一種可高效擴(kuò)展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)

陳同寧 郭燕玲 喬靜 劉偉民

摘要：本文介紹了一種可高效擴(kuò)展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多級(jí)定位方法，通過(guò)劃分區(qū)間，多次簡(jiǎn)單定位，實(shí)現(xiàn)了大范圍跳轉(zhuǎn)到小范圍，再根據(jù)已建立的RFID系統(tǒng)精確定位。本系統(tǒng)在擴(kuò)展定位范圍時(shí)很少增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，且不損失定位精度，實(shí)現(xiàn)了高效迅速的定位。

關(guān)鍵詞：超高頻RFID；擴(kuò)展定位范圍；多級(jí)定位；高效迅速

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）51-0230-02

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）作為一種高效的監(jiān)測(cè)和識(shí)別方法被越來(lái)越多的人所使用[1]。與其他技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)以其非接觸、非視距、傳輸范圍大、定位精度高且成本低等其他技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]，成為室內(nèi)定位領(lǐng)域的優(yōu)選技術(shù)，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前典型的基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)多是基于RSSI原理的參考標(biāo)簽算法[3，4]，如LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)，即在待定位標(biāo)簽可能的所在范圍內(nèi)，按照一定的分布形式布置一些位置已知的標(biāo)簽作為參考，然后閱讀器分別讀出這些參考標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值，根據(jù)參考標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值的大小關(guān)系確定他們位置的相對(duì)關(guān)系，從而確定目標(biāo)標(biāo)簽位置的一種算法[5]。

一、RFID定位系統(tǒng)介紹

1.定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的硬件部分包括一組無(wú)源RFID標(biāo)簽，由若干參考標(biāo)簽和一個(gè)動(dòng)態(tài)定位物體的標(biāo)簽組成；超高頻RFID閱讀器；閱讀器遠(yuǎn)場(chǎng)天線，上位機(jī)。其過(guò)程是使用RFID參考標(biāo)簽構(gòu)成分布形式為N*N的矩陣，兩個(gè)標(biāo)簽之間的距離在0.5～1m之間，動(dòng)態(tài)物體攜帶定位標(biāo)簽在矩陣中，以三對(duì)閱讀器遠(yuǎn)場(chǎng)天線檢測(cè)標(biāo)簽場(chǎng)強(qiáng)值，由超高頻RFID閱讀器讀取天線數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)將標(biāo)簽場(chǎng)強(qiáng)值帶入設(shè)計(jì)的定位算法即可實(shí)現(xiàn)基于RSSI的定位。其中RFID射頻發(fā)射電路由RFID閱讀器芯片輸出解耦、匹配電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、功率放大電路、濾波電路以及定向耦合電路組成，其將命令和數(shù)據(jù)封裝成幀，使其滿足EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)制為860MHz—960MHz的射頻信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)天線發(fā)射出去。標(biāo)簽接收射頻信號(hào)獲得能量從而被啟動(dòng)，將收到的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)解碼，并將命令要求的信息通過(guò)ASK或BPSK的方式調(diào)制，然后反向散射，將調(diào)制信號(hào)反饋給RFID射頻收發(fā)器。在此過(guò)程中，超高頻RFID閱讀器與標(biāo)簽之間采取詢問(wèn)—應(yīng)答的方式進(jìn)行，及閱讀器發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)后，標(biāo)簽給予應(yīng)答，并且由閱讀器提供時(shí)序，兩者時(shí)序關(guān)系需一致。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.定位系統(tǒng)算法。本系統(tǒng)的算法采用的是基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）原理的參考標(biāo)簽算法[6，7]，參考標(biāo)簽算法示意圖如圖2。

如圖2所示，參考標(biāo)簽以此形式放置，定位過(guò)程中的算法如下：由閱讀器讀取參考標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值，系統(tǒng)根據(jù)所讀取標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值，以參考標(biāo)簽和待定位標(biāo)的簽場(chǎng)強(qiáng)值的相對(duì)大小關(guān)系為依據(jù)，對(duì)各個(gè)參考標(biāo)簽的可信度進(jìn)行判斷，判斷完成之后，將最近鄰位的標(biāo)簽選取出來(lái)，而后計(jì)算各最近鄰位標(biāo)簽的權(quán)重，從而得到對(duì)參考標(biāo)簽位置的估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)了N*N矩陣中的動(dòng)態(tài)標(biāo)簽定位。

