第 1 章绪论
1.1 研究背景
因物联网技术的诞生及兴起，技术方面的与日俱进，“无人”管理系统已悄然走进公共安全、社会服务、民用服务等领域。近年来，“无人”管理系统在商业、企业生产等方面的广泛应用，激发了人们对其研究热情；对于“无人”管理系统的研发和开拓，世界各国均给予关注和重视[1]。但是由于室内环境复杂多变，研制“无人”管理系统的难度极大。RFID 技术拥有非接触、非视距、定位准确度高、低成本等优点，是“无人”管理系统的重要应用技术之一。目前基于RFID 技术的“无人”智能管理系统已应用于多个领域，例如畜牧业、农业大棚、“无人超市”等[2,3]。同时 WiFi 技术也已逐步广泛使用于人们日常生活中，让人们可以在任何时间、任何地点都能够快速、便捷的接入网络。并且 WiFi 技术具备传输速度快、有效距离远、可靠性高、应用领域广泛等优势，故基于 WiFi 无线网络的物联网正逐渐成为物联网技术发展的主干线[4]。
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1.2 国内外研究现状及研究意义
1）国内外研究现状
WiFi 技术最早始于澳洲政府的研究（的研究最早起源于欧洲政府），发展至今，WiFi 已风靡全球，融入进人们的生活、工作和学习中。早在 20 世纪 90 年代，澳洲相关机构就已在美国申请了无线技术这一专利。该技术相比世界其他国家，我国对其研究起步相对较晚。但由于 WiFi 技术设置便捷、传输速度快等优点，近些年在国家的大力支持下，WiFi 技术在国内也得以迅速发展[6]。
RFID 技术最早来源于英国，当时主要用于二战交战双方战机的识别，从上世纪 60 年代开始步入商业发展，经过几十年的研究完善，如今已经应用于仓储、交通、车库泊车、高危药品保存及图书行业等多个领域。世界上美国在 RFID 硬件研制开发和应用规范拟定方面，一直是名列前茅。日本 UID（Ubiquituous ID）规范和欧洲 15018000规范也促进了 RFID 的进一步发展[7]。同样在 RFID 技术方面中国市场起步也相对比较晚，但是随着中国综合国力提升和对科技创新的重视，据《2017-2022 年中国 RFID 行业市场前瞻与投资战略规划研究报告》概述，我国 RFID 市场在 2016 的产值接近 542.7 亿元，同比增加 27.25%。依据前瞻产业研究院《2017-2022 年中国人工智能行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》阐述说明，近年来我国结合 RFID的人工服务系统也有飞速进展，据统计我国人工智能行业在 2016 年的市场产值趋近 100.6 亿元，同比增加 43.3%，并预计 2019 年将达到 344.30 亿元。
我国在 RFID 领域应用典型的案例有：由我国自立开创研制的“中国铁路车号自动识别系统”、城市中的公交自动刷卡收费系统和第二代居民身份证个人信息的自主辨识[8]。
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第 2 章 基于 WiFi/RFID 的室内定位算法
2.1基于 RFID 的室内定位算法
RFID 定位技术具有可测距离远、穿透能力强、多物品识别、低成本、易于部署、定位精度高等优点，是众多室内定位技术中极为突出的一类定位技术[11,12]。为尽可能提高定位精度，研究者们提出很多基于 RFID 的室内定位算法，其中主要为 LANDMARC 算法[13,14]、VIWE 算法[15]等。
2.1.1 LANDMARC 算法
LANDMARC（ Location Identification Based on Dynamic ActiveRFID Calibration ）定位算法思想：根据预先在室内布置的参考标签的 RSSI 值，将待测标签的 RSSI 值与参考标签的 RSSI 相比较。计算两者的 RSSI 差值，找出最小 RSSI 差值所对应的参考标签；由已知位置信息的参考标签，推算获得待测标签的位置信息[16-17]，解决对待测物品的定位问题，其 LANDMARC 算法具体流程如图 2-1。图 2-1 中参考标签和目标标签的信号强度矩阵 M、N 及两者之间的关联矩阵 E计算方法在此不详细介绍，具体描述可参考文献[18-19]叙述。
但以此方法获取的物品位置信息，使得定位精度与参考标签的选择紧密相关。同时标签 RSSI 值易受环境因素干扰，造成信息 RSSI 值起伏不定，即无法保证定位精度。同时电信号在室内传播时发生多径效应，导致信号参数产生波动，发生数据延迟。故仅仅凭借标签 RSSI值估算物品位置信息，其定位精度较差[20-21]
