毕业设计英文翻译(论文)-基于有源RFID使用虚拟标签消除的定位方法.doc
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1、毕业设计英文翻译(论文) VIRE: 基于有源 RFID 使用虚拟标签消除的定位方法 目目 录录 摘摘 要:要:3 1. 引引 言言.3 2. 相关成果相关成果.4 3. LANDMARC 系统回顾系统回顾.5 3.1. LANDMARC 的缺点5 3.2. 设备改进.6 3.3. 环境因素.6 4. VIRE 方案方案.8 4.1 过多参考标签引起的 RSSI 值干扰 .8 4.2 虚拟网格坐标的确定10 4.3 淘汰不可能的位置11 5. 系统设施和实验评估系统设施和实验评估.13 5.1 实验环境的影响13 5.2 虚拟标签密度对结果的影响13 5.3 门限值的影响14 6. 总结以及未
2、来工作展望总结以及未来工作展望.14 西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 3 - 摘 要: RFID 在很多应用领域中都是极具吸引力的解决方案,因此它正在受到越来 越多的关注。基于有源 RFID 的定位技术为进一步深化、扩大该应用领域提供 了必需的增值价值。LANDMARC 是有源 RFID 作为室内传感定位并取得令人 满意的结果的第一种算法。然而,LANDMARC 算法有 2 个缺陷:第一,在有 严重信号多径效应的闭合区域内它的表现并不好;第二,如果想要进一步提高 定位的精度,就必须增加参考标签的数量,但这样以来,成本必然提高,同时 还可能引发 RF 参考标签之间的干扰。本文推荐的 VIR
3、E 算法可以在不增加额外 成本的前提下解决 LANDMARC 的以上缺陷。每个读卡器存有一个基于虚拟参 考标签的近似图,同时使用淘汰算法来剔除不可能的位置以降低系统的估测误 差。我们的实验结果表明,在不同的标签位置合不同环境中,VIRE 系统将室内 定位的准确率较 LANDMARC 系统提高了 17到 73%不等。 1. 引 言 在无处不在的计算机和无线网络领域中,由于很都应用技术都需要准确的 知道目标物体的位置,因此定位技术受到了相当大的关注,也正因此发展出了 很多定位服务。毫无疑问,GPS是目前所有定位技术中最著名的一个。然而, GPS定位并不适合室内环境。其他一些技术,例如infrare
4、d, ultrasonic, video cameras, 和 electro-magnetic field strength,虽然均可以作为可行的解决方案,但 也各自有相应的局限以及系统规定参数。无线电频率是另一种颇具前景的技术, 如果移动的物体和某些参考标签都利用rf信号来实现通讯的话,那它利用接受 信号强度来追踪移动物体。 理论上讲,接收机接受到的信号强度是发送端和接受端距离的函数。可是 在实际应用中,要将这些场景付诸实践还存在着很多困难。室内布局以及移动 的物体很引起无线信号的反射、折射、衍射、死角和吸收。因此会发生严重的 多经现象并影响室内传感定位的精度。更有甚者,其他一些因此,比如
5、温度、 天线方向角对地高度等,同样会影响到接收信号强度。可是,由于在无线通讯 环境中,接收信号强度不需额外开销就能够得到,因此基于RF的定位技术不可 避免的成为了研究热点。 在RF定位中有4个基本模型,第一种,追踪的物体的位置取决于待定标签, 定位系统通过从已知位置的接收器处收起信息并进行处理来确定待测物体的位 置;第二种,目标物体需要携带有发送器,从而跟踪器可以接受到临近发送器 西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 4 - 的信号强度信息,并计算它的准确位置。第三中模式中,目标物体携带接收器, 并与其他物体进行信息的交换。第四种被称作transceiver-free的模式中,跟踪器 既不带发
