基于RFID的室内位置感知系统
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I
摘 要
位置感知是为用户提供所需要的与位置相关的服务，其应用离不开获取用户
的位置信息。由于传统的定位技术不能满足室内定位环境和精确度的要求，而 RFID
传感技术所具有的非接触和非视距等优点使其成为室内定位技术的首选。本文所
研究的利用 RFID 传感技术进行室内位置感知是提高位置服务性能的一项重要技
术手段。
论文从对象定位和目标追踪两个角度出发，着重对数据处理进行了研究，将
定位算法作为关键问题进行了深入探讨。在系统架构中，RFID 作为定位传感技术
的重点，主要分析了应用于室内环境中的优势，对于需要改进的地方提出了自己
的意见。为了解决位置数据风暴问题设计了二级数据融合层次结构，以形成对位
置信息相对完整一致的感知描述。
在获得了较精准的数据以后，利用定位算法实现位置计算。通过比较了国内
外先进的室内定位算法，选择了基于反射信号强度的标签定位方法。在该方法中
引入墙衰减因子 WAF 对简单信号传播模型进行修正，实验数据表明了 WAF 传播
模型有效地补偿了由障碍物引起的衰减。随后利用线性及多元回归分析方法进行
参数估计，最后通过 Fang 算法或 Chan 算法求解曲面方程计算得出标签的位置。
这种方法的优点在于可以获取精确的位置信息。
基于 LANDMARC 方法的思想，对于移动目标采用基于参考标签的定位方法。
使用欧几里德几何学方法来检测信号强度的距离，表明了参照标签与移动目标间
的位置关系。选择 k个距离最近的参考标签来计算移动目标的位置，这样做优点
在于不仅计算量小还解决了室内动态环境对于数据的影响。
论文充分结合了定位算法的高精确度和追踪算法的快速响应两方面的优势。
对于在室内环境中的定位技术进行了深入的研究，针对基于 RFID 的室内位置感知
技术的发展提出了自己的见解。
关键词：RFID 位置感知 室内定位 追踪
II
ABSTRACT
Location awareness aims to provide location related service to customers, so that its
application is related to getting the location data. Just because the traditional locating
technology can not meet the requirement of accuracy in indoor environment, RFID with
the virtue of non-touch and non-LOS, becomes the first choice of it. The topic of this
thesis, RFID based Indoor Location Awareness System, is a key approach to improve
the indoor location service.
From two parts, object locating and tracking, this paper emphasizes data process
and locating algorithm. In the system framework, RFID is an important technology used
in location sensor. This section analyzes its advantage used in indoor environment and
brings forward some points of update proposal. A two-level data process model is
designed to solve the problem of location data storm, thus can form a uniform
description of location data.
After getting rather precise data, several kinds of locating algorithm are used to
implement location computing. By comparing different methods of indoor locating
algorithm, a kind of received signal strength based tag locating method is chosen. Wall
attenuation factor is adopted to improve the performance of simple signal propagation
model, and the result of experiment has demonstrated that the WAF compensates
effectively for attenuation due to obstructions. And then linear and multiple regression
analysis methods are applied to estimate the parameters in this model, Fang and Chan
algorithm to compute the tag location. This method aims to get exact location data.
To locate mobile object, a reference tag based locating method is applied. This
method is mainly based on LANDMARC approach, which computes the Euclidean
distance of signal strength to show the distance between the reference tag and the
mobile object. In this method, k-nearest reference tag algorithm is chosen to compute
the location of mobile object. This method has two advantages; they are fewer loads of
computing and offsetting indoor dynamic interferences to data.
This paper combines the mutual advantage of locating high-precision and tracking
fast-response. When investigating locating technique used in indoor environment, gives
my own opinions about the development of RFID based indoor location awareness
system as well.
