基于UHF RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

近些年，物聯(lián)網(wǎng)的興起為我們的生活帶來了極大的便利。利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物品等通過新的方式連在一起，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用大多在室內(nèi)，而物體位置感知作為物聯(lián)網(wǎng)中很重要的組成部分之一，卻無(wú)法通過傳統(tǒng)的衛(wèi)星和蜂窩定位來獲取。無(wú)源超高頻RFID室內(nèi)定位作為室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)之一，正得到快速發(fā)展，然而，RFID標(biāo)簽定位依然存在諸多問題亟需解決。

在傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于測(cè)距的定位方法主要依賴的測(cè)量參數(shù)包括時(shí)間、能量和角度，然而對(duì)于RFID系統(tǒng)，帶寬的限制使其無(wú)法使用時(shí)間法和角度法，使用能量法得到的測(cè)距結(jié)果精度太差?？紤]到RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)，其信號(hào)的發(fā)送載波是一個(gè)單頻信號(hào)，可以通過提取載波相位來獲取相位變化差，由此獲取距離信息。本文通過對(duì)Impinj R420讀寫器設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)獲取載波相位，并使用基于Impinj的Indy R1000開發(fā)板獲取能量信息，將相位法和能量法得到的距離分別運(yùn)用到定位上，通過算法優(yōu)化最終進(jìn)行定位，并證明了相位法測(cè)距定位在室內(nèi)小環(huán)境定位中的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

UHF RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)通過獲取距離測(cè)量信息來定位待測(cè)物體坐標(biāo)，故系統(tǒng)主要分為兩部分：測(cè)距部分和定位部分。距離信息的獲取主要涉及到兩個(gè)參數(shù)：RFID信號(hào)傳輸過程中的能量衰減和載波信號(hào)相位的變化值。其中能量信息通過R1000開發(fā)板來獲得，相位信息通過Impinj R420讀寫器來獲得。將獲得的參數(shù)信號(hào)傳入PC，通過定位算法來確定RFID標(biāo)簽的位置。整個(gè)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 UHF RFID標(biāo)簽系統(tǒng)測(cè)距部分

RFID標(biāo)簽是產(chǎn)品電子代碼(EPC)的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通，并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和讀寫。ISO18000—6協(xié)議對(duì)UHF RFID通信作出了詳細(xì)的規(guī)定，我們使用中國(guó)大陸UHF RFID的工作頻段920～ 925MHz進(jìn)行標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)。

2.1 UHF RFID工作原理

讀卡器和標(biāo)簽的通信是基于ITF(Interrogator Talk First，閱讀器先發(fā)言)機(jī)制的，即基于讀寫器的命令與讀寫器的回答之間交替發(fā)送的半雙工機(jī)制。讀卡器和標(biāo)簽完整的通信過程如下：讀卡器首先向標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)Query命令，解調(diào)出該命令的標(biāo)簽隨即進(jìn)入確認(rèn)狀態(tài)，此時(shí)標(biāo)簽將向讀卡器反向反射一個(gè)16位的隨機(jī)數(shù)RN16，讀卡器將發(fā)送包含相同RN16的ACK信號(hào)給標(biāo)簽，若標(biāo)簽接收到的ACK信號(hào)包含的RN16信息與之前發(fā)送的RN16信息相同，則標(biāo)簽轉(zhuǎn)入確認(rèn)狀態(tài)，并反向散射PC+EPC+CRC16信息給讀卡器。在通信過程中提取能量和相位的變化值進(jìn)行測(cè)距。

2.2 能量法測(cè)距原理及硬件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過傳播路徑損耗，接收端接收到的信號(hào)功率PRX(dBm)，可以通過信號(hào)傳輸公式得到：

其中，PTX是閱讀器發(fā)射功率;Greader和Gtag分別是閱讀器和標(biāo)簽的天線增益;Lsys是系統(tǒng)內(nèi)部電路損耗，在讀寫器發(fā)送信號(hào)時(shí)，發(fā)送功率可以人為設(shè)置，Lsys。可以通過反饋線接上衰減器將信號(hào)輸入頻譜儀，觀察衰減情況。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過標(biāo)簽反射時(shí)，讀寫器接收反射信號(hào)并測(cè)出PRX，這樣就可以計(jì)算出路徑損耗LP(d)，根據(jù)Friss公式便可以計(jì)算出信號(hào)傳播路徑。

能量信息主要通過基于射頻芯片Indy R1000開發(fā)板測(cè)量得到，如圖2右側(cè)所示，R1000使用EPCglobal超高頻第一級(jí)(Class 1)第二代標(biāo)準(zhǔn)和ISO18000—6標(biāo)準(zhǔn)，傳輸調(diào)制模式有DSB、SSB、PR—ASK三種，工作頻率為840～960 MHz。R1000采用了56引腳8 mm2QFN封裝格式，集成了大約100個(gè)元件，負(fù)責(zé)傳送、調(diào)制、接收、處理這些來自EPC Gen2電子標(biāo)簽的無(wú)線電通信信息。

R1000內(nèi)包含了一個(gè)能源擴(kuò)大器，使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編碼和閱讀，如果有外接能源擴(kuò)大器，則使用R1000的讀寫范圍可以達(dá)到10 m以上。在開發(fā)板中，R1000和單獨(dú)的MCU連接，MCU將R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPC或者ISO18000—6格式的代碼。