6、送器也不带接收器,目标物体的位置通过比较环境中不断改变的接受 信号强度特征来确定。为了提高定位的精度,现在已经开发出了许多技术,并 且更新的技术的研究依旧是一个热点。 本文专注与第一种模型。一个有源 RFID 标签可以产生独立的发送信号。 典型的 RFID 读卡器可以读到 100m 内的发送器发送的信号强度。LANDMARC 技术是最受欢迎的基于有源 RFID 的室内定位技术之一。它用能与外界环境相 适应的已知坐标的参考标签来提高定位的准确度。最近,销售方通过直接提高 RSSI 读卡器的质量来提升设备的功能,包括缩短信标间隔,并保证所有的标签 的特性基本相同。我们的实验利用改良的设备进行实验发
7、现,LANDMARC 算 法有 2 个缺陷:第一,在有严重信号多径效应的闭合区域内它的表现并不好; 第二,如果想要进一步提高定位的精度,就必须增加参考标签的数量,但这样 以来,成本必然提高,同时还可能引发 RF 参考标签之间的干扰。我们的目标 是呈现一种新型的具有高度准确率的室内定位方法。该系统可以在不添加标签 和读卡器的基础上运行,我们称之为 VIRE。它使得室内定位兼具高效和准确的 特点。在 VIRE 中,不同于以往传感领域使用实际的参考标签,我们引入虚拟 参考标签的概念,并以次来增加覆盖范围内的标签密度。为了减轻非典型性信 号行为的影响,每个读卡器产生一个由虚拟标签形成的近似图。为了判断
8、一个 物体可能的位置,我们首先淘汰那些明显不可能的位置。实验数据表明,VIRE 系统将室内定位的准确率较 LANDMARC 系统提高了 17到 73%不等。VIRE 系统在封闭复杂的室内环境中表现良好。 本文的其他部分组织如下:在section2中我们给出一个相关技术的大体概述, 在section3中,我们回顾LANDMARC系统,同时指出一些有趣的地方。在 section4中,我们将给出VIRE系统的具体描述以及细节呈现。在section5中,我 们会给出实验的具体结果。最后,我们会在section6中对我们的工作进行总结与 展望。 2. 相关成果 RFID技术已经应用到了很多实际领域中。一
9、个标准的RFID系统包含3个基 本组成部分:RFID标签,读卡器和中间件。RFID标签对于RFID系统来说是不 可或缺的。它可以传输存储在内存储器中的信息。虽然目前市面上有很多种类 的RFID标签,但我们可以将她们分为2大类:有源型和无源型。有源标签不需 西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 5 - 要诸如蓄电池、太阳能电池之类的板上电源,并且此类标签体积小,价格低廉。 有源RFID标签的信号传送范围通常少于10英尺。与无源标签不同,有源RFID标 签带有电源,该电源可以为发射信号的集成电路供电。有源RFID标签的优点包 括相当长度的覆盖范围、高数据带宽、自动识别最佳传送路线等。基于有源 RF
10、ID的以上特点,一些研究学者开始把目光投到室内有源RFID定位的研究开发 上。理论上讲,在开放空间中,信号强度和距离之间有反相关的关系。然而, 由于实际环境的影响,距离与信号强度之间可能会成3次或者4次幂的关系。此 外,其他因素也可能会影响到距离和信号强度之间的关系。因此,我们不能通 过直接计算分析信号的强度来确定它所处的位置。LANDMARC方法是一种有 效的解决方法,它通过比较已知位置的参卡标签的所获得的待测标签的RSSI来 匹配待测标签的坐标。 基本上,每个读卡器都可以测量参考标签和待测标签的RSSI,一定数量的 读卡器进而可以协调她们待测标签和参考标签的关系。通过已知位置的参考标 签,
11、待测标签的位置就可以确定了。有些学者试图提高LANDMARC的性能。 在【12】中,作者提出了三角形机制来计算额外坐标,这以尝试可以通过减少 计算量来减少延时,同时增加定位准确度。基于rf技术,蓝牙为我们提供了一 种在便携移动终端间进行数据传输和信息交换的途径。作为发送端,蓝牙设备 在定位传感方面表现良好,由移动标签和静态蓝牙组成的BLN系统已被应用与 室内定位服务来帮助使用者确定在某建筑物中的蓝牙携带者。这一技术在每一 个房间中都构建了一种协作式的定位网络。它用蓝牙和以太网来覆盖整个大楼, 基于主从机制,这一系统通过问询、标记和连接3相机制来解决定位追踪问题。 如果目标物体进入了静态节点sn
