RFID关键技术之二-RFID定位技术

湖南现代物流职业技术学院RFID关键技术之二——RFID定位技术目录1RFID定位技术概述2RFID无线定位方法导读RFID的关键技术——RFID定位技术

定位管理被认为是RFID技术的一个重要发展方向，RFID技术在实现定位管理系统的灵活性、可维护性和可扩展性方面具有巨大的潜力。基于RFID的定位管理系统必须能够根据不同应用的需求进行快速部署，并且能够快速有效地生成位置信息。0导读RFID的关键技术——RFID定位技术0RFID定位赛鸽位置案例

人员医院定位示意图导读RFID的关键技术——RFID定位技术0医院定位示意图01RFID定位技术概述RFID的关键技术——RFID定位技术常见的定位技术01RFID定位技术概述1）GPS卫星定位技术2）Wi-Fi定位技术GPS是美国从20世纪70年代开始研制的系统，于1994年建成。它是一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。3）RFID定位技术GPS在应用上有着很大的局限性，为了弥补GPS定位技术的不足之处，Wi-Fi定位技术便成为一种新的解决方案。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述1）GPS卫星定位技术（1）GPS卫星定位技术的原理。从整体上说，GPS主要由三大部分组成：空间部分、控制部分、用户部分。

空间部分由卫星星座构成。GPS系统由24颗位于高空的卫星群提供信息。各个卫星以55°等角均匀地分布在6个轨道面上，并以11小时58分的时间周期环绕地球运转。在每一颗卫星上都载有位置及时间信号。客户端的GPS设备在地球上任何地方都可以接收到至少5颗卫星的信号。

控制部分由地面卫星控制中心进行管理。这是为了追踪及控制上述卫星的运转，所设置的地面管制站的主要工作为修正与维护使每个卫星保持正常运转的各项参数数据，以确保每个卫星都能提供正确的信息供使用者接收机接收。

用户部分则负责追踪所有的GPS卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间，GARMINGPS即属于此部分。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述1）GPS卫星定位技术（2）GPS卫星定位技术的精度与应用分析。目前GPS系统提供的定位精度优于10m。虽然GPS定位系统发展得比较成熟，在民用领域中的应用也越来越广泛，但由于GPS定位原理的限制，则GPS接收器至少要先从3个卫星上获取信号，然后根据信号画出三角坐标。在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，这时GPS的接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述2）Wi-Fi定位技术（1）Wi-Fi定位技术的原理。

Wi-Fi网络会像GPS卫星一样发出信号。Wi-Fi设备先搜索信号，然后通过以前就识别出来的连接或者一系列可用连接来接驳到Wi-Fi网络上。这个搜索过程和GPS接收器搜索卫星信号并无区别，只不过装有Wi-Fi设备的计算机搜索的是地面上的Wi-Fi无线网络的信号。Wi-Fi定位系统的硬件层由无线接入点Card和可以具有无线上网功能的设备、信号发送者或者基站组成；无线网卡则使用了802.11bWi-Fi通信协议。（2）Wi-Fi定位技术的精度。

在室外，由于接入点不普及，以及接入点位置不明确，其定位精度不理想；在室内，由于采用各种定位方式不同，以及对环境因素的适应性不同，一般定位精度可以达到3m到15m不等。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述2）Wi-Fi定位技术（3）Wi-Fi定位技术的应用分析。

虽然Wi-Fi定位技术比GPS定位技术有一定的优势，这些优势在场馆建筑内的定位实现中更为明显，但Wi-Fi定位技术也有其局限性。由于AP所发送的无线信号的工作频率为2.4GHz，很容易受到环境因素的影响，则无线信号会被环境中的一些元素所削减，这些信号包括场馆中的金属设施设备、场馆中的人员流动情况、场馆内的空气湿度，以及场馆中的门窗关闭情况，而这些因素在一个复杂的大型活动现场是很难被控制的，所以这些因素对Wi-Fi定位精度有着不可估计的影响。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述3）RFID定位技术（1）无源标签的定位原理。

在使用无源标签进行定位时，常常使用辅助标签来提高定位的精度。辅助标签的部署和使用如图7-21所示。图7-21无源标签定位系统的部署RFID的关键技术——RFID定位技术013）RFID定位技术