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2.2 基于 WiFi 的室内定位算法
近年，人们对无线通信技术的热忱和智能移动终端的普及，基于移动终端的室内定位技术成为了当今研究热点之一[26]。同时目前国家和移动、电信运营商已基本完成 WiFi 全覆盖，实现基于 WiFi 的室内定位提供进一步保障，并且 WiFi 具有覆盖范围广、传输数率快等优点，故基于 WiFi 的室内定位技术已成为室内定位领域的热门研究方向[25]。但是根据 WiFi 接收的 RSSI 值的 WiFi 室内定位技术，因环境影响使得信号 RSSI 值不稳定，故其定位精度也不高[27]。
2.1 节详细阐述基于 RFID 的几类典型室内定位算法，但是将基于 RFID 的室内定位算法投入实际应用时，室内环境的多变复杂导致其定位精度都不是很理想；特别是定位室内物品出、入状态时，需部署多台 RFID 读卡器和多天线确定物品出/入状态。但是通过多台 RFID读卡器和多天线处理此问题，不仅增加其工作计算量，且存在数据传输延迟。本文采用 LANDMARC 算法为本系统的核心思想，并使用 WiFi通信，整个系统实现无线通信。
3.1 PEGASIS 算法............................. 11
3.1.1 算法思想..............................11
3.1.2 算法优缺点分析..................................11
第 4 章 改进的 LEACH 算法研究...................................23
4.1 LEACH 算法......................................... 23
4.2 改进的 LEACH 算法............................ 24
第 5 章 基于 WiFi 与 RFID 室内物品出入管理系统设计........................................34
5.1 系统的总体设计....................... 34
5.2 系统的硬件设计................................. 34
第 5 章基于 WiFi 与 RFID 室内物品出入管理系统设计
5.1 系统的总体设计
为实时定位室内物品出入情况，设计一款基于 WiFi 和 RFID 的室内物品出入智能管理系统。本系统通过 WiFi 模块为整个系统提供网络环境，实现局域网通信。并设计编写移动终端应用 APP，当用户与系统处于同一局域网时，用户通过移动终端 APP 对室内物品进行远程监控和管理。系统总体设计从以下几方面进行设计，即：硬件设计、软件功能设计、系统实际环境搭建设计。具体如图 5-1。
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1.1 研究背景
因物联网技术的诞生及兴起，技术方面的与日俱进，“无人”管理系统已悄然走进公共安全、社会服务、民用服务等领域。近年来，“无人”管理系统在商业、企业生产等方面的广泛应用，激发了人们对其研究热情；对于“无人”管理系统的研发和开拓，世界各国均给予关注和重视[1]。但是由于室内环境复杂多变，研制“无人”管理系统的难度极大。RFID 技术拥有非接触、非视距、定位准确度高、低成本等优点，是“无人”管理系统的重要应用技术之一。目前基于RFID 技术的“无人”智能管理系统已应用于多个领域，例如畜牧业、农业大棚、“无人超市”等[2,3]。同时 WiFi 技术也已逐步广泛使用于人们日常生活中，让人们可以在任何时间、任何地点都能够快速、便捷的接入网络。并且 WiFi 技术具备传输速度快、有效距离远、可靠性高、应用领域广泛等优势，故基于 WiFi 无线网络的物联网正逐渐成为物联网技术发展的主干线[4]。
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1.2 国内外研究现状及研究意义
1）国内外研究现状
WiFi 技术最早始于澳洲政府的研究（的研究最早起源于欧洲政府），发展至今，WiFi 已风靡全球，融入进人们的生活、工作和学习中。早在 20 世纪 90 年代，澳洲相关机构就已在美国申请了无线技术这一专利。该技术相比世界其他国家，我国对其研究起步相对较晚。但由于 WiFi 技术设置便捷、传输速度快等优点，近些年在国家的大力支持下，WiFi 技术在国内也得以迅速发展[6]。
