基于RFID的智能家居用戶識(shí)別定位技術(shù)分析

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能家居發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。智能家居可以定義為一個(gè)系統(tǒng),它可將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和各種遙感和自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加智能、舒適、節(jié)能。在智能家居系統(tǒng)中，所有的家電以及傳感器都通過互聯(lián)網(wǎng)連接到一起，可以隨時(shí)進(jìn)行信息交換和遠(yuǎn)程控制。家里的主人通過手機(jī)或者項(xiàng)鏈等隨身物品就可以開門，走到哪個(gè)房間，燈光會(huì)自動(dòng)開啟，空調(diào)也會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到合適的溫度。坐到沙發(fā)上，電視就會(huì)自動(dòng)開啟；而站到穿衣鏡前,鏡子會(huì)自動(dòng)顯示您要穿的衣服并與您的鏡像進(jìn)行合成……。這一切原本只在科幻電影中出現(xiàn)，卻因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和智能家居系統(tǒng)變成了現(xiàn)實(shí)。而實(shí)現(xiàn)這一切的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)用戶的識(shí)別與定位，就是射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)。

1  RFID技術(shù)簡介

射頻識(shí)別(RFID)作為一種全新的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在上世紀(jì)就已開始逐漸進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。RFID正被廣泛用于采購分配、商業(yè)貿(mào)易、生產(chǎn)制造、物流、防盜、軍事用途以及移動(dòng)支付等圖1所示是RFID技術(shù)的基本模型。 

此模型中的閱讀器可通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使射頻標(biāo)簽獲得能量被激活。射頻標(biāo)簽將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號(hào)后，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器會(huì)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼,然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理，主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算來判斷該卡的合法性，并針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，最后發(fā)出指令信號(hào)以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

2  RFID定位技術(shù)

2.1  基于電磁波到達(dá)角的定位

電磁波在空間中的傳播是有一定方向性的，對(duì)于采用定向天線的閱讀器系統(tǒng)，通過測(cè)量電磁波的到達(dá)角度,理論上可以實(shí)現(xiàn)空間位置的推定。通常測(cè)量電磁波到達(dá)角度要求閱讀器具有天線陣列，而常見的RFID閱讀器天線系統(tǒng)并非陣列形式，因此，該方法在RFID定位中尚無成功案例。

但是,基于角度測(cè)量的定位技術(shù)在蜂窩網(wǎng)無線定位中的應(yīng)用已較為成熟，因此，可以蜂窩網(wǎng)無線定位為例對(duì)該定位原理進(jìn)行分析。其中涉及的基站(Base Station,BS)和移動(dòng)臺(tái)(Mobile Station,MS)可類比于RFID閱讀器和標(biāo)簽。

圖2所示是基于到達(dá)角度進(jìn)行定位的原理示意圖。圖中的MS回波信號(hào)到達(dá)兩個(gè)帶有天線陣列的基站BaseStation1和BaseStation2后，通過天線陣列的測(cè)量與計(jì)算，可以得到圖2中兩個(gè)到達(dá)角度a和原由幾何知識(shí)可知，在基站位置和到達(dá)角度可知的情況下,就可方便地求出MS的位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)用兩個(gè)基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位。顯然，該定位系統(tǒng)算法求解較為容易,僅需要2個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)定位，但是，由于對(duì)測(cè)量角度的硬件要求較高,故其多應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)無線定位和軍事領(lǐng)域，一般的RFID系統(tǒng)則很難滿足。

2.2  基于電磁波到達(dá)時(shí)間的定位

電磁波在自由空間中的傳播速度C為3X10⁸m/s,如果可以得到閱讀器到標(biāo)簽的傳播時(shí)間，則通過時(shí)間計(jì)算傳播距離，并最終實(shí)現(xiàn)理論上的定位。對(duì)于某一待定位標(biāo)簽，最多利用三臺(tái)RFID閱讀器設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。圖3所示是基于到達(dá)時(shí)間的定位原理圖。

設(shè)標(biāo)簽到三個(gè)閱讀器的傳播時(shí)間分別為t₁、t₂、t₃，則標(biāo)簽到三個(gè)閱讀器的直線傳播距離為C_t1、C_t2、C_t3,由幾何原理,待定位標(biāo)簽應(yīng)同時(shí)在以三個(gè)閱讀器為圓心，以C_t1、C_t2、C_t3為半徑的圓周上，求取這三個(gè)圓的唯一交點(diǎn)就其定位解，其求解方程為：

基于TOA的RFID定位算法較容易實(shí)現(xiàn)，定位解的求解時(shí)間短，電磁波傳播的絕對(duì)時(shí)間值是實(shí)現(xiàn)定位的依據(jù)，因此，要求閱讀器和標(biāo)簽都要有高精度的計(jì)時(shí)功能且二者時(shí)間同步。但即使如此，也不可避免的會(huì)有時(shí)間測(cè)量誤差以及傳播路徑中的干擾因素，這些都會(huì)被c值放大到較難接受的數(shù)量級(jí)，因此，基于TOA的定位系統(tǒng)較難在實(shí)際中得到應(yīng)用。

