RFID定位系統(tǒng)簡介2

/RFID定位系統(tǒng)簡介RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽和RFID閱讀器以與他們之間的通信組成。每個RFID標(biāo)簽具有唯一的標(biāo)識符，即唯一的ID，他連接到某個對象上。用戶用他的RFID閱讀器讀取RFID標(biāo)簽的唯一ID，使用戶能夠識別與RFID標(biāo)簽所連接的對象。因此，RFID標(biāo)簽系統(tǒng)在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如，實物分配領(lǐng)域，一次性在一個紙箱或購物籃中識別多個目標(biāo)的技術(shù)引起關(guān)注。RFID標(biāo)簽的唯一ID可以涉與到一些有用的信息。其中一個重要的信息是攜帶RFID標(biāo)簽的對象的位置信息。從RFID標(biāo)簽的唯一ID和位置信息，用戶可以知道攜帶RFID標(biāo)簽的對象的位置。將射頻識別技術(shù)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域是目前RFID研究的一個熱點。GPS是大家首先想到的一個定位系統(tǒng)，他基于衛(wèi)星通信，在室外空曠環(huán)境下可提供精度在10米之內(nèi)的導(dǎo)航，但是當(dāng)目標(biāo)移至室內(nèi)，衛(wèi)星信號受到建筑物的影響而大大衰減，定位精度也隨之降低。近年來，許多技術(shù)和方案被提出用于室內(nèi)壞境下的目標(biāo)定位，這些技術(shù)包括紅外線(Infrared)技術(shù)、超聲波(Ultrasonic)技術(shù)、超寬帶(UWB)和射頻識別(RFID)技術(shù)等。 紅外線（Infrared）定位具有較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物傳播，因此紅外線定位受到直線視距的限制，而且定位距離比較短，通常只有5米左右。超聲波(Ultrasonic)定位主要采用反射式測距法，通過三角定位算法確定物體的位置。超聲波的定位精度通常都很高，但超聲波不能穿透墻壁，受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，定位距離比較短。UWB技術(shù)通過發(fā)射和接收脈沖之間的時間差為進(jìn)行距離測量和定位，具有定位精度高、魯棒性好、不易受干擾等優(yōu)點，但是系統(tǒng)需要較大的帶寬(大于500MHz)和精度的同步時鐘，校準(zhǔn)難度較大。射頻識別(RFID)技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別定位的目的，這種技術(shù)成本低、傳輸范圍大，同時有非接觸和非視距的優(yōu)點，很適合室內(nèi)定位技術(shù)。RFID系統(tǒng)的兩大重要組成部分是讀寫器和標(biāo)簽。讀寫器包括天線、收發(fā)器、基本控制單元、邏輯接口等，可以方便地與標(biāo)簽和后臺應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。標(biāo)簽包括芯片和天線兩個部分。標(biāo)簽芯片是即ID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，可以存儲商品或者物體的基本信息。當(dāng)附著有標(biāo)簽的物體進(jìn)入讀寫器天線的工作場區(qū)范圍內(nèi)，讀寫器和標(biāo)簽通過電場或者磁場藕合的方式實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)RFID系統(tǒng)的工作頻率不同，可將其分為低頻LF(LowFrequency)、高頻HF(HighFrequency)、超高頻UHF(UltraHighFrequency)和微波MW(Microwave)等四個頻段。