基于相位差測距的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計*

藍(lán)威濤, 張衛(wèi)強(qiáng), 羅健宇, 蔣金濤

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

基于相位差測距的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計*

藍(lán)威濤, 張衛(wèi)強(qiáng), 羅健宇, 蔣金濤

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211)

針對當(dāng)前室內(nèi)定位的廣泛需求及傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)的缺陷，設(shè)計了一種基于相位差測距的射頻識別(RFID)室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由RFID閱讀器、電子標(biāo)簽、STM32模塊組成，3個電子標(biāo)簽固定在特定位置作為信標(biāo)節(jié)點，1個RFID閱讀器作為移動節(jié)點發(fā)射與接收超高頻信號，STM32模塊根據(jù)測得的相位差計算相應(yīng)的距離，并利用改進(jìn)后的三邊定位法,確定閱讀器的位置。在實驗室對進(jìn)行了設(shè)計并測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能很好地完成定位功能，定位精度達(dá)到厘米(cm)級，可滿足眾多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

相位差測量； 射頻識別； 定位； STM32

0 引 言

室內(nèi)定位[1,2]采用的方法主要有到達(dá)角(angle of arrival,AOA)測量、基于信號到達(dá)時間 (time of arrival,TOA)、基于信號到達(dá)時間差(time difference of arrival,TDOA)、基于接收信號強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)、TDOA/AOA混合定位等。AOA算法通過測量多個信號的傳播方向計算距離，算法復(fù)雜度較高。TOA定位系統(tǒng)通過測量信號的傳播時間來求取距離，要求系統(tǒng)有非常精確的時鐘信號。TDOA定位系統(tǒng)通過同一信號到達(dá)不同信標(biāo)節(jié)點的時間差定位，需要精確的計數(shù)功能。RSSI定位系統(tǒng)的實現(xiàn)分為2個階段：離線訓(xùn)練階段(offline stage)和在線定位階段(online stage)，由于非視距、反射、多徑等因素的影響，定位精度不高[3]。

國內(nèi)外在室內(nèi)定位方面作了大量研究工作，中國香港的Tong F等人[4]將超聲波精確定位系統(tǒng)應(yīng)用于導(dǎo)航車,進(jìn)行導(dǎo)航研究。AT&T劍橋?qū)嶒炇已兄屏嘶诩t外線定位方案的Active Badge系統(tǒng)[5]，由于系統(tǒng)存在死角，定位精度較低。2013年，日本的Nakagawa Y等人利用一臺高速魚眼相機(jī)作為信號的接收器，組建定位系統(tǒng)，最大水平誤差在10cm以內(nèi)，但成本昂貴[6]。由于射頻識別 (radio frequency identification，RFID)技術(shù)，具有非接觸、非視距、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為室內(nèi)定位技術(shù)研究的熱點[7]。

1 RFID系統(tǒng)組成

RFID定位系統(tǒng)主要由3個部分組成:閱讀器、射頻標(biāo)簽、和STM32模塊。閱讀器由邏輯控制單元、射頻接口模塊和天線3個部分組成，可以與標(biāo)簽或STM32模塊進(jìn)行通信。RFID標(biāo)簽由芯片和天線組成，芯片作為信息數(shù)據(jù)的載體，存儲了與標(biāo)簽相關(guān)的信息，包括用于身份識別的工程采購和建設(shè)(engineering procurement and construction,EPC)碼。標(biāo)簽通過電磁反向散射耦合的方式向閱讀器反射信號，實現(xiàn)通信。標(biāo)簽根據(jù)供電情況的不同分為三類[8]：無源、半無源、有源。本文選用無源標(biāo)簽，以電磁耦合方式供電，內(nèi)部電路可以等效為諧振電路，如圖1所示。

圖1 無源標(biāo)簽內(nèi)部等效電路

標(biāo)簽內(nèi)部電路會產(chǎn)生相位延遲

(1)