2.3  基于電磁波到達(dá)時(shí)間差的定位

基于TDOA的RFID定位方法的觀測(cè)值也是時(shí)間，但其不同于TOA定位，它的定位依據(jù)是標(biāo)簽到幾個(gè)不同閱讀器的傳播時(shí)間差。由幾何原理可知，標(biāo)簽到兩個(gè)固定位置閱讀器的距離差已知，則標(biāo)簽應(yīng)位于以閱讀器位置為焦點(diǎn)的其中一支雙曲線上,一般至少三臺(tái)閱讀器就可以得到唯一滿足要求的雙曲線交點(diǎn)，即標(biāo)簽所在位置。

圖4所示是TDOA的定位原理圖，設(shè)標(biāo)簽到達(dá)3號(hào)和1號(hào)閱讀器及3號(hào)和2號(hào)閱讀器的時(shí)間差分別為△t_3,1和△t_3,2,且都是后到達(dá)3號(hào)閱讀器。則由時(shí)間差就可以求取距離差，從而由幾何原理求取如圖4所示的兩支雙曲線的交點(diǎn)，即為標(biāo)簽所在位置。其數(shù)學(xué)求解方程為：

基于TDOA的RFID定位以時(shí)間差作為觀測(cè)量,避免了閱讀器和標(biāo)簽計(jì)時(shí)不同步給定位帶來的誤差,但對(duì)系統(tǒng)計(jì)時(shí)精度的要求仍然較高。

2.4  基于電磁波到達(dá)功率強(qiáng)度的定位技術(shù)

根據(jù)電磁波傳播理論，一般電磁波由閱讀器到達(dá)標(biāo)簽的有效功率為：

可見當(dāng)定位系統(tǒng)性能參數(shù)確定之后，標(biāo)簽處的功率強(qiáng)度大小僅與其到閱讀器的距離有關(guān)。則通過對(duì)標(biāo)簽處RSSKReceivedSignalStrengthIndicator)值的測(cè)量，就可以得到其與閱讀器的位置關(guān)系，這樣，理論上可以利用至少三臺(tái)閱讀器來推定標(biāo)簽的位置。該方法類似于TOA定位，其基于強(qiáng)度測(cè)量的RFID定位的數(shù)學(xué)求解方程為：

式中:k為RFID硬件系統(tǒng)性能所決定的常數(shù)。

基于RSSI的RFID定位是以電磁波強(qiáng)度值為觀測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的，因而容易受到非視距傳播干擾(NonLineofSight,NLOS)的其他干擾因素的影響，但在視距傳播較好的條件下,在定位精度要求不高的應(yīng)用環(huán)境中還是可以滿足要求。

2.5  基于空間劃分的定位

根據(jù)閱讀器自身參數(shù)的不同(如工作頻率、增益系數(shù)等)，閱讀器系統(tǒng)(包括天線)具有其自身的識(shí)讀范圍，對(duì)該范圍內(nèi)的標(biāo)簽，閱讀器可以實(shí)現(xiàn)正常的識(shí)讀，而超出該范圍，閱讀器則無能為力。

根據(jù)這一特點(diǎn)，通過在定位空間中合理布置一定數(shù)量的閱讀器系統(tǒng)，用不同的閱讀器將定位空間劃分成若干子區(qū)域，通過輪詢所有閱讀器，就可以判定待定位標(biāo)簽所在的子區(qū)域?；诳臻g劃分的定位(Are-aDivision,basedLocalization)可以滿足一般低精度的定位需求。其定位原理如圖5所示，圖中的Read-er代表閱讀器,Tag代表RFID標(biāo)簽，虛線包含的范圍是閱讀器的識(shí)別范圍。

這種定位系統(tǒng)實(shí)施較為容易，不需要對(duì)電磁波物理量進(jìn)行測(cè)量，也基本不受非視距傳播干擾的影響。但由于需要大量閱讀器設(shè)備進(jìn)行空間區(qū)域的劃分，該系統(tǒng)的實(shí)施成本較高此外,該定位方法僅能體現(xiàn)定位目標(biāo)的大致所在，定位精度一般,可滿足某些精度要求不高的應(yīng)用。該定位方法實(shí)施的關(guān)鍵是合理部署閱讀器硬件系統(tǒng)。

3  結(jié)語

本文通過對(duì)基于RFID的智能家居用戶定位技術(shù)的分析認(rèn)為，基于空間劃分的定位系統(tǒng)是比較好的選擇。該系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)而言，對(duì)硬件要求不高，可操作性強(qiáng),有較強(qiáng)的抗干擾能力，定位精度也基本能夠達(dá)到要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。