一種可高效擴展定位范圍的RFID定位系統

陳同寧 郭燕玲 喬靜 劉偉民

摘要：本文介紹了一種可高效擴展定位范圍的RFID定位系統，系統采用多級定位方法，通過劃分區間，多次簡單定位，實現了大范圍跳轉到小范圍，再根據已建立的RFID系統精確定位。本系統在擴展定位范圍時很少增加系統負擔，且不損失定位精度，實現了高效迅速的定位。

關鍵詞：超高頻RFID；擴展定位范圍；多級定位；高效迅速

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0230-02

隨著無線通信技術的快速發展，射頻識別技術（RFID）作為一種高效的監測和識別方法被越來越多的人所使用[1]。與其他技術相比，射頻識別技術以其非接觸、非視距、傳輸范圍大、定位精度高且成本低等其他技術無可比擬的優點[2]，成為室內定位領域的優選技術，受到人們越來越多的關注。目前典型的基于RFID技術的室內定位系統多是基于RSSI原理的參考標簽算法[3，4]，如LANDMARC室內定位系統，即在待定位標簽可能的所在范圍內，按照一定的分布形式布置一些位置已知的標簽作為參考，然后閱讀器分別讀出這些參考標簽和目標標簽的場強值，根據參考標簽和目標標簽的場強值的大小關系確定他們位置的相對關系，從而確定目標標簽位置的一種算法[5]。

一、RFID定位系統介紹

1.定位系統硬件結構。本系統的硬件部分包括一組無源RFID標簽，由若干參考標簽和一個動態定位物體的標簽組成；超高頻RFID閱讀器；閱讀器遠場天線，上位機。其過程是使用RFID參考標簽構成分布形式為N*N的矩陣，兩個標簽之間的距離在0.5～1m之間，動態物體攜帶定位標簽在矩陣中，以三對閱讀器遠場天線檢測標簽場強值，由超高頻RFID閱讀器讀取天線數據并傳輸給上位機，上位機將標簽場強值帶入設計的定位算法即可實現基于RSSI的定位。其中RFID射頻發射電路由RFID閱讀器芯片輸出解耦、匹配電路、差分轉單端電路、功率放大電路、濾波電路以及定向耦合電路組成，其將命令和數據封裝成幀，使其滿足EPC C1G2標準，調制為860MHz—960MHz的射頻信號，通過遠場天線發射出去。標簽接收射頻信號獲得能量從而被啟動，將收到的命令和數據進行解調解碼，并將命令要求的信息通過ASK或BPSK的方式調制，然后反向散射，將調制信號反饋給RFID射頻收發器。在此過程中，超高頻RFID閱讀器與標簽之間采取詢問—應答的方式進行，及閱讀器發出詢問信號后，標簽給予應答，并且由閱讀器提供時序，兩者時序關系需一致。系統框圖如圖1所示。

2.定位系統算法。本系統的算法采用的是基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）原理的參考標簽算法[6，7]，參考標簽算法示意圖如圖2。

如圖2所示，參考標簽以此形式放置，定位過程中的算法如下：由閱讀器讀取參考標簽和待定位標簽的場強值，系統根據所讀取標簽的場強值，以參考標簽和待定位標的簽場強值的相對大小關系為依據，對各個參考標簽的可信度進行判斷，判斷完成之后，將最近鄰位的標簽選取出來，而后計算各最近鄰位標簽的權重，從而得到對參考標簽位置的估計值，實現了N*N矩陣中的動態標簽定位。

3.可高效擴展定位范圍算法。下面說明如何實現對已有定位系統的定位范圍高效迅速的擴展。范圍由N*N矩形擴展至（N+m）*（N+m）矩形，其中1在每個N*N矩陣中選取一個初次定位標簽，初次定位標簽的位置，在N為奇數時，應為N*N矩陣中心點位置的標簽；若N為偶數，則應為N*N矩陣中心2*2矩陣靠近邊角位置的標簽，四個標簽位置中心對稱。使用三對閱讀器遠場天線進行初次定位，檢測這四個標簽和動態定位標簽的場強值，通過四個標簽和待定位標簽場強值的相對大小關系定位其中一個標簽，因為場強值反映了兩個標簽之間的距離，故通過比較場強值來選擇與動態定位標簽距離最近的標簽，作為初次定位的目標標簽，如圖3所示，右下角的三角標簽即為初次定位的目標標簽。注意，初次定位的運算量極小，相對于復雜的大型算法，其對系統資源的消耗和用時可以忽略。初次定位標簽后，系統可判段待定位標簽位于初次定位標簽所在N*N矩陣之中，這樣就縮小了定位的范圍，然后僅需控制系統跳轉至之前已建立的RFID定位系統，進行小范圍的標簽位置判定即可得到準確的標簽位置。如此，就完成了定位范圍的擴展。

二、系統測試結果與分析

可高效擴展定位范圍的定位系統的優勢在于在原有小范圍定位范圍基礎上高效迅速擴展其定位范圍，本節針對其定位效率進行測試和分析。定位算法的仿真驗證是通過Intel？襆R1000開發平臺的定位系統實現的。該仿真系統包括：軟件為系統定位程序、硬件控制程序和測試界面；硬件為Intel？襆 R1000開發平臺、射頻遠場天線、無源標簽、PC機。本系統搭建地點為約4m*4m的室內空間中，遠場天線放置如圖2所示，16個參考標簽如系統測試界面所示擺放于固定位置，參考標簽的EPC值以保存在程序中。開始測試時，首先啟動Intel？襆R1000開發平臺，而后系統測試界面會顯示平臺啟動成功界面，點擊開始測試，定位完成后會在直角坐標系中顯示出定位標簽位置。下面將系統定位范圍擴展到約6m*6m，需要36個參考標簽，標簽放置方式如圖4所示。

通過對前后兩種范圍的定位系統比較發現，擴大定位范圍之后的定位時間與原有小范圍的定位時間相差無幾，表明本論文提出的多級定位算法并沒有增加系統負擔，降低系統的定位效率，這樣就實現了高效迅速的定位范圍擴展。

三、結語

本文提出的可高效擴展定位范圍的RFID定位系統通過將較大定位范圍劃分區間，進行兩次定位，跳轉到較小的可精確定位范圍之中，實現了高效迅速擴展定位范圍的目的。該算法在實際應用中可以在閱讀器允許的讀取范圍內，進行更多級的定位，將更大的定位范圍根據其擺放位置，合理地劃分區間，化繁為簡，得到高精度高效率的定位結果。

參考文獻：

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[4]Huang，Y.；Brennan，P.V.；Seeds，A. Active RFID location system based on time-difference measurement using a linear FM chirp tag signal. In Proceedings of the IEEE 19th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications （PIMRC 2008），Cannes，France，15–18 September 2008；pp. 1–5.

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