Key word: RFID, location awareness, indoor locating, tracking
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...................................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义............................................................................................1
§1.1.1 位置感知的基本概念.........................................................................1
§1.1.2 RFID 实时定位系统的发展 .............................................................. 2
§1.2 国内外研究现状............................................................................................3
§1.2.1 位置计算的主要技术.........................................................................3
§1.2.2 室内位置感知系统简介.....................................................................5
§1.2.3 室内定位技术的选择.........................................................................7
§1.3 研究难题与方向............................................................................................8
§1.4 论文内容与结构............................................................................................8
第二章 室内位置感知的系统架构.............................................................................10
§2.1 室内位置感知系统的构架..........................................................................10
§2.2 RFID 定位传感网络 ................................................................................... 12
§2.2.1 RFID 技术的发展 ............................................................................ 13
§2.2.2 RFID 标签的分类 ............................................................................ 14
§2.2.3 RFID 中间件的设计 ........................................................................ 15
§2.2.4 RFID 系统在室内环境中的应用 .................................................... 16
§2.3 位置服务器..................................................................................................17
§2.3.1 数据库服务器...................................................................................19
§2.3.2 网络服务器.......................................................................................19
§2.4 前端应用系统..............................................................................................20
§2.5 本章小结......................................................................................................20
第三章 室内位置感知系统的数据处理.....................................................................21
§3.1 数据处理的流程..........................................................................................21
§3.2 传感器的数据处理......................................................................................22
§3.3 数据融合的处理方法..................................................................................24
§3.3.1 数据融合的模型...............................................................................24
§3.3.2 目标识别的处理方法.......................................................................25
§3.3.3 目标追踪的处理方法.......................................................................27
II
§3.4 数据模型......................................................................................................31
§3.4.1 数据模型...........................................................................................32
§3.4.2 数据流...............................................................................................33
§3.4.3 数据库服务器的性能.......................................................................34
§3.5 本章小结......................................................................................................35
第四章 室内位置感知系统的定位追踪算法.............................................................36
§4.1 算法研究的公制问题..................................................................................36
§4.1.1 信号强度的可行性分析...................................................................36
§4.1.2 算法的公制问题...............................................................................37
§4.2 基于反射信号强度的室内固定标签定位算法..........................................38
§4.2.1 墙衰减因素 WAF 传播模型 ............................................................38
§4.2.2 固定标签的位置估计.......................................................................43
§4.2.3 WAF 传播模型的性能分析 .............................................................46
§4.3 基于 k-最近邻算法的室内移动标签追踪算法......................................... 47
