基于RFID的定位技術(shù)研究*

劉 行，劉 榕，文 猛

(1.解放軍理工大學,江蘇 南京 210007；2. 中國電子系統(tǒng)工程公司研究所,北京 100141)

基于RFID的定位技術(shù)研究*

劉 行1，劉 榕2，文 猛1

(1.解放軍理工大學,江蘇 南京 210007；2. 中國電子系統(tǒng)工程公司研究所,北京 100141)

射頻識別技術(shù)RFID，利用無線電訊號通過非接觸式雙向通信進行信息交換，從而達到對目標身份的識取和物件路徑的追蹤，且其具有技術(shù)成熟、低成本、高精度等優(yōu)點。描述RFID定位技術(shù)，對目前比較流行的算法以及相應的改進算法進行對比分析，指出目前還存在的一些問題。結(jié)論：相較于其他的幾種無線定位技術(shù)（WiFi定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)等），RFID定位技術(shù)的優(yōu)勢相當明顯；但是，無論是經(jīng)典的定位算法，還是基于基本理論改進的算法，應用在具體場景中時，精確度均存在較大差別，需視實際環(huán)境決定所應用的定位算法。

RFID；定位算法；詢問器；應答器

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）可以通過射頻信號對特定目標進行識取，交換相關的信息數(shù)據(jù)。這一過程不需要系統(tǒng)與目標之間建立機械或者光學的接觸。RFID技術(shù)因其高精度、低成本等優(yōu)點受到人們青睞，應用范圍非常廣泛。從物流管理到資產(chǎn)追蹤，從防偽識別到公共安全管理，從生產(chǎn)線自動化到車輛管理，RFID技術(shù)越來越受到業(yè)內(nèi)相關人士的重視。當前，新的定位算法不斷被提出，經(jīng)典的定位算法不斷被改進，定位精度越來越高。

1 RFID系統(tǒng)組成原理

1.1 RFID系統(tǒng)組成

從結(jié)構(gòu)上講，RFID只有兩個基本的器件，即詢問器和應答器。兩者都是由芯片、天線以及耦合元件組成的。一套典型的相對完善的射頻識別系統(tǒng)[1]至少由可編程數(shù)據(jù)的電子標簽、讀寫器、天線三部分組成。其中，可以實現(xiàn)智能讀寫以及擁有加密通信能力的標簽即射頻卡，是通過耦合元件以及芯片組成的；可以通過調(diào)制的RF通道向標簽讀取或者寫入信息的讀寫器是由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成；天線的作用是在標簽和讀取器間傳遞射頻信號，進行電磁波和電流信號間的轉(zhuǎn)換，即將自身接收到的電磁波轉(zhuǎn)為電流信號或?qū)㈦娏餍盘枔Q成電磁波發(fā)射出去。此外，有些系統(tǒng)可以使用閱讀器的RS232或者RS485接口與外部終端連接，實現(xiàn)信息傳輸。組成模式如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)組成示意圖

1.2 RFID系統(tǒng)工作原理

在現(xiàn)實的應用場合中，將按照要求編程好的電子標簽附著在需要進行識別的物體表面。閱讀器會通過天線發(fā)送出射頻信號，形成一定范圍的磁場。標簽進入到該范圍后，會有感應電流產(chǎn)生。此時，它可以利用此能量將自身的編碼等信息發(fā)送出去。讀寫器會對這些信息進行讀取、解碼，然后傳送至電腦終端進行相關處理，進而實現(xiàn)自動識別物體的功能。RFID系統(tǒng)的信息傳遞方向如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)的信息傳遞

2 RFID定位技術(shù)

2.1 RFID定位技術(shù)基本原理

一臺可以實現(xiàn)檢測位置的裝置、一套完整的定位算法以及一臺具有顯示功能的終端，構(gòu)成了一個基本的無線定位系統(tǒng)[2]。RFID定位就是基于該系統(tǒng)的基本組成實現(xiàn)的，具有非常簡單的基礎原理。整套系統(tǒng)中，僅有進行位置檢測的裝置功能復雜。它的作用主要是從預先設定好的參考標簽處接收無線射頻信號。該參考標簽的位置坐標是提前已知的，將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換成RSS、TOA等定位算法所需要的格式后，將得到的這些有用信息與預先已知位置的參考標簽坐標組成定位矩陣。定位算法再利用概率運算、信號處理等運算手段處理得到的定位矩陣，最終比較準確地得到目標所在的位置。最后，由顯示系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成適當?shù)母袷剑鐚⑽锢硇问睫D(zhuǎn)換成符號形式，最終顯示給終端。

