第43卷第6期电子器件Vol.43No.6 2020年12月Chinese Journal of ElccLron Devices Dec.2020
RFID Indoor RSSI Wireless Location Algorithm
Based on Tag Virtualization*
LI Chuan1*,WANG Ronghai1,ZHAO Hongjun1,2
(1.Department of Information Engineering,Mianyang Polytechnic, Mianyang Sichuan621000,China；
2.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan621010,China)
Abstract:In the event of a geological(lisaster,it is difficult Lo avoid the rescue difficulties caused by the accidentally formed confined space,and the indoor wireless positioning algorithm can guarantee emergency communication and remote precision rescue in the environment.A low-cost radio frequency identification indoor wireless precision positioning method has been proposed based on the tag virtualization,the software and hardware system design is completed, and the indoor space environment is simulated to complete the algorithm test.Based on the analysis of the radio frequency identification working mechanism and the logarithmic path attenuation model of the free-space receive
d signal,the interpolation signal method is combined with the threshold segmentation exclusion method to obtain the received signal strength value of the virtual reference tag.Furthermore,the software design of the system hardware architecture and some functional modules is given.Using MATLAB17.0design simulation interface,through the comparison experiments of multiple groups,the method can not only obtain more accurate positioning results under the condition of different mesh virtualization density and number of readers,but also the system design cost is low,and are exists the actual application value of the project.
Key words:Radio frequency identification；indoor positioning；threshold segmentation；precision；virtual EEACC：7230C doi:10・3969/j・iss n・1005-9490・2020・06・039
基于标签虚拟化的RFID室内RSSI无线定位算法* 李川1*，王荣海打赵红军・2
(1.绵阳职业技术学院信息工程系，四川绵阳621000；2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)
摘要：在发生地质灾害时，很难避免意外形成的密闭空间所带来的救援困难，而室内无线定位算法可
保障该环境中的应急通讯和远程精准救援。结合标签虚拟化提出一种低成本射频识别室内无线精准定位方法，完成软硬件系统设计，并模拟室内
空间环境完成算法测试。在分析射频识别工作机理和自由空间接收信号对数路径衰减模型基础上，采用插值方法结合阈值分割排除法获取虚拟参照标签的接收信号强度值。进而给出系统硬件架构和部分功能模块的软件设计。采用MATLAB17.0设计仿真界面，在不同网状虚拟化密度和阅读器数目数的条件下，完成多组对比实验可知，方法不仅可获得较为精准的定位结果，而且系统设计成本低，有一定的工程实际应用价值。 关键词：射频识别；室内定位；阈值分割；精准；虚拟
