中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：建構一個以虛擬訊號源機制之 RFID 室內定位 系統

Implement a RFID-based Indoor Location System Using Virtual Signal Mechanism

系 所 別：資訊工程學系碩士班 學號姓名：E09502021 賴武城

指導教授：游坤明 博士

中華民國九十九年一月

摘要

隨著位置感知的各項應用越來越多，定位系統也越來越受到重視，相較 於戶外有成熟的 GPS 定位系統，室內定位的精準度仍有很大的改善空間。

無線射頻辨識技術的室內應用日漸廣泛，而以 RFID 技術進行定位成為近幾 年來的熱門研究主題，其中又以 LANDMARC 定位方式最具代表性，

LANDMARC 定位系統須在室內空間中部署有一定數量的無線射頻辨識讀 取器，並且利用為數不少的無線射頻辨識電子標籤當成能提供訊號強度的 指引點，藉由適當的無線射頻辨識網路拓樸配置，始能建立一個室內定位 環境，藉由參考點的資訊定義出待追蹤點的追蹤結果。但 LANDMARC 系 統會因採樣樣本訊號品質不穩定與隨指引標籤間距增加而造成定位的精準 度快速下降的問題。有鑑於此，本論文提出一個以虛擬訊號源為基礎的定 位機制（Virtual Signal Location System, VSLS） ，VSLS 利用虛擬訊號觀念與 訊號強度常態分布的特性，分析採樣率與樣本均化的方式來減低並校正訊 號強度誤差，VSLS 能有效改善 LANDMARC 定位機制下訊號強度採樣品 質與精準度隨指引標籤間距增加產生誤差加大的現象，該機制也將改善標 籤硬體部署密度隨精準度提高的情形，讓標籤硬體費用支出更符合實際成 本效益。

關鍵字：LANDMARC，無線射頻辨識技術，定位，虛擬訊號 ，訊號強度

Abstract

Along with the location-aware applications grows rapidly, location sensing system is getting more attention. In contrast to the outdoor have the mature GPS positioning system, indoor location sensing precision is still a great deal of room for improvement. Radio frequency identification technology (RFID) for indoor use increasingly widely, and indoor location sensing system apply RFID technology is the most popular research topic in the last few years, LANDMARC is the most representative one. LANDMARC system is deployed in the interior space of a certain quantity of radio frequency identification readers, and takes advantage of the large number of radio frequency identification tags as signal strength can provide guidelines. By examining the signal strength of the reference point, LANDMARC can obtain the tracking results. But LANDMARC will suffer for the unstable signal intensity. Moreover, the accuracy may drop rapidly due to the tags spacing increasing. This thesis proposes a Virtual Signal Location System (VSLS) to overcome the drawbacks of LANDMARC. The concept of VSLS is using the virtual signal as well as the characteristics of the normal distribution of signal strength, analysis of sampling rate and equalization's way to decrease signal intensity error. Compared with LANDMARC, VSLS can effectively increase the sampling quality of signal as well as the precision. The proposed mechanism also improves the tag deployment density along with the accurate enhancement situation.

Keyword：LANDMARC , RFID, Location Sensing, Virtual Signal, Signal Strength

致謝

在研究所求學的這段時間，最首先要感謝的人就是我的指導教授游坤明老師，在老 師三年的指導下，讓我學習到許多的知識和為做事情的方法，在研究方面，時時提醒我 正確的學習觀念與做研究的態度，在研究方向與問題解決上給予我最大幫助，使我受益 良多，僅此致上最誠摯的感謝。再來要感謝本論文口試委員陳志誠老師及許慶賢老師，

感謝兩位老師撥出您寶貴的時間來參與學生口試並在論文上給予最寶貴的建議及指導，

在此由衷感謝。

在研究所生涯中，要感謝同學們的幫助，感謝建同在研究學習上的詢問與解答與在 研究所一起努力中相互砥礪與鼓勵，感謝學弟們在研究上的協助與生活上的幫忙，讓我 在這段期間過的很充實，也要感謝公司同事在企業事務上的幫忙和照顧，有大家陪伴我 渡過了大大小小的事情，讓我備感溫馨，在此由衷的謝謝你們。最後特別感謝我親愛的 父母，多年來辛苦的栽培，關心與叮嚀，感謝妹妹以及家人不斷的鼓勵與支持，讓我無 後顧之憂地完成碩士學業，最後將此份榮耀和喜悅獻給最敬愛的老師、關心我的家人和 朋友。

賴武城 謹誌 中華民國九十九年一月

目錄

摘要 ... I Abstract... II 致謝 ... III 表目錄 ... VI 圖目錄 ... VII

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究動機 ... 1

1.2 研究目標 ... 1

1.3 論文架構 ... 2

第二章 相關技術探討與研究 ... 3

2.1 全球定位系統 (Global Positioning System) ... 3

2.2 超音波定位技術 ... 5

2.3 無線區域網路定位技術 ... 10

2.4 Zigbee 室內定位技術 ... 11

2.5 RFID 室內定位技術的崛起 ... 13

2.5.1 RFID 簡介 ... 13

2.5.2 RFID 技術原理 ... 14

2.5.3 RFID 系統架構 ... 15

2.5.4 RFID 於定位技術之研究 ... 17

2.6 室內定位技術分析 ... 21

第三章 虛擬訊號源定位系統架構 ... 23

3.1 LANDMARC 精準度分析 ... 24

3.2 Virtual Signal Location System ... 28

第四章 系統實作與實驗模擬 ... 40

4.1 實驗環境與平台 ... 40

4.2 情境模擬驗證 ... 43

4.3 定位測試流程 ... 48

4.4 定位結果分析 ... 49

第五章 結論 ... 59

參考文獻 ... 61  

表目錄

表 2.1 RFID 電子標籤類型比較 ... 14

表 2.2 RFID 元件說明 ... 15

表 2.3 RFID 頻帶特性比較表 ... 17

表 2.4 LANDMARC 系統定位流程表 ... 20

表 3.1 模擬 LANDMARC 系統定位誤差距離表 ... 26

表 3.2 實驗環境標籤佈設數量表 ... 33

表 3.3 指引標籤訊號強度純化效率表 ... 34

表 3.4 參考標籤訊號強度純化效率表 ... 34

表 3.5 資料庫欄位說明表 ... 35

表 3.6 資料庫欄位說明表 ... 38

表 4.1 兩種機制平均誤差比較表 ... 55

表 4.2 兩種機制最大誤差比較表 ... 56

表 4.3 新舊定位機制精準度於相同數量之標籤硬體比較表 ... 58

圖目錄

圖 2.1 超音波內部 Sensor 構造圖 ... 6

圖 2.2 諧振器振動示意圖 ... 7

圖 2.3 單射型超音波感測器 ... 7

圖 2.4 對射型超音波感測器 ... 8

圖 2.5 反射型超音波感測器 ... 9

圖 2.6 RFID 架構圖 ... 15

圖 2.7 LANDMARC 系統環境 ... 19

圖 3.1 LANDMARC 系統實驗數據圖 ... 25

圖 3.2 實驗環境架構示意圖 ... 25

圖 3.3 LANDMARC 定位誤差數據圖 ... 27

圖 3.4 RFID 裝置與自走車 ... 28

圖 3.5 VSLS 系統架構圖 ... 29

圖 3.6 VLLS 定位系統流程圖 ... 30

圖 3.7 實驗環境標籤示意圖 ... 31

圖 3.8 Network Enabler Administrator 中介程式 ... 32

圖 3.9 Xtive Utility 中介程式 ... 33

圖 3.10 離線資料表示意圖 ... 36

圖 3.11 RFID Middleware 介面 ... 37

圖 3.12 指引標籤間隔 2m 環境圖 ... 38

圖 3.13 2 公尺間隔距離之在線資料表 ... 39

圖 4.1 RFID 讀取器與標籤 ... 41

圖 4.2 VSLS 實驗環境圖 ... 41

圖 4.3 Case1 實驗情境圖 ... 43

圖 4.4 Case 2 實驗情境圖 ... 44

圖 4.5 Case 3 實驗情境圖 ... 45

圖 4.6 Case4 實驗情境圖 ... 46

圖 4.7 Case5 實驗情境圖 ... 47

圖 4.8 平均誤差比較圖 ... 50

圖 4.9 最大誤差距離比較圖 ... 51

圖 4.10 平均誤差比較圖 ... 51

圖 4.11 最大誤差距離比較圖 ... 52

圖 4.12 平均誤差比較圖 ... 52

圖 4.13 最大誤差距離比較圖 ... 53

圖 4.14 平均誤差比較圖 ... 53

圖 4.15 最大誤差距離比較圖 ... 54

圖 4.16 平均誤差比較圖 ... 54

圖 4.17 最大誤差距離比較圖 ... 55

第一章 緒論

1.1 研究動機

在 資 訊 科 技 發 達 的 今 日 ， 隨 著 導 航 產 品 的 普 及 ， 室 外 定 位 技 術 GPS(Global Positioning System)【11】【15】日益成熟且精確，但若將 GPS 定位技術應用在室內環境 中，則會因為環境本身的屏障或周遭干擾而無法進行定位。近年來，由於 RFID 相關技 術日漸成熟，不論是 RFID 讀取器的傳輸距離變長且電子標籤資訊儲存容量亦大幅增加，