§4.3.1 k-最近邻定位算法........................................................................... 47
§4.3.2 移动标签的追踪...............................................................................50
§4.5 本章小结......................................................................................................52
第五章 室内位置感知系统的应用与工作总结.........................................................53
§5.1 位置感知系统的应用层次..........................................................................53
§5.2 位置感知系统的应用模式..........................................................................55
§5.3 基于位置的室内环境感知系统..................................................................57
§5.4 位置感知系统的多维应用..........................................................................58
§5.5 结论与展望..................................................................................................59
参考文献.........................................................................................................................60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................62
致 谢.........................................................................................................................63
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及意义
计算模式在经历了主机计算、桌面计算之后，正朝着普适计算(Ubiquitous
Computing)大步前进。普适计算环境所倡导的是将计算机和人所处的环境和谐地融
为一体。环境的感知效应对室内环境的影响主要在于为人们创造一个良好的合理
的生活和工作环境。其中，计算机要所要完成的任务在于根据环境中对象的位置
和空间关系的变化为用户提供非干扰的服务，并自动地调整自己的状态和行为来
适应系统和用户的要求。由此可见，室内环境感知的一个重要问题就在于位置计
算，位置决定着采取怎样的服务。
现今的位置服务领域非常火热，其应用大部分都是基于户外移动用户的，随
着生活质量的不断提高，小型移动计算设备及无线网络的发展使得室内位置服务
变得越来越重要。人们对位置服务的要求也越来越高，范围也越来越广，用户方
位感知、智能家电的许多行为都与位置相关，如自动打开用户附近的灯或将来电
自动转接到离用户最近的电话，通过家庭网络将计算机视觉、位置追踪设备等方
法获取的用户方位在智能空间进行感知。这就推动了各研究机构及商家等对室内
小范围位置感知的研究。本文研究利用 RFID 传感技术进行室内位置感知是提高位
置服务性能的一项重要的技术手段。
§1.1.1 位置感知的基本概念
所谓位置服务[1](LBS, Location Based Services)又称定位服务，是指通过移动终
端和移动网络的配合，确定移动用户的实际地理位置，从而提供用户所需要的与
位置相关的服务信息，是一种移动通信与导航融合的服务形式。在提供便捷的位
置服务的同时，无疑需要大量的精准数据。
位置感知[2] (Location Awareness)就是获取用户或目标的位置信息，进行上下
文融合，分析目标的历史、现状，预测未来可能要发生的事，提供及时的服务。
位置感知计算(Location-aware Computing)就是应用或服务能根据环境中对象的位
置和空间关系的变化，而非侵入式以及不干扰用户注意力地自动调整自己的状态
和行为来适应系统和用户的要求。
在介绍对于位置感知系统所做的相关研究之前，有必要先下一个定义。在此
将目前用于获取位置信息的系统分成两大类：定位系统及追踪系统。定位系统是
用户从系统环境中接收检测的位置信息并让用户自行计算其真实位置。这在可能
基于 RFID 的室内位置感知系统
2
是敌方的环境下保证了用户个人的隐私，这一领域已有很多研究工作正在进行。
而追踪系统则是一台中央计算机或者控制器在一定范围内监视目标而不涉及计算
待追踪目标的位置信息。在非敌对环境中，隐私并不是主要的问题。许多系统是
这两种类型的混合—不管是从设计上还是简单地从构造上—通常为了安全性和机
密性的需要。我们通常将术语“位置感知”定义为这种混合系统。本文所研究的系统
也属此类，之所以要区分这两类系统的目的在于要区分处理位置信息的策略与精
确定位目标的机制[3]。在本文中所论述的位置感知系统，主要研究的是固定于室内
环境中的待定位对象与在室内环境中移动的待追踪目标。
§1.1.2 RFID 实时定位系统的发展
在信息社会，提升数据采集的效率和准确程度是每个行业共同关注的焦点，
而RFID 的无线识别无疑在这方面跨出了一大步。根据 Forst&Sullivan 关于“RFID
实时定位系统市场”[4]的分析报告中指出 2004 年实时定位系统(RTLS, Real Time
Locating Systems)的市场利润为 2.01 亿美元，2011 年预计将达到 12.6 亿美元。副
研究员 Sathya Durga 认为，对实时数据的需求正在快速增长，因为人们发现它能
在恰当的时间提供准确的信息，从而提高效率，提供更好的服务。
图1-1 RTLS1998～2005 市场分析(单位：百万美元)
实时定位系统是一种利用电子设备随时定位人或物的系统。RFID 实时定位系
统使用无线遥感技术为用户提供无线服务，主要应用于已经具备无线连接性的网
络区域内的资产进行实时定位追踪。RTLS 实时定位系统的市场在目前还比较小，
到目前为止全球大约实施了 1000 个这样的系统，但是 RTLS 实时定位系统将在未
来几年中获得爆发性的增长。
无线及通信设备的普及带动了人们对位置感知服务的需求，人们需要确定物
品的三维坐标并追踪其变化。现有的定位服务系统主要包括基于卫星定位的 GPS
第一章 绪论
3
系统、基于红外线或超声波的定位系统以及基于移动网络的定位系统。RFID 的普
及为人与动物的空间定位与追踪服务提供了一种新的解决方案[5]。RFID 定位与追
踪系统主要利用标签对物体的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签
之间的射频通信的信号强度来测量物品的空间位置，主要应用于 GPS 系统难以应
用的室内定位。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 位置计算的主要技术
三角定位法(Triangulation)[3,6] ，场景分析法(Scene Analysis) 及信标定位法
(Proximity)[3]是获取位置信息通常采用的三种主要技术。三种方法可以单独应用，
也可以结合使用。
1. 三角定位法
三角定位技术利用三角形的几何属性来计算实体的位置。根据测量对象的不
同，三角测量法又分为测边法和测角法。
(1) 测边法
基于距离测量的位置计算过程，将待定位对象锁定于多个区域的相交部分。
对象与各区域中心的距离可以用来计算对象的精确位置。图 1-2 表明了使用三个区
域进行三角定位的实例。
图 1-2 三角定位的实例
一般情况下，计算实体的二维坐标至少需要三个两两不共线的参考点。同理，
计算三维坐标则需要四个不共面的点。实现距离的测量，通常有如下 3种途径:
1) 直接测量：根据物体的物理属性如转动或位移进行测量。
2) 到达时间(TOA, Time of Arrival)或到达时间差(TDOA, Time Difference
of Arrival)：已知电波的传输速度，通过测量电波从发射机到多个接收
机的传播时间或时间差来确定移动基站的位置。
摘要：
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I摘要位置感知是为用户提供所需要的与位置相关的服务，其应用离不开获取用户的位置信息。由于传统的定位技术不能满足室内定位环境和精确度的要求，而RFID传感技术所具有的非接触和非视距等优点使其成为室内定位技术的首选。本文所研究的利用RFID传感技术进行室内位置感知是提高位置服务性能的一项重要技术手段。论文从对象定位和目标追踪两个角度出发，着重对数据处理进行了研究，将定位算法作为关键问题进行了深入探讨。在系统架构中，RFID作为定位传感技术的重点，主要分析了应用于室内环境中的优势，对于需要改进的地方提出了自己的意见。为了解决位置数据风暴问题设计了二级数据融合层次结构，以形成对位置信息相对完整一致的感...
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