中图分类号:TM721文献标识码:A文章编号：1005-9490(2020)06-1403-08
伴随科技的进步和发展，工业自动化生产与居民生活均对精准的定位服务有大量需求。对工业生产场地和交通配置环境而言，工作人员常需要获取智能机器人或不同类型的人在工业仓库、矿井、航站楼、超长隧道、地底停车场的位置；对个体用户来说，在相对陌生而空间结构复杂的环境中，如图书馆、大型超市、展览馆等公共室内空间，室内定位策略可协助使用者获悉自身和目标物所在位置，为生活提供便捷。尤其在涉及众生命安全的火灾、地下救援等密闭空间救援现场，室内定位策略可帮助救援人员及时知悉自身和对方方位，从而保证救援双方的安全。
项目来源：四川省科技计划项目(2018JY0337)
收稿日期：2019-09-18修改日期:2019-11-10
1404电子器件第43卷
ext前端框架利用位置信息的射频识别系统中，不论静态或是动态目标物定位，其要点在于构建给定数据信号的传播物流模型，并获取数据强度和距离间的映射关联。国内外学者对射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)室内定位策略展开大量研究,Alarifi A⑴采用聚合方法构建点位定位系统，此系统利用循环迭代策略逐步趋于真实值的方法，但计算量过大，使算法受限于迭代步长；Bok K等⑵研究者构建了LANDMARC定位系统，并带入参照标签，通过信号强弱及标签间的关系测算定位坐标，该方法明显提升了定位精准度，但成本开销大。国内学者王建平⑶融合蓝牙与RFID技术，并采用具有识别WIFI的智能终端测定目标物，该方法结合搜索和监控功能可方便生活，但实际应用中存在较大的噪声。石欣⑷采用集合方法标定RSSI值，选择高频参照标签，该方法可提高系统稳定性，但存在一定误差O 本文结合虚拟化标签和接收信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)完成室内位置的射频识别，从而实现无线位置的较为精准定位。
1RFID系统架构、工作机理和室内定位模型
1.1RFID系统架构
传统的RFID模型⑸主要包括阅读器，标签与数据监管程序三个模块，如图1给出。
图1RFID系统基本架构
阅读器是读入与处理标签信息的装备，该部分主要包含控制、射频与天线3个部分构成，可作为独立部分，也可以形成零部件嵌入各类系统中。在RFID系统中，该部分可与射频标签相连，获取并处理标签内数据。阅读器与标签间可利用半双工或全双工方式完成信息传输。RFID系统的载波频段可划分为低、高与超高三个频段。低频(128kHz-138 kHz)其稳定性强，对距离和开销要求不高，常用于设计防盗系统、门禁系统、简单管理系统和玩具等；高频(13MHz)主要完成电子支付、公交刷卡、高级门锁管理系统等；超高频(435MHz或850MHz〜900MHz)可覆盖10m及以上的通信范围，信息传输频率高。
1.2RFID工作机理
阅读器可利用天线传输射频数据，当标签在工作范围内时，会出现感应电流并在获取能量后激活。而标签则把保存后的信息利用天线传送到阅读器中，阅读器获取到标签数据后，利用调制与解码方式完成信息的后续处理。阅读器与标签间的通讯与传输模式可分为电磁感应与反向散射两种，并利用高频交变场完成耦合，如图2o
通过天线发送码墜壽
编解码
阅读器
数据输入
系统数据集
射频信号电磁波
图2RFID工作机理
1.3室内定位模型
室内定位⑹模型如图4给出，即用已知位置数据的参考值标定待定位区间，利用目标标签标定待定位目标物，从而保证天线信号覆盖整个区间。依据定位场景⑺，本文为获得无线通讯环境中的对数衰减模型，将定位区间设定为4mx5m的二维矩形区，并采用20个参照标签标定定位区，利用2个RFID天线获取收发的射频信号，在仿真中本文采用自由空间接收信号对数衰减模型⑻分析射频信号在室内空间传输的衰减，如式(1):
心d)=K t-KL(d0)-10Mg(1)式中:K「(d)为距离阅读器在d米时得到的信号强度；人是阅读器的发射功率;KL(d0)代表单位距离损耗值,d。为参考距离,n是路径衰减参量，当存在遮蔽物时该值增加。U a代表阴影衰落参量，即均值为0的高斯随机参量。本文设定d0二1m,n=1, 1.5,2,KL(d0)=100,
给出无线通讯环境⑼中的对数
第6期李 川，王荣海等：基于标签虚拟化的RFID 室内RSSI 无线定位算法1405
定位区室内定位缩略模型
图4
参考标签
/阅读器
^10 0
□ □ □ □ □口 ]□□口 口口口
□ □ □ □ 口口
口 □口□ □□ 口口口
□ 口 口口口
口
□ □ □ 口
□ □ □ □ □ 口
j □□口□□口
□□□□□□1 E E
0/边界虚拟
参考标签
□ 口参考标签
□ 300
□ □ □
网络虚拟
参考标签
□ □□ O □ □ □
2 基于标签虚拟化的RFID 室内RSSI
无线定位算法
本文提出了一种基于标签虚拟化的RFID 室内 RSSI 无线定位算法，该方法是在上文式(1)中所提
的数学模型的基础上推导而来的。对数衰减模型可
预测通讯数据，其本质即在室内或密集人状态下 随路程增大而衰减。采用基于标签虚拟化的RFID
室内RSSI 无线定位算法无需多余的网络和硬件开
销，算法的精准度较高，因而能够实现低成本、有效
的室内无线定位。
2.1改进室内无线定位算法推导
