d 产品制造及典型应用 按照工作频率的不同，r f i d 标签分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频 ( 哪) 和微波频段( m w ) 的标签。目前国际上r f i d 应用以l f 和i - i f 标签 产品为主。呻标签开始规模生产，由于其具有可远距离识别和低成本的优势， 有望在未来五年内成为主流；m w 标签在部分国家已经得到应用。中国已掌握 i - i f 芯片的设计技术，并且成功地实现了产业化，同时u i - i f 芯片也已经完成开 发。 r f i d 的天线主要有蚀刻冲压天线( e t c h e d p u n c h e da n t e n n a ) 、印刷天线 ( p r i n t e da n t e n n a ) 和绕线式天线。在国际上，目前一般都采用蚀刻冲压天线为 主。现在随着新型导电油墨的不断开发，印刷天线的优势越来越突出。在频率 较低的标签中，通常采用线圈天线形式；频率较高的标签通常为印刷贴片天线 形式。常见的r f i d 天线基板有纸基和胶基两大类。天线线圈的制造有绕制工 艺，布线工艺，蚀刻工艺，丝网印刷工艺等多种方法。 r f i d 产品的应用很广泛，如： 1 物流：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用， 邮政，快递。 2 零售：商品的销售数据实时统计，补货，防盗。 3 制造业：生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产。 4 服装业：自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理。 5 医疗：医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗。 6 身份识别：电子护照，身份证，学生证等各种电子证件。 7 防伪：贵重物品( 烟，酒，药品) 的防伪，票证的防伪等。 8 资产管理：各类资产( 贵重的或数量大相似性高的或危险品等) 。 9 交通：高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。 1 0 食品：水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理。 1 1 动物识别：训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理。 1 2 图书馆：书店，图书馆，出版社等应用。 1 3 汽车：制造，防盗，定位，车钥匙。 8 第一章绪论 1 4 航空：制造，旅客机票，行李包裹追踪。 1 5 军事：弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪。 1 3r f i d 室内定位技术 随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增 大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下 停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室 内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制， 比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内 定位技术解决方案，如a g p s 定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线 技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图 像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可 归纳为几类，即g n s s 技术( 如伪卫星等) ，一无线定位技术( r f i d 、超声波、 光跟踪、无线传感器定位技术等) ，其它定位技术( 计算机视觉、航位推算等) ， 以及g n s s 和无线定位组合的定位技术( a g p s 或a g n s s ) 。 r f i d 定位系统与其他定位技术相比具有非视距、非接触、定位精度高、 无定位盲区、空间定位感强等优点。它能以非凡的速度工作，即时性好，并且 传输范围也较大。此外r f i d 技术还具有成本上的优势。r f i d 技术在定位物体 的同时还从定位目标中读取有关该对象的大量信息，这就大大提高了系统设计 的灵活性和功能的可扩充性。s p o t o n 系统是r f i d 定位技术的典型代表【9 】。该 系统采用网络分布式硬件基础结构，系统中不设置中央控制单元，用信号强弱 表征标签之间的几何距离。但是，完整的s p o t o n 系统到目前为止还没有建成。 利用r f i d 技术来做定位，其发展背景即是来自于射频定位技术。r f i d 利 用无线网络架构，先将平面空间画分成许多子空间。在系统架设阶段，量测在 不同位置、各个方向所接收不同r f i d 阅读器的信号，并根据所接收的信号信 息推断出目标所处的几何位置。 9 中山大学硕士学位论文 因为室内环境摆设复杂、精密度要求较高，所以室内定位系统在操作上相 对困难许多。如何正确取得来自各个r f i d 阅读器的信号数据、r f i d 阅读器与 r f i d 标签应要如何摆设以提升系统定位的正确性、如何经由推估的方式而降 低定位系统的成本、以及收到相关信号数据后如何转换为位置信息等几个主要 问题是r f i d 定位系统研究的焦点所在。目前在无线网络环境下进行定位服务 的定位模式大致有以下4 种：收信角度法( a n g l eo fa r r i v a l ，a o a ) 、收信时 间( t i m eo f a r r i v a l ，t o a ) 、收信时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，t d o a ) 、 信号强度法( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ，r s s ) 。 1 4 本论文的主要工作和内容安排 本文主要对基于r f i d 技术的室内定位系统进行系统的研究。首先介绍基 于r f i d 室内定位系统的一般知识。然后对该领域的主流算法进行系统的分析 和研究，特别是经典的l a n d m a r c 和基于贝叶斯理论的定位算法。接下来重 点剖析了参考标签摆设方法对定位精度的影响，并由此提出一种优化的标签放 置方案。另外，基于对经典贝叶斯定位算法的分析，提出一种改进方案，本论 文详细叙述了改进方案的定位方法，并导出了计算公式。最后使用m a t l a b 建模 对优化的标签摆设方案和改进的算法进行仿真验证。本论文分为六章，安排如 下： 第一章：简要介绍本课题的研究背景，国内外研究现状，介绍了目前r f i d 技术以及室内定位技术，指出本课题研究的意义和方向。 第二章：对r f i d 室内定位系统进行介绍并简要分析了影响系统定位精度 的因素。 第三章：介绍了r f i d 室内定位的大尺度传输损耗模型和定位准确率评价 指标。 第四章：主要介绍r f i d 室内定位领域的典型算法，包括经典的 l a n d m a r c 系统所使用的最近邻居算法，最小二乘估计算法及其改进算法， 基于贝叶斯滤波理论的算法。 1 0 第一章绪论 第五章：提出两种改进定位算法的策略。一种改进策略是优化标签的拓扑 布局，另一种是对经典的基于贝叶斯滤波理论算法的改进。两种改进策略虽然 是独立叙述的，但它们的效果可以叠加。 第六章：使用m a t l a b 对所提算法进行建模仿真，分析仿真结果。 最后对本文进行总结，并对接下来的研究作了展望。 中山大学硕士学位论文 第二章r f i d 室内定位系统 2 1 无线室内定位技术与系统 随着科技迅速发展，行动定位服务越来越受到人们的重视。目前广为人知 的行动定位服务以全球定位系统为代表，已广泛应用于许多领域。而室内定位 服务存在庞大市场商机，然而要提供此项服务须利用不同于户外定位的技术， 而方兴未艾的立即寻址系统正符合室内环境成熟技术的需求。其中最著名的定 位系统就是全球定位系统( g p s ) ，它由2 4 个轨道卫星以及目标携带的接收器 构成一个网络，实现导航定位功能【l o 】。g p s 技术最大的限制在于其必须与卫星 系统保持视线可及( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 环境，室内或是建筑物中由于无线信 号不能直接与客户端设备直接传递，即无法达到满意的定位准确度，甚至失效。 虽然有人尝试将全球定位系统使用于室内定位，但都必须花费昂贵的成本。爱 普生公司通过增加设备实现了g p s 室内定位，但是其速度和精度仍然有限 【1 1 ，1 2 1 。