因此 RFID 的相關應用發展迅速，除了應用於辨識用途外進而發展到其他相關應用，故 如何利用 RFID 技術進行室內定位逐漸受到重視。雖已有一些研究提出以 RFID 讀取器 與電子感應標籤，建構出一個涵蓋有限的室內無線感測網路環境，但應用於室內成本仍 然過高、精準度不足且無法判斷未知物件方向性。因此，本論文提出一個以虛擬訊號源 為基礎之 RFID 室內定位模型，來解決實際定位環境中大量部署電子感應標籤的成本問 題，並且有效地提升定位準確度與標籤佈署密度。

1.2 研究目標

科技一日萬里的進步下，定位服務已經成為每個人不可或缺的工具，舉凡個人電子 產品（PDA、GSM、PHS 手機、3G 手機、GPS 車用導航系統）都是定位服務的應用與 延伸。

RFID在這幾年的技術逐漸成熟，除了大量應用在物品辨識方面，因GPS定位技術在 室內環境未知物的定位，可能會因為環境本身的屏障（如：水泥牆遮蔽）或周遭干擾（如：

太陽黑子或氣候）而無法進行定位服務的時候，故適合用於室內定位的RFID定位技術就 是一個值得探討的議題。

有鑒於LANDMARC定位系統中要達到室內定位目標，在該定位空間就必須有一定 數量的RFID讀取器（Reader）與為數不少的RFID電子標籤當成能提供訊號強度的指引 點，藉由適當的RFID網路拓樸配置，建立一個室內定位環境，藉由參考點的資訊定義出

待追蹤點的追蹤結果；但在LANDMARC定位系統中要得到最佳的定位精準度，必須具 有4個指引標籤（k = 4）才能成立，但隨著指引標籤（Reference Tag）硬體佈設範圍有 限，無法持續增加指引標籤數量下，彼此的間隔距離必須增加，在一個5公尺* 5公尺的 環境中，指引標籤間隔距離將從原本的1公尺增加到5公尺，但在增加間隔距離的同時，

LANDMARC定位系統將會降低精準度，該問題將是本研究深入探討的主要議題。

若不增加指引標籤間隔距離，另一種方式就是擴充指引標籤硬體數量，然而往往一 個室內定位的定位範圍無法侷限於1平方公尺去設計，所以LANDMARC定位環境中使用 的RFID讀取器與指引標籤硬體數量就必須要擴充，如此對於LANDMARC追蹤未知點位 置的精準度就能維持準確，但也因RFID讀取器與指引標籤硬體數量越多，LANDMARC 就可以維持最佳定位精準度（4個指引標籤），從指引標籤所收集回來的資訊就更準確，

如這樣規劃方式執行，以目前RFID市場的讀取器與指引標籤硬體（Active Tag）成本，

高密度方式擺放RFID讀取器與指引標籤方式仍為相當昂貴，對一個室內定位應用觀點來 評估所要花費的成本效益往往不如預期，有鑑於上述指引標籤間隔距離增加精準度降低，

與硬體成本效益問題；本論文在不增加RFID讀取器與指引標籤設計條件下，利用虛擬指 引點模型提出一套虛擬化定位機制，進而改善定位精準度與RFID讀取器跟電子標籤硬體 佈設數量的兩大問題，讓RFID技術更能有效的應用於室內定位。

1.3 論文架構

本論文在章節規劃上，分別如下：第一章將介紹本論文研究之動機與目的；第二章 將會對RFID的發源、RFID系統詳細資料以及各種室內定位技術【6】【25】發展史的詳 細資料等做介紹；第三章將描述本論文所提出之虛擬訊號源定位系統（Virtual Signal Location System）的功能與架構；第四章將會介紹本系統實作改善LANDMARC系統的 模型與實驗數據，並提出LANDMARC與VSLS機制下距離誤差率的數據分析；第五章則 是總結與對未來可研究方向探討。

第二章 相關技術探討與研究

有關位置感知的研究領域逐漸受到重視，並應用於許多商業產品、大眾公 共設施、緊急危難救助及軍事設備，例如行車導航、旅遊景點介紹、及個人安 全維護等【1】國內外有許多不同的室內定位之研究，其採用的無線感測設備 包括: 紅外線、超音波、802.11a/b/g 無線技術、RFID【2】；由於紅外線僅能作 直線行進、短距離傳輸的限制、易受干擾、及高昂的建構成本，使得實用價值 不大，並沒有受到太多的重視。以下我們探討近年來使用在定位研究上的感測 設備和方法。

2.1 全球定位系統 (Global Positioning System)

全球定位系統(NAVSTAR GPS，NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System ，以下簡稱 GPS）【14】【23】，原是美國國防部為了 軍事定時、定位與導航的目的所發展，希望以衛星導航為基礎的技術可構成主要 的無線電導航系統，未來並能滿足下一個世紀的應用。第一顆 GPS 衛星在 1978 年發射，首十顆衛星稱為 BLOCK I 試驗型 衛星，從 1989 年到 1993 年所發射 的衛星稱為 BLOCK II/IIA 量產型 衛星，第二十四顆 BLOCK II/IIA 衛星在 1994 年發射後， GPS 已達到 初步操作能力 （ Initial Operational Capability ， IOC ）， 24 顆 GPS 衛星提供全世界 24 小時全天候的定位與導航資訊。美國 空軍太空司令部於 1995 年 4 月 27 號宣布 GPS 已達到 完整操作能力 （ Full Operational Capability ） ， 將 BLOCK I 衛 星 加 以 汰 換 而 24 顆 衛 星 全 部 為 BLOCK II/IIA 衛星，之後又發射四顆 BLOCK IIA 及一顆 BLOCK IIR 衛星，成 功地滿足軍事實務的操作。由於此技術的迅速發展，使得民間應用的需求與日遽 增，對於傳統導航方式更有革命性的影響。

全球衛星定位系統實際上是由 24顆衛星所組成，其中有3顆為備用衛星，這

角為 55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持續不斷的定位訊號。 這些衛星每 11 小時 58分環繞地球一次，即每天繞過您的頭頂二次 ， 就像是月球一樣不停地繞 著地球旋轉，其速度約每秒 1.8哩。這些衛星需要地面管制站隨時加以監控 是否 GPS衛星在其正確的軌道上 及正常運作，另外監控中心可上傳資料給衛星，衛星 再將這些資訊下傳給 GPS使用者 使用。地面共有五個監控中心，四個上傳資料站 及一個控制中心，這些控制站以緯度來劃分其所控制的衛星。 在概念上，GPS是 代表著整個系統，包括天空上的衛星、地面控制站及GPS接收機。不過一般而言﹐

GPS即意指一個GPS接收機﹐這是因為我們在使用上多半只會接觸GPS接收機的緣 故。一般所使用之GPS接收機在任何時刻 接收到 4 顆或更多的衛星。

簡單的說GPS如何運作：每一顆衛星會告訴您使用的接收機三件事，我是第幾 號衛星，我現位置在那裏，我什麼時候送這訊息給您。當您的GPS接收機接收到這 些資料後會將星曆資料及Almanac存起來使用，這些資料也用做修正GPS接收機上 的時間。GPS接收機比較每一衛星訊號接收到的時間及本身接收機的時間的不同，

而計算出每一衛星道接收機的距離。接收機若在接收到更多衛星時，它可利用三 角公式計算出接收機所在位置。三顆衛星可做所謂2D定位(經度及緯度)，四顆或 更多衛星可做所謂3D定位(經度、緯度及高度)。接收機繼續不段地更新您的位置，

