基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺

陳鴻龍，李憲敏，代天驕，孫 良

基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺

陳鴻龍，李憲敏，代天驕，孫 良

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580）

介紹了基于測距定位方法的基本工作原理，設計了一套基于射頻識別反向散射的標簽定位實驗平臺。該實驗平臺包括1個后端服務器、1臺英頻杰閱讀器、多個RFID天線和1個標簽。RFID天線的位置已知，作為信標節點并由閱讀器控制，標簽位置未知。由天線發送射頻信號，信號到達標簽后經反向散射返回天線，閱讀器測得射頻信號經由傳輸路徑的相位變化，基于射頻信號的傳輸模型估計天線和標簽之間的距離，并結合天線的位置信息，利用極大似然估計方法估計標簽的位置信息。該實驗平臺涵蓋了射頻通信、信號分析和處理以及定位算法等內容，有助于學生深入學習和理解基于RFID定位方法的原理和應用，能夠培養和提高學生針對復雜工程問題的創新能力和工程實踐能力。

射頻識別；反向散射；相位；極大似然估計

物聯網[1-2]是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把物品和互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。近年來物聯網技術的發展日新月異，取得了許多重大突破并得到廣泛應用[3-4]。射頻識別（RFID）[5]技術作為物聯網的關鍵核心技術之一，目前已經被廣泛應用于石油石化、倉儲管理和物流追蹤等領域，并取得巨大的經濟效益。例如，將RFID系統應用于高校實驗室的實驗設備管理[6]，通過實現對RFID標簽的監測即可實現對實驗設備的快速的、高效的以及可靠的自動化管理，大大提高實驗室的運行效率。

在物聯網的應用中，感知層中的節點通過傳感器采集相關感知信息，并經過傳輸層將感知信息傳輸到應用層，進行數據處理、分析和應用。但是，在許多應用中，每個節點的感知信息和其自身位置信息是緊密關聯，缺一不可的。例如，在城市空氣質量監測系統中，缺乏位置信息的空氣質量感知信息，其可信度和可用性將大打折扣。因此，節點精確定位對物聯網的進一步發展和應用至關重要。

本文所設計的基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺，通過測得天線與無源標簽之間的距離，利用極大似然估計方法實現標簽的定位。該實驗平臺有助于學生深入學習和理解RFID系統的工作原理以及基于RFID的定位方法的原理和應用，有助于培養學生針對復雜工程問題的創新能力和工程實踐能力[7]，助力學生今后職業技能的提升。

1 基于測距的節點定位方法

物聯網中的節點定位方法[8-9]通常分為基于測距的和距離無關的兩大類。網絡中的節點由信標節點和未知節點組成，信標節點指自身位置信息已知的節點，未知節點則是位置信息未知的節點。測距的定位方 法[10-11]是通過測量未知節點與多個信標節點間的距離[12]，進而估計未知節點的坐標。距離無關的定位方法[13]則可間接獲得未知節點和信標節點之間的參數關系以實現定位。兩種方法各有適用場合，一般情況下，基于測距的定位方法的定位精度高于距離無關的定位方法。

其中，

圖1 基于測距的定位方法示意圖

2 RFID系統

RFID系統主要由3部分組成：（1）閱讀器：可以讀取（或寫入）標簽信息的設備，其工作模式一般是主動向標簽詢問信息；（2）標簽：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來標識目標對象，標簽根據是否內置電源分為無源標簽、有源標簽和半有源標簽，本實驗平臺將以無源標簽作為定位目標；（3）天線：在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號，其大小與工作頻率及功能有關。

在RFID系統中，閱讀器由后端服務器控制，通過天線發射射頻信號，標簽接收到射頻信號后發射內部存儲的標識信息，并由閱讀器經天線接收，最后閱讀器將識別結果發送給后端服務器。電子標簽與天線之間通過射頻信號耦合實現能量和數據傳輸。如圖2所示，本實驗平臺分別采用英頻杰R420閱讀器、Laird9028超高頻天線和英頻杰 H41電子標簽。