RFID 技术最早来源于英国，当时主要用于二战交战双方战机的识别，从上世纪 60 年代开始步入商业发展，经过几十年的研究完善，如今已经应用于仓储、交通、车库泊车、高危药品保存及图书行业等多个领域。世界上美国在 RFID 硬件研制开发和应用规范拟定方面，一直是名列前茅。日本 UID（Ubiquituous ID）规范和欧洲 15018000规范也促进了 RFID 的进一步发展[7]。同样在 RFID 技术方面中国市场起步也相对比较晚，但是随着中国综合国力提升和对科技创新的重视，据《2017-2022 年中国 RFID 行业市场前瞻与投资战略规划研究报告》概述，我国 RFID 市场在 2016 的产值接近 542.7 亿元，同比增加 27.25%。依据前瞻产业研究院《2017-2022 年中国人工智能行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》阐述说明，近年来我国结合 RFID的人工服务系统也有飞速进展，据统计我国人工智能行业在 2016 年的市场产值趋近 100.6 亿元，同比增加 43.3%，并预计 2019 年将达到 344.30 亿元。
我国在 RFID 领域应用典型的案例有：由我国自立开创研制的“中国铁路车号自动识别系统”、城市中的公交自动刷卡收费系统和第二代居民身份证个人信息的自主辨识[8]。
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第 2 章 基于 WiFi/RFID 的室内定位算法
2.1基于 RFID 的室内定位算法
RFID 定位技术具有可测距离远、穿透能力强、多物品识别、低成本、易于部署、定位精度高等优点，是众多室内定位技术中极为突出的一类定位技术[11,12]。为尽可能提高定位精度，研究者们提出很多基于 RFID 的室内定位算法，其中主要为 LANDMARC 算法[13,14]、VIWE 算法[15]等。
2.1.1 LANDMARC 算法
LANDMARC（ Location Identification Based on Dynamic ActiveRFID Calibration ）定位算法思想：根据预先在室内布置的参考标签的 RSSI 值，将待测标签的 RSSI 值与参考标签的 RSSI 相比较。计算两者的 RSSI 差值，找出最小 RSSI 差值所对应的参考标签；由已知位置信息的参考标签，推算获得待测标签的位置信息[16-17]，解决对待测物品的定位问题，其 LANDMARC 算法具体流程如图 2-1。图 2-1 中参考标签和目标标签的信号强度矩阵 M、N 及两者之间的关联矩阵 E计算方法在此不详细介绍，具体描述可参考文献[18-19]叙述。
但以此方法获取的物品位置信息，使得定位精度与参考标签的选择紧密相关。同时标签 RSSI 值易受环境因素干扰，造成信息 RSSI 值起伏不定，即无法保证定位精度。同时电信号在室内传播时发生多径效应，导致信号参数产生波动，发生数据延迟。故仅仅凭借标签 RSSI值估算物品位置信息，其定位精度较差[20-21]
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2.2 基于 WiFi 的室内定位算法
近年，人们对无线通信技术的热忱和智能移动终端的普及，基于移动终端的室内定位技术成为了当今研究热点之一[26]。同时目前国家和移动、电信运营商已基本完成 WiFi 全覆盖，实现基于 WiFi 的室内定位提供进一步保障，并且 WiFi 具有覆盖范围广、传输数率快等优点，故基于 WiFi 的室内定位技术已成为室内定位领域的热门研究方向[25]。但是根据 WiFi 接收的 RSSI 值的 WiFi 室内定位技术，因环境影响使得信号 RSSI 值不稳定，故其定位精度也不高[27]。
2.1 节详细阐述基于 RFID 的几类典型室内定位算法，但是将基于 RFID 的室内定位算法投入实际应用时，室内环境的多变复杂导致其定位精度都不是很理想；特别是定位室内物品出、入状态时，需部署多台 RFID 读卡器和多天线确定物品出/入状态。但是通过多台 RFID读卡器和多天线处理此问题，不仅增加其工作计算量，且存在数据传输延迟。本文采用 LANDMARC 算法为本系统的核心思想，并使用 WiFi通信，整个系统实现无线通信。