式中ω=2πf，為信號的角頻率，電路內(nèi)部相位的延遲量與R，C，L，ω的值有關(guān)，設(shè)R=100Ω ，C=30pF，L=1nH，信號頻率f從860MHz開始，步長為5MHz，遞增至960MHz，其產(chǎn)生的相移量與頻率的關(guān)系如圖2所示，可知標(biāo)簽內(nèi)部相移量與信號的頻率成非線性變化。為了克服由標(biāo)簽內(nèi)部電路引起的相位偏移，系統(tǒng)在使用前需要進(jìn)行校正。先將閱讀器與標(biāo)簽放在一起，間距d=0，然后從閱讀器中，讀取出此時的相位差，該相位差由電路內(nèi)部因素引起的，可將其在編程計算時減去，實現(xiàn)校正。

圖2 標(biāo)簽內(nèi)部相位差與信號頻率的關(guān)系

系統(tǒng)工作頻率決定了系統(tǒng)的定位范圍、天線形狀、成本等，可分為低頻、高頻、超高頻、微波4類[9]。綜合考慮，選用超高頻段工作頻率范圍為200MHz～2GHz,典型波長約33cm，工作距離約10m，典型工作頻率為433,868～950MHz。系統(tǒng)采用雙向信號傳輸，即閱讀器發(fā)出信號，標(biāo)簽接收信號后，返回相應(yīng)信號[10]。

2 基于相位差的定位方法

2.1 差頻測相原理

影響系統(tǒng)定位精度的關(guān)鍵因素是測量信號相位值的準(zhǔn)確性，由于調(diào)制信號的頻率太高，如果直接對調(diào)制信號進(jìn)行相位的測量，將造成后續(xù)檢相電路的設(shè)計變得復(fù)雜，且測得的相位精度較低。因此，在發(fā)射信號與接收信號進(jìn)行檢相之前，要對這兩個信號進(jìn)行降頻處理[11]。降頻處理過程如圖3所示，電路中有2個信號源，分別用于提供2個頻率相近的調(diào)制信號S1和本振信號S3。S1作為發(fā)射信號經(jīng)標(biāo)簽反射后，接收器收到的信號為S2。分別將發(fā)射信號S1與S3進(jìn)行混頻，接收信號S2與S3進(jìn)行混頻，以降低發(fā)射信號與接收信號的頻率。

圖3 差頻處理過程

假設(shè)發(fā)射信號S1為

S1=A1sin(ω1t+φ1+β1)

(2)

式中A1為幅值；ω1為角頻率；φ1為初始相位；β1為一個固定數(shù)值的相位偏移量，偏移量大小取決于信號源到射頻端口的電氣長度。發(fā)射信號經(jīng)電子標(biāo)簽反射后，接收器收到的信號S2為

S2=A2sin(ω1t+φ1+β1+ΔΦ)

(3)

式中A2為接收信號的幅值；ΔΦ為相位變化量。

假設(shè)本振信號S3為

S3=A3sin(ω2t+φ2+β2)

(4)

式中A3為幅值；ω2為角頻率；φ2為初始相位；β2為相位偏移量。

混頻器的功能與乘法器相似，信號S1與S3混頻后，得到信號S13為

S13=S1S3=A1A3sin(ω1t+φ1+β1)sin(ω2t+φ2+β2)

(5)

根據(jù)三角函數(shù)積化和差的公式可得

cos[(ω1+ω2)t+φ1+φ2+β1+β2]}

(6)

可知：混頻后的信號由差頻信號與和頻信號兩部分組成，通過低通濾波器，濾掉和頻信號后，得到參考信號Sr為

(7)

由于信號S1，S3的頻率相近，且在同一個電路中，可以認(rèn)為β1，β2相等，所以Sr可以化簡為

(8)

同理，接收信號S2與S3混頻、濾波后，可得測距信號Sd的表達(dá)式為

(9)

