基于旋轉(zhuǎn)天線的RFID室內(nèi)定位算法及試驗(yàn)研究

鮑天翼 王秋燕 羅富華

【關(guān)鍵詞】RFID 定位算法 旋轉(zhuǎn)天線

1 引言

室內(nèi)定位技術(shù)是一項(xiàng)有很廣闊前景和研究意義的技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)?；赗FID（Radio Frequency Identification）技術(shù)的定位方法具有非接觸、低成本、部署簡(jiǎn)單、高精度等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為首選的室內(nèi)定位技術(shù)，尤其無(wú)源RFID具有不需要供電、可長(zhǎng)期工作、能浸水使用等優(yōu)勢(shì)，因而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。

RFID室內(nèi)定位算法大致可歸類(lèi)為場(chǎng)景分析法和距離估計(jì)法兩種。LANDMARC系統(tǒng)是一種常用的基于場(chǎng)景分析的定位方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但成本高、定位精度差?；诰嚯x估計(jì)的定位方法主要有依據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間TOA（Time of Arrival）的定位技術(shù)、依據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差TDOA（Time Difference of Arrival）的定位技術(shù)、依據(jù)信號(hào)到達(dá)角度AOA（Angle of arrival）的定位技術(shù)和依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度RSSI的定位技術(shù)等，其中依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度RSSI的定位方法應(yīng)用廣泛。在諸多RSSI的定位算法中，三邊測(cè)量法、雙曲線測(cè)量法和最小二乘法是較為常用和基本的定位算法。

本文在實(shí)際RFID閱讀器模型的基礎(chǔ)上，提出一種采用旋轉(zhuǎn)天線的新型RFID定位方法，給出了算法編寫(xiě)程序，并對(duì)該定位方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 旋轉(zhuǎn)天線定位算法

許多研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RFID功率等值線不是一個(gè)圓。意大利羅馬大學(xué)G. Marrocco等人的理論研究表明，RFID閱讀器的邊界適合于用一個(gè)橢圓方程來(lái)描述。李再煜的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情形下受天線和硬件PCB 布線等其他因素的影響，功率等值線所構(gòu)成的曲線并不是一個(gè)圓，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其軌跡是一個(gè)近似的橢圓。

試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，RFID信號(hào)在天線相對(duì)角度為0時(shí)RSSI強(qiáng)度最高，相對(duì)角度為0時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系可以用對(duì)數(shù)路徑損耗模型（1）表示。

式中，PL（d）為經(jīng)過(guò)距離d后的路徑損耗；PL（d0）為經(jīng)過(guò)單位距離后的路徑損耗；d0為單位距離；X0為均值為0的隨機(jī)數(shù)并服從高斯分布；n是信號(hào)衰減因子。

實(shí)際測(cè)量中測(cè)距模型可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

式中，A為高斯分布的噪聲。

隨著角度的增加RSSI強(qiáng)度逐漸降低，如圖1所示。如果記錄下標(biāo)簽隨著天線角度變化下的信號(hào)強(qiáng)度變化，通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到當(dāng)前標(biāo)簽距離信號(hào)強(qiáng)度最大處的角度和當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度值RSSI。

使用公式可以得到標(biāo)簽與天線的直線距離d，則標(biāo)簽位置為：

x=dsinα，y=dcosα （3）

3 RFID天線特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件介紹

依據(jù)試驗(yàn)原理圖，開(kāi)發(fā)板通過(guò)一個(gè)USB口連接到計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上安裝驅(qū)動(dòng)程序可以虛擬出RS232口。系統(tǒng)試驗(yàn)中采用了玖銳科技的JRM20X0高頻模塊開(kāi)發(fā)板和JR4050W 3dBI天線.該開(kāi)發(fā)板通過(guò)RS232通訊接口可以控制讀寫(xiě)RFID標(biāo)簽，并能提供RSSI值。試驗(yàn)中天線通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，標(biāo)簽位置不變，計(jì)算機(jī)連續(xù)采集標(biāo)簽的RSSI值。步進(jìn)電機(jī)512步走完一圈360°，為了測(cè)試方便，每次控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°。