圖2 實驗平臺采用的RFID設備

3 基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺

本文構建的標簽定位實驗平臺結構如圖3所示，該平臺包括1臺后端服務器，1臺閱讀器，4個天線以及1個無源標簽。4個天線的位置已知，作為信標節點，無源標簽位置未知，作為未知節點。閱讀器可以通過有線鏈路與后端服務器通信并由它控制。天線發送射頻信號，信號到達標簽后反向散射、返回天線，由閱讀器測得射頻信號在傳輸路徑中的相位變化，根據相位變化得到未知標簽和天線之間的距離，并結合天線的坐標信息，利用極大似然估計法求得未知標簽的坐標。

圖3 標簽定位實驗平臺結構圖

圖4 RFID系統的射頻信號反向散射原理圖

利用圖2中的RFID設備搭建的實驗平臺，其天線工作頻率為920.625 MHz，通過實驗可以得出標簽和天線之間的距離在半波長（約為16.5 cm）內與相位值呈現線性關系，如圖5所示。基于上述距離和相位之間的線性關系，閱讀器在得到相位信息后即可估計天線和無源標簽之間的距離。

標簽定位實驗平臺的原型系統如圖6所示，在測量區域部署4個天線A1、A2、A3、A4，天線的位置信息已知，作為信標節點；無源標簽位置信息未知，為未知節點。閱讀器計算無源標簽和4個天線之間的距離，結合4個天線的坐標信息，利用極大似然估計法和公式（1），即可實現對無源標簽的定位。

圖5 標簽和天線之間的距離和相位關系曲線

圖6 標簽定位實驗平臺現場部署圖

4 標簽定位實驗平臺的教學應用

目前，我校自動化和測控兩個本科專業每個年級學生約200人，這兩個專業的學生在三、四年級開設了物聯網控制技術和無線傳感網絡兩門課程，分別介紹物聯網和無線傳感器網絡的基本原理、關鍵技術和應用，每門課程分別包含8個實驗學時。本文所設計的基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺將服務于今后的物聯網控制技術和無線傳感網絡課程的教學，學生通過結合該實驗平臺的實驗內容，能夠更深層次地理解和掌握課程中所介紹的RFID射頻通信以及節點定位原理。

5 結語

本文以提高專業課課程建設質量為出發點，設計了一套基于RFID反向散射的標簽定位實驗平臺，通過測量射頻信號反向散射的相位變化估計天線和標簽之間的距離，利用極大似然估計方法估計標簽的位置。該實驗平臺涵蓋了射頻通信、信號分析和處理以及定位算法等內容，可服務于自動化和測控兩個專業的物聯網控制技術和無線傳感網絡兩門課程，有助于學生深入學習和理解基于RFID定位方法的原理和應用，有助于培養學生針對復雜工程問題的創新能力和工程實踐能力，助力學生今后職業技能的提升。

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Experimental platform for label location based on RFID backscattering

CHEN Honglong, LI Xianmin, Dai Tianjiao, SUN Liang

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

This paper introduces the basic working principle of the ranging and positioning method and designs a label positioning experimental platform based on radio frequency identification backscattering. The experimental platform includes a back-end server, an English band reader, multiple RFID antennas and a tag. The location of the RFID antenna is known. As the beacon node and as controlled by the reader, the location of the tag is unknown. The radio frequency signal is transmitted from the antenna and returned to the antenna by backscattering after arriving at the tag. The reader measures the phase change of the radio frequency signal through the transmission path, and estimates the distance between the antenna and the tag based on the transmission model of the radio frequency signal. Combined with the position information of antenna, the position information of tag is estimated by maximum likelihood estimation method. The experimental platform covers radio frequency communication, signal analysis and processing, and location algorithm. It is helpful for students to deeply understand the principle and application of location method based on RFID, and it can also cultivate and improve students’ innovative ability and engineering practice ability for complex engineering problems.

radio frequency identification; backscatter; phase; maximum likelihood estimation

TN925

A

1002-4956(2019)10-0092-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.022

2019-03-07

國家自然科學基金面上項目（61772551）；山東省重點研發計劃（2018GGX101035）；中國石油大學（華東）校級教改項目（JY-B201833）

陳鴻龍（1984—）：男，福建泉州，副教授，博士生導師，計算機科學博士，研究方向為物聯網。E-mail: chenhl@upc.edu.cn