所以它可計算出您的移動方向及速度。

GPS系統包含三大主要部分：（1）太空部分（2）地面部分（3）使用者部分。

(1) 太空部分：

包括27顆衛星，其裝備有相當高精確度的銫或銣原子鐘，其精確度可到 達3ns（3x10 ^-9秒），精確的測時是相當重要的，因為接收機必須知道信號 從衛星上發射到接收機接收所花的時間，藉此精確的時間方可得到從衛星 到接收機精確的距離。當可收到四顆衛星時，可做三維空間的定位。

(2) 地面部分：

包括一個主控制站，三個地面天線及五個監視站。五個監視站

均勻分佈在全球各地，主控制站位於Colorado Springs。五個監視站中之三

個同時亦為地面天線所在。每個監視站均有一個 GPS雙頻接收機 、 標準 原子鐘 、感測器及資料處理機，且其 座標均經過美國國防部製圖局精密 測量 而得。每個監視站，每天24小時不停地連續追蹤觀測每一顆衛星，

並將每1.5秒之虛擬距離觀測量及觀測所得之氣象資料及電離層資料聯合 求解得每15分鐘一組之均化數據，然後將數據再傳送到主控制站，主控制 站即統合各監視站之資料並據以計算 衛星星曆、衛星時表改正量 及 電 離層改正係數等，並且將所得結果匯集成導航信息先傳遞到地面天線處，

再由地面天線傳回到各衛星上，用以更新衛星內之資料。地面天線利用S 頻道之無線電波傳送資料到衛星。正常情形下每隔8小時就會傳一次資料 回到衛星上。

(3) 使用者部分：

可以是一個手持型或是安裝於載具上的GPS接收機，其裝備之接收機時 鐘不如衛星時鐘精確，這是考慮到成本問題，所以在之後所提到的偽距公式中 會多出一項接收機時錶誤差。

然而GPS 全球定位系統在室內環境中會因為受到建築物的屏蔽效應影響，無 法收到有效的衛星訊號，因而無法應用在室內環境定位中。因此許多研究者紛紛 利用各項感知技術或普遍的無線網路架構搭配其它定位演算法來實做室內定位研 究。

2.2 超音波定位技術

超音波簡介

人的耳朵人的耳朵最高只能感覺到大約20KHz 的聲波，頻率比人類的聽頻範 圍高之聲波就叫做超音波（超聲波）。動物可聽到的聲波頻率範圍不盡相同。狗可 以聽到一些超音波，所以訓練狗的人員可以用超音波哨子呼喚狗。超音波對於蝙 蝠更為重要，由於超音波的頻率高，相對較少出現繞射現象，因此蝙蝠就是靠它 來感測障礙物。雖然我們聽不到超音波，但是，它依然是一種特殊的聲波，並已

被廣泛應用在多種技術領域之中。

超音波原理

而感測器在我們日常生活中，時時刻刻都會碰到，具備能夠被用來發射20KHz 以上的音波，或偵測是否有20KHz以上音波的感測元件，我們稱之為超音波感測 元件，其原理又是如何呢？以下將作一個扼要的介紹。

(1) 超音波Sensor原理：

超音波Sensor內部是一個複合式的震動器【24】，可將其分成三個部份，

主要是由諧振器、金屬片及壓電陶瓷三部份組成雙壓電元件，其內部結構如 圖2.1 所示，當施加電壓訊號給Sensor時，壓電元件會產生振動而發出超音波。

因此，若輸入脈波訊號，則Sensor會連續輸出超音波；反之，當超音波接收器 上的雙壓電元件接收到超音波會產生振動而發出訊號。將諧振器作成喇叭型 之目的是要將超音波聚集在中央部位，以利訊號的發射與接收。

圖 2.1 超音波內部 Sensor 構造圖【24】

圖 2.2 諧振器振動示意圖(下圖為半邊截面圖)【24】

(2) 超音波 Sensor 應用：

超音波的應用範圍相當的廣泛，依其應用方式的不同可分為三 大類:

(a) 單射型：此類型僅使用超音波發射器來完成所要的功用，通常 被使用於利用音波震動來達到效果的設備，例如：超音波洗衣機、

美容儀器、醫療外科手術…等等。圖2.3 為其示意圖。

圖 2.3 單射型超音波感測器【24】

諧振器

金屬片

震動位移

(b) 對射型：此類型之感測方式是將超音波發射器與接收器安裝於 相對方向，如果有物體介入，則將聲波阻擋，接收器就收不到訊 號，依此判定是否有障礙物經過。圖2.4 為其示意圖。

圖 2.4 對射型超音波感測器【24】

(c) 反射型：將超音波發射器與接收器安裝至同一方向，藉由發射 端送出超音波，當遇到障礙物時聲波反射到接收器，因此可感測 是否有障礙物或是利用音波所經歷的時間來作距離遠近的計算，

主要用途如:汽車倒車雷達…等，圖2.5 為其示意圖。

圖 2.5 反射型超音波感測器【24】

超音波室內定位技術：

在超音波室內定位應用上 Cricket Location 定位系統【12】與 Active Bat 定位系統【17】是兩個運用在超音波定位系統的技術，這兩套系統共同點都 是運用了 time-of-flight【25】【10】測量技術去計算未知物件的位置。

在效能上，超音波定位系統都有很不錯的效能表現，但在設備成本確是相 當可觀，例如 Active 系統在九公分的範圍內有 95%的準確度，Cricket 系統 16 平方英尺空間內有著很高的準確率，準確率固然對定位很重要，但這一點對 室內定位的需求市場是很不利的因素 ，因有高準確率在超因波技術領域意謂 著要高成本的硬體成本支出，故本研究提出一套室內定位系統，使室內定位 技術更加符合室內定位的經濟效益。

2.3 無線區域網路定位技術

802.11 【5】【21】是 IEEE 最初制定的一個無線區域網路標準，主要用於解 決辦公室區域網路和校園網路中行動裝置與基地台的無線接入，速率最高只能達 到 2 Mbps；IEEE 802.11a，它工作在 5 GHzU-NII 頻帶，實體層速率可達 54Mbps，

傳輸層可達 25 Mbps，採用正交頻分多工(OFDM)的獨特展頻技術，可提供 25 Mbps 的無線 ATM 介面和 10 Mbps 的乙太網路無線結構介面；IEEE 802.11b，目前頻寬 最高可達 11 Mbps，也可根據實際情況採用 5.5 Mbps、2Mbps 和 1 Mbps 頻寬，實 際的工作速度在 5Mbps 左右，與普通的 10Base-T 規格有線區網幾乎有相同的表 現水準，並且使用的是不需申請使用執照的 ISM2.4 GHz；最後一個相關系列 IEEE 802.11g，是一種混合標準，它既能適應傳統的 802.11b 標準，在 2.4 GHz 頻率下 提供每秒 11 Mbps 資料傳輸率，也符合 802.11a 標準在 5 GHz 頻率下提供 56 Mbps 資料傳輸率。

目前在無線網路環境下進行定位服務的定位模式大致有以下四種【16】【19】

【20】：

（1）收訊角度法 (Angle of arrival, AOA)

利用天線偵測接收行動裝置訊號的角度進行有效的定位。

（2）收訊時間差 (Time of arrival/Time differenceof arrival, TOA/TDoA) 利用訊息在接收端與傳送端間傳送所花費的時間差求出兩者的相對 距離。

（3）時間差與收訊角度混合法 (Hybrid angleand time of arrival)

結合上述兩種作法，配合時間差以及 AP 收到訊號的角度對所在位 置做定位。

（4）訊號強度法 (Received signal strength approach,RSS)

利用行動裝置偵測不同位置所收到訊號強弱的方式，進一步做到定 位的功能。

其中以訊號強度法較適合室內環境使用，前三種方法在室內環境受到多重路 徑(multi-path)問題的影響程度大，並且訊號強度法對於位置移動時訊號強弱的變化 是比較可預期的，也就是所得位置相依變數有較高的量測精確度。

在採用訊號強度法作為建置 IEEE 802.11 規格的室內定位服務時，所使用的定 位技術將可採用 RADAR【7】為基礎的室內定位系統。

RADAR（RRadio Detection and Rangin）是由 P.Bahl and V.N. Padmanabhan 於 2000 年發表的一門定位技術，它最早是應用於無線區域網路環境底下的室內定位 研究。