3.2 數(shù)據(jù)采集方法介紹

向JRM20X0開(kāi)發(fā)板的RS232接口發(fā)送命令幀，然后讀取通知幀就可以獲得所需數(shù)據(jù)。

在Matlab中打開(kāi)RS232端口，發(fā)送多次讀標(biāo)簽的指令，然后讀取返回的數(shù)據(jù)，判斷返回?cái)?shù)據(jù)有效后保存這個(gè)數(shù)據(jù)。下面為一個(gè)matlab讀取100次標(biāo)簽數(shù)據(jù)的演示例子。

%第二個(gè)字節(jié)為2是成功讀到數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)

由于讀到的RFID標(biāo)簽RSSI值有一定的隨機(jī)性，需要多次進(jìn)行讀取，取其平均值為測(cè)量值。

在步進(jìn)電機(jī)控制天線旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，部分角度無(wú)法讀取到標(biāo)簽數(shù)據(jù)，因此試驗(yàn)中在每個(gè)角度下讀取標(biāo)簽20次，僅保存讀到的有效數(shù)據(jù)，舍棄其中沒(méi)有有效測(cè)量數(shù)據(jù)的角度測(cè)量結(jié)果。

3.3 直線距離下RSSI與距離之間的關(guān)系

標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度RSSI在標(biāo)簽與天線之間的角度為0°時(shí)與距離有良好的線性關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)可以獲得這個(gè)關(guān)系。通過(guò)前述試驗(yàn)系統(tǒng)，在每個(gè)標(biāo)簽位置下讀取100次數(shù)據(jù)做平均，消除RSSI的隨機(jī)量后作為RSSI的真值。

對(duì)試驗(yàn)中的天線和標(biāo)簽，其信號(hào)強(qiáng)度和標(biāo)簽距離的關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到RSSI與距離的關(guān)系如下關(guān)系式：

d = -52.79RSSI-2903.74

以此公式估計(jì)RSSI值對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽位置，所得到的距離估計(jì)誤差如表1所示，最大的估計(jì)誤差為29.71mm，定位精度較高。

4 旋轉(zhuǎn)天線定位試驗(yàn)

用matlab編程控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，RFID天線安裝在步進(jìn)電機(jī)上其角度隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，對(duì)RFID測(cè)量20次，分析測(cè)量的結(jié)果，舍棄沒(méi)有RSSI值的無(wú)效數(shù)據(jù)。如此反復(fù)進(jìn)行，對(duì)于標(biāo)簽在（550mm，0mm） 位置時(shí)，所測(cè)的標(biāo)簽RSSI值與天線角度的關(guān)系如圖2所示，其中的點(diǎn)位測(cè)量值。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合為一個(gè)二次方程，其表示為紅色的線。這個(gè)二次方程具有最大值，最大值點(diǎn)即為標(biāo)簽所在的位置。對(duì)于這次測(cè)量，得到的標(biāo)簽到天線的距離d=567mm，角度為=-2.06°，計(jì)算得到坐標(biāo)為（566mm，-20mm），與實(shí)際位置差20mm。

對(duì)更多的標(biāo)簽位置進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量結(jié)果誤差基本都在50mm之內(nèi)，具有較高的測(cè)量精度。

應(yīng)當(dāng)指出的是，本方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到RFID標(biāo)簽到天線的距離和相對(duì)角度，由于RSSI值得噪聲較大，每次測(cè)量的結(jié)果都有一定差距，誤差控制并不特別有效。

5 結(jié)論

在已有RFID天線特性研究基礎(chǔ)上，分析了RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度的等值線表達(dá)形式，提出通過(guò)旋轉(zhuǎn)天線來(lái)進(jìn)行RFID標(biāo)簽定位的方法，給出了連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法，建立了使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)天線定位系統(tǒng)，試驗(yàn)表明該方法具有良好的定位精度，可以用于物體的精確定位。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)天線方法，如果能夠設(shè)計(jì)一個(gè)波束稍窄的高性能天線，可以更加有效的測(cè)量得到標(biāo)簽的位置。