由式(8)、式(9)可知，混頻前，發(fā)射信號與接收信號的相位差為ΔΦ，角頻率ω1與ω2相接近，混頻后可以使信號的頻率降低為4kHz左右，這時可以比較容易測出精確的相位差ΔΦ，而且兩信號相位差與混頻前信號的相位差相同。

2.2 檢相電路設(shè)計

對于相位差測距的定位系統(tǒng)而言，提高相位差檢測精度，是提高系統(tǒng)定位精度的關(guān)鍵因素。如圖4所示，首先將兩路同頻率的信號傳輸至過零遲滯比較器中，從而得到兩路占空比為50%的方波信號，然后將一路方波信號的正半周期部分與另一路方波信號作異或處理，得到一路相位差脈沖信號，再將脈沖寬度與周期相除得到占空比，最后將占空比與2π相乘得到的結(jié)果即為兩路信號的相位差。

圖4 相位差測量仿真結(jié)果

經(jīng)降頻處理過的信號，通過STM32的計數(shù)器在脈沖寬度內(nèi)進(jìn)行計數(shù)，再經(jīng)運(yùn)算處理，可得相位差為

(10)

式中n1為對相位差脈沖的計數(shù)值；n2為對整個周期的計數(shù)值。

2.3 相位差測距原理

相位差測距的一般過程如圖5所示[12]，首先STM32發(fā)送指令，使閱讀器開始工作，發(fā)出調(diào)制信號S1給標(biāo)簽，再由標(biāo)簽反射回調(diào)制信號S2給接收器，經(jīng)過處理得到相位差，最后傳送至STM32模塊進(jìn)行計算，求出距離。

圖5 相位差測距原理

如圖6所示，閱讀器在t1時刻發(fā)送頻率為f，初始相位為θ1的調(diào)制信號，再經(jīng)標(biāo)簽反射回給閱讀器，在t2時刻到達(dá)閱讀器接收端口后的相位變?yōu)棣?[13]。假設(shè)閱讀器與標(biāo)簽距離為d，調(diào)制波往返于閱讀器和標(biāo)簽，所經(jīng)過的路程為2d,花費的時間為t2-t1。電磁波在空氣中的傳播速度為c=3.0×108m/s，閱讀器與標(biāo)簽的距離可以表示為

(11)

圖6 信號傳播過程

在整個傳播過程中相位差變化了ΔΦ可以表示為

ΔΦ=(θ2-θ1)=2nπ+Δφ=2πf(t2-t1)

(12)

式中 Δφ<2π；n的值無法測得。將式(11)與式(12)合并，可得

d=cΔΦ/4πf=c(2nπ+Δφ)/4πf

(13)

由式(13)可知，相位差測距利用簡單的線性關(guān)系來求解距離，但由于n無法測得，需要通過下述方法，避免運(yùn)算過程中使用變量n。

使閱讀器依次發(fā)射2個頻率分別為fa=900MHz和fb=905MHz的調(diào)制信號Sa，Sb，通過標(biāo)簽反向散射回閱讀器接收端，求得兩個信號的相位差ΔΦa，ΔΦb為

ΔΦa=(4πfad)/c

(14)

ΔΦb=(4πfbd)/c

(15)

再將式(15)、式(14)相減，得到第二次的相位差為

ΔΦb-a=ΔΦb-ΔΦa=4πd(fb-fa)/c

(16)

經(jīng)變化可得

d=cΔΦb-a/(4π(fb-fa))

(17)

為了減小系統(tǒng)的測距誤差，發(fā)射幾組頻率為fi，i=1，2，3，…，N的信號，求得對應(yīng)相位ΔΦi，i=1，2，3，…，N，利用最小二乘法擬合，求出ΔΦb-a/(fb-fa)的最優(yōu)值。設(shè)fb-fa=5MHz，ΔΦb-a=2π，根據(jù)式(17)，可求出d=30m，滿足測距范圍在30m以內(nèi)的需求。由于無源標(biāo)簽的識別距離在10m以內(nèi)，超過10m不能感應(yīng)，因此，不用考慮相位差大于一個周期的情況。