頻段不同，工作特性也不同：低頻和高頻RFID系統(tǒng)基于電感耦合的基本原理，因此其通信距離較短；超高頻和微波頻段RFID系統(tǒng)基于電磁耦合反向散射的基本原理，因此其通信距離較長。各個頻段的工作特性如表1.1所示。其中，超高頻RFID系統(tǒng)由于具有較遠(yuǎn)的識別距離、較快的通信速率和較小的天線尺寸而成為當(dāng)前研究的熱點各頻段RFID系統(tǒng)的工作特性RFID標(biāo)簽按照其供電方式不同，可以分為無源、有源和半有源的三種。無源RFID標(biāo)簽通過從讀寫器發(fā)射的電磁波耦合能量來產(chǎn)生整個芯片工作的電源，因此成本較低，但是其工作距離有限；有源標(biāo)簽由于本身帶有電池，不需要從電磁波中耦合能量，能主動發(fā)射射頻信號，因此其工作距離較遠(yuǎn)，但壽命較短，而且成本相對較高；半有源標(biāo)簽自身也帶有電池來供給芯片工作，但是不會主動發(fā)射信號，需要外部信號來激活其正常工作。由于成本原因，目前物流和門禁等領(lǐng)域中最常用的還是無源RFID標(biāo)簽，有源和半有源標(biāo)簽僅用于少數(shù)貴重物品的識別和管理。 短短幾年，各種基于RFID的定位技術(shù)應(yīng)運而生，下圖就是幾種技術(shù)的分類總結(jié)?；赗FID的定位技術(shù)基于RFID技術(shù)的定位方法按照是否測距分為2大類：非測距定位技術(shù)和測距定位技術(shù)。非測距定位技術(shù)不需要對距離進(jìn)行檢測，通過與參考點通信來進(jìn)行區(qū)域定位：將參考讀寫器或者參考標(biāo)簽分布于特定區(qū)域，通過檢測參考點與目標(biāo)之間的通信成功與否來判斷目標(biāo)是否處于該區(qū)域。非測距定位技術(shù)必須將參考點按要求分布于目標(biāo)區(qū)域，因此應(yīng)用受到一定限制，成本也較高?；跍y距的定位技術(shù)根據(jù)其測距原理又可以分為三大類：接收信號強度檢測(RSSI)、信號到達(dá)方向(DirectionofArrival，DOA)、信號到達(dá)時間(TimeofArrival，TOA)。RSSI定位技術(shù)的基本原理為：射頻信號的衰減量與距離的平方成反比；己知發(fā)射信號的功率，通過檢測接收信號的功率強度即可得到信號傳輸?shù)木嚯x。但是接收信號強度受到環(huán)境因素影響，多徑干擾嚴(yán)重，而且還受視距(LOS)與否、天氣等的影響，定位精度較低。DOA定位技術(shù)的基本原理為：接收信號功率最強的方向或者接收信號功率最弱的反方向即為信號傳輸?shù)姆较?；已知兩條信號傳輸?shù)姆较蚣纯纱_定目標(biāo)的位置。但是信號方向的精確檢測難度較大，需要復(fù)雜的方向性天線或者天線陣列，成本較高。TOA定位技術(shù)的基本原理為：射頻信號傳輸?shù)乃俣群愣楣馑賑(3.0*10^8米/秒)；通過檢測發(fā)射和接收信號的時間差，即可得到信號傳輸?shù)木嚯x。該方案基本不受視距和環(huán)境的影響，也不需要復(fù)雜的天線，低成本條件下實現(xiàn)精確的傳輸時間檢測是其難點。LANDMARC：采用有源RFID的室內(nèi)位置感應(yīng)LANDMARC算法原理LANDMARC的設(shè)計思想是采用額外的固定參考標(biāo)簽輔助定位，通過參考標(biāo)簽的信號強度值與待定位標(biāo)簽的信號強度值之間的比較，采用“最近鄰距離”權(quán)重思想，計算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。假設(shè)現(xiàn)有N個RF閱讀器、M個參考標(biāo)簽和U個待定位標(biāo)簽，N個閱讀器分別讀出M個參考標(biāo)簽和U個待定標(biāo)簽發(fā)給閱讀器的信號場強值，此場強值分為1~8總共8個等級。待定位標(biāo)簽坐標(biāo)位置求解過程過下：1）定義參考標(biāo)簽的信號強度矢量為,表示參考標(biāo)簽在閱讀器i上的值，待定位標(biāo)簽的信號強度矢量為，，表示待定位標(biāo)簽在閱讀器i上的值。