基于超高頻RFID雙天線雙標簽對照的果園單軌運輸機定位

呂石磊，梁尹聰，李 震,4，王建華，王衛(wèi)星

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基于超高頻RFID雙天線雙標簽對照的果園單軌運輸機定位

呂石磊1,2，梁尹聰3，李 震1,2,4※，王建華1，王衛(wèi)星1,2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；4. 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械化研究室，廣州 510642）

針對果園單軌運輸機在軌位置精準感知的應(yīng)用需求，該文基于超高頻射頻識別技術(shù)（radio frequency identification, RFID）接收信號強度數(shù)據(jù)進行了運輸機定位試驗研究。該研究通過分析RFID通信特征，設(shè)計了RFID雙天線雙標簽對照的運輸機定位方法，構(gòu)建了能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型；通過閱讀器單天線試驗，得到當前RFID設(shè)備的安裝參數(shù)，確定了閱讀器天線與軌道標簽之間的最優(yōu)垂直距離為20 cm，雙標簽之間的最優(yōu)水平在軌距離為45 cm；通過雙天線試驗及數(shù)據(jù)分析，得到適用于試驗環(huán)境的最優(yōu)定位模型系數(shù)。試驗結(jié)果表明，該研究提出的定位模型能夠有效降低噪聲干擾，減少定位誤差。RFID設(shè)備在最優(yōu)定位參數(shù)條件下，使用路徑損耗定位模型得到的最小定位誤差均值為1.007 0 cm。該研究驗證了基于超高頻RFID對果園單軌運輸機定位的可行性，提升了運輸機運行安全性和可靠性。

農(nóng)業(yè)機械；運輸；果園；單軌運輸機；RFID；RSSI；定位

0 引 言

中國嶺南地區(qū)盛產(chǎn)荔枝、柑橘等嶺南佳果，受區(qū)域地形地貌影響，果園多分布在丘陵山地中。山地果園立地條件較差，地勢起伏不平，植保作業(yè)、農(nóng)資和果品運輸主要依靠人工或小型農(nóng)用車等運送方式，勞動強度大、人工費用高，作業(yè)環(huán)境存在安全隱患[1-2]。普通的輪式或者履帶式拖拉機不適宜在大坡度山地果園中作業(yè)，難以形成完善的交通運輸網(wǎng)絡(luò)[3]。單軌運輸機具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、可靠性高等特點，適用于山地果園的運輸作業(yè)[4]。日本、韓國等正在逐步普及單軌運輸機作為山地果園的主要運輸工具[5-7]。近年來，中國加大對農(nóng)業(yè)設(shè)施的支持力度，已成功研制出包括柴油機驅(qū)動式[8]、電牽引式[9]和電驅(qū)動式[1]等不同類型的單軌運輸機。

當前，單軌運輸機的機械理論與應(yīng)用方面已日趨成熟。在山地果園中，軌道沿山勢搭建，運輸機穿梭作業(yè)時極易受到果樹遮擋，導(dǎo)致操作人員無法全程實時遙控運輸機。單軌運輸機應(yīng)具有自主到達指定方位的功能，這是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的必要前提，而精確感知自身在軌位置是實現(xiàn)運輸機自主運行的關(guān)鍵。目前，農(nóng)機位置測量技術(shù)主要采用相對位置測量和絕對位置測量2種方法[10]。其中，機器視覺是相對位置測量方法的典型代表，利用圖像處理技術(shù)確定導(dǎo)航基準線，進而測量農(nóng)機與作物的相對位置，具有測量速度快，定位精度高等特點[11-14]。但該類定位技術(shù)應(yīng)用成本較高，測量結(jié)果受光照和枝葉遮擋等影響，不適用于密集種植的果園。絕對位置測量方法主要基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括美國全球定位系統(tǒng)和中國北斗系統(tǒng)等[15-17]。該類定位系統(tǒng)適用于大區(qū)域平整農(nóng)田中的農(nóng)機定位，山地果園中果樹樹冠及地勢變化均對其信號傳播造成嚴重影響，從而定位精度受限。

