基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

陳鴻龍，李憲敏，代天驕，孫 良

基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

陳鴻龍，李憲敏，代天驕，孫 良

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580）

介紹了基于測(cè)距定位方法的基本工作原理，設(shè)計(jì)了一套基于射頻識(shí)別反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括1個(gè)后端服務(wù)器、1臺(tái)英頻杰閱讀器、多個(gè)RFID天線和1個(gè)標(biāo)簽。RFID天線的位置已知，作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)并由閱讀器控制，標(biāo)簽位置未知。由天線發(fā)送射頻信號(hào)，信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽后經(jīng)反向散射返回天線，閱讀器測(cè)得射頻信號(hào)經(jīng)由傳輸路徑的相位變化，基于射頻信號(hào)的傳輸模型估計(jì)天線和標(biāo)簽之間的距離，并結(jié)合天線的位置信息，利用極大似然估計(jì)方法估計(jì)標(biāo)簽的位置信息。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了射頻通信、信號(hào)分析和處理以及定位算法等內(nèi)容，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解基于RFID定位方法的原理和應(yīng)用，能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

射頻識(shí)別；反向散射；相位；極大似然估計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)[1-2]是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把物品和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，取得了許多重大突破并得到廣泛應(yīng)用[3-4]。射頻識(shí)別（RFID）[5]技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油石化、倉(cāng)儲(chǔ)管理和物流追蹤等領(lǐng)域，并取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。例如，將RFID系統(tǒng)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理[6]，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID標(biāo)簽的監(jiān)測(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的快速的、高效的以及可靠的自動(dòng)化管理，大大提高實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行效率。

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，感知層中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集相關(guān)感知信息，并經(jīng)過(guò)傳輸層將感知信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和應(yīng)用。但是，在許多應(yīng)用中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知信息和其自身位置信息是緊密關(guān)聯(lián)，缺一不可的。例如，在城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，缺乏位置信息的空氣質(zhì)量感知信息，其可信度和可用性將大打折扣。因此，節(jié)點(diǎn)精確定位對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要。

本文所設(shè)計(jì)的基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)得天線與無(wú)源標(biāo)簽之間的距離，利用極大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的定位。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解RFID系統(tǒng)的工作原理以及基于RFID的定位方法的原理和應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力[7]，助力學(xué)生今后職業(yè)技能的提升。

1 基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位方法

物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)定位方法[8-9]通常分為基于測(cè)距的和距離無(wú)關(guān)的兩大類。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)指自身位置信息已知的節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)則是位置信息未知的節(jié)點(diǎn)。測(cè)距的定位方 法[10-11]是通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)與多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離[12]，進(jìn)而估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。距離無(wú)關(guān)的定位方法[13]則可間接獲得未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)關(guān)系以實(shí)現(xiàn)定位。兩種方法各有適用場(chǎng)合，一般情況下，基于測(cè)距的定位方法的定位精度高于距離無(wú)關(guān)的定位方法。

其中，

圖1 基于測(cè)距的定位方法示意圖

2 RFID系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)主要由3部分組成：（1）閱讀器：可以讀取（或?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，其工作模式一般是主動(dòng)向標(biāo)簽詢問(wèn)信息；（2）標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來(lái)標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，標(biāo)簽根據(jù)是否內(nèi)置電源分為無(wú)源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將以無(wú)源標(biāo)簽作為定位目標(biāo)；（3）天線：在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號(hào)，其大小與工作頻率及功能有關(guān)。

在RFID系統(tǒng)中，閱讀器由后端服務(wù)器控制，通過(guò)天線發(fā)射射頻信號(hào)，標(biāo)簽接收到射頻信號(hào)后發(fā)射內(nèi)部存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)信息，并由閱讀器經(jīng)天線接收，最后閱讀器將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給后端服務(wù)器。電子標(biāo)簽與天線之間通過(guò)射頻信號(hào)耦合實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別采用英頻杰R420閱讀器、Laird9028超高頻天線和英頻杰 H41電子標(biāo)簽。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的RFID設(shè)備