应根据场所的具体情况，按需要均匀地部署辅助标签和阅读器。一般可以通过以下两种方法来表示辅助标签离阅读器的距离远近。第一种方法是使用可以通过调节能量层来调节读写距离的阅读器，每一个辅助标签在哪一层能量层上被阅读器读取到，则这一能量层的数据就表示出这个辅助标签离阅读器距离的远近。能量层数据越小，辅助标签离阅读器越近；能量层数据越大，辅助标签离阅读器越远。第二种方法是根据阅读器发送信号至读取到标签信息之间的延迟来表示辅助标签离阅读器距离的远近。延迟时间越短，辅助标签离阅读器的距离越近；延迟时间越长，辅助标签离阅读器的距离越远。（1）无源标签的定位原理。RFID定位技术概述RFID的关键技术——RFID定位技术01

使用上述两种方法中的一种，即可统一标示出各辅助标签离各阅读器的距离。当一个待定位的标签进入定位范围内，它也将获得类似的标识来表示它离各阅读器的距离。可以使用差分法计算出离该标签最近的几个辅助标签的信息，然后根据k近邻算法计算出标签的位置坐标。3）RFID定位技术（1）无源标签的定位原理。RFID定位技术概述RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述3）RFID定位技术（2）有源标签的定位原理。(有源标签与阅读器的工作方式有以下三种。)图7-22定位方式:a.定数回报b.主动搜索c.指位器RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述3）RFID定位技术（2）有源标签的定位原理。可以在电子标签设定定时回报，将识别号码定时传回阅读器，如图7-22（a）所示。标签定时回报方式阅读器主动搜索方式指位器方式利用阅读器主动去搜寻覆盖范围内的电子标签，如图7-22（b）所示。在一个阅读器的读取范围内，可以部署多个指位器，各指位器有自己不同的覆盖范围。132RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述3）RFID定位技术（2）有源标签的定位原理。

在图7-22（c）中，一个阅读器的读取范围内部署了4个指位器，形成了4个圆形的覆盖区域。当一个携带有半有源标签的人员进入LC2所覆盖的范围内，此标签被激活，并将标签信息和LC2的信息发送给Reader，由此就可以知道该人员的当前位置处于LC2的覆盖范围中了。图7-22（c）

半有源标签进入了某一个指位器的范围内，此标签即被该指位器激活，并将自身的标签信息和指位器的信息同时发送给阅读器。每一个指位器的范围为2～30m，可调，因此可以根据实际情况要求的定位精度部署与调节指位器，以满足实际需求。RFID的关键技术——RFID定位技术01RFID定位技术概述3）RFID定位技术（3）RFID定位方案分析

从RFID技术定位原理和各种RFID定位系统的实际应用中可以发现，无源标签一般被使用在定位精度要求不高，或者定位区域地形简单（如通道，楼道等地形狭长、出口唯一区域）的场合；而有源标签的应用范围更为广泛，它可以满足各种精度要求和各种地形要求。随着RFID技术的发展，特别是有源RFID标签的迅速发展，RFID技术在定位领域中逐渐显示出其优越性来，而RFID定位技术则体现出多变性、灵活性、部署便捷等优势。现有的各种方案都是为了满足某一特定领域所设计实现的，不具有很强的移植性，因此对通用的RFID定位管理系统的研究已成为RFID技术应用研究的一部分。RFID的关键技术——RFID定位技术RFID无线定位方法02

工作在UHF频段的RFID系统可以借鉴比较成熟的无线定位方法。与传统的无线定位方法一样，按照定位方式的不同，RFID无线定位方法可分为三大类：时间信息定位（TOA和TDOA）信号强度信息定位（RSSI）到达角度定位（AOA）RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法1．利用到达时间信息的定位方法1）到达定位（TOA）由于已知电磁波在自由空间的传播速度c（3×l08m/s），若阅读器测得电磁波从标签到阅读器的传播时间为tl、t2、t3，则标签到各阅读器的距离即为Ri=cti(i=1、2、3)。而且系统已知阅读器的位置坐标（xi，yi），则根据几何原理，标签一定位于以阅读器i所在位置为圆心，Ri为半径的圆周上，如图7-23所示，即标签位置（x0，y0）与阅读器位置（xi，yi）之间满足如下关系：(xix0)2+(yiy0)2= （7-14）联立方程式就可以求出标签的位置坐标（x0，y0）。RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法2）到达时间差定位（TDOA）阅读器Reader1、Reader2与标签之间的距离差可以通过测量得出，即通过测出从两个阅读器同时发出的信号到达目标标签的时间差t21来确定。R21=ct21。其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据几何原理，在已知阅读器和标签之间的距离差时，标签必定位于以两阅读器Reader1和Reader2为焦点、与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线对上。当同时知道阅读器Reader1、Reader3与标签的距离差R31=ct31时，可以得到另一组以两阅读器Reader1和Reader3为焦点、与该两个焦点距离差为R31的双曲线对，1．利用到达时间信息的定位方法RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法如图7-24所示，两组双曲线的交点代表对标签位置的估计。1．利用到达时间信息的定位方法在TDOA中，标签坐标（x0，y0）和阅读器坐标（xi，yi）（i=1、2、3）有如下关系：求解该方程组即得到标签的位置坐标。（7-15）RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法2．利用到达场强信息的定位方法