射頻識別技術(shù)（radio frequency identification, RFID）因安全性高，抗污損能力、環(huán)境適應(yīng)性強及非視距通信等特點，在食品質(zhì)量安全溯源、信息采集和信息管理等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用與推廣，被列為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[18-20]。其中，基于接收信號強度（received signal strength indicator, RSSI）的超高頻（ultra high frequency, UHF）RFID定位技術(shù)受到眾多學(xué)者關(guān)注，已提出包括SpotON、LANDMARC、VIRE等多種定位算法[21-23]。在此基礎(chǔ)上，Huang等提出了基于RSSI的三角定位方法[24]；Zhao等基于聚類策略提出了相似RSSI定位方法[25]。現(xiàn)階段，超高頻RFID定位技術(shù)已被應(yīng)用在車間巡檢[26]、倉儲管理[27]、人員監(jiān)護[28]等眾多領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有RFID定位技術(shù)多應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，作者團隊在前期工作中探索利用高頻（13.56 MHz）RFID設(shè)備對果園運輸機進行定點定位研究[29]，而超高頻 RFID定位在果園環(huán)境中的應(yīng)用情況有待于進一步試驗。

本研究針對電驅(qū)動式單軌運輸機的定位需求，研究基于超高頻RFID的運輸機在軌位置感知方法；通過分析RFID閱讀器與天線之間的通信特征，構(gòu)建基于RSSI的定位模型；通過設(shè)計定位試驗及對RSSI數(shù)據(jù)處理分析，得到超高頻RFID最優(yōu)定位參數(shù)。本研究提出的定位方法能夠為提高運輸機運行安全性，多運輸機機協(xié)同作業(yè)和規(guī)劃調(diào)度等應(yīng)用提供精準數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及RFID定位模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本研究的試驗設(shè)備由深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)，包括XC-RF807型超高頻 RFID固定式閱讀器及分離式單向天線，XCTF-8405型超高頻 RFID無源抗金屬標簽。閱讀器工作頻率為902~928 MHz，發(fā)射功率可調(diào)范圍為15～36 dbm，可讀取到標簽返回的RSSI數(shù)據(jù)。基于超高頻 RFID的單軌運輸機定位系統(tǒng)主要由安裝于運輸機內(nèi)部的RFID閱讀器、運輸機前后兩端的RFID天線和放置于軌道側(cè)邊的RFID標簽組成，如圖1所示。

1.運 輸機機箱 2.超高頻 RFID閱讀器 3.天線b 4.標簽b 5.單軌軌道 6.天線a 7.標簽a

理想狀態(tài)下，通過閱讀器讀取的RSSI數(shù)據(jù)可表征RFID天線接收無源標簽反射的信號功率大小，從而能夠映射天線與對應(yīng)標簽之間的相對距離[30-31]。但是，由于RFID信號在傳播過程中受多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等影響[32-33]，并且果園作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，枝葉遮擋、農(nóng)機農(nóng)具等會對測量數(shù)據(jù)造成不同程度影響。因此，在果園環(huán)境采集的RSSI數(shù)據(jù)波動較大，存在較嚴重的背景噪聲干擾，只能對運輸機進行軌道區(qū)域感知，無法實現(xiàn)精準定位。本研究針對果園作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了RFID雙天線雙標簽對照的定位方法，旨在通過對照2對天線-標簽的RSSI數(shù)據(jù)來降低實時的噪聲干擾影響，從而降低運輸機定位誤差，提高定位精度。

本研究的試驗場地位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的柑橘試驗園，為方便采集和分析試驗數(shù)據(jù)，對定位系統(tǒng)進行了簡化處理，如圖2a所示，圖2b為現(xiàn)場試驗圖。本研究將通過試驗數(shù)據(jù)處理，分析基于雙天線雙標簽的超高頻 RFID最優(yōu)安裝參數(shù)，即圖2a中雙標簽之間的水平在軌距離1和天線與軌道標簽之間的垂直距離2。另外，本研究在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，2個單向天線背向疊放將造成嚴重信號干擾，因此設(shè)置雙天線錯位疊放，且保持固定間隔。