2.2 定位算法

定位算法是RFID技術(shù)中重點關注的對象之一。通過分析了解不同的定位算法所基于的基本原理，比較不同算法的優(yōu)劣，同時針對其算法的短板進行改進，讓之后的定位系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，精度更加準確，從而使得整個應用系統(tǒng)的生命周期得以延長。

2.2.1 基于三角測量的定位算法

該定位方法一般通過對距離進行測量或者針對到達角度進行測量來實現(xiàn)。測量距離，顧名思義，即直接通過手段量取讀寫器的天線到標簽的距離。而對于到達角度進行測量，得到的是讀寫器的天線與標簽間的相對方向。表1是基于三角測量定位的幾種算法的比較。

2.2.2 基于場景分析的定位

定位機制的一般步驟：先對具體的場景信息進行收集、歸納，后將設備檢測到的目標信息與預先收集得到的場景信息進行匹配，之后根據(jù)概率運算等手段對目標進行定位處理。當前，應用最廣泛的方法主要有參考標簽法和指紋定位法。

（1）參考標簽法[7-8]。參考標簽法主要是利用對比目標標簽與參考標簽的RSS的方法實現(xiàn)定位。參考標簽在各讀寫器上的RSS是已知的，將它們組成向量的形式后，檢測目標標簽在各讀寫器上的RSS，計算參考標簽和目標標簽間的歐式距離，從中選取k個最小的歐氏距離，并認定其相對應的這k個參考標簽為最近鄰參考標簽。之后，根據(jù)歐氏距離的大小求得各參考標簽的不同權(quán)重，并計算目標標簽的坐標。

相比于三角測量的定位算法，參考標簽定位法定位精度更精確、可靠性更高。但是，該方法的實現(xiàn)要求預先安放好數(shù)量足夠多的參考標簽，使得原本目標標簽數(shù)量就比較多的環(huán)境中，標簽的排布太過密集。對于標簽數(shù)量較多的系統(tǒng)而言，標簽天線間存在的耦合現(xiàn)象以及標簽對其他標簽信號傳播路徑產(chǎn)生的影響，會對RSS產(chǎn)生很大的干擾，從而影響定位。

表1 基于三角測量定位的幾種算法的比較

（2）指紋定位法[9-10]。指紋定位法也稱數(shù)據(jù)庫相關定位，它的基本原理和上述的參考標簽定位法的定位原理類似，故可以看作是參考標簽法的延伸。因為實際應用中參考標簽的數(shù)量不能無限制增加，考慮到信號的多徑傳播對周邊的傳播環(huán)境有很大的依賴性，從而表現(xiàn)出非常強的特殊性，因此對于不同的位置，其信道的多徑結(jié)構(gòu)各不相同且肯定唯一。系統(tǒng)終端所發(fā)射出的無線電波經(jīng)過多次反射和折射后，會產(chǎn)生特定模式的多徑信號，而其模式與周邊的傳播環(huán)境密切相關，這樣就可以將信號的多徑特征認為是該位置的“指紋”。若我們在所需定位的區(qū)域內(nèi)，采集各參考節(jié)點的信號特征參數(shù)RSS，那么我們就可以預先測量這個參考節(jié)點的RSS，記錄下來作為一個指紋。定位時，只需將目標標簽的RSS與先前建立的指紋庫進行比對，就能夠較為準確地得出目標所在的位置。

指紋定位法的實施有兩個階段：離線階段和在線階段。離線階段的主要任務是將定位區(qū)域內(nèi)的各參考節(jié)點的信號特征參數(shù)進行采集，并記錄下來形成指紋庫。在線階段，即實時定位階段，當目標標簽運動到某一位置的時候，利用接收機測量接收信號相對應的參數(shù)發(fā)送給中央處理器，中央處理器通過匹配算法與數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)進行比較匹配，進而得到目標的所在位置。

該算法雖然減少了參考標簽的數(shù)量，提高了定位精度，但它前期的工作量比較大，且只適用于環(huán)境變化不大的場合，具有一定的局限性。

2.2.3 鄰近算法定位[11]

基于RFID閱讀器的讀寫范圍來確定目標標簽和閱讀器的相對位置，是鄰近算法定位的基本原理。閱讀器對標簽有一個固定的讀寫范圍，當標簽進入這個范圍時，閱讀器感知到標簽的信息；相對地，當標簽離開該范圍時，閱讀器則感知不到標簽。因此，在定位區(qū)域內(nèi)布置多臺閱讀器，利用標簽與多臺閱讀器的讀寫范圍情況，可以利用閱讀器的編號計算標簽的大概位置。目前，由于閱讀器的讀寫范圍是可控的，因此調(diào)整閱讀器的范圍可以控制算法的定位準確性。例如，將閱讀器的讀寫范圍設置的越小，定位的精度越高。在二維場景中，使用鄰近算法進行定位，可以使得定位的精度達到0.5 m，同時還可以達到接近100%的準確度。