3 基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文構(gòu)建的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該平臺(tái)包括1臺(tái)后端服務(wù)器，1臺(tái)閱讀器，4個(gè)天線以及1個(gè)無(wú)源標(biāo)簽。4個(gè)天線的位置已知，作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，無(wú)源標(biāo)簽位置未知，作為未知節(jié)點(diǎn)。閱讀器可以通過(guò)有線鏈路與后端服務(wù)器通信并由它控制。天線發(fā)送射頻信號(hào)，信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽后反向散射、返回天線，由閱讀器測(cè)得射頻信號(hào)在傳輸路徑中的相位變化，根據(jù)相位變化得到未知標(biāo)簽和天線之間的距離，并結(jié)合天線的坐標(biāo)信息，利用極大似然估計(jì)法求得未知標(biāo)簽的坐標(biāo)。

圖3 標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4 RFID系統(tǒng)的射頻信號(hào)反向散射原理圖

利用圖2中的RFID設(shè)備搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其天線工作頻率為920.625 MHz，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出標(biāo)簽和天線之間的距離在半波長(zhǎng)（約為16.5 cm）內(nèi)與相位值呈現(xiàn)線性關(guān)系，如圖5所示?；谏鲜鼍嚯x和相位之間的線性關(guān)系，閱讀器在得到相位信息后即可估計(jì)天線和無(wú)源標(biāo)簽之間的距離。

標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原型系統(tǒng)如圖6所示，在測(cè)量區(qū)域部署4個(gè)天線A1、A2、A3、A4，天線的位置信息已知，作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；無(wú)源標(biāo)簽位置信息未知，為未知節(jié)點(diǎn)。閱讀器計(jì)算無(wú)源標(biāo)簽和4個(gè)天線之間的距離，結(jié)合4個(gè)天線的坐標(biāo)信息，利用極大似然估計(jì)法和公式（1），即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)源標(biāo)簽的定位。

圖5 標(biāo)簽和天線之間的距離和相位關(guān)系曲線

圖6 標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)部署圖

4 標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用

目前，我校自動(dòng)化和測(cè)控兩個(gè)本科專業(yè)每個(gè)年級(jí)學(xué)生約200人，這兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生在三、四年級(jí)開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)兩門(mén)課程，分別介紹物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用，每門(mén)課程分別包含8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。本文所設(shè)計(jì)的基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將服務(wù)于今后的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)，學(xué)生通過(guò)結(jié)合該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠更深層次地理解和掌握課程中所介紹的RFID射頻通信以及節(jié)點(diǎn)定位原理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以提高專業(yè)課課程建設(shè)質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于RFID反向散射的標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)量射頻信號(hào)反向散射的相位變化估計(jì)天線和標(biāo)簽之間的距離，利用極大似然估計(jì)方法估計(jì)標(biāo)簽的位置。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了射頻通信、信號(hào)分析和處理以及定位算法等內(nèi)容，可服務(wù)于自動(dòng)化和測(cè)控兩個(gè)專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)兩門(mén)課程，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解基于RFID定位方法的原理和應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，助力學(xué)生今后職業(yè)技能的提升。

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Experimental platform for label location based on RFID backscattering

CHEN Honglong, LI Xianmin, Dai Tianjiao, SUN Liang

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

This paper introduces the basic working principle of the ranging and positioning method and designs a label positioning experimental platform based on radio frequency identification backscattering. The experimental platform includes a back-end server, an English band reader, multiple RFID antennas and a tag. The location of the RFID antenna is known. As the beacon node and as controlled by the reader, the location of the tag is unknown. The radio frequency signal is transmitted from the antenna and returned to the antenna by backscattering after arriving at the tag. The reader measures the phase change of the radio frequency signal through the transmission path, and estimates the distance between the antenna and the tag based on the transmission model of the radio frequency signal. Combined with the position information of antenna, the position information of tag is estimated by maximum likelihood estimation method. The experimental platform covers radio frequency communication, signal analysis and processing, and location algorithm. It is helpful for students to deeply understand the principle and application of location method based on RFID, and it can also cultivate and improve students’ innovative ability and engineering practice ability for complex engineering problems.

radio frequency identification; backscatter; phase; maximum likelihood estimation

TN925

A

1002-4956(2019)10-0092-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.022

2019-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61772551）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018GGX101035）；中國(guó)石油大學(xué)（華東）校級(jí)教改項(xiàng)目（JY-B201833）

陳鴻龍（1984—）：男，福建泉州，副教授，博士生導(dǎo)師，計(jì)算機(jī)科學(xué)博士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。E-mail: chenhl@upc.edu.cn