主動式 RFID 室內定位追蹤演算法與系統設計 Design of Indoor positioning and Tracking algorithm and system based on Active RFID Technology Speaker ： Kung Che-Chen 龔哲幀 Advisor ： Dr. Ke Kai-Wei 柯開維 博士 Date ： 07/27/2010 1

Outline Motivation Background Proposed Indoor Positioning & Tracking System Design Results and Analysis Conclusion Demo 2

Motivation 隨著全球無線行動通訊的蓬勃發展，促使無 線通訊定位技術突飛猛進。無線通訊定位技 術最廣泛使用的便是全球定位系統 (GPS) ， 但 GPS 如遭到障礙物的阻擋便會產生定位誤 差，甚至是無法進行定位，所以較不適用於 室內定位。而室內定位近年來許多學者使用 了不同無線通訊技術進行研究，但因環境與 實際應用的考量，尚未有一個廣泛使用的技 術。 3

Background - RFID 使用 RFID 技術進行室內定位是近年來提出較 新穎的技術。 被動式 主動式 4

Background - Measurement Principles of Wireless Positioning System 以目前在無線環境下進行定位大致有以下四 種方法： 1. 接收信號角度定位法 (Angle of Arrival ； AOA) 2. 訊號抵達時間定位法 (Time of Arrival ； TOA) 3. 訊號抵達時間差定位法 (Time Difference of Arrival ； TDOA) 4. 接收訊號強度定位法 (Received Signal Strength indicator ； RSSI) 5

Background - Measurement Principles of Wireless Positioning System 接收訊號強度指標定位法 (RSSI) 透過訊號強度和已知的頻道衰弱模型來估計 參考點與待測點的距離，根據多個距離值就 可以利用類似 TOA 定位法原理得到待測點的 位置。 6

Background - LANDMARC 由 Lionel M.Ni 在 2003 年提出，對於每個別的 Tracking Tag 與某一 Reference Tag 之間，得到 一個訊號強度的歐基里得距離 : 選擇 k (1~m) 個數值較小的 Reference Tags 與 Tracking Tag 間的距離關係得到不同的權限值 : 7

Background - LANDMARC 得到各 Reference Tag 對 Tracking Tag 的權重，便 可計算出其座標 : 在此系統也定義了一個定位誤差 8

Proposed Indoor Positioning & Tracking 採用 RSSI 。 提出 –Virtual Tag 。 –2 種訊號處理法。 – 智慧型參考點選擇機制。 – 多重區域分割概念增加定位精準度。 9

System Design Hardware Deployment 10

System Design Software Flowchart ( 一 ) 11

System Design Software Flowchart ( 二 ) 12

System Design 訊號強度處理法 1. Moving average ( 移動視窗平均法 ) – 在接收訊號強度的過程中， Tag 的訊號強度會不斷 送給 Reader ，本平均法只保留接收到最新的十個訊 號強度做平均，未滿十個則以有多少個訊號強度就 平均多少。 Ex: –1 個 13

System Design – 5 個 – 10 個 – 超過 10 個 14

System Design 2. Segmenting average ( 分割視窗平均法 ) – 每當接受到一個新的訊號強度，便與前一個接收到 的作平均 Ex:

System Design Virtual tag group-based RFID positioning ( 虛擬標籤群組定位法 ) – 流程圖 16

System Design Ex: – 16 Reference Tag – 1 Reader 設定各個 Group 17

System Design 如果選到的鄰近參考點 如右圖 => 如果選到的鄰近參考點 <= 如左圖 18

Results and Analysis 鄰近參考點數對定位點之影響 – 在 LANDMARC 中提到選擇 4 個訊號最接近定位點 的參考點會得到最佳結果。 – 設置 16 個參考點均勻的放置在 3*3 公尺的空間。 – 隨機把定位點分別至於 15 個位置一一量測。 19

Results and Analysis – 當選擇的鄰近參考點數在 4~7 時，有最小的平均誤 差，與 LANDMARC 相吻合。 20

Results and Analysis 距離對訊號強度分析 – 理論上， Tag 與 Reader 之間隨著距離的增加，訊號 強度會隨之衰減。 – 實際量測在一個室內的長廊，以 1 公尺為單位從 1 公 尺量測至 15 公尺。 21

Results and Analysis – 針對 4 個方向、相同距離作實際的測量，以每 1 公尺 為單位分別從 1 公尺量測至 4 公尺。 22

Results and Analysis 實體參考點與虛擬參考點定位精準度 ( 單區 ) – 本研究使用兩種佈局，實測使用實體與虛擬參考點 的定位誤差。 – 佈局一 4 個參考點設置於 2*2 公尺空間中的角落。 Reader 設置參考點區域外 1 公尺處。 定位點隨機取 4 個位置。 23

Results and Analysis 實體與虛擬參考點佈局一之平均誤差比較 24

Results and Analysis – 佈局二 六個參考點均勻設置於 2*1 公尺空間中。 Reader 設置參考點區域外 1 公尺處。 定位點隨機取 4 個位置。 25