12、已被激活的的区域中,主节点就能利用将sn地 址和目标节点地址相关联得到的信息来判断出目标的位置,它提供了在一个房 间范围内的准确定位。该系统的可延伸性收到了传送阻塞的限制。 3. LANDMARC系统回顾 3.1. LANDMARC的缺点 LANDMARC系统由有源RFID标签和RFID读卡器2部分构成。虽然 LANDMARC是一种有效的传感定位技术,它也同样面临者一些局限问题,比 如没有直接的信号强度读卡器,长时延,标签特性的不统一以及参考标签的低 覆盖性等。 在最初的LANDMARC应用系统中,标签平均每7.5秒发送一次信号。这个 西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 6 - 长间隔中包涵
13、了一个定位反馈的长时延,就是这个过长的信号间隔使得 LANDMARC的应用领域严重受限。 读卡器仅能辨别出8个电源强度等级,而不是准确的信号强度信息,这8个 等级用来控制接受端读卡器和发送端标签的距离。最远的标签的电源强度等级 是8,而最近的等级是1.作者使用的电源能量等级引起了不必要的定位误差。 LANDMARC系统的第三个缺陷在于标签的特性不统一性。因此不得不执行一 次昂贵并且耗时的标签校准,以此来达到降低定位误差的目的。定位准确度可 以通过增加参考标签的数量来提高,但是这一举措由十分的昂贵。这3个缺陷主 要时由参考文献【11】中所使用的设备限制引起的。 3.2. 设备改进 我们的新系统使
14、用RD code公司生产的设备,该公司也是生产最初的 LANDMARC设备的生产商,但是软件和硬件水平都已经由了大幅提高。由读 卡器接收到的标签信息送到中央处理器中, 读卡器侦测同时转换有源RFID标签发射的无线点频率数据。有源标签和读 卡器之间的距离可以高达到1000多公尺,具体数字要由天线构造来确定。通过 中间件的帮助,我们可以直接获取到参考标签和待定标签的有用信息,包括标 签ID,读卡器ID,以及RSSI值。据作者介绍,该新系统不禁解决了RSSI的读取 问题,同时还将2次信号发射之间的时间间隔降低到了2s,更棒的是,所有标签 的特性都非常接近。 3.3. 环境因素 既然当系统的操作环境改
15、变是,标签和读卡器之间的信号强度差会产生相 同或近似的变化,我们就需要在不同的场所和环境中设计实验。为了衡量定位 的效率,我们在3中差别很大的场景中重复LANDMARC实验并且收集测试数据。 环境1是一个半封闭的区域,没有被混凝土墙壁和家具所环绕。环境2 是一个宽 敞的封闭空间,并且在定位区域中没有过多的金属物体。环境3是一个典型的办 公室环境,区域较小并且布满桌椅。图片1是这3个场景的示意图。 西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 7 - 图图1 3个场景的布局示意图个场景的布局示意图 对每一个场景发生地点,我们都部署同样多个和同样位置的标签和读卡器。 2个临近的标签之间的距离是1m。读卡器
16、安放在定位区域的4个顶角上。图片2 呈现了9个待测标签的位置。 图图2 待测标签的位置示意图待测标签的位置示意图 环境1、2的定位误差明显小于环境3中的定位误差。最主要的原因是在环境 3中,环境的布置对信号的反射很敏感,并且整个空间中也充满了与无线电波长 相近的其他电波。在环境1中,电磁波反射特性产生的影响比环境3要小,因此 它的定位结果就要好的多。在环境2中,由于空间的面积比较大,混凝土墙壁离 标签的距离更远,因此反射效应的影响也就更小。 显然,定位误差的大小取决于待测标签的位置,对于被4个参考标签包围的 待测标签1来说, 定位误差几乎可以忽略掉。在环境1和环境2中,处于定位区域边缘的待测
17、西南交通大学本科毕业设计英文翻译 - 8 - 标签的定位误差明显要比其他标签大,这主要是由附近的参考标签覆盖不完整 造成的。标签9的定位误差最大,因为它几乎处于定位区域边界之外。边缘限制 可通过扩大参考标签覆盖范围来解决。最重要的问题来自于封闭和复杂的 周边 环境引起的误差,因为在这样的环境中存在着严重的无线信号多径效应。 4. VIRE方案 VIRE的关键思想是,剔除那些明显不合理的位置来提高对待测标签的定位 准确度,与此同时不需要添加额外的参考标签。在这一章节中,我们首先讨论 RSSI和估测位置之间的关系,接下来,我们会对新方案的细节进行描述。 一个可行的增加定位准确度的方法是增加参考标签
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