基于UHF RFID技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

沈郭浩

（天津大學 電子信息工程學院，天津300072）

沈郭浩（碩士研究生），主要研究方向為無線室內(nèi)定位。

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)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物品等通過新的方式連在一起，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡［1］?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的應用大多在室內(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，卻無法通過傳統(tǒng)的衛(wèi)星和蜂窩定位來獲取。無源超高頻RFID室內(nèi)定位作為室內(nèi)無線定位技術之一，正得到快速發(fā)展，然而，RFID標簽定位依然存在諸多問題亟需解決。

在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡中，基于測距的定位方法主要依賴的測量參數(shù)包括時間、能量和角度，然而對于RFID系統(tǒng)，帶寬的限制使其無法使用時間法和角度法，使用能量法得到的測距結(jié)果精度太差?？紤]到RFID 系統(tǒng)的特點，其信號的發(fā)送載波是一個單頻信號，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Impinj R420讀寫器設備進行二次開發(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用到定位上，通過算法優(yōu)化最終進行定位，并證明了相位法測距定位在室內(nèi)小環(huán)境定位中的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構

UHF RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)通過獲取距離測量信息來定位待測物體坐標，故系統(tǒng)主要分為兩部分：測距部分和定位部分。距離信息的獲取主要涉及到兩個參數(shù)：RFID信號傳輸過程中的能量衰減和載波信號相位的變化值。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)信號傳入PC，通過定位算法來確定RFID 標簽的位置。整個定位系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

2 UHF RFID標簽系統(tǒng)測距部分

RFID標簽是產(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，并對其進行識別和讀寫。ISO18000－6協(xié)議對UHF RFID 通信作出了詳細的規(guī)定，我們使用中國大陸UHF RFID 的工作頻段920～925 MHz進行標簽定位實驗。

圖1 UHF RFID標簽定位系統(tǒng)示意圖

2.1 UHF RFID工作原理

讀卡器和標簽的通信是基于ITF（Interrogator Talk First，閱讀器先發(fā)言）機制的，即基于讀寫器的命令與讀寫器的回答之間交替發(fā)送的半雙工機制［3］。讀卡器和標簽完整的通信過程如下：讀卡器首先向標簽發(fā)送一個Query命令，解調(diào)出該命令的標簽隨即進入確認狀態(tài)，此時標簽將向讀卡器反向反射一個16位的隨機數(shù)RN16，讀卡器將發(fā)送包含相同RN16的ACK 信號給標簽，若標簽接收到的ACK 信號包含的RN16信息與之前發(fā)送的RN16信息相同，則標簽轉(zhuǎn)入確認狀態(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行測距。

2.2 能量法測距原理及硬件結(jié)構

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

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)送信號時，發(fā)送功率可以人為設置，Lsys可以通過反饋線接上衰減器將信號輸入頻譜儀，觀察衰減情況。當信號經(jīng)過標簽反射時，讀寫器接收反射信號并測出PRX，這樣就可以計算出路徑損耗LP（d），根據(jù)Friss公式便可以計算出信號傳播路徑。

能量信息主要通過基于射頻芯片Indy R1000開發(fā)板測量得到，如圖2 右側(cè)所示，R1000使用EPCglobal超高頻第一級（Class 1）第二代標準和ISO18000－6標準，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8mm2QFN 封裝格式，集成了大約100個元件，負責傳送、調(diào)制、接收、處理這些來自EPC Gen2電子標簽的無線電通信信息［2］。

R1000內(nèi)包含了一個能源擴大器，使得它可以在近距離或者2m 內(nèi)對標簽進行編碼和閱讀，如果有外接能源擴大器，則使用R1000的讀寫范圍可以達到10m 以上。在開發(fā)板中，R1000和單獨的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ISO 18000－6格式的代碼。

圖2 系統(tǒng)測距部分硬件組成

2.3 相位法測距原理及硬件結(jié)構

對于相位信息的測量，信號傳播的距離與相位變化的公式為：

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，信號在載波相位一個2π周期變化內(nèi)所傳播的距離很短。在實際測量時，無法知道相位變化了多少個周期，這樣就會產(chǎn)生相位模糊問題，因此使用相位差測距法［4］。

