基于UHF RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

引言

近些年，物聯(lián)網(wǎng)的興起為我們的生活帶來了極大的便利。利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機器、人員和物品等通過新的方式連在一起，實現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用大多在室內(nèi)，而物體位置感知作為物聯(lián)網(wǎng)中很重要的組成部分之一，卻無法通過傳統(tǒng)的衛(wèi)星和蜂窩定位來獲取。無源超高頻RFID室內(nèi)定位作為室內(nèi)無線定位技術(shù)之一，正得到快速發(fā)展，然而，RFID標(biāo)簽定位依然存在諸多問題亟需解決。

在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于測距的定位方法主要依賴的測量參數(shù)包括時間、能量和角度，然而對于RFID系統(tǒng)，帶寬的限制使其無法使用時間法和角度法，使用能量法得到的測距結(jié)果精度太差。考慮到RFID系統(tǒng)的特點，其信號的發(fā)送載波是一個單頻信號，可以通過提取載波相位來獲取相位變化差，由此獲取距離信息。本文通過對Impinj R420讀寫器設(shè)備進行二次開發(fā)獲取載波相位，并使用基于Impinj的Indy R1000開發(fā)板獲取能量信息，將相位法和能量法得到的距離分別運用到定位上，通過算法優(yōu)化最終進行定位，并證明了相位法測距定位在室內(nèi)小環(huán)境定位中的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

UHF RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)通過獲取距離測量信息來定位待測物體坐標(biāo)，故系統(tǒng)主要分為兩部分：測距部分和定位部分。距離信息的獲取主要涉及到兩個參數(shù)：RFID信號傳輸過程中的能量衰減和載波信號相位的變化值。其中能量信息通過R1000開發(fā)板來獲得，相位信息通過Impinj R420讀寫器來獲得。將獲得的參數(shù)信號傳入PC，通過定位算法來確定RFID標(biāo)簽的位置。整個定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 UHF RFID標(biāo)簽系統(tǒng)測距部分

RFID標(biāo)簽是產(chǎn)品電子代碼(EPC)的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通，并對其進行識別和讀寫。ISO18000—6協(xié)議對UHF RFID通信作出了詳細(xì)的規(guī)定，我們使用中國大陸UHF RFID的工作頻段920～ 925MHz進行標(biāo)簽定位實驗。

2.1 UHF RFID工作原理

讀卡器和標(biāo)簽的通信是基于ITF(Interrogator Talk First，閱讀器先發(fā)言)機制的，即基于讀寫器的命令與讀寫器的回答之間交替發(fā)送的半雙工機制。讀卡器和標(biāo)簽完整的通信過程如下：讀卡器首先向標(biāo)簽發(fā)送一個Query命令，解調(diào)出該命令的標(biāo)簽隨即進入確認(rèn)狀態(tài)，此時標(biāo)簽將向讀卡器反向反射一個16位的隨機數(shù)RN16，讀卡器將發(fā)送包含相同RN16的ACK信號給標(biāo)簽，若標(biāo)簽接收到的ACK信號包含的RN16信息與之前發(fā)送的RN16信息相同，則標(biāo)簽轉(zhuǎn)入確認(rèn)狀態(tài)，并反向散射PC+EPC+CRC16信息給讀卡器。在通信過程中提取能量和相位的變化值進行測距。

2.2 能量法測距原理及硬件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過傳播路徑損耗，接收端接收到的信號功率PRX(dBm)，可以通過信號傳輸公式得到：

其中，PTX是閱讀器發(fā)射功率;Greader和Gtag分別是閱讀器和標(biāo)簽的天線增益;Lsys是系統(tǒng)內(nèi)部電路損耗，在讀寫器發(fā)送信號時，發(fā)送功率可以人為設(shè)置，Lsys?？梢酝ㄟ^反饋線接上衰減器將信號輸入頻譜儀，觀察衰減情況。當(dāng)信號經(jīng)過標(biāo)簽反射時，讀寫器接收反射信號并測出PRX，這樣就可以計算出路徑損耗LP(d)，根據(jù)Friss公式便可以計算出信號傳播路徑。

能量信息主要通過基于射頻芯片Indy R1000開發(fā)板測量得到，如圖2右側(cè)所示，R1000使用EPCglobal超高頻第一級(Class 1)第二代標(biāo)準(zhǔn)和ISO18000—6標(biāo)準(zhǔn)，傳輸調(diào)制模式有DSB、SSB、PR—ASK三種，工作頻率為840～960 MHz。R1000采用了56引腳8 mm2QFN封裝格式，集成了大約100個元件，負(fù)責(zé)傳送、調(diào)制、接收、處理這些來自EPC Gen2電子標(biāo)簽的無線電通信信息。

R1000內(nèi)包含了一個能源擴大器，使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對標(biāo)簽進行編碼和閱讀，如果有外接能源擴大器，則使用R1000的讀寫范圍可以達到10 m以上。在開發(fā)板中，R1000和單獨的MCU連接，MCU將R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPC或者ISO18000—6格式的代碼。