注： d1為雙標簽的水平距離，d2為天線與標簽的垂直距離，d3為天線a與標簽a的通信距離，d4為天線b與標簽b的通信距離，da為天線a與標簽a的水平距離。

1.2 能量傳輸定位模型

超高頻 RFID無源標簽沒有電源，不能主動向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。閱讀器與無源標簽之間的通信遵從電磁耦合原理，閱讀器通過天線發(fā)射電磁波信號來激活標簽，并接收標簽反射的電磁波信號[34-35]。

設(shè)閱讀器的發(fā)射功率為P，其發(fā)射天線的增益為G，則標簽與閱讀器天線距離為時反射的電磁波能量P為

式中為標簽反射電磁波能力的度量，取值取決于標簽物理特性。

則閱讀器天線所處位置的功率密度S為

設(shè)閱讀器接收天線增益為G，信號波長為，則接收天線有效面積A為

則閱讀器天線接收到標簽反射總功率P為

若分別使用圖2a中天線a測量標簽a得到的信號強度值RSSIa和天線b測量標簽b得到的信號強度值RSSIb來表征天線收到對應(yīng)標簽的反射功率P[24-25]，則

由式（5）可知，對于天線a和天線b，二者RSSI數(shù)據(jù)比值與對應(yīng)標簽通信距離比值的4次方呈負相關(guān)。因為測量過程中天線與標簽工作環(huán)境的一致性和實時性，在理想狀態(tài)下使用式（5）可有效降低背景噪聲干擾。但由于現(xiàn)場RFID信號傳播受多方面因素影響，因此本研究使用4次多項式來表征二者關(guān)系，即

其中，為多項式系數(shù)，=4，變量x=4/3。

1.3 路徑損耗定位模型

基于通信距離的路徑損耗模型在多個領(lǐng)域被用來模擬由多徑衰落、障礙物和移動物體等復(fù)雜環(huán)境因素引起的RFID無線信號傳播的路徑損耗[24,36]，如式（7）所示。

式中0表示模型參考距離，PL(0)為發(fā)射信號在自由空間中傳播距離為0時的路徑損耗。為路徑損耗指數(shù)，取值依賴于系統(tǒng)環(huán)境，一般設(shè)為[1.6,6]。X為陰影衰落，在此模型中表示均值為0，標準偏差為的高斯噪聲。

設(shè)閱讀器的發(fā)射功率為P，則與天線距離為的標簽反射功率P為

式中為標簽功率反射能力的度量，取值取決于標簽物理特性。則經(jīng)過距離后，閱讀器天線收到的標簽反射功率P為

若分別使用圖2a中天線a測量標簽a得到的信號強度值RSSIa和天線b測量標簽b得到的信號強度值RSSIb來表征天線收到對應(yīng)標簽的反射功率P[24-25]，則

由式（10）可知，對于天線和天線，二者RSSI數(shù)據(jù)差值與對應(yīng)標簽通信距離比值的對數(shù)呈負相關(guān)。與能量傳輸定位模型相似，式（10）在理想狀態(tài)下可有效降低背景噪聲干擾。本研究使用式（11）來表征二者關(guān)系

(x)=RSSIa?RSSIb=βx+（11）

式中為函數(shù)系數(shù)，為補償項，變量x=lg(4/3)。

2 試驗設(shè)計與結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)計

本研究將通過單天線試驗確定RFID設(shè)備安裝參數(shù)（1,2），通過雙天線定位試驗確定定位模型系數(shù)，通過定位模型性能試驗驗證基于當前應(yīng)用環(huán)境的超高頻RFID最優(yōu)定位參數(shù)的有效性，試驗設(shè)計如圖3所示。單天線試驗參數(shù)如圖4所示，雙天線試驗參數(shù)如圖2a所示。本研究使用的電驅(qū)動式單軌運輸機由作者團隊自行研制，運行速度為0.2～0.6 m/s[29]，前期研究結(jié)果表明RFID設(shè)備在運輸機正常運行狀態(tài)下能夠100%讀取到標簽信息。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，減小測量誤差，本研究的試驗數(shù)據(jù)均在靜止狀態(tài)下采集。

圖3 試驗設(shè)計圖

圖4 單天線試驗參數(shù)設(shè)計

2.2 基于垂直距離d2變化的單天線試驗

如圖4a所示，設(shè)置閱讀器天線a發(fā)射功率為33 dbm，設(shè)定標簽a與天線a的中心水平距離為5 cm，研究在不同讀取時間、不同垂直距離2變化下，天線a讀取RSSIa的數(shù)據(jù)變化趨勢，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基于垂直距離d2變化的單天線試驗

注 ：天線a測量標簽a得到的信號強度值為RSSIa

Note: RSSIais the radio signal strength indicator of tag a measured by antenna a.