因此，它們之間的歐式距離為： E越小表示參考標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽距離越近。2）通過求得的k個跟待定位標(biāo)簽的信號強度最相近的參考標(biāo)簽，可以推算出待定位的的坐標(biāo)為：為第ｌ個鄰居的權(quán)重（l=1，2，3，…，K<M，K是M個歐式距離中最小的K個鄰居），可根據(jù)經(jīng)驗公式得到：3）定義估計誤差： 其中，是估計出的待定位標(biāo)簽位置，為待定位標(biāo)簽的實際位置。LANDMARC系統(tǒng)按下圖所示位置布設(shè)16個參考標(biāo)簽和4個閱讀器，并放置8個待定位標(biāo)簽LANDMARC算法有以下三個主要的優(yōu)點：1）不需要大量昂貴的RFID閱讀器，取而代之的是，采用了額外的、便宜的RFID標(biāo)簽。2）可以比較容易地適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)性。LANDMARC方法可以抵消很多環(huán)境因素，主要原因是，當(dāng)待定位標(biāo)簽被定位時，參考標(biāo)簽也會受到相同的環(huán)境影響。因此，可以動態(tài)實時地更新參考信息。3）位置信息更加準(zhǔn)確和可靠。但是，LANDMARC算法也存在一些缺點：1）在密集環(huán)境下，LANDMARC算法易受多徑效應(yīng)的影響。2）如果想進(jìn)一步提高定位準(zhǔn)確度，需要增加參考標(biāo)簽數(shù)目，會增加額外的系統(tǒng)開銷。3）當(dāng)前的RFID系統(tǒng)沒有直接提供標(biāo)簽的信號強度，閱讀器只能報告被檢測標(biāo)簽的能量等級（在LANDMARC系統(tǒng)中能級為1～8），因此只能粗略地測量哪個等級對應(yīng)什么樣的距離。無源RFID標(biāo)簽的位置估計的多功率傳感范圍的方法 在室內(nèi)，配備RFID閱讀器和RFID天線的機器人執(zhí)行RFID標(biāo)簽的位置估計。為了估計標(biāo)簽的位置，我們采用概率的方法，計算后驗概率。在這里，x是標(biāo)簽的位置，為時間步長從1到t的觀測，為RFID天線的位置，時間從1到t?；谪惾~斯法則，有如下定義： (1)其中是給定標(biāo)簽位置x和RFID天線位置時觀測到的似然值在傳統(tǒng)方法中RFID讀寫器以恒定的傳輸功率感應(yīng)標(biāo)簽的唯一ID。換句話說，此方法具有單一的通信范圍。下圖顯示了傳統(tǒng)方法的傳感器模型，定義了分布的概率似然值。RFID讀寫器的探測范圍假定為橢圓內(nèi)的面積。下圖是傳統(tǒng)位置探測的流程圖。顯示了更新后驗概率在時間步長為1的例子。在這里，我們假定，一個機器人配有RFID天線，它移動并尋找標(biāo)簽的位置。在這個例子中，機器人是在觀察點1。假定，機器人在時間步長1首次檢測到標(biāo)簽，則計算各取樣位置的概率似然值。三角形標(biāo)記的取樣位置的概率計算為（初始概率1）*（可能性0.9）=0.9；點標(biāo)記的取樣位置的概率計算為（初始概率1）*（可能性0.5）=0.5。接下來，RFID讀取器移動到另一個位置。如果RFID讀寫器接收到一個標(biāo)簽的ID響應(yīng)，則根據(jù)傳感器模型計算各取樣位置的概率似然值并更新后驗概率。重復(fù)此過程，計算RFID標(biāo)簽的位置。如果有多個采樣位置的后驗概率一樣最大，則認(rèn)為這些采樣位置區(qū)域的重心為標(biāo)簽的估計位置。標(biāo)簽位置估計誤差定義為e：這里，為標(biāo)簽的實際坐標(biāo)，x,y為計算得出的坐標(biāo)。不斷改變通信范圍的大小，可以高效地估計標(biāo)簽的位置。于是提出了一個多傳感范圍的方法，即多級RFID閱讀器的發(fā)射功率的方法。為了簡便，RFID閱讀器發(fā)射功率分三個通信范圍：遠(yuǎn)距離范圍（long-range）對應(yīng)最高發(fā)射功率、中距離范圍（middle-range）對應(yīng)中間發(fā)射功率、短距離范圍（short-range）對應(yīng)