基于二進(jìn)制防碰撞算法的RFID定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2 多標(biāo)簽的防碰撞算法
要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別，必然要解決下述問(wèn)題：在一個(gè)讀寫器的范圍內(nèi)有多個(gè)電子標(biāo)簽時(shí)，由于所有電子標(biāo)簽都采用同一工作頻率，故當(dāng)多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，使各電子標(biāo)簽之間的傳輸相互干擾，進(jìn)而導(dǎo)致信息的丟失，這就是通常所說(shuō)的碰撞問(wèn)題。在電子標(biāo)簽和讀寫器的通信過(guò)程中一般會(huì)有3種形式的碰撞：標(biāo)簽碰撞、讀寫器干擾、標(biāo)簽干擾。本文主要研究標(biāo)簽碰撞。
二進(jìn)制搜索法又名二叉樹搜索法，所有用二進(jìn)制唯一標(biāo)簽的電子標(biāo)簽的ID號(hào)可以看成一棵完全二叉樹。在讀寫器作用范圍內(nèi)，同步向讀寫器發(fā)送信號(hào)的標(biāo)簽ID號(hào)也構(gòu)成一棵二叉樹。讀寫器根據(jù)信號(hào)碰撞的情況反復(fù)對(duì)完全二叉樹的分枝進(jìn)行篩選，最終找出這棵二叉樹。在尋找的過(guò)程當(dāng)中逐一確定作用區(qū)域內(nèi)響應(yīng)的標(biāo)簽，同時(shí)也完成了它們與讀寫器之間的信息交換。
接下來(lái)將通過(guò)一個(gè)實(shí)例對(duì)二進(jìn)制搜索算法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。采用ID為8位的4個(gè)標(biāo)簽，其ID分別為10110010、10100011、101 10011、11100011。
二進(jìn)制搜索步驟如下：
①讀寫器設(shè)置篩選條件ID11111111，向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求。
②閱讀區(qū)內(nèi)的所有標(biāo)簽均符合篩選條件，響應(yīng)讀寫器的請(qǐng)求，發(fā)送各自的ID。
③讀寫器檢測(cè)到第2、4、8位發(fā)生碰撞，即1X1X001X讀寫器將碰撞的最高位置0，其余低位置1，重新設(shè)定篩選
條件ID10111111，向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求。
④標(biāo)簽10110010、10100011、10110011響應(yīng)讀寫器請(qǐng)求，發(fā)送各自的ID。
⑤讀寫器檢測(cè)到第4、8位發(fā)生碰撞(即101X001X)，讀寫器將碰撞最高位置0，其余低位置1，重新設(shè)定篩選條件為ID10101111，向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求。
⑥標(biāo)簽10101111響應(yīng)讀寫器的請(qǐng)求，發(fā)送ID號(hào)。
⑦讀寫器檢測(cè)到?jīng)]有碰撞發(fā)生，成功識(shí)別出標(biāo)簽10100011，然后使標(biāo)簽10100011處于休眠狀態(tài)，完成對(duì)標(biāo)簽的讀寫。
⑧瀆寫器重新設(shè)定篩選條件為ID11111111，重復(fù)識(shí)別過(guò)程，直至所有標(biāo)簽識(shí)別出來(lái)。
二進(jìn)制搜索算法的識(shí)別示意圖如圖4所示。

3 定位算法
LANDMARC定位算法是一種經(jīng)典的基于有源RFID的室內(nèi)定位算法，設(shè)計(jì)的思想是采用額外的固定參考標(biāo)簽(或稱為輔助標(biāo)簽)，這些參考標(biāo)簽在該定位系統(tǒng)中作為參考點(diǎn)使用，通過(guò)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值與待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值之間的比較，計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。由于讀寫器獲得到的相鄰標(biāo)簽的RSSI也是相近的，所以LANDMARC算法通過(guò)比較閱讀器接收到的待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽強(qiáng)度值的大小來(lái)求得離待定標(biāo)簽距離的幾個(gè)參考標(biāo)簽，然后根據(jù)這幾個(gè)最相鄰參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARC方法具有較高的定位精度，可擴(kuò)展性好，能處理比較復(fù)雜的環(huán)境，是一種經(jīng)常使用的定位方法。
LANDMARC定位算法具有3個(gè)特點(diǎn)：
◆采用多個(gè)低廉的標(biāo)簽代替昂貴的讀寫器，節(jié)省了開支；
◆可以較好地適應(yīng)環(huán)境所引起的動(dòng)態(tài)因素；
◆定位信息與其他定位技術(shù)比較，更加精確、可靠。
LANDMARC定位算法支持移動(dòng)和動(dòng)態(tài)的屬性，可以更好地完成一些接近實(shí)時(shí)傳感的工作。當(dāng)然，輔助標(biāo)簽和閱讀器擺放的位置對(duì)定位的精度有一定的影響。
LANDMARC定位算法采用了一種稱為“最鄰近距離”的思想。理論上，當(dāng)某個(gè)待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的距離相臨近，那么它們?cè)谕粋€(gè)RF ID閱讀器中所獲得的信號(hào)強(qiáng)度值應(yīng)該也是相臨近的，基于這種思想以及在實(shí)驗(yàn)中得到的一些經(jīng)驗(yàn)公式，可以求解出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。
無(wú)線信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系可以用式(1)來(lái)表示，其中RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度，d是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，n是信號(hào)傳播因子，EAF是環(huán)境因子(即實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因數(shù))，射頻參數(shù)A定義為距讀寫器1 m時(shí)接收到信號(hào)平均能量的絕對(duì)值。
RSSI=-(A+10nlgd)-EAF (1)
可以看出，常數(shù)A和n的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。射頻參數(shù)A被定義為dBm表示距發(fā)射機(jī)1 m時(shí)接收到信號(hào)平均能量的絕對(duì)值，如平均接收能量是-20 dBm，那么參數(shù)A就被定義為20。射頻參數(shù)n指出了信號(hào)能量隨著收發(fā)器距離增加而衰減的速率，其數(shù)值的大小取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。通過(guò)大量的驗(yàn)證，在開曠的操場(chǎng)上得到了環(huán)境因子EAF的大概值為13.6 dBm，A取46dBm，n取3．5 dBm。