由表1中數(shù)據(jù)可知，分別使用天線a對標簽a進行5、10和15 s讀取數(shù)據(jù)，標簽a的被讀取次數(shù)與被讀取時間正相關(guān)，這表明XC-RF807型超高頻 RFID閱讀器工作性能較穩(wěn)定。為不失一般性，后續(xù)試驗的數(shù)據(jù)讀取時間均以10 s為準。另外，表1數(shù)據(jù)表明，當垂直距離2為5和10 cm時，RSSIa均為88，不能映射出垂直距離2的變化；并且本研究使用了邊長為13 cm的正方形單向天線，當垂直距離2為5或10 cm時，天線距離軌道過近，存在被軌道旁或地面障礙物碰撞損壞的風(fēng)險。當垂直距離2為15～25 cm時，RSSIa信號強度值較大，且隨距離增加，下降趨勢穩(wěn)定。同時，考慮在實際應(yīng)用環(huán)境中運輸機機箱距軌最大高度為38 cm，本研究設(shè)定垂直距離2的可選數(shù)值包括15、20、25 cm。

2.3 基于水平距離d1變化的單天線試驗

如圖4b所示，設(shè)置閱讀器天線a發(fā)射功率為36 dbm，設(shè)定標簽a與天線a的中心垂直距離2為15 cm，研究在不同水平距離1變化下，天線a位于標簽a最遠端時讀取RSSIa數(shù)據(jù)變化趨勢。為提高數(shù)據(jù)準確性，分別進行3次獨立試驗，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 基于雙標簽的水平距離d1變化的單天線試驗

由表2中數(shù)據(jù)可知，隨著水平距離1的變化，RSSIa數(shù)據(jù)與水平距離1負相關(guān)。但是，當水平距離1達到40～50 cm時，RSSIa數(shù)據(jù)相對保持穩(wěn)定。試驗數(shù)據(jù)表明在當前試驗條件下，本研究使用的RFID設(shè)備能夠通過RSSIa數(shù)據(jù)變動來表征的最大水平通信距離不超過50 cm。當設(shè)定標簽a與天線a的中心垂直距離2分別為20和25 cm時，測量結(jié)果存在類似趨勢。因此本研究試驗中，設(shè)定水平距離1的可選數(shù)值包括40、45、50 cm。

2.4 雙天線定位試驗

本研究提出能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型，主要目的是通過雙天線雙標簽來降低實時噪聲干擾，進一步明確閱讀器天線與標簽的通信距離與其所讀取RSSI數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)運輸機的在軌位置感知。通過上述試驗數(shù)據(jù)分析，本研究得到了適用于單軌運輸機定位系統(tǒng)的RFID設(shè)備安裝參數(shù)（1,2）。本節(jié)將針對不同安裝參數(shù)進行雙天線試驗。設(shè)置閱讀器天線a和天線b發(fā)射功率均為36 dbm，天線a和天線b從標簽a處開始水平移動，記天線a與標簽a的水平距離為a，如圖2a所示。試驗數(shù)據(jù)及基于不同定位模型的RSSI比值(x)和差值(x)如表3所示。

表3 不同垂直距離的雙天線試驗

注： 天線b測量標簽b得到的信號強度值RSSIb。x=4/3，(x)為能量傳輸定位模型的RSSI比值（RSSIa/RSSIb）。x= lg(4/3)，(x)為路徑損耗定位模型的RSSI差值（RSSIa-RSSIb）。‘×’表示閱讀器天線在試驗時間（10 s）內(nèi)無法讀取對應(yīng)標簽RSSI數(shù)據(jù)。

Note: RSSIbis the radio signal strength indicator of tag b measured by antenna b.x=4/3,(x) is the RSSI ratio in energy transferring location model (RSSIa/RSSIb).x= lg(4/3),(x) is difference of RSSI in path loss location model (RSSIa-RSSIb). ‘×’ means reader antenna can’t obtain the RSSI data of communication tag within 10 s.