2.3 相位法測距原理及硬件結(jié)構(gòu)

對于相位信息的測量，信號傳播的距離與相位變化的公式為：

d=(φ·c)/(2πf) (2)

相位獲取過程如圖3所示。由于使用的RFID頻段工作在900 MHz頻段上，信號在載波相位一個2π周期變化內(nèi)所傳播的距離很短。在實際測量時，無法知道相位變化了多少個周期，這樣就會產(chǎn)生相位模糊問題，因此使用相位差測距法。

選取兩個頻率相近的載波f1和f2，載波初始相位為φ1,b和φ2,b，閱讀器接收信號時載波最終相位分別為φ1,e和φ2,e。對于載波f1，相位變化值為△φ1=(φ1,e-φ1,b)，對于載波f2，相位變化值為△φ2=(φ2,e-φ2,b);則在相位差測距法中，距離d為：

d=(△φ11-△φ2)·c/[4π(f1-f2)] (3)

圖2左側(cè)為Impinj R420讀寫器，通過其獲取相位信息。R420核心射頻芯片為Indy R2000，為R1000的升級版，不僅支持EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)和ISO18000—6標(biāo)準(zhǔn)，而且可以配置其他協(xié)議。R2000采用64引腳9 mm2 QFN封裝，在功耗和接收靈敏度方面比R1000有所提高。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

數(shù)字核心選擇好載頻點后，輸出信號，經(jīng)過DAC和頻率選擇濾波器，形成I/Q兩路信號。與載波相混后兩路信號疊加，再經(jīng)功放發(fā)送出去。當(dāng)芯片接收到信號時，與載波相加，過低噪放大器后與發(fā)送信號相混，通過頻率選擇濾波器和頻選放大器獲取基帶信號，通過ADC將信號送至數(shù)字核心。

雖然Indy R2000的底層射頻協(xié)議(LLRP)中包含載波相位的提取，但其自帶的軟件并不讀取這一部分信息，因此，需要借助Impinj公司的二次開發(fā)包OctaneSDK來獲得載波相位值。

3 UHF RFID標(biāo)簽系統(tǒng)定位部分

通過系統(tǒng)測距部分，獲得了標(biāo)簽到閱讀器天線之間的距離，將通過線性化最小二乘法和加權(quán)殘差法求出標(biāo)簽位置。

3. 1 線性化最小二乘法

假設(shè)定位環(huán)境有N個位置已知天線Xn(xn，yn)，i=1，2，…，N，位置未知的標(biāo)簽為P(x，y)。閱讀器對天線進行測量，共有N個測量方程，en為測量誤差：

3.2 加權(quán)殘差定位方法

在測量過程中，會出現(xiàn)部分測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，并造成整體定位誤差較大。引入加權(quán)殘差方法，通過對測量方程增加權(quán)值，將較大誤差的處理轉(zhuǎn)換成權(quán)值的選擇，最終完成標(biāo)簽定位。定義標(biāo)簽坐標(biāo)P的殘差平方和為：

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

選擇一塊3 m×3 m的正方形區(qū)域，如圖5所示。天線使用Larid公司右相圓極化遠(yuǎn)場天線S9028PCR，最大增益為9 dBic，回波損耗為18 dB。將4組天線放置在4個頂點，每組天線上有2個天線，分別連接到Indy R1000開發(fā)板和R420上，標(biāo)簽隨機放置在正方形區(qū)域內(nèi)，設(shè)置閱讀器發(fā)送信號功率為30 dBm，載頻點為920.63 MHz和924.38 MHz，使得信號載波在這兩個頻點上不斷變換。打開軟件，開始進行測試。隨機在測量區(qū)域內(nèi)選取4個位置放置UHF RFID標(biāo)簽，通過四周的天線與閱讀器進行通信。

在足夠長的一段通信過程中，如圖6所示，通過軟件獲取這段時間內(nèi)閱讀器接收到的最大的RSSI值和相位值變化的平均值，經(jīng)過處理計算，得到標(biāo)簽坐標(biāo)。

我們定義系統(tǒng)的均方根誤差(RMSE)來衡量系統(tǒng)定位精度。RMSE的定義式如下所示：

(x0，y0)為標(biāo)簽的真實坐標(biāo)。表1顯示了分別用不同的測距數(shù)據(jù)得到的定位誤差。

結(jié)語

本文通過對UHF RFID標(biāo)簽通信過程中相位和能量的提取，完成了室內(nèi)定位系統(tǒng)?？梢钥闯鲈谛…h(huán)境中，使用相位法進行定位比傳統(tǒng)的使用能量法進行定位精度要提高很多。但是在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，相位法定位會受到很大的影響，在后續(xù)工作中，可以在定位算法上改進，來彌補由于測距不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差對最終定位產(chǎn)生的影響。