RFID定位系统简介

1、RFID定位系统简介RFID系统由RFID标签与RFID阅读器以及她们之间得通信组成。每个RFID标签具有唯一得标识符，即唯一得ID,她连接到某个对象上用户用她得RFID阅读器读取RFID标签得口t-ID,使用户能够识别与RFID标签所连接得又象。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得技术引起关注。RFID标签得唯一ID可以涉及到一些有用得信息。其中一个重要得信息就是携带RFID标签得对象得位置信息。从RFID标签得唯一ID与位置信息，用户可以知道携带RFID标签得对象得位置。将射频识别技术用于室内定位领域就是目前RFID研究得一

2、个热点.GPS就是大家首先想到得一个定位系统，她基于卫星通信，在室外空旷环境下可提供精度在10米之内得导航，但就是当目标移至室内，卫星信号受到建筑物得影响而大大衰减，定位精度也随之降低.近年来,许多技术与方案被提出用于室内坏境下得目标定位，这些技术包括红外线(Infrared)技术、超声波(Ultrasonic)技术、超宽带(UWB)与射频识别(RFID)技术等。团外线(Infrared)定位具有较高得室内定位精度，但就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得限制，而且定位距离比较短，通常只有5米左右。超声波(Ultras。n1c)定位主要采用反射式测距法，通过三角定位算法确

3、定物体得位置。超声波得定位精度通常都很高，但超声波不能穿透墙壁，受多径效应与非视距传播影响很大，定位距离比较短。UWB技术通过发射与接收脉冲之间得时间差为进行距离测量与定位，具有定位精度高、鲁棒性好、不易受干扰等优点，但就是系统需要较大得带宽(大于500MHz)与精度得同步时钟，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得目得，这种技术成本低、传输范围大，同时有非接触与非视距得优点，很适合室内定位技术。RFID系统得两大重要组成部分就是读写器与标签。读写器包括天线、收发器、基本控制单元、逻辑接口等，可以方便地与标签与后台应用程序进行数据传输与交

4、换.标签包括芯片与天线两个部分。标签芯片就是即ID系统得数据载体，可以存储商品或者物体得基本信息。当附着有标签得物体进入读写器天线得工作场区范围内，读写器与标签通过电场或者磁场藕合得方式实现两者之间得数据交互.根据RFID系统得工作频率不同，可将其分为低频LF(LowFrequency)、高频HF(HighFrequency)、超高频UHF(UltraHighFrequency)与微波MW(Microwave)等四个频段。频段不同，工作特性也不同：低频与高频RFID系统基于电感耦合得基本原理，因此其通信距离较短；超高频与微波频段RFID系统基于电磁耦合反向散射得基本原理，因此其通信距离较长。各

5、个频段得工彳特性如表1、1所示。其中，超高频RFID系统由于具有较远得识别距离、较快得通信速率与较小得天线尺寸而成为当前研究得热点!工作频段此举工作频率典型波长能量传输方式典司通信距离厂低籁(LF)125-134kHz2千米电感耦合厘米1336MHz20米<1米超商尊UHF)加960MHz川厘米电磁场耦合1-15米微波段(Microwave)24-2.4SGHz12座米1-3米各频段RFID系统得工作特性RFID标签按照其供电方式不同，可以分为无源、有源与半有源得三种。无源RFID标签通过从读写器发射得电磁波耦合能量来产生整个芯片工作得电源，因此成本较低，但就是其工作距离有限；有源标签由

6、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，但就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，目前物流与门禁等领域中最常用得还就是无源RFID标签，有源与半有源标签仅用于少数贵重物品得识别与管理。短短几年，各种基于RFID得定位技术应运而生，下图就就是几种技术得分类总结。基于RFID技术得定位方法按照就是否测距分为2大类:非测距定位技术与测距定位技术。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

7、点与目标之间得通信成功与否来判断目标就是否处于该区域。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。基于测距得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（DirectionofArrival,DOA）、信号到达时间（TimeofArrival,TOA）。RSSI定位技术得基本原理为：射频信号得衰减量与距离得平方成反比；己知发射信号得功率,通过检测接收信号得功率强度即可得到信号传输得距离.但就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、天气等得影响，定位精度较低。DOA定位技术得基本原理为：

8、接收信号功率最强得方向或者接收信号功率最弱得反方向即为信号传输得方向；已知两条信号传输得方向即可确定目标得位置。但就是信号方向得精确检测又t度较大，需要复杂得方向性天线或者天线阵列，成本较高。TOA定位技术得基本原理为：射频信号传输得速度恒定为光速c（3、0*10A8米/秒）；通过检测发射与接收信号得时间差，即可得到信号传输得距离.该方案基本不受视距与环境得影响，也不需要复杂得天线，低成本条件下实现精确得传输时间检测就是其难点。LANDMARC:采用有源RFID得室内位置感应LANDMARC算法原理LANDMARC得设计思想就是采用额外得固定参考标签辅助定位，通过参考标签得信号强度值与待定位标