根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路，如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据Friis传输理论，空间任一点的接收功率或场强（功率正比于场强的平方）仅与距离有关。自由空间传播模型为（7-16）

式中，Pt表示标签的发射功率；表示第i个阅读器接收到的功率；表示电磁波的波长；Gt、分别表示标签及第i个阅读器天线的增益；Di是标签到第i个阅读器的距离。在实际系统中，由于Pt、、Gt、都是已知的，可以测量得到，因此可以根据式（7-16）计算出标签到阅读器距离Di。RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法2．利用到达场强信息的定位方法

在图7-25中，三个阅读器Reader1、Reader2、Reader3的位置坐标均已知，通过测量标签到达阅读器的电波功率可以由式（7-16）计算出三个阅读器到标签的距离D1、D2、D3。这样标签的位置就在分别以三个阅读器为圆心，以D1、D2、D3为半径的圆的交点处。图7-25基于场强的定位方法RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法2．利用到达场强信息的定位方法1）经验定位第一个阶段是离线状态阶段，即数据收集阶段。在系统覆盖的范围内取一些关键的位置作为参考点Pn（n是参考点的总数），然后把移动终端摆在这些位置确定的参考点上，系统中的三个阅读器分别接受移动终端发来的信号强度s1、s2、s3，三个阅读器接受的信号强度和移动终端当前所在的参考点的位置信息一并发往后台数据库。数据库为参考点建立这样的数据记录（s1，s2，s3，Pn），n从1取到N。可以看出这个过程是个学习积累经验的过程，参考点的数目和位置的选取会直接影响到物体定位的精度。第二阶段是数据处理阶段，即实时的物体定位过程。当移动终端处在某个位置时，系统中的三个阅读器将测得RF信号强度（s1，s2，s3）和当前时间t作为时间戳一起送往数据库，这个时间戳用于对移动的物体进行实时的追踪。数据库将送来的（s1，s2，s3）依次与每条记录（S1，S2，S3，Pn）做R=sqrt[(S1s1)×(S1s1)+(S2s2)×(S2s2)+(S3s3)×(S3s3)]，找出R值最小的k条记录，则k位置的均值就是估算出来的物体位置。RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法2．利用到达场强信息的定位方法2）信号传播模型定位信号传播模型定位的目的是减少定位对经验数据的依赖。其定位过程是：结合具体的应用环境在Rayleigh衰减模型、Rician分布模型等中选取一个或者设计一个新的信号传播模型，利用合适的信号传播模型为参考位置计算出理论上的信号强度。实时的定位过程与经验定位相似，不同之处是R值是由接收信号强度和按传播模型计算得到的强度来计算的。虽然其信号传播的定位精度不如经验定位，但是不需要经验定位在离线阶段做的大量测量工作。RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法3．利用到达角信息的定位方法

到达角（AngleofArrival，AOA）定位方法是指每一个阅读器都安装天线阵列，阅读器通过阵列天线测出从标签到2个以上阅读器的传输路径的到达方向（电波的入射角）来获得位置信息。如图7-26所示，通常标签处于天线阵元的远区场，因此可近似地将标签的来电磁波波前看做平面波，则间隔位置为d的相邻阵元所接收到的来自同一标签的到达角为的相位差为

式中，表示空中传播的无线信号的波长。根据式（7-17）测量不同阵元接收信号的相差，可得到来波信号的到达角。根据两个阅读器接收到同一个标签信号的到达角信息，可以利用几何知识计算出标签的位置。（7-17）图7-26接收信号到达角的确定RFID的关键技术——RFID定位技术02RFID无线定位方法3．利用到达角信息的定位方法如图7-27所示，阅读器Reader1、Reader2测得的无线电波的到达角为、，标签位于分别经过阅读器Reader1、Reader2且以tan、tan为斜率的直线交点处。图7-27