为了便于改进的定位算法推导，本文将式(1) 转换为式(2)。
r =心-10刃{十0 +5
(2)
令r °二K t -KL (d °)，与上文相应,d 为目标到阅读
器的间距,d o 为单位间距,r 为目标在阅读器获取的
通讯信号强度;5代替U a 设定为遮蔽参量，该值为随 机参量，其期望与方差设为0, £2。从式(2)可知，要
对d 估计，需要获取5，即参量0和£2。在估计参数
前，需获取先验信息,r 与d 间为对数衰减关系，而r 与-101g( d/d o )间存在线性关系，可将r 视为因变量,
-101g(d/d o )视为自变量，依据与兀轴交点结果和r o
可得随机参量的期望0，并由线性拟合项获取方差 £2。本文方法在边界虚拟参照标签算法(Boundary
Virtual Label Algorithm , BVIRE )的基础上，利用优化
方法测算虚拟参照标签的RSSI 结果，并选用排除方
法获得邻近参照标签。BVIRE 方法[10]是在VIRE (Virtual Label Algorithm)[11]方法上的改进，VIRE 方
法即在不增加额外参照标签的情况下，通过差值算
法[12]带入虚拟参照标签，并获取其RSSI 值，而将此
时所得的虚拟参照标签定义为参照值。图5给出本
文改进室内无线定位算法系统模型。图5本文改进室内无线定位算法系统模型
假定有T 个阅读器,V 个参照标签，参数r,, d,,
5,0和/分别为第j 个测定标签在第f 个阅读器的通
讯信号强度，实际距离，遮蔽参量及其期望和方差。
本文采用最大似然估计[13]策略获取目标位置。exp
为指数函数,r y .的概率密度解析式f(分dj 如式(3):
仁 ~2 f 九+10
"抵(d + 1)-5-0]2[f ( r I d 帀)=1/丿2ns 2 exp
1
1 门2/
(21,2,…,FJ =1,2,…，V)
(3)
n0705针对相同测定目标，其在不同阅读器中的RSSI
结果相互独立，对某位置的标签，设Rj = [ r 1y , r 2j ,…， r Tj ]T (j =1,2,…，V ) , D . = [ d -1, d 谊，…，d w ] (f = 1,2,
3,…，Q 。可给出各个标签在阅读器上的功率密度
分布函数如式(4):
代 RID )=
[R+10“lg( D . + 1)-5-0]2
X Y 1/丿2帀
i = 1 j=1
exp
2/
(4)
设定人二
D 二
1V
r 11r 12
…
r 21
r 22
…
平移天窗
• ・
_r T 1
r T 2 …
d 11
d 12 *d 21
d 22 *
音箱制作_d T 1
d T 2八
r 2V
d TV
TV
d 1V d 2V
设室内标签间存在相互独立的关系，则全部标
签在各个阅读器上的读数功率谱解析式如式(5):
/( r 」d,)=
X X 1*e xp [-®lg(
d T ---0]2}
(5)
设对数似然解析式为h (r, I d,)，如式(6)，阅读
2/
1406电子器件第43卷
数目为T，参照标签为人
h(r」d ij)=l n/(rJd)二
TV ln1X Y心ij+10n l g(d y+1)-5-0］2} 2ns228°=1=1
(6) 2.2RSSI值获取
2.2.1参照标签的获取
设待定位室内目标在T个阅读器中的RSSI参量为R l=(5，5i，…,r Ti)T,R/为第l个待测定目标(设共N个待测定目标)在T个阅读器结果,l=1,2,…，N针对参照标签，在T个阅读器中获取其RSSI结果,S=(S v.,S万，…,S M=1,2,…,V)。在本文算法中，各个阅读器的结果，均是多次平均求解而来。
2.2.2边界虚拟参照标签RSSI值
边界虚拟参照标签RSSI值则依据现有参照标签的RSSI值和虚拟参照标签坐标值，构建回归［14］解析式得到边界虚拟参照标签的RSSI结果。本文将室内定位系统假设在二维坐标系中，其中四个参照标
签(横坐标叼卫2，衍，切)在阅读器1中的RSSI结果分别为S11,S12，S13，S14，而左右边界虚拟参照标签与参照标签纵坐标相同，横坐标存在差别。因而，本文需要获取横坐标得到各边界虚拟参照标签在阅读器1的RSSI读数。横纵边界虚拟参照标签求法类似。
以上文为例，式(7)〜式(9)分别给出回归方程［15］和其变形、％分别为RSSI结果平均值和参照标签横坐标平均值，获得系数旳、a2后进而求得边界虚拟参照标签。
S1i=a1+a2%i i=1,2,3,4(7)
a1=S-a2兀(8)
n=4
X x i S n-nx^
=1
(9)
a2-n=4
22
X%i~nx
=1
2.2.3网状虚拟参照标签RSSI值
本文方法并不额外增添参照标签，而是通过构建空间坐标系，将网状虚拟参照标签设定在参照标签周围并通过插值方法获得。利用插值能获取其RSSI结果，能提高精准程度，本文依据信号衰减规律，采用对数衰减模型完成插值，测算网状参照标签RSSI结果。以图5为例，将k1作为对数衰减模型的参考点，则阅读器、参照标签、虚拟参照标签在空间中的位置已知，依据对数衰减模型，测算a点的RSSI a1；再以k2为参照点，获取a点的RSSI a2，可得网状虚拟参照标签的结果，如式(10)o
RSSI a=(RSSI a1+RSSI a2)/2(10)2.2.4阈值分割排除法