該算法是上述算法中最易實現(xiàn)、最簡單、實際場景中應用最廣的定位算法。它最大的優(yōu)點就是定位準確度高。

2.3 RFID定位技術(shù)的優(yōu)勢

定位系統(tǒng)的評價指標一般有定位精確度、系統(tǒng)應用的成本、定位使用的形式、技術(shù)應用成熟度、系統(tǒng)的安全性能、無線信號使用頻率、硬件的可拓展性、程序的容錯性等。表2即為這些年來比較熱門的幾種無線技術(shù)之間的比較分析。

由表2可知，RFID技術(shù)的成本最低，技術(shù)最成熟，其定位系統(tǒng)對于無線電信號頻率的選擇范圍廣泛。經(jīng)常被使用的有頻率為13.56 MHz的低頻無源RFID；高頻的有源RFID，所使用的頻率有433 MHz、916 MHz、2.4 GHz等。而且隨著RFID定位系統(tǒng)的應用越來越廣泛，研究越來越深入，對定位算法的改進越來越多，定位精度、準確度越來越高。RFID依靠其所選用的頻率和天線特有的性質(zhì)，可以達到幾十米的距離通信。而對于使用高頻的有源RFID，其通信的距離可以達到百米。此外，射頻信號的抗干擾能力特別強，環(huán)境適應性較好。所以，綜上所述，當前會優(yōu)先考慮使用RFID技術(shù)來實現(xiàn)對定位精度要求較高的定位系統(tǒng)設計[12]。

表2 幾種無線技術(shù)定位系統(tǒng)評價指標比較

3 結(jié) 語

本文在簡敘射頻識別定位系統(tǒng)組成和基本原理的基礎上，重點對射頻識別定位技術(shù)的研究進行了系統(tǒng)整理，總結(jié)了目前比較流行的射頻識別定位技術(shù)的定位算法，對不同算法的優(yōu)劣進行了說明比較。同時，通過與其他幾種應用比較廣泛的無線定位系統(tǒng)相比較，突出體現(xiàn)了使用射頻識別進行定位的優(yōu)勢。RFID定位技術(shù)具有很強的發(fā)展?jié)摿Γ巧婕暗綄嶋H應用環(huán)境時，要考慮一些相關的環(huán)境因素，根據(jù)不同場合對標簽、標簽的頻率做出恰當?shù)倪x取。同時，在之前的研究應用中，常常僅使用一種定位算法。但是，考慮到實際的應用需求，僅使用一種單調(diào)的算法通常不能達到預期的效果，這時就需要考慮使用多種算法。一般會選取能夠相互互補、相互配合的算法來解決問題。當使用多種算法聯(lián)合定位時，需充分考慮使用不同算法定位時出現(xiàn)結(jié)果不同的沖突問題以及因算法不同、定位形式不同時形式間的變換問題。這些都是以后研究的重點。

作為物聯(lián)網(wǎng)的一大支柱技術(shù)，RFID技術(shù)在全球內(nèi)受到了廣泛關注，各個國家與公司均投入了大量資源對其進行研發(fā)。作為技術(shù)的重要組成部分，定位技術(shù)勢必會受到人們的關注。

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劉 行（1991—），女，碩士，工程師，主要研究方向為無線通信；

劉 榕（1960—），男，碩士，教授，主要研究方向為無線通信；

文 猛（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向為裝備軍事學。

Positioning Technology based on RFID

LIU Xing1, LIU Rong2, WEN Meng1
(1.PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Institute of China Electronic System Engineering Corporation,Beijing 100141,China)

RFID(Radio Frequency Identification Technology), uses radio signals to exchange information through non-contact two-way communication, so as to achieve the target identity tracking and identifying objects take the path. RFID technology is of maturity, low cost and high accuracy. RFID positioning technology is described, the current popular algorithms and corresponding improved algorithms are compared and analyzed, and some problems are also pointed out. Conclusion: Compared with several other wireless location technology (WiFi positioning technology, positioning technology Bluetooth, etc.), the advantages of RFID positioning technology is fairly obvious; but whether it is the classic location algorithm, or based on the basic theory of the improved algorithm used in concrete scenario, the accuracy will be very different, depending on the localization algorithm practical environmental decision applications.

RFID;location algorithm;transponder;transponder

TN925

A

1002-0802(2016)-07-0880-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.017

2016-03-10;

2016-06-11 Received date:2016-03-10;Revised date:2016-06-11