表3中符號‘×’表示閱讀器天線在試驗時間（10 s）內(nèi)無法讀取對應(yīng)標簽RSSI數(shù)據(jù)，這主要是因為雙天線在與標簽通信過程中存在信號干擾。綜合考慮RFID系統(tǒng)通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)可靠性，本研究在表3中選取3組具有不同水平距離1，讀取數(shù)據(jù)量較多，且信號強度值較大的RSSI數(shù)據(jù)，并依此來分別擬合能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型，如式（6）和式（11）所示。

本研究選取的（1,2）參數(shù)為：（40 cm, 25 cm）、（45 cm, 20 cm）、（50 cm, 20 cm）。記天線a和天線b之間的固定間隔為d，本研究試驗環(huán)境中，d=4 cm。通過圖2a可得能量傳輸定位模型參數(shù)x和路徑損耗定位模型參數(shù)x，如式（12）～（13）所示，使用最小二乘法進行模型系數(shù)擬合，如表4所示。

x=lgx（13）

3 定位模型性能試驗與結(jié)果分析

3.1 定位模型性能試驗

為測試表4中能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型的有效性，本研究基于3組（1,2）參數(shù)進行了性能試驗，試驗數(shù)據(jù)如表5所示。針對能量傳輸定位模型，通過測量數(shù)據(jù)計算得到(x)；利用定位模型計算得到變量x，根據(jù)式（12）計算得到定位變量，記為ae。針對路徑損耗定位模型，通過測量數(shù)據(jù)計算得到(x)；利用定位模型計算得到變量x，根據(jù)式（12）～（13）計算得到定位變量，記為ar。

表4 定位模型擬合系數(shù)

表5 定位模型性能試驗

注：ae為使用能量傳輸定位模型計算的定位結(jié)果，ar為使用路徑損耗定位模型計算的定位結(jié)果。‘-’表示（50 cm，20 cm）參數(shù)的部分定位變量計算結(jié)果不在合理取值范圍內(nèi)。

Note:aeis the location result using energy transferring location model,aris the location result using path loss location model. ‘-’ means some calculated location results are out of available range.

3.2 結(jié)果分析

由于定位模型的定位變量（ae、ar）與模型函數(shù)值（(x)、(x)）之間均為非線性映射關(guān)系，同一模型函數(shù)值可能存在多個與之對應(yīng)的定位變量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，ae∈[0,1]，ar∈[0,1]。表5中符號‘-’表示（50 cm，20 cm）參數(shù)的部分定位變量計算結(jié)果不在合理取值范圍內(nèi)，這表明基于該參數(shù)的定位模型不適用于本研究的試驗環(huán)境。針對（40 cm，25 cm）參數(shù)和（45 cm，20 cm）參數(shù)的定位結(jié)果分析如表6所示。當安裝參數(shù)設(shè)為（40 cm，25 cm）時，能量傳輸定位模型的定位誤差均值稍優(yōu)于路徑損耗定位模型，但路徑損耗定位模型的定位誤差最小值優(yōu)于能量傳輸定位模型；當安裝參數(shù)設(shè)為（45 cm，20 cm）時，路徑損耗定位模型的定位誤差均值優(yōu)于能量傳輸定位模型，但能量傳輸定位模型可得到定位誤差最小值；能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型在（45 cm，20 cm）參數(shù)條件下，均可得到更好的定位結(jié)果，定位誤差均值分別為1.748 6和1.077 4 cm，2種定位模型曲線與實測數(shù)據(jù)如圖5所示。