室内定位( i n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e m ，i p s ) 有几种不同的技术发展，如 红外线( i n f r a - r e d ) 定位技术、全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、 射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 定位技术及射频识别( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 定位系统等，下面分别介绍。 室内g p s 定位技术。g p s 是目前应用最为广泛的定位技术。当g p s 接收 机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要 想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了 得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，a - g p s 技术 为这个问题的解决提供了可能性。室内g p s 技术采用大量的相关器并行地搜索 可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。利用g p s 进行定位的优势是卫星 有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不 能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。 1 2 第二章r f i d 室内定位系统 红外线室内定位技术。由a t & t 剑桥实验室提出的a c t i v e b a d g e 系统，采 用了离散红外技术来实现室内定位【1 3 】。红外线室内定位技术定位的原理是，红 外线r 标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定 位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物， 使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室 内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工 作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短 距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。 超声波定位技术。a c t i v e b a t 以及c r i c k e t 定位系统使用了超声波定位技术 【1 4 ，1 5 1 。超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位 置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计 算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和 一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向 位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时 向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时 有3 个或3 个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确 定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结 构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬 件设施投资，成本太高。 蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗 的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多 用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网 ( p i c o n e t ) 的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范 围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、 易于集成在p d a 、p c 以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有 集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定 位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设 备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵， 而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。 中山大学硕士学位论文 超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通 信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳 秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有g h z 量级的带宽。超宽带可 用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系 统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、 系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室 内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。 w i f i 技术。无线局域网络( w i ，a n ) 是一种全新的信息获取平台，可以 在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自 身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的w i f i 定位是无线局域网 络系列标准之i e e e 8 0 2 1 1 的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传 播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络 结构，系统总精度高。芬兰的e k a h a u 公司开发了能够利用w i f i 进行室内定位 的软件。w i f i 绘图的精确度大约在1 米至2 0 米的范围内，总体而言，它比蜂 窝网络三角测量定位方法更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个w i f i 的接入点最近，而不是依赖于合成的信号强度图，那么在楼层定位上很容易出 错。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室 外定位，w i f i 收发器都只能覆盖半径9 0 米以内的区域，而且很容易受到其他 信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。在大部分室内定位系统 中，使用8 0 2 11 技术，精度并不是很理想【1 6 1 7 1 。h o r u s 系统提供了一种用于位 置估算的联合集群技术，该技术使用概率的方法来实划1 8 ，1 9 】。 z i g b e e 技术。z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于 射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千 个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们 的通信效率非常高。z i g b e e 最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。 射频识别技术( r f i d ) 。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通 信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十 米。但它可以在几毫秒内得到较高的定位精度，且传输范围很大，成本较低。 第二章r f i d 室内定位系统 同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射 频识别研究的热点