基于RFID的游客实时定位系统的设计

1、物联网工程实践 综合实验 物联网技术13-01班（1/2）郑州轻工业学院实 验 报 告名 称： 物联网工程实践 综合实验 ，院 （系）： 计算机与通信工程学院 ，专业班级： 网络工程（物联网技术13-01） ，姓 名： 马伟豪 ， 学 号： 541313150132 ，指导教师： 邹东尧 席广永 ，成绩评定表内容成绩评语三次汇报综合评定成绩 时间： 2015-2016（2）目录1.系统简介21.1需求分析21.2技术现状21.3 相关研究工作21.3.1 超声波技术31.3.2 超宽频技术31.3.3 射频识别技术42.功能方案及设计42.1系统功能42.2 工作原理与系统框架图42.2应用领

2、域53.系统介绍与应用环境53.1 应用与环境简介53.2系统实现原理53.2.1 边界虚拟参考标签定位算法BVIRE53.2.2网格虚拟标签的加入73.2.3 区域定位算法74.总结7物联网工程实践综合实验 专业班级：物联网技术13-01 姓名：马伟豪 学号：541313150132基于RFID的游客实时定位系统的设计摘要针对目前旅游景点的游客定位问题，采用 RFID 技术，用 RFID 的边界虚拟参考标签算法对区域定位算法进行了改进。该新型算法将旅游景点划分为若干定为区域，在各个区域布上参考标签。通过计算各区域的参考标签及虚拟标签与游客所携带的被定位标签的距离，建立一个区域矩阵。再通过区域

3、矩阵确定被定为标签即游客的位置。同时提出记录游客位置的算法，将游客在旅游景点的位置记录下来，各旅游景点可以以此改善景点路径的设置，重点关注游客游览频率较高的路径，并且依此可以在意外事故发生后可以以此进行分析异常情况进行相应追踪。关键词：RFID；实时定位；区域定位算法；BVIRE 算法 1.系统简介1.1需求分析物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；该系统将定位技术和游览系统相结合，通过射频识别技术实现标签的自动识别，设计出一套公园内集成地图和定位功能的系统。能让你在逛公园时清楚地知道自己在哪，在地图上标注有景点、娱乐项目、餐馆、厕所之类的地方。同行人员可以进行绑定，查看对方位置，防止走散

4、，同时能很快找到你所需要的服务。1.2技术现状RFID技术涉及信息、制造、材料等诸高技术领域，覆盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和国际跨国公司都在加速推动RFID技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生千项关于RFID的技术专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。目前RFID标签制造以蚀刻、冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，随着新型导电油墨的开发，印制天线的优势越来越突出。RFID标签以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装工艺。中国低成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺正在研发中。读写器方面，我国已

5、经推出了系列RFID读写器产品，小功率读写模块已经达到国外同类水平。在应用和系统上也已取得初步成果，应用于铁路车牌号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。1.3 相关研究工作 当前位置感知正成为许多新型计算领域(如普适计算、移动计算等)的一个最 重要的特征和追求目标，而作为提供基于位置服务的核心技术之一，对移动对象 的定位方法2和技术的研究也随之逐渐深入。 室内定位系统有最基本的5种算法：1）起源蜂窝小区技术；2）时间到达法 （TOA）；3）时间到达差法（TDOA）；4）信号强度法（RSSI）；5）到达角度差 法（AOA）。常用的室内定位技

6、术主要包括以下几种：1）基于超声波定位技术； 2）基于红外线的定位技术；3）基于超宽带的定位技术；4）射频识别定位技。1.3.1 超声波技术 超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电 子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空 间的固定位置。定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签， 电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距 器之间的距离，并得到定位坐标。3Cricket和Active Bat是超声波技术的典型 代表，它采用超声波时延信号进行定位。其中MIT 的cricket 室内定位系统是利 用

7、射频和超声波的到达时间差来测量距离，采用三角测量法计算位置。在被动工 作系统下，该系统由基站和接收器构成,多个基站周期性的发送射频和超声波信 号给接收器，用户携带带有接收器的计算设备，接收器记录每个基站发送的射频 和超声波到达时间，然后计算出基站和接收器的距离，用三角测量法确定用户的 位置。中值误差达到30cm 以内。在主动工作系统中，由用户发射射频和超声波 给多个读写器，然后传送给定位计算软件进行定位。中值计算误差可以达到3cm. 系统缺点：对方向敏感，只能在一个狭窄的扇形区域内接收数据，用于远距离定 位需要增加节点，使得费用比较昂贵。1.3.2 超宽频技术 超宽带技术是近年来新兴的一项无线

8、技术，目前，包括美国，日本，加拿大 等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。利用放 置在附近的多个接收器，超宽频无线技术可以经由三角测量找出贴有发射器的物 品位置。基于超宽带技术的室内定位系统典型实例为：Ubisense，其定位方法为 三边定位，定位精度为：610cm，缺陷：造价较高。1.3.3 射频识别技术 该系统通过参考标签和待定标签的信号强度RSSI的分析计算，利 用“最近邻居”算法和经验公式计算出带定位标签的坐标。LANDMARK系统定位精 度：平均1m。缺陷：LANDMARK系统有几方面缺陷，首先，系统定位精度由参考标 签的位置决定，参考标签的位置会影响定位；