在果園作業(yè)環(huán)境中，影響RFID系統(tǒng)定位精度的因素復(fù)雜多變。本研究認為，產(chǎn)生定位誤差的原因主要包括系統(tǒng)誤差、測量誤差和干擾誤差。首先，由于本研究使用的RFID設(shè)備輸出RSSI數(shù)據(jù)精度受限，系統(tǒng)誤差難以避免；其次，移動標簽和天線的測量過程中會引入人為測量誤差。但是，本研究提出的雙天線雙標簽對照的定位方法能夠有效降低系統(tǒng)誤差和測量誤差。因此，在沒有干擾誤差存在的理想試驗環(huán)境中，由系統(tǒng)誤差和測量誤差導(dǎo)致的定位誤差主要受標簽和天線的測量移動間距（5 cm）影響。結(jié)合表6中不同參數(shù)條件下定位誤差最大值可知，能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型在（45 cm，20 cm）參數(shù)條件下能夠更好地消除信號干擾導(dǎo)致的定位誤差。另外，本研究試驗結(jié)果表明，與1=40 cm相比，1=45 cm時2種定位模型均可得到更好的定位精度，這表明通過減小標簽之間的在軌距離，即增大標簽部署密度，并不能保證提高定位精度。

表6 定位結(jié)果分析I

圖5 定位模型與實測數(shù)據(jù)

綜上所述，在本研究試驗環(huán)境中，基于（45 cm，20 cm）參數(shù)的路徑損耗定位模型定位精度最佳。為不失一般性，若記單軌運輸機機箱長度為d，則當前RFID定位系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)包括：安裝參數(shù)（1+d-d,2），即（d+41 cm，20 cm）；模型系數(shù)=63.19，=2.988。

3.3 果園試驗及結(jié)果分析

為進一步驗證定位方法的有效性，本研究在南亞熱帶果樹種質(zhì)資源圃（廣州）進行了現(xiàn)場試驗（植株間距約4 m，果樹高度約5 m），現(xiàn)場試驗如圖6所示。能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型基于不同安裝參數(shù)的計算結(jié)果如表7所示。通過數(shù)據(jù)分析可知，現(xiàn)場試驗的定位結(jié)果與定位模型性能試驗的定位結(jié)果具有一致性，即當安裝參數(shù)設(shè)為（45 cm，20 cm）時，能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型具有更好的定位結(jié)果；定位模型的定位誤差均值相對穩(wěn)定，使用路徑損耗定位模型得到的定位誤差均值為1.007 0 cm。因此，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明本研究提出的RFID雙天線雙標簽對照定位方法能夠有效降低環(huán)境噪聲干擾，減小運輸機定位誤差。

圖6 現(xiàn)場試驗

表7 定位結(jié)果分析II

4 結(jié)論與討論

本研究基于超高頻RFID RSSI數(shù)據(jù)對電驅(qū)動式單軌運輸機進行在軌位置感知試驗，設(shè)計了雙天線雙標簽對照的定位方法來降低現(xiàn)場噪聲干擾，構(gòu)建了能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型。通過RFID單天線/雙天線試驗確定了適用于試驗環(huán)境的RFID定位系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，并通過定位模型性能試驗和現(xiàn)場試驗均驗證了定位方法的有效性。試驗結(jié)果表明：

1）雙天線雙標簽對照的定位方法能夠有效降低噪聲干擾，從而減少系統(tǒng)定位誤差，但不能完全消除噪聲干擾；減小軌道標簽之間的部署距離，即增大標簽部署密度，不能保證提高系統(tǒng)定位精度。

2）適用于當前RFID設(shè)備的最優(yōu)安裝參數(shù)為（45 cm，20 cm），使用不同型號的單軌運輸機時應(yīng)考慮機箱的不同長度將導(dǎo)致安裝參數(shù)發(fā)生變化。

3）在不同試驗環(huán)境中，基于（45 cm，20 cm）參數(shù)的路徑損耗模型具有最小平均定位誤差。

本研究的試驗數(shù)據(jù)驗證了基于超高頻 RFID的單軌運輸機定位方法的可行性。下一步工作將研究果園動態(tài)環(huán)境及運輸機運行參數(shù)等因素對定位精度的影響。

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Orchard monorail conveyer location based on ultra high frequency RFID dual antennas and dual tags

Lü Shilei1,2, Liang Yincong3, Li Zhen1,2,4※, Wang Jianhua1, Wang Weixing1,2

(1.,,510642,; 2.510642,; 3.,,510642,; 4.,510642,)