該系統最重要的地方是 RADAR 使用了實測模型（Empirical Model）及訊號傳 遞模型（Signal Propagation Model）；利用實測模型與訊號傳遞模型之間實測出來 的訊號強度去推算出未知物件的實際座標，其 RADAR 主要的缺點，就是未知物 件本身必須支援相關的設備（例如：802.11 的網卡），然而在可用電量有限的被追 蹤物上面是比較難達成的。

2.4 Zigbee 室內定位技術

ZigBee【26】無線射頻元件 CC2431 所含的定位引擎(Location Engine)就像是 室內全球衛星定位系統(GPS)，利用 ZigBee 網路的無線射頻基礎設施計算物品或 人員的位置。相較於 GPS 系統，把定位引擎和微控制器(MCU)全部整合至單晶片 射頻收發器，不僅耗電量遠少於 GPS 硬體，成本更不到其十分之一，且無論在室 內或室外，只要有 ZigBee 網路的地方就能使用。常見應用包括從屋內不同房間移 動時，遙控開燈或關燈；裝運碼頭的貨櫃追蹤，以及從網站追蹤特定設備。定位 引擎還能簡化無線網路設定，能在新設備加入網路時找出其所在位置。

多數無線感測器網路都需一套方法判斷網路節點的位置，所以使用者必須在 安裝時決定應該互相交換的資料，以及應與中央資料蒐集點互傳資料的節點。市 場上許多解決方案透過軟體計算網路節點位置，這類系統的節點讀取位置計算所 需的參數，然後把資訊送到中央資料蒐集點，算出位置後再傳回給節點，這個過

程的運算量很龐大，須用到個人電腦或高效能微控制器。

這種計算位置的方式僅對小型網路和少數節點有用，因為執行計算所需的網路流 量會隨著節點數目的指數增加。高流量負載和頻寬不足讓這套方法只能用於電池 供電的網路，可利用分布式定位計算解決這個問題，可先讓網路節點找出多個已 知位置且距離最近的參考節點，然後根據參考節點傳來的資訊計算本身的位置，

因此，網路流量將只出現在待測節點(Blind Node)連接範圍內的節點。

(1)定位技術 :

定位引擎會根據無線網路裡，相鄰無線裝置傳來的接收訊號強度指標 (RSSI)計算自己的位置。隨著環境不同，兩台無線裝置之間的 RSSI 訊號 會有很大差異，舉例來說，若有人在兩台無線裝置的中間走過，接收訊號 就可能減少 30dBm，為彌補這麼大的差異，定位引擎最多會根據十六台 無線裝置傳來的 RSSI 值進行計算，以便得到精確的位置，這種做法的邏 輯是利用多個節點求取平均值，即可將 RSSI 的變異量消除。

在無線射頻網路裡，已知位置的定位引擎無線裝置稱為參考節點 (Reference Nodes)，須要計算其位置的節點稱為待測節點。參考節點與待 測節點之間唯一須要傳送的資訊就是參考節點的 X 和 Y 座標。定位引擎 會根據參考節點傳來的訊息測量 RSSI 值，配合所收到的 X 和 Y 座標計算 其位置。

有些定位引擎應用須安裝多個參考節點，做為基礎設施架構的一部分。

ZigBee 技術提供家庭、辦公室和工業應用無線遙控能力，可廣泛用於家 庭和工業自動化應用，且會有更多 ZigBee 裝置安裝到建築物的基礎設施，

使 ZigBee 技術更普及化。

典型的辦公室環境可能會利用 ZigBee 應用裝置控制每間辦公室和會 客室的空調設備及含有溫度感測器的交流電源管線，每個房間還可能有 ZigBee 控制的電燈開關及設施，這些不同的設備很容易就能當做定位引 擎的參考節點使用，一般而言，ZigBee 無線裝置只需不到 1KB 的程式，

就能擔任 ZigBee 協定堆疊之上的參考節點。定位引擎能蒐集三至十六個 參考節點的資料，再利用這些資料計算位置，其若收到超過十六個節點的 資料，會根據這些參考節點的位置排序，然後使用前面十六個節點的 RSSI 值。

(2)ZigBee優缺點：

定位引擎提供 ZigBee 網路無線裝置高定位精確度，且耗電低，還能減 少額外通訊負擔，並能利用現有 ZigBee 基礎設施計算無線裝置在網路裡 的位置，再由中央資料點蒐集資訊以供追蹤使用，或由使用者啟動此功能 引導其在建築物內移動，但定位引擎面臨傳輸距離瓶頸，需增加許多參考 點在較大的區域，實際應用成本過高，仍有待改善。

2.5 RFID 室內定位技術的崛起

於上述之定位技術，皆有定位精準度低與高硬體成本的重大缺點，這兩大缺點也 限制了Zigbee系統於室內定位的發展；而在此時，RFID 定位技術的隨之成熟化，

為原本陷入瓶頸的這領域，帶來新的契機。在接下來的章節，本論文將詳記的介 紹RFID 的歷史背景、其系統架構以及如何的應用在室內定位的技術中。

2.5.1 RFID 簡介

RFID 是一種無線射頻物件辨識技術，分別由讀取器（Reader）、感應器

（Transponder）也就是俗稱的電子標籤（Tag），經由中介軟體系統整合（Middleware Software System Integration）將其讀取器、感應器互相關聯起來的一套架構；其動 作原理是由 RFID 讀取器發射特定頻率之無線電波給感應器，感應器內電路受到該 電波驅動，將其內部資料傳回給 RFID 讀取器。

其規格與特點如表 2-1：

表 2.1 RFID 電子標籤類型比較

被動式標簽 主動式標簽

電力來源 電磁感應取得 配載電池

有效範圍 3 ~ 5 公尺 約 100 公尺 記憶容量 小於 128 bits 可達 16K bits 平均重量 約 0.5 ~ 5 克 約 50 ~ 200 克

平均價格 較低 較高

平均壽命 較長 較短

2.5.2 RFID 技術原理

RFID 是一種以 RF 無線電波辨識物件的自動辨識技術，其主要操作原理是利 用 RFID 讀取器發送無線電波訊號並植入或貼在物件上的電子標籤中，以進行無 線資料辨識及擷取的工作。RFID 組成元件主要包括讀取器、電子標籤、主電腦 (Host)應用系統，以及內含於讀取器、電子標籤或外加於讀取器的天線。當應用系 統欲進行物件之辨識工作時，主電腦上之應用程式可透過有線或無線方式下達控 制命令給讀取器；讀取器接收到控制命令後，其內部之控制器會透過內建的 RF 收 發機(Transceiver)發送出某一頻率之無線電波能量。當電子標籤內的天線感應到無 線電波能量時，內含的詢答機機制會將此能量轉成電源，並以無線電波傳回一系 列識別資料給讀取器，最後再傳回主電腦內以進行物件之識別與管理。

2.5.3 RFID 系統架構

RFID 整體架構【2】如圖 2.6 是由讀取器（Reader）、電子標籤（Tag）與中 介軟體（Middleware）三種元件所組成的架構，其中讀取器與 Middleware 傳輸介 面可經由 RS232、TCP/IP、PCMCIA 三種方式傳輸，在傳輸方式中目前又以 TCP/IP 最常被使用。

圖 2.6 RFID 架構圖

表2.2將說明關於讀取器、電子標籤、中介軟體各自負責的功能與其特性：

表2.2 RFID元件說明

讀取器

利用高頻電磁波傳遞能量與訊號來讀取或是寫入電子標籤上的資料，就目 前的技術而言，讀取器對電子標籤的辨識速率每秒可達 50 個以上。讀取器 可以利用有線或無線通訊方式，與應用系統結合使用。 一個讀取器包含無 線通訊模組 (RF module，提供傳送與接收訊號的處理)、一個控制模組 (control module)、以及一組耦合元件(coupling element，提供天線的功能)，

透過輸出入介面 (如 RS232 或 RS285 等)與應用系統設備 (如 PC) 連接。

電子標籤

由一組耦合元件與一個電子晶片組合而成，一般也可以稱為電子標籤 (tag)。通常以電池的有無可區分為被動式 (Passive)和主動式 (Active)以及 目前最新的半主動式標籤三種類型。被動式標籤是接收讀取器所傳送的能 量，轉換成電子標籤內部電路操作電能，不需外加電池；可達到體積小、