2.4 系統(tǒng)定位原理

通過相位差測距法，依次測出閱讀器與3個不共線標(biāo)簽之間的距離，然后在STM32中編寫改進(jìn)后的三邊定位算法，由于存在誤差，3個圓不能交于一點，只是兩兩相交，改進(jìn)后的三邊定位方法分別取兩圓的交點中心處，共3個點，以這三個點作三角形，取其質(zhì)心作為最終的定位結(jié)果。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 定位系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)果分析

根據(jù)圖3差頻處理過程與圖5相位差測距原理，通過Matlab中的Simulink對該定位系統(tǒng)的測距精度進(jìn)行仿真，考慮到實際環(huán)境有多種因素干擾，在仿真過程中加入了隨機(jī)白噪聲。閱讀器發(fā)射信號頻率依次為900,905MHz時，在0～1000cm的范圍內(nèi)選定13個點作為待測點，得到相位差，如表1所示。

表1 測相誤差

由表1可知，絕對誤差的值有正、有負(fù)，根據(jù)此相位差，可以將其轉(zhuǎn)換成距離誤差。如圖8所示，有些點的誤差比較大，在實際環(huán)境中，可能是受外界電磁波、障礙物等因素的干擾。

圖8 測距誤差

通過相位差測得距離，然后根據(jù)改進(jìn)后的三邊定位法編寫相應(yīng)的代碼，求出閱讀器的具體位置。實驗選定13個待定位點，求得位置信息系統(tǒng)的定位誤差大多在 10 cm以內(nèi)，基本可滿足室內(nèi)定位的精度要求，定位結(jié)果如圖9所示。

圖9 定位結(jié)果

4 結(jié)束語

研究并設(shè)計了基于相位差測距的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)，平均誤差在5 cm左右，可以滿足絕大多數(shù)室內(nèi)定位的精度需求。為了能將該定位系統(tǒng)運(yùn)用到室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員密集且走動頻繁，電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，需要閱讀器依次發(fā)射幾個頻率相差不大的信號，測得幾組信號的相位差，將相位差跳變嚴(yán)重的信號組剔除，并利用最小二乘法，以減少測距的誤差。另外，通過增加標(biāo)簽的數(shù)量，使閱讀器能識別出至少4個標(biāo)簽，求出其中任意3個標(biāo)簽產(chǎn)生的定位結(jié)果，共4種組合，然后根據(jù)信號的波動大小利用加權(quán)算法求出結(jié)果。

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DesignofRFIDindoorpositioningsystembasedonphasedifferenceranging*

LAN Wei-tao， ZHANG Wei-qiang, LUO Jian-yu, JIANG Jin-tao

(FacultyofElectricalEngineeringandComputerScience,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

In order to overcome shortcomings of traditional indoor positioning technology and meet a large number of the current indoor positioning needs,design a kind of radio frequency identification (RFID) indoor positioning system based on phase difference ranging,which is mainly composed of a RFID reader,electronic tags and a microprocessor module.3electronic tags are fixed at particular positions as beacon nodes,and a RFID reader can transmit and receive ultra high frequency signals as mobile node.The STM32calculates the corresponding distance between two points according to the phase difference,and ultimately determines the location information of the reader through the improved trilateration localization algorithm.The system is designed and test in laboratory,the results show that the system can perfectly achieve the positioning function,and positioning precision reaches cm level,that can meet the application needs of many fields.

phase difference measurement; radio frequency identification(RFID); positioning; STM32

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0085—04

2017—01—02

浙江省教育廳科研資助項目(Y201121170)

TN 96

A

1000—9787(2017)10—0085—04

藍(lán)威濤(1992-)，男，畬族，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，E-mail:1569127971@qq.com。張衛(wèi)強(qiáng)(1963-)，男，通訊作者，碩士生導(dǎo)師，副教授，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究工作，E-mail:zhangweiqiang@nbu.edu.cn。