RFID定位系统概述

* * RFID 定位系统简介 RFID 系统由 RFID 标签和 RFID 阅读器以及他们之间的通信组成。 每个 RFID 标签具有 唯一的标识符，即唯一的ID，他连接到某个对象上。用户用他的RFID 阅读器读取 RFID 标 签的唯一 ID，使用户能够识别与 RFID 标签所连接的对象。因此，RFID 标签系统在各个领 域都有应用。例如，实物分配领域，一次性在一个纸箱或购物篮中识别多个目标的技术引起 关注。 RFID 标签的唯一 ID 可以涉及到一些有用的信息。 其中一个重要的信息是携带RFID 标 签的对象的位置信息。 从 RFID 标签的唯一 ID 和位置信息， 用户可以知道携带 RFID 标签的 对象的位置。 将射频识别技术用于室内定位领域是目前RFID 研究的一个热点。 GPS 是大家首先想到 的一个定位系统，他基于卫星通信，在室外空旷环境下可提供精度在10 米之内的导航，但 是当目标移至室内， 卫星信号受到建筑物的影响而大大衰减， 定位精度也随之降低。 近年来， 许多技术和方案被提出用于室内坏境下的目标定位，这些技术包括红外线(Infrared)技术、 超声波(Ultrasonic)技术、超宽带(UWB)和射频识别(RFID)技术等。 红外线 （Infrared） 定位具有较高的室内定位精度， 但是由于光线不能穿过障碍物传播， 因此红外线定位受到直线视距的限制，而且定位距离比较短，通常只有 5 米左右。超声波 (Ultrasonic)定位主要采用反射式测距法，通过三角定位算法确定物体的位置。超声波的定 位精度通常都很高，但超声波不能穿透墙壁， 受多径效应和非视距传播影响很大， 定位距离 比较短。UWB 技术通过发射和接收脉冲之间的时间差为进行距离测量和定位，具有定位精 度高、鲁棒性好、不易受干扰等优点，但是系统需要较大的带宽(大于 500MHz)和精度的同 步时钟，校准难度较大。 射频识别(RFID)技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据 * * 以达到识别定位的目的，这种技术成本低、传输范围大， 同时有非接触和非视距的优点，很 适合室内定位技术。 RFID 系统的两大重要组成部分是读写器和标签。 读写器包括天线、收发器、基本控制单元、 逻辑接口等， 可以方便地与标签和后台应用程序进行数据传输和交换。 标签包括芯片和天线 两个部分。标签芯片是即ID 系统的数据载体，可以存储商品或者物体的基本信息。当附着 有标签的物体进入读写器天线的工作场区范围内， 读写器和标签通过电场或者磁场藕合的方 式实现两者之间的数据交互。 根据 RFID 系统的工作频率不同，可将其分为低频 LF(Low Frequency)、高频 HF(High Frequency)、超高频 UHF(Ultra High Frequency)和微波 MW(Microwave)等四个频段。 频段不同，工作特性也不同：低频和高频RFID 系统基于电感耦合的基本原理，因此其通信 距离较短；超高频和微波频段RFID 系统基于电磁耦合反向散射的基本原理，因此其通信距 离较长。各个频段的工作特性如表1.1 所示。其中，超高频RFID 系统由于具有较远的识别 距离、较快的通信速率和较小的天线尺寸而成为当前研究的热点 各频段 RFID 系统的工作特性 RFID 标签按照其供电方式不同，可以分为无源、有源和半有源的三种。无源RFID 标 签通过从读写器发射的电磁波耦合能量来产生整个芯片工作的电源， 因此成本较低， 但是其 工作距离有限；有源标签由于本身带有电池， 不需要从电磁波中耦合能量， 能主动发射射频 * * 信号，因此其工作距离较远，但寿命较短，而且成本相对较高；半有源标签自身也带有电池 来供给芯片工作， 但是不会主动发射信号， 需要外部信号来激活其正常工作。 由于成本原因， 目前物流和门禁等领域中最常用的还是无源RFID 标签，有源和半有源标签仅用于少数贵重 物品的识别和管理。 短短几年，各种基于 RFID 的定位技术应运而生，下图就是几种技术的分类总结。 基于 RFID 的定位技术 基于RFID技术的定位方法按照是否测距分为2大类： 非测距定位技术和测距定位技术。 非测距定位技术不需要对距离进行检测， 通过与参考点通信来进行区域定位： 将参考读 写器或者参考标签分布于特定区域， 通过检测参考点与目标之间的通信成功与否来判断目标 是否处于该区域。 非测距定位技术必须将参考点按要求分布于目标区域， 因此应用受到一定 限制，成本也较高。 基于测距的定位技术根据其测距原理又可以分为三大类：接收信号强度检测 (RSSI)、信 号到达方向 (Direction of Arrival，DOA)、信号到达时间(Time of Arrival，TOA)。 RSSI 定位技术的基本原理为：射频信号的衰减量与距离的平方成反比；己知发射信号 的功率， 通过检测接收信号的功率强度即可得到信号传输的距离。 但是接收信号强度受到环 境因素影响，多径干扰严重，而且还受视距(LOS)与否、天气等的影响，定位精度较低。 DOA 定位技术的基本原理为：接收信号功率最强的方向或者接收信号功率最弱的反方 * * 向即为信号传输的方向； 已知两条信号传输的方向即可确定目标的位置。 但是信号方向的精 确检测难度较大，需要复杂的方向性天线或者天线阵列，成本较高。 TOA定位技术的基本原理为：射频信号传输的速度恒定为光速c(3.0*10^8 米/秒)；通 过检测发射和接收信号的时间差， 即可得到信号传输的距离。 该方案基本不受视距和环境的 影响，也不需要复杂的天线，低成本条件下实现精确的传输时间检测是其难点。 LANDMARC：采用有源 RFID 的室内位置感应 LANDMARC 算法原理 LANDMARC 的设计思想是采用额外的固定参考标签辅助定位，通过参考标签的信号 强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，采用“最近邻距离”权重思想，计算出待定 位标签的坐标。假设现有N 个 RF 阅读器、M 个参考标签和 U 个待定位标签，N 个阅读器 分别读出 M 个参考标签和 U 个待定标签发给阅读器的信号场强值，此场强值分为1~8 总 共 8 个等级。待定位标签坐标位置求解过程过下： 1）定义参考标签的信号强度矢量为S R  (S R1 ,S R2 ,.,S RN ) ,S Ri 表示参考标签在阅读 器 i 上的值，待定位标签的信号强度矢量为，S T  (S T1 ,S T 2 ,.,S TN ) ，STi表示待定位标签 在阅读器 i 上的值。因此，它们之间的欧式距离为：E j  E 越小表示参考标签和待定位标签距离越近。 2）通过求得的k 个跟待定位标签的信号强度最相近的参考标签，可以推算出待定位的 的坐标为：(x, y)   (S i1 N Ti  S Ri )2j(1,M)  W (x , y ) lll l1 K W l 为第ｌ个邻居的权重（l=1，2，3，…，KM，K 是 M 个欧式距离E j 中最小的 K * * 个邻居） ，W l 可根据经验公式得到：Wl 1 E l 2  (1 E j1 K 2 j ) 3）定义估计误差： e