價格便宜、壽命長以及數位資料可攜性等優點；主動式標籤又稱為有源標 籤，內建電池，可利用自有電力在標簽周圍形成有效活動區，主動偵測周 遭有無讀取器發射的呼叫信號，並將自身的資料傳送給讀取器，但缺點是 電池壽命有一定的年限，一但電力耗盡，則必須更換電池；半主動式標籤 也內建電源，可使用內部能量監測周圍環境，但也需要讀取器發出射頻喚 醒標簽後才回送信號。半主動和被動的區別是半自動系統中有電力，標籤 能夠發揮其他作用，例如監測周圍環境的溫度、震盪情況等，同時，半主 動式標籤讀取距離較長、抗干擾能力更強。

中介軟體

中介軟體是一個介於使用者與 RFID 設備之間的軟體系統設計，用以控制 Reader 的資料收發（通訊）、辨識與管理工作；在資料通訊過程中，可以 利用加解密的方式與防火牆等技術使資料具有保密的功效，若再結合資料 庫管理系統與其他電腦網路，即可提供更安全的即時監控系統功能與資料 自動化整合應用。系統使用者能夠藉此系統了解整個環境狀況，是一種使 用者與 RFID 設備端溝通的介面。

然而 RFID 使用的頻帶範圍也是必須受管制，主要使用的頻帶範圍以工業科 學的頻帶範圍為主，在每個頻帶範圍中，以國際電訊聯盟無線電小組(International Telecommunication Union Radio Communication Sector，ITU-R)所規範給工業、科學 與醫療頻帶，是可以免申請即可使用的頻帶。而 RFID 頻帶分類如表 2.3 所示；在 表 2.3 發現 Micro 波帶有較好的通信距離，依照環境相容度高與通訊距離長為首要

條件考量下，在本研究中模擬實驗設備採用 Micro 波帶的 RFID 設備。

表2.3 RFID頻帶特性比較表

頻帶 傳送方式 通訊距離 天線長度 環境相容度

Micro波帶

（2.45GHz）

電波方式

長

短

短

長

高

低 UHF帶

（860 ~ 960MHz）

短波帶

（13.56Mhz） 電 磁 誘 導 長波帶 方式

（135KHz以下）

2.5.4 RFID 於定位技術之研究

在現行室內定位技術【8】【9】【18】【21】應用中，其中比較著名的 RFID 室內定位技術主要有LANDMARC 系統【15】與SpotON系統【13】，將於下文 中將會逐一介紹SpotOn系統定位技術與LANDMARC系統定位技術，在兩者定 位技術中又以LANDMARC定位精準度最高。

早期較有名的RFID室內定位機制就屬SpotON系統與LANDMARC系統最為 有名，而前者SPotON系統利用RFID讀取器、與許多的電子感應標籤，建構出一個 涵蓋有限的室內無線感測網路環境，SpotON系統基於信號強度分析,發展了一種聚

合算法對三維空間進行定位。系統中硬體標籤成網絡狀分布,無需中央控制單元, 通過標籤測試到的信號強弱來表列標籤之間的幾何距離，進而在環境下眾多的感 應標籤中，分別對環境內某一個未知座標的待追蹤元件，做相對訊號強度計算之 動作，這個計算動作是由RFID讀取器收到未知座標物標籤訊號強度與感應標籤訊 號強度之間相對訊號強度資料，利用讀取器與各標籤所測到的訊號強度的稽核運 算概估出未知追蹤物的位置，在SpotON的定位過程中，與LANDMARC最大的不 同點即是無中介程式（Middleware）的元件，當訊號在回授同時將受電子標籤的電 力與讀取器之訊號涵蓋範圍所影響，有著亦被外在因素干擾定位準確度的缺點。

後者 LANDMARC 系統主要沿襲於 SpotON 系統方法中，運用訊號強度估算 距離的方式來預測未知物件的位置，目前行動定位就屬 LANDMARC 定位技術發 展最純熟，而行動定位技術有以下四種：【3】【4】

(1) Signal strength（SS）

利用基地台的訊強強度與距離的關係近行測距來達到定位的目的，

SpotON、LANDMARC 就是利用該技術。

(2) Time of arrival（TOA）

全球衛星導航系（GPS）統就是利用該方式，量測訊號從基地台傳輸 到使用者的時間近行測距定位。

(3) Time difference of arrival（TDOA）

量測電子訊號從基地台傳輸到使用者的時間差以雙曲線定位的原理 近行定位。

(4) Angle of arrival（AOA）

量測使用者與基地台之方向並以類似角度法前方交會的方式定位。

接著將介紹LANDMARC系統中實驗方法：

在 LANDMARC 系統的實驗環境，是由 n 個 RFID 讀取器、m 個指引標 籤（Reference tags） 和 u 個要追蹤的標籤（Tracking tags）所構成。

下頁中圖 2.7 就是以這樣思維建構出來的環境，一共使用了 4 個 RFID 讀取器、

16 個指引標籤、8 個待定位的追蹤標籤。

圖 2.7 LANDMARC 系統環境【15】

接著將在表 2.4 中將逐一說明 LANDMARC 如何達到最小誤差的定位原理：

表 2.4 LANDMARC 系統定位流程表

步驟一 將事先決定好數量的 RFID 讀取器、指引感應標籤 (reference tags，

m 個)，依照所欲擺設的感測網路拓樸 (topology) 環境放置妥當，在 這個預設是零干擾、零屏障的網路環境中，準備進行環境底下對追蹤 物定位的動作。

步驟二 將一個或數個欲追蹤的物件 (通常有配帶 RFID 感應標籤、或者本身 就是一張感應標籤)，置於網路環境中。

步驟三 從各個讀取器端，去接收來自追蹤標籤與指引標籤的訊號強度集合，

Sr

與θ^r。

步驟四 以這些讀取器收集到的訊號強度，透過公式（ =

∑

i i i

j

S

E

)2

(

θ

。

從這個向量集合，可以找出離追蹤物件最近的指引點，並以公式

(

∑

= _k

i i i j

E w E

1 2

2

1 1

)依序算出相對的參考權重。

步驟五 以離追蹤物件最近的指引點開始，以公式（ x y =

∑

1 ( , )

) ,

( ），

由近到遠依照順序，計算各階段引用不同數目指引標籤的狀況下，未 知物件的座標 (X, Y)。

2.6 室內定位技術分析

在論文中介紹的超音波、Zigbee、區網無線定位、RFID 硬體皆可以用於 室內定位使用，而全球定位系統因為衛星訊號對於室內屏障穿透的技術限制，

無法有效應用於室內定位，進而利用超音波、區網無線定位、Zigbee、RFID 技術規格進行式內定位應用，然而小型定位裝置在精準度上有共同的特性，

精準度要高就必須具有高密度與採樣樣本值精準的兩條件，舉例來說：

a.) 高密度

使用超音波、區網定位、Zigbee、RFID 所使用的定位演算法絕大部分都 要求指引標籤或是反射訊號物件的間隔距離要小，因為如此才能獲得一準確 的訊號值，使用 RFID 硬體元件的 LANDMARC 系統就是利用指引標籤回饋 的訊號強度數值與追蹤點的訊號強度數值相比較，找出一個與追蹤點訊號最 為相近的指引座標演算出追蹤點座標的方式，在 LANDMARC 環境中當回饋 的 指 引 標 籤 數 量 為 4 的 時 候 ， 才 會 有 最 好 的 定 位 精 準 度 ， 但 是 經 由 LANDMARC 運算公式 =

∑

i wi xi yi

y

x, ) 1 ( , )

( ，從公式中得知 4 個指引標籤加

總過後取一定比重的方式計算出追蹤點座標，但當指引標籤間格距離越遠，

將會導致追蹤點座標值誤差加大，有鑑於此 LANDMARC 定位實驗將間隔定 義在 1 公尺內，以達最小誤差的方式設計，但當間隔距離增加 LANDMARC 定位機制將會逐漸失去高精準度的優勢，故在論文中將利用虛擬訊號點的模 型來改善 LANDMARC 指引標籤間隔加大造成誤差加大的問題。

b.) 採樣樣本訊號精準

任一套定位機制都比須依賴訊號元件回饋的強度值進行演算定位，訊號 元件的訊號精準度就是定位機制的關鍵點，LANDMARC 用 RFID 硬體來座室 內定位，指引標籤的訊號強度值就是該機制的核心點，當訊號強度不在無干 擾、無憑仗的環境中，LANDMARC 要達到 2 公尺以內的誤差距離就必須付 出高硬體密度的代價，再者指引標籤訊號值採即時收訊取樣，於實際環境中