As the main transportation equipment in mountainous orchards, monorail conveyers have strong climbing capacity and high reliability. However, monorail conveyers in working status can be invisible frequently because of tree shades. It is impossible for operators to monitor a working monorail conveyer with a remote control in real time. Thus the monorail conveyer should have the capacity of arriving at the designated locations autonomously. The key technology is to locate the conveyer on the monorail accurately. In recent years, there has been growing attention on the technology of ultra high frequency RIFD (radio frequency identification) location, which is based on RSSI (received signal strength indicator) data. The ultra high frequency RIFD location has been applied in many fields including workshop inspection, warehouse management and staff supervision. However, these applications are carried out in indoor environment. There is little research on locating agricultural implements using ultra high frequency RIFD. Considering the application requirement of locating the conveyer on the monorail accurately, experiments of the monorail conveyer location awareness have been carried out in this paper, which is based on the RFID RSSI data. The RFID equipment used in this paper include an XC-RF807 UHF RFID reader with 2 separated unidirectional antennae and several XCTF-8405 anti-metal passive tags, which are provided by Invengo Technology Pte. Ltd, Shenzhen, China. The operating frequency of reader is 902-928 MHz and the transmitted power can be varied from 15 to 36 dbm. Firstly, RFID communicative features are analyzed. The approach of conveyer location is proposed by comparing the RSSI data between dual antennae and dual tags, which aims to reduce the noise interference in conveyer location. Then the energy transferring location model and path loss location model are formulated. Secondly, several experiments are carried out in the citrus orchard, which is located in the China Agriculture Research System, Guangzhou, China. The 2 significant setting parameters of RFID equipment,i.e. the optimal perpendicular distances between RFID antenna and the tag on the monorail, and the optimal horizontal distances between tags on the monorail, are obtained in the experiments of RFID single antenna. Parameters of the 2 location models are fitted to be applicable to experiment environment through the analysis of RSSI data, which can be obtained in the experiments of RFID dual antennae. Finally, the results of performance experiments on location models show that the approach of conveyer location, which is implemented by comparing the data of dual antennae and dual tags, can reduce the noise interference effectively. It can reduce the location error and improve the location system accuracy, but the interference cannot be eliminated completely. The experiment results also demonstrate that reducing the distance between dual tags on the monorail, which increases the density of deployed tags, is not a good way to improve the location system accuracy. The optimal horizontal distances between tags, and the optimal perpendicular distances between RFID antenna and the tag on the monorail are 45 and 20 cm, respectively, and the optimal coefficients in path loss location model are 63.19 and 2.988, respectively, which are applicable to the experiment environment. The varying lengths of conveyers should be considered when different types of conveyers are used. Under the optimal conditions, the minimal average location error is 1.077 4 cm by using the path loss location model, and the minimal location error is 0.017 0 cm by using the energy transferring location model. In order to further verify the effectiveness of the proposed approach, another experiment is carried out in Germplasm Resource Garden of Southern Subtropical Fruit Trees, Guangzhou, China. It shows the similar location results. The research in this paper verifies the feasibility of locating the conveyer on the monorail accurately by using ultra high frequency RIFD equipment. The proposed location approach can improve the safety and reliability of working monorail conveyers.

agricultural machinery; transportation; orchards;; RFID; RSSI; location

2017-09-29

2018-01-11

國家自然科學(xué)基金項目（61601189、61602187）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-26）；廣東省科技計劃項目（2016A020210088）

呂石磊，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究。Email：lvshilei@scau.edu.cn

李 震，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機電一體化技術(shù)應(yīng)用研究。Email：lizhen@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009

TP274; S126

A

1002-6819(2018)-04-0071-09

呂石磊，梁尹聰，李 震，王建華，王衛(wèi)星.基于超高頻RFID雙天線雙標簽對照的果園單軌運輸機定位[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(4)：71－79.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009 http://www.tcsae.org

Lü Shilei, Liang Yincong, Li Zhen, Wang Jianhua, Wang Weixing. Orchard monorail conveyer location based on ultra high frequency RFID dual antennas and dual tags[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 71－79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009 http://www.tcsae.org