3.可高效擴(kuò)展定位范圍算法。下面說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)對(duì)已有定位系統(tǒng)的定位范圍高效迅速的擴(kuò)展。范圍由N*N矩形擴(kuò)展至（N+m）*（N+m）矩形，其中1在每個(gè)N*N矩陣中選取一個(gè)初次定位標(biāo)簽，初次定位標(biāo)簽的位置，在N為奇數(shù)時(shí)，應(yīng)為N*N矩陣中心點(diǎn)位置的標(biāo)簽；若N為偶數(shù)，則應(yīng)為N*N矩陣中心2*2矩陣靠近邊角位置的標(biāo)簽，四個(gè)標(biāo)簽位置中心對(duì)稱。使用三對(duì)閱讀器遠(yuǎn)場(chǎng)天線進(jìn)行初次定位，檢測(cè)這四個(gè)標(biāo)簽和動(dòng)態(tài)定位標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值，通過(guò)四個(gè)標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽場(chǎng)強(qiáng)值的相對(duì)大小關(guān)系定位其中一個(gè)標(biāo)簽，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)值反映了兩個(gè)標(biāo)簽之間的距離，故通過(guò)比較場(chǎng)強(qiáng)值來(lái)選擇與動(dòng)態(tài)定位標(biāo)簽距離最近的標(biāo)簽，作為初次定位的目標(biāo)標(biāo)簽，如圖3所示，右下角的三角標(biāo)簽即為初次定位的目標(biāo)標(biāo)簽。注意，初次定位的運(yùn)算量極小，相對(duì)于復(fù)雜的大型算法，其對(duì)系統(tǒng)資源的消耗和用時(shí)可以忽略。初次定位標(biāo)簽后，系統(tǒng)可判段待定位標(biāo)簽位于初次定位標(biāo)簽所在N*N矩陣之中，這樣就縮小了定位的范圍，然后僅需控制系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至之前已建立的RFID定位系統(tǒng)，進(jìn)行小范圍的標(biāo)簽位置判定即可得到準(zhǔn)確的標(biāo)簽位置。如此，就完成了定位范圍的擴(kuò)展。

二、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

可高效擴(kuò)展定位范圍的定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于在原有小范圍定位范圍基礎(chǔ)上高效迅速擴(kuò)展其定位范圍，本節(jié)針對(duì)其定位效率進(jìn)行測(cè)試和分析。定位算法的仿真驗(yàn)證是通過(guò)Intel？襆R1000開(kāi)發(fā)平臺(tái)的定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。該仿真系統(tǒng)包括：軟件為系統(tǒng)定位程序、硬件控制程序和測(cè)試界面；硬件為Intel？襆 R1000開(kāi)發(fā)平臺(tái)、射頻遠(yuǎn)場(chǎng)天線、無(wú)源標(biāo)簽、PC機(jī)。本系統(tǒng)搭建地點(diǎn)為約4m*4m的室內(nèi)空間中，遠(yuǎn)場(chǎng)天線放置如圖2所示，16個(gè)參考標(biāo)簽如系統(tǒng)測(cè)試界面所示擺放于固定位置，參考標(biāo)簽的EPC值以保存在程序中。開(kāi)始測(cè)試時(shí)，首先啟動(dòng)Intel？襆R1000開(kāi)發(fā)平臺(tái)，而后系統(tǒng)測(cè)試界面會(huì)顯示平臺(tái)啟動(dòng)成功界面，點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)試，定位完成后會(huì)在直角坐標(biāo)系中顯示出定位標(biāo)簽位置。下面將系統(tǒng)定位范圍擴(kuò)展到約6m*6m，需要36個(gè)參考標(biāo)簽，標(biāo)簽放置方式如圖4所示。

通過(guò)對(duì)前后兩種范圍的定位系統(tǒng)比較發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大定位范圍之后的定位時(shí)間與原有小范圍的定位時(shí)間相差無(wú)幾，表明本論文提出的多級(jí)定位算法并沒(méi)有增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)的定位效率，這樣就實(shí)現(xiàn)了高效迅速的定位范圍擴(kuò)展。

三、結(jié)語(yǔ)

本文提出的可高效擴(kuò)展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)通過(guò)將較大定位范圍劃分區(qū)間，進(jìn)行兩次定位，跳轉(zhuǎn)到較小的可精確定位范圍之中，實(shí)現(xiàn)了高效迅速擴(kuò)展定位范圍的目的。該算法在實(shí)際應(yīng)用中可以在閱讀器允許的讀取范圍內(nèi)，進(jìn)行更多級(jí)的定位，將更大的定位范圍根據(jù)其擺放位置，合理地劃分區(qū)間，化繁為簡(jiǎn)，得到高精度高效率的定位結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Want，R. An introduction to RFID technology. IEEE Pervasive Comput. 2006，5，25–33.

[2]Potyrailo，R.A.；Surman，C. A passive radio-frequency identification （RFID） gas sensor with self-correction against fluctuations of ambient temperature. Sens. Actuator B Chem. 2013，185，587–593.

[3]Chen，Y.；Rapajic，P. Ultra-wideband cognitive interrogator network：Adaptive illumination with active sensors for target localisation. IET Commun. 2010，4，573–584.

[4]Huang，Y.；Brennan，P.V.；Seeds，A. Active RFID location system based on time-difference measurement using a linear FM chirp tag signal. In Proceedings of the IEEE 19th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications （PIMRC 2008），Cannes，F(xiàn)rance，15–18 September 2008；pp. 1–5.

[5]Ni，L.M.；Liu，Y.；Lau，Y.C.；Patil，A.P. LANDMARC：Indoor location sensing using active RFID. Wirel. Netw. 2004，10，701–710.

[6]NI L，LIU Y，LAU Y，PATIL A. LANDMARC：indoor location sensing using active RFID[A].Proceedings of the First IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications （Per-Com2003）[C].Dallas，Texas，USA，March 2003.407-415.

[7]BAHL P，PADMANABHAN V，BALACHANDRAN A. Enhance-ments to the RADAR User Location and Tracking System[R]. Micro-soft Research Technical Report，2009.