2.3 相位法測(cè)距原理及硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)于相位信息的測(cè)量，信號(hào)傳播的距離與相位變化的公式為：

d=(φ·c)/(2πf) (2)

相位獲取過程如圖3所示。由于使用的RFID頻段工作在900 MHz頻段上，信號(hào)在載波相位一個(gè)2π周期變化內(nèi)所傳播的距離很短。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，無(wú)法知道相位變化了多少個(gè)周期，這樣就會(huì)產(chǎn)生相位模糊問題，因此使用相位差測(cè)距法。

選取兩個(gè)頻率相近的載波f1和f2，載波初始相位為φ1,b和φ2,b，閱讀器接收信號(hào)時(shí)載波最終相位分別為φ1,e和φ2,e。對(duì)于載波f1，相位變化值為△φ1=(φ1,e-φ1,b)，對(duì)于載波f2，相位變化值為△φ2=(φ2,e-φ2,b);則在相位差測(cè)距法中，距離d為：

d=(△φ11-△φ2)·c/[4π(f1-f2)] (3)

圖2左側(cè)為Impinj R420讀寫器，通過其獲取相位信息。R420核心射頻芯片為Indy R2000，為R1000的升級(jí)版，不僅支持EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)和ISO18000—6標(biāo)準(zhǔn)，而且可以配置其他協(xié)議。R2000采用64引腳9 mm2 QFN封裝，在功耗和接收靈敏度方面比R1000有所提高。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

數(shù)字核心選擇好載頻點(diǎn)后，輸出信號(hào)，經(jīng)過DAC和頻率選擇濾波器，形成I/Q兩路信號(hào)。與載波相混后兩路信號(hào)疊加，再經(jīng)功放發(fā)送出去。當(dāng)芯片接收到信號(hào)時(shí)，與載波相加，過低噪放大器后與發(fā)送信號(hào)相混，通過頻率選擇濾波器和頻選放大器獲取基帶信號(hào)，通過ADC將信號(hào)送至數(shù)字核心。

雖然Indy R2000的底層射頻協(xié)議(LLRP)中包含載波相位的提取，但其自帶的軟件并不讀取這一部分信息，因此，需要借助Impinj公司的二次開發(fā)包OctaneSDK來獲得載波相位值。

3 UHF RFID標(biāo)簽系統(tǒng)定位部分

通過系統(tǒng)測(cè)距部分，獲得了標(biāo)簽到閱讀器天線之間的距離，將通過線性化最小二乘法和加權(quán)殘差法求出標(biāo)簽位置。

3. 1 線性化最小二乘法

假設(shè)定位環(huán)境有N個(gè)位置已知天線Xn(xn，yn)，i=1，2，…，N，位置未知的標(biāo)簽為P(x，y)。閱讀器對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量，共有N個(gè)測(cè)量方程，en為測(cè)量誤差：

3.2 加權(quán)殘差定位方法

在測(cè)量過程中，會(huì)出現(xiàn)部分測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，并造成整體定位誤差較大。引入加權(quán)殘差方法，通過對(duì)測(cè)量方程增加權(quán)值，將較大誤差的處理轉(zhuǎn)換成權(quán)值的選擇，最終完成標(biāo)簽定位。定義標(biāo)簽坐標(biāo)P的殘差平方和為：

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

選擇一塊3 m×3 m的正方形區(qū)域，如圖5所示。天線使用Larid公司右相圓極化遠(yuǎn)場(chǎng)天線S9028PCR，最大增益為9 dBic，回波損耗為18 dB。將4組天線放置在4個(gè)頂點(diǎn)，每組天線上有2個(gè)天線，分別連接到Indy R1000開發(fā)板和R420上，標(biāo)簽隨機(jī)放置在正方形區(qū)域內(nèi)，設(shè)置閱讀器發(fā)送信號(hào)功率為30 dBm，載頻點(diǎn)為920.63 MHz和924.38 MHz，使得信號(hào)載波在這兩個(gè)頻點(diǎn)上不斷變換。打開軟件，開始進(jìn)行測(cè)試。隨機(jī)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選取4個(gè)位置放置UHF RFID標(biāo)簽，通過四周的天線與閱讀器進(jìn)行通信。

在足夠長(zhǎng)的一段通信過程中，如圖6所示，通過軟件獲取這段時(shí)間內(nèi)閱讀器接收到的最大的RSSI值和相位值變化的平均值，經(jīng)過處理計(jì)算，得到標(biāo)簽坐標(biāo)。

我們定義系統(tǒng)的均方根誤差(RMSE)來衡量系統(tǒng)定位精度。RMSE的定義式如下所示：

(x0，y0)為標(biāo)簽的真實(shí)坐標(biāo)。表1顯示了分別用不同的測(cè)距數(shù)據(jù)得到的定位誤差。

結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)UHF RFID標(biāo)簽通信過程中相位和能量的提取，完成了室內(nèi)定位系統(tǒng)?？梢钥闯鲈谛…h(huán)境中，使用相位法進(jìn)行定位比傳統(tǒng)的使用能量法進(jìn)行定位精度要提高很多。但是在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，相位法定位會(huì)受到很大的影響，在后續(xù)工作中，可以在定位算法上改進(jìn)，來彌補(bǔ)由于測(cè)距不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差對(duì)最終定位產(chǎn)生的影響。