必定受到物體移動干擾的影響，故於實際環境中實際化較為困難，但論文中 將設定在一個低干擾、低屏障的實際環境驗證本研究提出的虛擬訊號源定位 系統（VSLS），之所以虛擬訊號源是因為指引標籤間隔距離增加的時候，其 中間所空出來的空間將在離線時間使用自走車進行訊號強度收集，經由中介 軟體的運算處理放置資料庫中，因此在線階段若有一追蹤物進入，系統將可 以取出離線資料庫的訊號值進行訊號強度向量集合、比重運算、座標定位的 運算，讓整個虛擬化定位的技術進一步落實降低訊號回饋元件的數量，並可 以提升訊號樣本的精準度。

第三章 虛擬訊號源定位系統架構

（Virtual Signal Location System）

在眾多室內定位機制中，都必須依賴訊號強度此元件的資訊提供，去發展各 類型的定位機制，L. M. Ni, Y. Liu and A. P. Patil 提出之 LANDMARC 定位系統【5】

也必須依賴指引標籤與待追蹤標籤之間訊號強度加權計分，進而估算某個未知訊 號點的座標值，所以當指引標籤間隔距離增加，精準度與距離就成反比，實際上 實驗發現 LANDMARC 利用待追蹤標籤訊號強度值與某個指引標籤的訊號強度值 最為接近，取最近的 4 個指引標籤訊號強度值去做比重運算。

舉例來說：指引標籤訊號強度值等於待追蹤標籤訊號強度值，其比重值就為 1，

那待追蹤標籤座標就會是指引標籤座標，在表 3.1 中發現當指引標籤距離加大，而 待追蹤點訊強度不改變下，公式 =

∑

i i i

j

S

E

)2

(

θ

隨著指引標籤距離增加而有所增加，然而在權重值計算公式

∑

= _k

i i i j

E w E

1 2

2

1 1

與座

標定位公式 =

∑

i wi xi yi

y

x, ) ₁ ( , )

( 計算出來的座標值誤差也就跟著加大。

L. M. Ni, Y. Liu and A. P. Patil 所提出的 LANDMARC 定位系統在指引標籤間 格距離 1~2 公尺內應用，確實可以發揮精準的定位成效，但在表 2.4 中將可以發現 LANDMARC 會經由指引標籤可讀取之數量多寡與指引標籤之間間隔距離遠近兩 個因素，進而影響 LANDMARC 定位機制定位精準度的關係，在 Reader 有限通訊 距離條件限制下，於寬廣定位範圍使用 LANDMARC 定位機制指引標籤數量不增 加則間隔距離就必須增加，倘若指引標籤數量不變的環境下而增加指引標籤之間 的間隔距離，在表 3.1 模擬 LANDMARC 定位系統的數據結果得到，LANDMARC 系統的定位精準度大幅度下降，有鑑於間隔距離增加條件下精準度下降之問題，

本研究將提出 Virtual Signal Location System（VSLS）來克服指引標籤間隔距離增 加精準度降低的問題，並且讓昂貴的主動式標籤使用量大幅度下降。

首先將於 3.1 節模擬 LANDMARC 定位機制，當指引標籤在不同間隔距離下 所呈現的精準度準確率分析，利用自走車定點、定速，搭載主動式 RFID 標籤進行 虛擬訊號強度的採集，但因自走車進入定點與離開定點時候會讓 RFID 訊號產生不 穩定的訊號源，這些不穩定的訊號源將大幅度降低定位精準度，採集到的虛擬訊 號強度定位系統將對指引標籤的間隔距離增加降低精準度與硬體設量降低兩大目 標予以解決，首先將於 3.1 節分析 LANDMARC 定位機制在不同距離下精準度的 分析，利用該分析來驗證 VSLS 定位機制的優異性。

3.1 LANDMARC 精準度分析

由於 LANDMARC 定位系統在不同數量的指引標籤有不同的定位誤差，在圖 3.1 是 LANDMARC 定位機制運算出來的實驗結果圖，其中的 k 代表的是指引標籤 點的數量、Avg.e 是所有追蹤點的平均誤差距離（Average error）、Worst 是所有 追蹤點的最大誤差距離，而個別追蹤點的誤差距離 e 的計算方式定義就如同公式 3.1 距離公式所定義

( ) (

)

2

0 + θ −θ

−

= S S

e …（3.1）

公式 3.1 中，（S,θ）是經由 LANDMARC 方法定位出來的預估座標，而（S₀, θ0）是該追蹤物實際座標，經由公式 3.1 尤拉距離（Euclidean distance）公式計算 出兩點間誤差的距離。

在圖 3.1 實驗結果圖可以得知，當使用 4 個指引標籤的值計算條件下會有最小 的定位誤差距離，然而在環境中因指引標籤之間距離增加，讀取器的通訊距離必 須增加，指引標籤數量隨之增加，LANDMARC 定位系統才可以維持一定的精準 度，在這樣以倍數成長的硬體要求下，往往是大部分使用 RFID 於室內定位考量中 怯步的主要原因。

圖 3.1 LANDMARC 系統實驗數據圖

利用圖 3.2 所架設 RFID 室內定位架構，來驗證 LANDMARC 定位機制同時，

可以發覺當指引標籤 A、B、C、D 因應 LANDMARC 實驗環境佈設，將指引標籤間格 距離從原本 1 公尺間隔，以 1 公尺 / 次的方式增加，來驗證待追蹤點位置不變之 下的條件 LANDMARC 定位機制是否可以在指引標籤間隔距離增加條件下，持續維持 最佳解 K=4 的最佳定位精準度。

圖 3.2 實驗環境架構示意圖

在表 3.1 實驗結果是將 R1 可以收取到的 4 個指引標籤與 10 個待追蹤標籤（t1、

t2、t3...t10）導入 LANDMARC 定位機制，將待追蹤標籤訊號強度值（Sr

）與 指引標籤訊號強度值（θ^r ），運用 =

∑

i i i

j

S

E

)2

(

θ

，經由向量集合搭配參考

權 重 計 算

∑

= _k

i i i j

E w E

1 2

2

1 1

， 找 出 離 待 追 蹤 標 籤 最 近 4 個 指 引 標 籤 座 標 導 入

∑

= _i^k w_i x_i y_i y

x, ) ₁ ( , )

( 演算出待追蹤標籤座標（t1、t2、t3…t10），在表 3.1 中 可以得知運用 LANDMARC 系統進行運算所推估出來的結果，依據 LANDMARC 定位系統要維持最佳定位精準度，必須讓待追蹤標籤訊號可以與 4 個指引標籤訊 號相對運算，而且 4 個指引標籤的距離需要維持一定的距離下，若超過 3 公尺間 隔距離其計算出來的定位精準度下降，故可以知道 LANDMARC 定位系統除了運 用指引標籤維持定位精準度之外，指引標籤的間隔距離也是一大考量。

表 3.1 模擬 LANDMARC 系統定位誤差距離表

間隔距離 1 公尺 2 公尺 3 公尺 4 公尺 5 公尺

追蹤點 誤差距離 （單位：公尺）

t1 1.25 1.57 1.84 2.15 2.68 t2 1.31 1.65 1.68 2.31 2.95 t3 1.29 1.61 1.7 2.26 3.02 t4 1.32 1.55 1.66 2.25 2.74 t5 1.24 1.64 1.83 2.19 2.81 t6 1.22 1.62 1.74 2.32 2.69 t7 1.30 1.59 1.72 2.17 2.95

t8 1.28 1.63 1.69 2.28 2.73 t9 1.27 1.55 1.77 2.21 2.91 t10 1.23 1.57 1.81 2.29 2.82

在模擬實驗結果中可以明顯得知 LANDMARC 定位系統，指引標籤在每一個 間隔距離環境中，所圖 3.3 中得知產生之總平均誤差與最大誤差的兩條曲線數值持 續上升，當指引標籤間隔距離增加到 5 公尺的時候，其總平均誤差距離將到達 2.8 公尺的誤差，且最大誤差到達 3 公尺，而應用室內定位的面積低於 1 平方公尺少 之又少，依照 LANDMARC 定位系統環境建置，為了維持一定準確率的定位精準 度就必須部署大量指引標籤硬體數量，在 VSLS 架構中我們將利用自走車定速、