9、签得信号强度值之间得比较，采用“最近邻距离"权重思想，计算出待定位标签得坐标。假设现有N个RF阅读器、M个参考标签与U个待定位标签,N个阅读器分别读出M个参考标签与U个待定标签发给阅读器得信号场强值，此场强值分为18总共8个等级。待定位标签坐标位置求解过程过下：1）定义参考标签得信号强度矢量为，表示参考标签在阅读器i上得值，待定位标签得信号强度矢量为,表示待定位标签在阅读器i上得值。因此，它们之间得欧式距离为：E越小表示参考标签与待定位标签距离越近。2）通过求得得k个跟待定位标签得信号强度最相近得参考标签，可以推算出待定位得得坐标为：为第l个邻居得权重（1=1,2,3,，K<M

10、,K就是M个欧式距离中最小得K个邻居）可根据经验公式得到：3）定义估计误差：其中，就是估计出得待定位标签位置，为待定位标签得实际位置。LANDMARC系统按下图所示位置布设16个参考标签与4个阅t卖器，并放置8个待定位标签U闰圈版4号卬箱待定位林出LANDMARC算法有以下三个主要得优点：1）不需要大量昂贵得RFID阅读器，取而代之得就是，采用了额外得、便宜得RFID标签。2）可以比较容易地适应环境得动态性。LANDMARC方法可以抵消很多环境因素，主要原因就是，当待定位标签被定位时，参考标签也会受到相同得环境影响。因此，可以动态实时地更新参考信息.3）位置信息更加准确与可靠.但就是，LAND

11、MARC算法也存在一些缺点：1）在密集环境下,LANDMARC算法易受多径效应得影响。2）如果想进一步提高定位准确度，需要增加参考标签数目，会增加额外得系统开销.3）当前得RFID系统没有直接提供标签得信号强度，阅读器只能报告被检测标签得能量等级（在LANDMARC系统中能级为18）,因此只能粗略地测量哪个等级对应什么样得距离。无源RFID标签得位置估计得多功率传感范围得方法在室内，配备RFID阅读器与RFID天线得机器人执行RFID标签得位置估计。为了估计标签得位置，我们采用概率得方法，计算后验概率.在这里，x就是标签得位置，为时间步长从1到t得观测，为RFID天线得位置，时间从1到t.基于

12、贝叶斯法则，有如下定义：?71）其中就是给定标签位置x与RFID天线位置时观测到得似然值在传统方法中RFID读写器以恒定得传输功率感应标签得唯一ID。换句话说，此方法具有单一得通信范围。下图显示了传统方法得传感器模型，定义了分布得概率似然值。RFID读写器得探测范围假定为椭圆内得面积。下图就是传统位置探测得流程图。Flowchartofpositianestiniarion.oobservation&oooobservationacopoint1point1OGOQQQOOOOOO(a)sampL?Eipositions(b)Systemupdatestlieposteriorprob

13、abiliB'显示了更新后验概率在时间步长为1得例子。在这里，我们假定，一个机器人配有RFID天线，它移动并寻找标签得位置.在这个例子中，机器人就是在观察点1。假定，机器人在时间步长1首次检测到标签，则计算各取样位置得概率似然值.三角形标记得取样位置得概率计算为(初始概率1)*(可能性0、9)=0、9;点标记得取样位置得概率计算为(初始概率1)*(可能性0、5)=0、5.接下来，RFID读取器移动到另一个位置.如果RFID读写器接收到一个标签得ID响应，则根据传感器模型计算各取样位置得概率似然值并更新后验概率.重复此过程，计算RFID标签得位置。如果有多个采样位置得后验概率一样最大，则

14、认为这些采样位置区域得重心为标签得估计位置。标签位置估计误差定义为e：这里，为标签得实际坐标，x,y为计算得出得坐标。不断改变通信范围得大小，可以高效地估计标签得位置。于就是提出了一个多传感范围得方法，即多级RFID阅读器得发射功率得方法。为了简便,RFID阅读器发射功率分三个通信范围：远距离范围(long-range)对应最高发射功率、中距离范围(middle-range)对应中间发射功率、短距离范围(short-range)对应最小发射功率。图4显示了一个多传感范围得RFID标签得位置估计方法得流程图。首先，在同一观测点下，以远距离范围(最高发射功率)搜索标签，如果机器人接收到来自标签得I

15、D响应，则机器人尝试以中距离范围搜索标签，如果再次接收到响应则尝试以短距离范围搜索标签。之后更新后验概率并移动到下一个观测点。感应模型一就是只接收到远距离范围得感应，模型二就是只接收到远距离与中距离得感应，模型三就是接收到全部三种范围得感应。Flowchartofthemulti-sensing-rangemethod0200400000800 IOOO 12001400100018002000Moving distance of the robot cmEstimated position enoi vs. moving distance of robot L=100 cmMO-*ConventonBl method-Mulb- sensnc range rethad【5】Jot® uoesod P3-BUJIIS 山【UJU】 jojje 8_ 七 gd P6WE-ISUSensormodel3.Numberofrag1Distancebenveeiiobservations25cmFrequencyusedbytheRFIDsyr$tem860MHz-960MHzConimittncationdistancesLong-