9、第二，系统为了提高定位精度需要 增加参考标签的密度，然而密度较高会产生较大的干扰，影响信号强度；第三，因为要通过公式计算欧几里德公式得到参考标签和待定标签的距离，所以计算量 较大，所以计算时间较长。 2.功能方案及设计2.1系统功能基于物联网的游览系统是以RFID(射频识别)技术为基础，充分利用物联网技术，集成先进的硬件设备和完善的软件系统建立的智能系统。具有以下模块及其功能： (1) 无线网络模块（其中包括全区局域网覆盖，供游客连接系统等功能）；(2) 网页地图模块（其中包括所有道路，各区域功能性建筑的查看功能）； (3) 标签管理（其中包括标签的分发和提供跟踪定位服务的功能）； (4) 主

10、控制中心（其中包括人员以及贴身物品的定位和系统维护的功能）； (5) 读写器系统（其中包括多台基站）。2.2 工作原理与系统框架图系统的主要设备由标签、读写器、无线数据采集器和追踪服务器组成。在旅游 景点四周安装若干个个无线读写器，读写器都在彼此的读写范围内，读写器的个 数按景点的大小来确定。读写器和参考标签构成一个定位单元。游客身上携带有 RFID 标签，如图所示，当游客移动时，读写器读取游客所携带的被定为标签和 相关的参考标签的相关信息传送到无线数据采集器。无线数据采集器统一将所有 数据收集，并发送到追踪服务器进行处理。追踪服务器会将数据记录，然后提供 所需要的服务。 图2.1 系统框架图

11、2.2应用领域同样可以用于商场与大型景区的游览，也可以用于室内物品的定位，企业人员管理等领域。3.系统介绍与应用环境3.1 应用与环境简介游客在进入公园时可以主动要求分得标签，选择单人或结伴模式，手机联网后可自动弹出地图页面，随即显示自己的位置。之后可根据自己的需要来选择路线，了解不同地点的详细信息。3.2系统实现原理3.2.1 边界虚拟参考标签定位算法BVIRE 边界虚拟参考标签算法中的虚拟标签包含两种，一是边界虚拟参考标签，另 一种是已知参考标签划分的网格中所加入的网格虚拟参考标签。具体步骤如下： 1）边界虚拟参考标签的引入。边界虚拟参考标签的位置分布如下图所示 其中T1、T2、T3、T4

12、等处于区域中间实际布置的参考标签，处在边界即为边 界虚拟参考标签，其主要作用时解决仅使用网格虚拟参考标签在边界定位时 易产生误差的问题。 图3.1 边界虚拟参考标签定位算法引入16个边界虚拟参考标签，由原标签的坐标值易求的边界虚拟参考标签 的坐标值。另外，由原参考标签的信号强度和坐标建立线性回归方程，得到边界 虚拟参考标签的RSSI值，则边界虚拟参考标签和实际的参考标签就具有了一样的 参考价值。当时及参考标签的位置和RSSI值变化时，边界虚拟参考标签位置和 RSSI值可以实时更新，具备良好的环境适应性。具体做法如下： 以图3.1中第1行标签T1、T2、T3、T4例，假设这4个标签在阅读器R1上

13、的RSSI 值 分别为S11、S12、S13、S14将它们的坐标值和RSSI值(x1 ,S11 ),(x2 ,S12 ),(x3 ,S13 ),(x4 , S14 )代入式(2)、式(3)求出一组 0、 1值，根据式(6)和Tb1标签的横坐标Xb1 可求得它在阅读器R1上的RSSI值S1b1。同理可得其在另外3个阅读器上的RSSI 值。左边和右边的8 个边界虚拟参考标签的RSSI 值均可由以上几个式子求得。上边和下边的8个边界虚拟参考标签则可通过纵坐标y建立线性回归方程，方法同上。3.2.2网格虚拟标签的加入 若仅仅加入少量边界虚拟标签的话，其定位精度经研究远远不能达到要求， 而且在本次应用中

14、景区的划分区域面积加大，所以还需加入网格虚拟标签。将每 4个参考标签和边界虚拟参考标签进一步划分为N*N个小网格，在小网格处加入网格虚拟参考标签，如下图所示（T1、T2等为实际参考标签，V1等为虚拟参考标签）。 虚拟参考标签均匀分布于单元网格中，由于实际参考标签的位置坐标可以求出虚 拟网格参考标签的位置。相当于增设了许多实际参考标签，即可节省大量成本。3.2.3 区域定位算法 1）整体思路为：首先将旅游景点划分为若干个定位区域，在每个区域设置 参考标签及布置相应的边界虚拟参考标签和网格虚拟参考标签。然后通过计算待 定位标签与各种参考标签的距离，确定其所在的区域。为方便描述我们将参考标 签与边界虚拟参考标签及网格虚拟参考标签在后文的描述中统称为参考标签。 2）具体定位匹配算法：假设我们有n个读写器，IJ 个参考标签，定义待 定位标签的信号强度矢量为 S =（s1,s2,.,sn）,其中si 是第i 个读写器读取的 信号强度，对于坐标为（i，j）的参考标签信号强度矢量 i,j=（ 1， 2，, i,., n）， i 是