定點的特性來降低指引標籤量，並搭載 RFID 主動式標籤於自走車，使其產生該虛 擬點的訊號源強度值作為日後追蹤待定位點之參考點使用。

圖 3.3 LANDMARC 定位誤差數據圖

3.2 Virtual Signal Location System（VSLS）

在 LANDMARC 機制驗證中得知指引標籤之間隔距離與定位精準度成反比的 問題與標籤硬體佈設數量與定位精準度成正比的問題，基於這兩個問題往往使 LANDMARC 在實際環境中部署指引標籤的數量限制，失去該理論的理想定位結 果，所以本論文將提出 VSLS 機制將可以為 LANDMARC 定位機制下的指引標籤 之間隔距離與定位精準度成反比與標籤硬體佈設數量與定位精準度成正比兩個缺 點進行改善，首先實驗將利用圖 3.4 中 Surveyor Corporation 公司制作之 SRV-1 自 走車，並搭載圖 3.4 中 Syris Corporation 公司設計之主動式標籤進行虛擬訊號源的 發送，自走車搭載主動式標籤主要是來解決 3.1 節中 LANDMARC 定位系統的標 籤間隔距離超過 3m 以上，將使定位精準度大幅度下降問題點，藉由自走車依據環 境中定義好的虛擬點位置進行行走，讓虛擬點訊號強度逐一發送回離線資料庫中 進行訊號過濾的處理；再者 LANDMARC 電子標籤硬體部署率差的缺點，也將由 虛擬訊號源的機制進行解決，舉例來說：在一面積為 25 平方公尺的環境中，為達 最佳的定位值則指引標籤距離需為 1 公尺間隔條件下部署，將必須用上 50 個電子 標籤的用量，然而以 VSLS 機制下則只需要 10 個指引標籤的部署，大幅度提高 5 倍的電子標籤硬體部署率，將讓 RFID 應用於實際環境中更為可行。

圖 3.4 RFID 裝置與自走車

本論文提出之 VSLS 系統的系統架構由圖 3.5 VSLS 系統架構圖，分別經過虛 擬訊號源採樣、Middleware 程式進行訊號強度純化、資料庫系統作為資料中心角 色，最後將藉由 LANDMARC 系統中的追蹤點與參考點之訊號強度相量集合，進 而推估出追蹤點相對於考點的比重值，將取參考比重較的參考點作為 LANDMARC 系統中的 K 值，使用虛擬點替代指引點的方式來讓定位精準度維持一定的精準度，

於圖 3.6 系統定位流程中將分為訊號強度採樣元件、訊號強度純化元件、資料庫系 統元件、定位系統元件，藉由該流程來達成 VSLS 定位機制的演算，接續將逐一 說明元件的細部處理流程：

圖 3.5 VSLS 系統架構圖

圖 3.6 VLLS 定位系統流程圖

a.) 訊號強度採樣

在訊號強度採樣中，因應環境面積過大採用虛擬訊號採樣時若因為環境因素 干擾，其數據將會有較大的誤差，故實驗中共分為兩種訊號源其一是虛擬點訊號 源，另一個則是實體點訊號強度，這兩種訊號源不同於固定與非固定訊號，虛擬 點訊號源是由搭載於自走車上依據自走車定義之速率與訊號點的 Active Tag 所發 出之訊號強度，另一訊號源則是擺放於實驗環境中固定不移動的指引標籤訊號強 度，如圖 3.7 中 V1 ~ V8…為虛擬點訊號源，A ~ D…為實體訊號源，實體訊號源 是研究中用來校正虛擬訊號源誤差的關鍵點，避免虛擬點訊號因當下環境因素產 生過大或過小的訊號值，造成的定位系統誤差過大的偵錯機制。

圖 3.7 實驗環境標籤示意圖

於實驗中自走車搭載之訊號發送裝置是採用 2.45GHz 波帶的電子標籤，而 訊號擷取裝置是採用對等的 2.45GHz 波帶的讀取器當做收信裝置，主要是發送 / 擷取在環境中已經定義好的指引點標籤的訊號強度，與自走車於離線階段裝 載之電子標籤所經過訊號點之虛擬點訊號強度，實驗環境中必須先使用圖 3.8 的 Network Enabler Administrator 中介程式對讀取器進行基本設定，如：讀取器 IP 位置、傳遞訊號模式、ComPort 對應…等相關設定，然而實驗中須經由多台 讀取器讀取訊號，將採用 RealCom 模式使用 TCP/IP 方式傳遞資訊，較有利於 多工傳訊。

圖 3.8 Network Enabler Administrator 中介程式

圖 3.9 為 Xtive Utility 程式畫面中所示，Xtive Utility 會先對讀取器收信參 數設定（如：訊號收取範圍，傳輸介面），而參考點標籤發送頻率設定為每 1.2 秒 / 次，自走車裝載之電子標籤發送頻率設定為每 1.2 秒 / 次，電子標籤發送 頻率決定於實驗環境的離線時間長短與定義之虛擬點數數量有極大的關係，表 3.2 為面積 25 平方公尺下標籤佈設數量表，將實驗中各個環境中所佈設之指引 標籤與虛擬標數點數逐一列出，因所有虛擬點標籤與指引標籤訊號值必須滿足 在離線時間內收取完畢並回送到離線資料庫進行純化處理，若設定虛擬點過多 而發送頻率時間過短，造成無法收取完畢，將會大幅度影響定位精準度的準 確。

圖 3.9 Xtive Utility 中介程式

表 3.2 實驗環境標籤佈設數量表

Tag 間距

Tag 參數

1m 2m 3m 4m 5m

指引標籤

(單位:個)

10 10 10 10 10

參考標籤

(單位:個)

0 10 20 30 40

間格距離

(單位:公尺)

1 2 3 4 5

發送頻率

(單位:秒/次)

1.2 1.2 1.2 1.2 1.2

採樣樣本

(單位:個)

100 100 100 100 100

a.) 訊號強度純化

實驗中採用自走車做為標籤執行定點定速移動的設備，因移動設備在進入與 離開定義之虛擬點同時，參考標籤所送出的訊號品質較為不穩定，該階段將收取 兩種訊號值，一為指引標籤訊號值，另外一種則為虛擬點訊號值，這兩個數值攸 關定位精準度高低與否，所以在數值純化處理，將採取多採樣平均化誤差機制，

實驗環境事先定義之標籤發送訊號頻率套用在指引標籤與虛擬點標籤進行 1.2 秒/

次的訊號發送，讀取器也依照該採樣頻率 1.2 秒/次持續採樣 100 個訊號樣本，並 將頭尾各 15 個數值誤差較大的訊號值丟棄留下 70 個標籤（m）所產生之訊號樣本 值（x）利用公式 3.2 計算，隨後儲存到離線資料表中，在表 3.3 與表 3.4 兩種標籤 改善效率表中得知訊號樣本純化前後的改善效率，經由平均化過後的訊號強度數 值（RSSIφ）將可以有效降低因外在因素干擾所造成的訊號強度誤差，導致訊號 強度誤差過大進而影響實驗中之定位精準度。

∑

=

i xm

RSSI

表 3.3 指引標籤訊號強度純化效率表

類型 標籤編號 純化前 純化後 訊號強度修正比率

指引標籤 (RSSI)

A 217 193 12.44%

B 229 197 16.24%

C 237 195 21.54%

D 249 201 23.88%

表 3.4 參考標籤訊號強度純化效率表

類型 標籤編號 純化前 純化後 訊號強度修正比率 參考標籤

(RSSI)

T1 189 175 8.00%

T2 180 173 4.05%

T3 250 234 6.84%

T4 263 241 9.13%

c.) 資料庫系統

在資料庫管理系統（DBMS，Database Management System）建構方式是用來 操作與管理資料庫的軟體，常用的有 Microsoft Access、Oracle、MySql、Microsoft SQL Server 等 DBMS 軟體。這些軟體可提供實驗中的資料進行定義、建立、運算，

其中定義是指資料的類型、結構與相關限制，建立是輸入並儲存資料，而運算是 包括查詢、更新、插入、刪除等動作。

由於本論文中需使用預處理程序，固實驗中採用 Microsoft SQL Server 2005 版本作為資料庫系統，在 RFID 資料庫中包含著離線資料表與在線資料表兩份資料 表，分別儲存著在線階段與離線階段的電子標籤資訊（訊號強度、座標、電池電 力），以下將逐一說明在線階段與離線階段兩種資料庫表格之規劃：