圖3 正切法相位獲取過程

選取兩個頻率相近的載波f1和f2，載波初始相位為φ1，b和φ2，b，閱讀器接收信號時載波最終相位分別為φ1，e和φ2，e。對于載波f1，相位變化值為Δφ1＝（φ1，e－φ1，b），對于載波f2，相位變化值為Δφ2＝（φ2，e－φ2，b）；則在相位差測距法中，距離d為：

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的升級版，不僅支持EPCglobal標準和ISO18000－6標準，而且可以配置其他協(xié)議。R2000采用64引腳9mm2QFN 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)構如圖4所示。

數(shù)字核心選擇好載頻點后，輸出信號，經(jīng)過DAC和頻率選擇濾波器，形成I／Q 兩路信號。與載波相混后兩路信號疊加，再經(jīng)功放發(fā)送出去。當芯片接收到信號時，與載波相加，過低噪放大器后與發(fā)送信號相混，通過頻率選擇濾波器和頻選放大器獲取基帶信號，通過ADC 將信號送至數(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標簽系統(tǒng)定位部分

通過系統(tǒng)測距部分，獲得了標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殘差法求出標簽位置。

3.1 線性化最小二乘法

假設定位環(huán)境有N 個位置已知天線Xn（xn，yn），i＝1，2，…，N，位置未知的標簽為P （x，y）。閱讀器對天線進行測量，共有N 個測量方程，en為測量誤差：

引入新的變量，將距離測量方程線性化，對式（4）兩邊取平方：

式（7）的最小二乘解為：

3.2 加權殘差定位方法

在測量過程中，會出現(xiàn)部分測量數(shù)據(jù)不準確的問題，并造成整體定位誤差較大。引入加權殘差方法［5］，通過對測量方程增加權值，將較大誤差的處理轉(zhuǎn)換成權值的選擇，最終完成標簽定位。定義標簽坐標P的殘差平方和為：

其中，S為參與定位的天線的下標集合；Xi為第i個天線的坐標。加權殘差具體方法如下：

③通過權值分配，得到最終定位坐標：

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

選擇一塊3m×3m 的正方形區(qū)域，如圖5所示。天線使用Larid公司右相圓極化遠場天線S9028PCR，最大增益為9dBic，回波損耗為18dB。將4組天線放置在4個頂點，每組天線上有2個天線，分別連接到Indy R1000開發(fā)板和R420上，標簽隨機放置在正方形區(qū)域內(nèi)，設置閱讀器發(fā)送信號功率為30dBm，載頻點為920.63 MHz和924.38 MHz，使得信號載波在這兩個頻點上不斷變換。打開軟件，開始進行測試。隨機在測量區(qū)域內(nèi)選取4個位置放置UHF RFID 標簽，通過四周的天線與閱讀器進行通信。

圖4 射頻芯片Indy R2000結(jié)構圖

圖5 實驗測試環(huán)境

在足夠長的一段通信過程中，如圖6所示，通過軟件獲取這段時間內(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)過處理計算，得到標簽坐標。

圖6 R420讀寫器通信參數(shù)數(shù)據(jù)

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）為標簽的真實坐標。表1顯示了分別用不同的測距數(shù)據(jù)得到的定位誤差。

表1 各標簽定位方法RMSE值

結(jié) 語

本文通過對UHF RFID標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，使用相位法進行定位比傳統(tǒng)的使用能量法進行定位精度要提高很多。但是在復雜室內(nèi)環(huán)境下，相位法定位會受到很大的影響，在后續(xù)工作中，可以在定位算法上改進，來彌補由于測距不準產(chǎn)生的誤差對最終定位產(chǎn)生的影響。

［1］李航，陳后金.物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術及其應用前景［J］.中國科技論壇，2011（1）：81－85.

［2］Bae S W，Ryu W S，Kwak H G，et al.Design and Implementation of a R1000／R2000based RFID Reader Which Supports the Low Level Reader Protocol［J］.The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences，2010，35（2B）：279－286.

［3］劉宏偉，李成.ISO／IEC 18000－6C簡析［J］.信息技術與標準化，2007（7）：17－20.

［4］Arnitz D，Muehlmann U，Witrisal K.Characteri－zation and modeling of UHF RFID channels for ranging and localization［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2012，60（5）：2491－2501.

［5］萬群，郭賢生，陳章鑫.室內(nèi)定位理論、方法和應用［M］.1版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.