在室内环境下，电信号在空间中传输时会发生散射、饶射等现象，造成多径干扰效应，使得信号 RSSI 值出现不同程度衰减，导致定位精度不高。但在本文中将多径效应转变为本系统的函数变量之一，利用信号多径效应、WiFi、RFID 与相关算法来实现对室内物品出入智能管理。通过此方法不需布置多台 RFID 读卡器和多天线即可定位物品出、入状态，不仅降低成本，提高对室内物品管理效率；特别是对于大型室内环境，可以很大程度上减少人力资源使用。
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第 3 章 一种 HCTRP 协议下 PEGASIS 最优路径算法研究....................................113.1 PEGASIS 算法............................. 11
3.1.1 算法思想..............................11
3.1.2 算法优缺点分析..................................11
第 4 章 改进的 LEACH 算法研究...................................23
4.1 LEACH 算法......................................... 23
4.2 改进的 LEACH 算法............................ 24
第 5 章 基于 WiFi 与 RFID 室内物品出入管理系统设计........................................34
5.1 系统的总体设计....................... 34
5.2 系统的硬件设计................................. 34
第 5 章基于 WiFi 与 RFID 室内物品出入管理系统设计
5.1 系统的总体设计
为实时定位室内物品出入情况，设计一款基于 WiFi 和 RFID 的室内物品出入智能管理系统。本系统通过 WiFi 模块为整个系统提供网络环境，实现局域网通信。并设计编写移动终端应用 APP，当用户与系统处于同一局域网时，用户通过移动终端 APP 对室内物品进行远程监控和管理。系统总体设计从以下几方面进行设计，即：硬件设计、软件功能设计、系统实际环境搭建设计。具体如图 5-1。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文通过使用 LANDMARC 算法和相关改进路由算法，结合 WiFi 和RFID 技术，设计的基于 WiFi 和 RFID 的室内物品出入管理系统；成功的解决大型室内环境对物品出/入管理困难、管理效率低等问题。回顾归纳全文,本文主要做了如下工作:
（1）了解并分析当前对室内物品出、入管理时,存在的不足和本系统相关技术发展现状，据此现状阐述设计本系统的目的及意义。
（2）针对 WSNs 中部分节点重复采集同一数据，提出一种 HCTRP 协议下的 PEGASIS 最优路径算法，对比 LEACH、PEGASIS、HCTRP-PEGASIS，
6.1 总结
本文通过使用 LANDMARC 算法和相关改进路由算法，结合 WiFi 和RFID 技术，设计的基于 WiFi 和 RFID 的室内物品出入管理系统；成功的解决大型室内环境对物品出/入管理困难、管理效率低等问题。回顾归纳全文,本文主要做了如下工作:
（1）了解并分析当前对室内物品出、入管理时,存在的不足和本系统相关技术发展现状，据此现状阐述设计本系统的目的及意义。
（2）针对 WSNs 中部分节点重复采集同一数据，提出一种 HCTRP 协议下的 PEGASIS 最优路径算法，对比 LEACH、PEGASIS、HCTRP-PEGASIS，
本文改进算法可以提高网络生存周期约 20%；网络平均总能耗平均到每个节点，本文改进算法可以至少降低 9 J。
（3）针对实际环境中障碍产生的阴影效应影响节点间无线通信，本文提出一种改进的 LEACH 算法-新选簇方法。相比 LEACH、ALEACH、Kost-LEACH，本文改进 LEACH 选算法提高至少 2%的节点利用率，普通节点入簇失败的概率，至少降低 3.7%。
参考文献（略）（3）针对实际环境中障碍产生的阴影效应影响节点间无线通信，本文提出一种改进的 LEACH 算法-新选簇方法。相比 LEACH、ALEACH、Kost-LEACH，本文改进 LEACH 选算法提高至少 2%的节点利用率，普通节点入簇失败的概率，至少降低 3.7%。