Results and Analysis 實體與虛擬參考點佈局二之平均誤差比較 實體與虛擬參考點綜合平均誤差比較 26

Results and Analysis 參考點密度對定位精準度之影響 ( 單區 ) – 一個相同的 3*3 公尺區域中，分別使用兩種佈局方 式，實測相同的大小區域中，使用不同數量的參考 點對定位精準度之影響。 – 佈局一 4 個參考點設置於 3*3 公尺空間中的角落。 Reader 設置參考點區域內。 定位點隨機取 8 個位置。 27

Results and Analysis – 佈局二 16 個參考點均勻設置於 3*3 公尺空間中。 Reader 位置與定位點位置取與佈局一相同。 – 參考點密度綜合平均誤差比較 28

Results and Analysis Reader 擺放位置對定位精準度之影響 ( 單區 ) – Reader 擺放位置的不同是否會影響精準度，實測了 兩種佈局方法。 – Case 1 在 3*3 公尺空間中的 4 個角落設置參考點。 定位點以 1 公尺為單位均勻擺放。 分別把 Reader 設置於 (2.2,0.8) 與 (5,0) 。 29

Results and Analysis Reader 設置位置於 Case1 綜合平均誤差比較 30

Results and Analysis – Case 2 在 2*2 公尺空間中以 1 公尺為單位均勻設置參考點。 定位點隨機取 5 點。 分別把 Reader 設置於 ((15,0) 、 (25,0) 、 (45,0) 與 (7,7) 。 31

Results and Analysis –Reader 設置位置於 Case2 綜合平均誤差比較 32

Results and Analysis 隔牆周圍增加參考點對定位精準度之影響 ( 多區 ) – 所謂多區是指由很多個單區所組成的狀況，必須把 隔牆造成的定位誤差考慮進去，把多區裡全部的參 考點或者不同區的參考點納入定位計算，將為造成 定位誤差。 – 本實驗在同一個多區的環境下，佈局兩種方式。 33

Results and Analysis – 佈局一 被牆隔出兩個區域，在上方的區域設置 4 個參考點，下方的 區域設置 4 個參考點。 Reader 設置在下方的參考點區域中。 隨機選擇 9 個定位點。 34

Results and Analysis – 佈局二 本佈局被牆隔出兩個區域，上、下方的區域除了佈局一各 4 個參考點外，在隔牆的周圍附近，額外各增加 4 個參考點。 Reader 設置在下方的參考點區域中。 選擇與佈局一相同之定位點。 35

Results and Analysis 隔牆綜合平均定位誤差比較 36

Results and Analysis 使用虛擬標籤群組定位法增加定位精準度 ( 多區 ) – 佈局兩種方式，實測使用虛擬標籤群組定位法是否 增加定位精準度。 – 佈局一 本佈局被牆隔出兩個區域，在左邊的區域設置 4 個參 考點，右邊的區域設置 6 個參考點。 Reader 設置在右邊的區域中。 隨機選擇 9 個定位點。 37

Results and Analysis – 隔牆佈局一定位區域判別 38

Results and Analysis – 佈局二 本佈局被牆隔出兩個區域，上方是一個空曠的走道 設置 6 個參考點，下方是一個教室的空間設置 6 參考 點，教室中含有桌椅。 Reader 設置在下方參考點區域中。 隨機選擇 12 個定位點進行定位誤差分析。 39

Results and Analysis – 隔牆佈局二定位區域判別 – 隔牆綜合定位平均誤差比較 40

Conclusion 實測單區的情況下，得到幾點結論： – 使用虛擬參考點與實體有差不多的定位精準度，虛 擬參考點反而比實體參考點節省成本，且佈局也較 方便美觀。 – 使用較多的參考點，假如未使用訊號強度處理法， 會導致平均定位誤差增大。 – Reader 設置於定位區域內，擁有較高定位精準度。 – Reader 天線朝上，擁有較高定位精準度。 – 環境中有人員走動會影響定位精準度。 – 使用虛擬標籤群組定位法確實能增加定位精準度。 41

Conclusion 實測多區的情況下，得到幾點結論： – 隔牆周圍使用較多的參考點能增加定位精準度。 – 使用虛擬標籤群組定位法確實能增加定位精準度與 定位區域判別成功率。 42

Demo 43

Demo 44

Q&A Thanks for your attention 45

Results and Analysis 天線擺放方向對定位精準度之影響 ( 單區 ) – 在一個 3*3 公尺的區域的 4 個角落設置參考點。 – Reader 設置在參考點區域外 1 公尺處。 – 針對 16 個均勻設置的定位點。 – 四種 Reader 與 Tag 天線擺放之方向。 46

Results and Analysis 天線擺放方向綜合平均誤差比較 47

Results and Analysis 環境因素對定位精準度之影響 ( 單區 ) – 3*3 公尺區域的角落設置 4 個參考點。 – Reader 設置在定位區域內。 – 針對定位區域是否有人員走動測試 10 個定位點之定 位誤差。 48

Results and Analysis 環境因素綜合平均定位誤差比較 49