C.1) 離線資料表（Off-Line Table）

VSLS 系統中主要的資訊來源就是離線資料表，離線資料表中會將離線階 段中自走車搭載之參考標籤的訊號強度值、電池電力、標籤編號，逐一記錄 到離線資料表中，在表 3.5 為資料庫欄位說明表，而圖 3.10 是實驗中離線資 料表中儲存之指引標籤與參考標籤透過讀取器所送回之資訊，在資料表格中 包含電子標籤編號、連線品質、訊號強度、讀取器編號、電力狀態、指引標 籤座標點、參考標籤座標點、讀取時間點的一部份資訊。

表 3.5 資料庫欄位說明表

Tag Rssi Lqi

Reader Name

Di T1 T2

Show time

籤編號

訊號 強度

連線 品質

讀取器編號

電力 狀態

x 座標 y 座標 讀取時間

圖 3.10 離線資料表示意圖

虛擬標籤點訊號強度在經由圖 3.11 中 RFID Middleware 進行每點 120 秒 的收取時間（發送頻率 x 收取次數）後，將會進行逐點的訊號強度過濾，訊 號強度純化元件將對參考標籤與指引標籤點的回授訊號強度進行取樣 70 筆進 行訊號過濾處理，將頭尾各 15 個不穩定的訊號強度值去除，將穩定的訊號強 度值均化後儲存至離線資料表中，同時當標籤訊號強度（RSS threshold）100

（低電力）時與連線品質低於 150 時，該標籤訊號強度就不足以採信故不進行 紀錄。

然而 Middleware 設計中為讓離線資料庫收取訊號強度同時，免其它主動 式標籤進入造成的干擾，在定義之離線時段（Allow enter time）將啟動 Prohibit all personnel entering area 功能來防止同波帶之主動式標籤的數值記錄到離線 資料表中。

圖 3.11 RFID Middleware 介面

c.2) 在線資料表（On-Line Table）

當有未知訊號源於在線時段進入 VSLS 系統所但易的區域範圍內，此時 RFID Middleware 將會把該訊號源列為追蹤點（Tracking Tag），並將該點記 錄到在線資料庫中，表 3.6 為在線資料表的資料欄位說明，以圖 3.11 環境圖 說明當讀取器得知 Tracking Tag（紅色點）訊號強度之後，Middleware 程式提 取離線資料表中讀取器 R1 所收取之指引標籤與參考標籤訊號強度值，提取後 可使用公式 =

∑

i i i

j

S

E

)2

(

θ

標籤的訊號強度集合，透過比重計算

∑

= _k

i i i j

E w E

1 2

2

1 1

結果可以得知這些集合中

標籤點（C、D、V3、V4）離 Tracking Tag 最為接近，故將這四個標籤點作為

定位運算之 Reference Tag 使用，在公式 =

∑

i wi xi yi

y

x, ) 1 ( , )

( 計算結果可以得

知 Tracking Tag 的座標位置，Middlewar 程式隨即將該 Tracking Tag 資訊寫入 在線資料表，圖 3.13 為實驗中指引標籤間隔距離為 2 公尺時的在線資料表，

從圖中可以得知 VSLS 將紀錄 Tracking Tag 各時間的位置，做為以點構成線 的方式進行尋跡。

表 3.6 資料庫欄位說明表

Tag Rssi P1 P2 P3 P4 T1 T2

Show time

Reader Name 電子標

籤編號

訊號強

度

參考標

籤編號

參考標

籤編號

參考標

籤編號

參考標

籤編號

x 座標 y 座標

記錄時

間

讀取器

編號

圖 3.12 指引標籤間隔 2m 環境圖

圖 3.13 2 公尺間隔距離之在線資料表

在本研究中 VSLS 系統中的每一個元件都必須有一定的相關聯，訊號源採樣 進行定點的虛擬點續號強度擷取，而訊號強度純化原件則透過 Middleware 進行 Off-Line 與 On-Line 兩階段訊號強度存入資料庫系統前的預先純化的工作，資料庫 系統角色就猶如資料中心，資料庫元件將提供定位階段所需之指引點標籤座標、

參考點標籤座標、追蹤點與指引點之間的比重關係，而讓定位機制選擇離追蹤點 最有參考價值的參考點作為定位演算參數（k），再者 LANDMARC 系統中的指引 標籤分布密度加大，精準度下降或指引標籤硬體數量增加的問題將可藉由均化機 制與虛擬訊號採樣機制獲得良好的解決方式。

第四章系統實作與實驗模擬 4.1 實驗環境與平台

實驗環境

在實驗環境圖4.1中VSLS實作於10m * 10m的2D平面，之後將隨著指引標籤間 隔距離加大而面積增大，周圍環境影響因素設定為無2.4GHz頻帶的設備（無線基 地台）干擾與無屏障的空間，如圖4.1 實驗環境圖中，將佈設讀取器、指引標籤、

待追蹤標籤、虛擬標籤四種元件，佈設條件如下說明：

讀取器

圖4.1為環境中收取電子標籤的讀取器採用2.4GHz頻帶，在Xtive Utility中介程式中 將讀取器讀取半徑範圍設定為5公尺，而環境中讀取器間隔距離將分別設定為5公 尺、10公尺、15公尺，以掃描範圍不相互遮蔽為優先，將可避免訊號遮蔽現象而 影響到電子標籤的訊號傳遞穩定度。

電子標籤

a.) 指引標籤

指引標籤實驗中須與讀取器頻帶相同為2.4GHz，在Xtive Ulitity中介程 式我們將其發送頻率設定為1.2秒/次，擺設距離是這實驗中的可變參數，

初始的時候指引標籤與LANDMARC系統環境一致，間隔距離設定為1公尺，

逐次以增加1公尺的間隔距離方式進行實驗，設定最大間隔距離到5公尺進 行實驗。

b.) 虛擬標籤

在圖4.2中虛擬標籤（v2、v6）當在指引標籤間隔距離為1公尺時，並不介 入運作，當間隔距離到達2公尺以上，虛擬標籤（v2、v6）將置入指引標 籤（BC、AD）中間作為定位機制中的指引標籤。

圖 4.1 RFID 讀取器與標籤

圖 4.2 VSLS 實驗環境圖

測試平台

本論文所架構之實驗環境中，主要使用以下的軟硬體規格逐一將假設案例測 試並驗證，軟硬體條列如下：

硬體設備：

PC：

CPU：Penium 4 1.8Ghz Memory：1.5GB

HDD：80GB

NIC：Intel Pro/100 VE Netwok Connection RFID：

讀取器：Syris SYRD245-1N （2.4Ghz）

電子標籤：Syris Active Tag（2.45GHz）

自走車 : Surveyor Corporation SRV-1 作業系統：

Windows 2003 Server Enterprise 程式語言：

Borland C++ Builder 6.0 Microsoft Office Excel 資料庫：

Microsoft SQL Server 2005

4.2 情境模擬驗證

本節所做的一連串情境測試，皆依照環境中指引標籤的間隔距離改變而產生 不同的訊號強度，將LANDMARC與VSLS機制作效能上的比較。

Case1 ~ 5將依照指引標籤間隔距離不同，將比較LANDMARC與VSLS在效能上的 差異。

Case 1：

依照圖4.3 情境圖，於讀取器（R1）可讀取範圍（5公尺）的環境中置入5個 任意待追蹤點，而4個指引標籤將固定於1公尺的間隔距離條件中。

圖 4.3 Case 1 實驗情境圖

Case 2：

依照圖4.4 情境圖，於讀取器（R1）可讀取範圍（5公尺）的環境中置入5個 任意待追蹤點，而4個指引標籤將固定於2公尺的間隔距離條件中。

圖 4.4 Case 2 實驗情境圖

Case 3：

依照圖4.5 情境圖，於讀取器（R1）可讀取範圍（10公尺）的環境中置入5個 任意待追蹤點，而4個指引標籤將固定於3公尺的間隔距離條件中。

圖 4.5 Case 3 實驗情境圖

Case 4：

依照圖4.6 情境圖，於讀取器（R1）可讀取範圍（15公尺）的環境中置入5個 任意待追蹤點，而4個指引標籤將固定於4公尺的間隔距離條件中。

圖 4.6 Case 4 實驗情境圖

Case 5：

依照圖4.7 情境圖，於讀取器（R1）可讀取範圍（15公尺）的環境中置入5個 任意待追蹤點，而4個指引標籤將固定於5公尺的間隔距離條件中。

圖 4.7 Case 5 實驗情境圖