T个阅读器,V个参照标签，某待测定目标在阅读器的RSSI值，构成的矩阵为R l=(r u,5,…，r Tl)T,(le(1,N))为待测定目标在阅读器i中读到的结果。参照标签在T个阅读器中获得RSSI结果为S=(S n,S2l，…，S)t(l e(1,N))o差值M l= (Mu,M2l，…,M t J t(le(1,N))是阈值。
M/=S厂R［le(1,N)(11)针对各个阅读器设置阈值，并获取小于阈值的点(标记为灰),T个阅读器则可以得到T张图，其重叠部分，可用来估测待测定目标的参照标签。
2.3.5目标位置定位
通过阈值分割排除法，本文可获得T个参照标签的坐标，如式(12):
T
(兀,y)=X z(x i，为)(12)
=1
z和(也,y{)为虚拟参考坐标的加权参量与坐标,z可由下公式获取：
=I%
Z=T N
max(X X1/M；,0.01)
=0l=0
ie(1,T),le(1,N)(13)从式子(13)可知,z值越小，则其与参照标签的距离越相近，且M”值不为0o
3基于标签虚拟化的RFID室内RSSI 无线定位系统设计
本文采用MPLAB IDE编译工具在PIC16F887单片机上进行程序设计，并具有编程设计、数据读入和检验的功能。并采用MATLAB2017a完成各种仿真和调试。
3.1室内无线定位
3.1.1系统程序流程设计
本文设计的RFID系统包含多个阅读器［16］，其主阅读器与WSN网状中的协调节点类似，能集合标签及其他阅读器的全部数据，完成与电脑的通讯。
第6期李 川，王荣海等：基于标签虚拟化的RFID 室内RSSI 无线定位算法1407
而其他从阅读器则完成数据收集并向主阅读器传输
标签数据的功能。在非运转模式下，参照标签［17］完
成休眠可减弱能耗，而在激活条件下则能从休眠模
式唤醒。此外，本文的跟踪与节点标签的流程设计
与参照标签类似。
室内无线定位系统的主阅读器与各从阅读器的 通讯模式如图7给出。若单一时刻内仅有单个阅读
器处在运作状态下，则阅读器间的响应模式是：系统
初始化后仅有主阅读器开启并与标签完成通讯；之 后，主阅读器指向某从阅读器，从阅读器获取指令后
则返回等待数据，此时主阅读器则进入低能耗等待
模式中。而从阅读器则把获取的标签数据回传主阅 读器，此时从阅读器接受主阅读器的等待指令［18］。
进而完成下一个从阅读器的通讯。
标签
空压机系统
Q
.阅读粉、从阅读器 v \
从阅读器
<
主阅读苧、
<z9
图7主阅读器与各从阅读器的通讯模式
图8、图9分别给出阅读器和标签在等待、发送
和接收三种状态转换时的程序处理流程图。
图8阅读器转换流程图
3.1.2帧时隙ALOHA 防碰撞模块实现
在本文设计的基于标签虚拟化的RFID 室内 RSSI 无线定位系统中，可能存在多个标签在阅读器
的识别区内。因而若多个标签传送信息给阅读器 时，则易出现信息间的扰动［19］，使标签难以识别，因
而本文设定防碰撞方法避免该情况出现。
帧时隙ALOHA 防碰撞方法可将通信信道划分
为多个帧［20］，各个帧又分割为多个时隙，标签则在各
图9标签转换流程图
个帧中随机选取时隙完成信息发送。当标签获取到
阅读器的指令后，随机选取一个时隙后延迟一段时
间，若检测到当前时隙与标签选择的时隙符合则发送
信息。阅读器利用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check , CRC )判别是否存在多标签在同一时隙内发送
信息，当单个帧结束后，阅读器则传送等待指令让通
讯后的标签进入等待模式。
本文设定的标签采用PIC16F887单片机中的定
时器1用作伪随机数据产生器，并产生随机数据，进
而利用该随机数选择某个时隙完成应答。当标签工 作时，定时器进行计数，由于各个标签启动时间存在
差别，因而计时数据存在一定随机性。在收到阅读器
指令后，标签则取出定时器1的第八位用作随机数。
阅读器利用CRC 校验判定是否出现数据碰撞。
CRC 校验依据所需要传输的H 位数据序列，依
照相应规则得到一个用于校验的F 位CRC 校验码,
并在数据序列添加后构成(H + T )位的二进制数列
”X )。对比计算值和获取的CRC 校验码，若结果相
同则表明传输正确，否则表明传输错误。本文利用 16位CRC 校验码进行校验，其生成规则是把H 位二
进制数列y (X)左移16位，并除多项式M (X )，获取
整数P (x )与余数F (X)，所得余数F (X )为CRC 校
验码，如式(14)和式(15)o 本文采用软件方法中的
按位测算法完成CRC 检验。
M( X) = X 16+X 15+X 2 + 1
y ( X
)216= P( X)+ F ( X
)
M( X) M( X)
3.2室内无线定位系统硬件设计
(14)(15)
本文系统主要包括阅读器、标签与数据监管平 台。阅读器主要完成标签通讯，获取数据强度并与 电脑实时通讯。RFID 标签包括参照标签、边界虚拟
参照标签、网状虚拟参照标签，通过标签定位目标。
家用食品搅拌机
阅读器的基准架构包含微控制模块与射频通讯
板块，微控制模块由PIC16F887芯片为中心，射频通
讯模块则由CC1101和外围电路形成。此外，阅读器
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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