一種可高效擴展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)

陳同寧 郭燕玲 喬靜 劉偉民

摘要：本文介紹了一種可高效擴展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多級定位方法，通過劃分區(qū)間，多次簡單定位，實現(xiàn)了大范圍跳轉(zhuǎn)到小范圍，再根據(jù)已建立的RFID系統(tǒng)精確定位。本系統(tǒng)在擴展定位范圍時很少增加系統(tǒng)負擔(dān)，且不損失定位精度，實現(xiàn)了高效迅速的定位。

關(guān)鍵詞：超高頻RFID；擴展定位范圍；多級定位；高效迅速

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0230-02

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識別技術(shù)（RFID）作為一種高效的監(jiān)測和識別方法被越來越多的人所使用[1]。與其他技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)以其非接觸、非視距、傳輸范圍大、定位精度高且成本低等其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)點[2]，成為室內(nèi)定位領(lǐng)域的優(yōu)選技術(shù)，受到人們越來越多的關(guān)注。目前典型的基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)多是基于RSSI原理的參考標簽算法[3，4]，如LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)，即在待定位標簽可能的所在范圍內(nèi)，按照一定的分布形式布置一些位置已知的標簽作為參考，然后閱讀器分別讀出這些參考標簽和目標標簽的場強值，根據(jù)參考標簽和目標標簽的場強值的大小關(guān)系確定他們位置的相對關(guān)系，從而確定目標標簽位置的一種算法[5]。

一、RFID定位系統(tǒng)介紹

1.定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的硬件部分包括一組無源RFID標簽，由若干參考標簽和一個動態(tài)定位物體的標簽組成；超高頻RFID閱讀器；閱讀器遠場天線，上位機。其過程是使用RFID參考標簽構(gòu)成分布形式為N*N的矩陣，兩個標簽之間的距離在0.5～1m之間，動態(tài)物體攜帶定位標簽在矩陣中，以三對閱讀器遠場天線檢測標簽場強值，由超高頻RFID閱讀器讀取天線數(shù)據(jù)并傳輸給上位機，上位機將標簽場強值帶入設(shè)計的定位算法即可實現(xiàn)基于RSSI的定位。其中RFID射頻發(fā)射電路由RFID閱讀器芯片輸出解耦、匹配電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、功率放大電路、濾波電路以及定向耦合電路組成，其將命令和數(shù)據(jù)封裝成幀，使其滿足EPC C1G2標準，調(diào)制為860MHz—960MHz的射頻信號，通過遠場天線發(fā)射出去。標簽接收射頻信號獲得能量從而被啟動，將收到的命令和數(shù)據(jù)進行解調(diào)解碼，并將命令要求的信息通過ASK或BPSK的方式調(diào)制，然后反向散射，將調(diào)制信號反饋給RFID射頻收發(fā)器。在此過程中，超高頻RFID閱讀器與標簽之間采取詢問—應(yīng)答的方式進行，及閱讀器發(fā)出詢問信號后，標簽給予應(yīng)答，并且由閱讀器提供時序，兩者時序關(guān)系需一致。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.定位系統(tǒng)算法。本系統(tǒng)的算法采用的是基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）原理的參考標簽算法[6，7]，參考標簽算法示意圖如圖2。

如圖2所示，參考標簽以此形式放置，定位過程中的算法如下：由閱讀器讀取參考標簽和待定位標簽的場強值，系統(tǒng)根據(jù)所讀取標簽的場強值，以參考標簽和待定位標的簽場強值的相對大小關(guān)系為依據(jù)，對各個參考標簽的可信度進行判斷，判斷完成之后，將最近鄰位的標簽選取出來，而后計算各最近鄰位標簽的權(quán)重，從而得到對參考標簽位置的估計值，實現(xiàn)了N*N矩陣中的動態(tài)標簽定位。

3.可高效擴展定位范圍算法。下面說明如何實現(xiàn)對已有定位系統(tǒng)的定位范圍高效迅速的擴展。范圍由N*N矩形擴展至（N+m）*（N+m）矩形，其中1在每個N*N矩陣中選取一個初次定位標簽，初次定位標簽的位置，在N為奇數(shù)時，應(yīng)為N*N矩陣中心點位置的標簽；若N為偶數(shù)，則應(yīng)為N*N矩陣中心2*2矩陣靠近邊角位置的標簽，四個標簽位置中心對稱。使用三對閱讀器遠場天線進行初次定位，檢測這四個標簽和動態(tài)定位標簽的場強值，通過四個標簽和待定位標簽場強值的相對大小關(guān)系定位其中一個標簽，因為場強值反映了兩個標簽之間的距離，故通過比較場強值來選擇與動態(tài)定位標簽距離最近的標簽，作為初次定位的目標標簽，如圖3所示，右下角的三角標簽即為初次定位的目標標簽。注意，初次定位的運算量極小，相對于復(fù)雜的大型算法，其對系統(tǒng)資源的消耗和用時可以忽略。初次定位標簽后，系統(tǒng)可判段待定位標簽位于初次定位標簽所在N*N矩陣之中，這樣就縮小了定位的范圍，然后僅需控制系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至之前已建立的RFID定位系統(tǒng)，進行小范圍的標簽位置判定即可得到準確的標簽位置。如此，就完成了定位范圍的擴展。

二、系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

可高效擴展定位范圍的定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于在原有小范圍定位范圍基礎(chǔ)上高效迅速擴展其定位范圍，本節(jié)針對其定位效率進行測試和分析。定位算法的仿真驗證是通過Intel？襆R1000開發(fā)平臺的定位系統(tǒng)實現(xiàn)的。該仿真系統(tǒng)包括：軟件為系統(tǒng)定位程序、硬件控制程序和測試界面；硬件為Intel？襆 R1000開發(fā)平臺、射頻遠場天線、無源標簽、PC機。本系統(tǒng)搭建地點為約4m*4m的室內(nèi)空間中，遠場天線放置如圖2所示，16個參考標簽如系統(tǒng)測試界面所示擺放于固定位置，參考標簽的EPC值以保存在程序中。開始測試時，首先啟動Intel？襆R1000開發(fā)平臺，而后系統(tǒng)測試界面會顯示平臺啟動成功界面，點擊開始測試，定位完成后會在直角坐標系中顯示出定位標簽位置。下面將系統(tǒng)定位范圍擴展到約6m*6m，需要36個參考標簽，標簽放置方式如圖4所示。

通過對前后兩種范圍的定位系統(tǒng)比較發(fā)現(xiàn)，擴大定位范圍之后的定位時間與原有小范圍的定位時間相差無幾，表明本論文提出的多級定位算法并沒有增加系統(tǒng)負擔(dān)，降低系統(tǒng)的定位效率，這樣就實現(xiàn)了高效迅速的定位范圍擴展。

三、結(jié)語

本文提出的可高效擴展定位范圍的RFID定位系統(tǒng)通過將較大定位范圍劃分區(qū)間，進行兩次定位，跳轉(zhuǎn)到較小的可精確定位范圍之中，實現(xiàn)了高效迅速擴展定位范圍的目的。該算法在實際應(yīng)用中可以在閱讀器允許的讀取范圍內(nèi)，進行更多級的定位，將更大的定位范圍根據(jù)其擺放位置，合理地劃分區(qū)間，化繁為簡，得到高精度高效率的定位結(jié)果。

參考文獻：

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