基于ZigBee网络的移动节点RFID定位技术的研究与实现

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近年来,物联网和移动通信技术的不断发展,使得人们对于基于位置服务的需求日益迫切。随着GPS卫星定位技术的广泛应用,其在室内环境中定位的缺陷显得越来越明显,基于近距离无线定位技术逐渐成为室内定位领域研究的热点问题。Zig Bee定位技术和RFID定位技术作为最主要的两种近距离无线定位技术,各自以其独特的优势成为了当前室内定位领域中最具前景的两种定位手段。然而Zig Bee定位方案无法完成对目标有效信息的识别,RFID定位方案依赖网络,特别在无源标签定位过程中还受到了识别距离的限制。本文在分析Zig Bee和RFID技术融合的可能性的基础上,提出了一种基于Zig Bee网络的移动节点RFID集成定位方案。主要工作如下:首先,结合近距离室内定位环境的特点,在介绍Zig Bee和RFID两项技术的基础上,重点分析了主流的测距方法:TOA、TDOA、AOA、RSSI和PDOA;基本的定位方法:三边定位和三角定位。从定位精度、成本和系统复杂度等方面进行考虑,提出了基于Zig Bee网络和RFID融合的集成定位方案,分别从硬件选型和软件实现两个方面对该集成定位方案的系统架构进行了设计。其次,针对经典RSSI测距模型受环境因素影响严重的问题,本文从RSSI值预处理、参数优化、以及距离修正三个角度进行分析。在RSSI值预处理阶段利用高斯函数排除误差较大RSSI值的干扰;在参数优化阶段获取最接近实际测量环境的参数A和n;在距离修正阶段,建立距离差分修正模型,进一步提高了测距精度。再次,针对UHF RFID定位方案中PDOA双频比相测距算法频点选择任意导致测距结果波动性大的缺点,提出了FD-PDOA双频比相测距算法。结合最小二乘法以及线性回归的思想,在样本频域上分析相位差值的整体变化特性,并且建立FD-PDOA双频比相测距算法的数学模型。然后,在定位过程中分析了三边测距的质心定位算法的基本原理和不足,从初始位置坐标估计和坐标修正两个角度进行研究:在初始位置坐标估计阶段引入一个辅助信标节点,获取精度更高的初始坐标;在坐标修正阶段建立方均根误差函数,利用梯度下降法的思想,得到最优的待测节点坐标。最后,将改进的测距和定位算法应用到实际环境的定位模块中,实验表明:在4 x 4m2的区域中无源标签的平均定位误差约为0.61m,定位正确率达到85%。与主流的LANDMARC等定位算法相比,定位精度相当,但是成本和系统复杂度更低,能够适用于实际场所的应用。
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