基于旋轉天線的RFID定位算法和仿真分析

哈爾濱第三中學 鮑天翼

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基于旋轉天線的RFID定位算法和仿真分析

哈爾濱第三中學 鮑天翼

【摘要】RFID是室內定位的首選技術。通過分析RFID閱讀器的實際模型，給出了RFID等信號強度的橢圓表達式，提出通過旋轉RFID旋轉天線進行標簽定位的思路，給出了連續旋轉天線定位法和雙位置天線定位法兩種旋轉天線定位方法。在Matlab中建立了RFID信號的仿真模型，對兩種定位方法進行了數學仿真，結果表明連續旋轉天線定位可達到3o的精度，雙位置天線定位可以達到0.06m。

【關鍵詞】RFID；定位算法；旋轉天線

0 引言

室內定位技術是一項有很廣闊前景和研究意義的技術，是物聯網的關鍵基礎技術[1]。基于RFID(Radio Frequency Identification)技術的定位方法具有非接觸、低成本、部署簡單、高精度等優點，逐漸成為首選的室內定位技術，尤其無源RFID不需要供電、能夠長期工作、可浸水使用等。

當前的RSSI定位使用了理想RFID閱讀器模型，認為閱讀范圍為以閱讀器為圓心的圓形，但根據RFID天線輻射及電磁場輻射理論，實際閱讀器的閱讀范圍一般是橢圓，因此理想RFID閱讀器模型下的結果并不準確。本文在實際RFID閱讀器模型的基礎上，給出一種采用旋轉天線的新型RFID定位方法。

1 RFID閱讀器模型

1.1 RFID閱讀器的理論模型

理想RFID閱讀器模型認為RSSI為以閱讀器為圓心的圓形，采用對數路徑損耗模型，假設無線發射機和接收機的天線增益均為1，則對數路徑損耗模型：

接收端收到的信號強度為：

實際測量中測距模型可以進一步簡化為：

由上式可知，在測得RSSI后，可以推算出標簽在閱讀器為圓心、半徑為d的圓上，可以用三邊測量法確定出標簽位置。實際應用中發現該方法精度很差。

1.2 RFID閱讀器的實際模型

很多人在試驗中發現RFID功率等值線不是一個圓。李再煜[6]的研究發現，實際情形下受天線和硬件PCB 布線等其他因素的影響，功率等值線所構成的曲線并不是一個圓，通過實驗驗證其軌跡是一個近似的橢圓。

意大利羅馬大學的G. Marrocco等人的理論研究表明，RFID閱讀器的邊界可以用一個橢圓描述[4，5]：

其中：

上式表明，橢球的軸長與RFID系統的參數有關，如發射功率、標簽的靈敏度、和閱讀器天線的半功率波束寬度等。可以得到，ay/ax是閱讀器天線半功率波束寬度的函數，在天線不變的條件下，ay/ax=az/ax可以認為是一個常數。

可以認為，RFID閱讀器獲得的等信號強度線是一個橢圓，對一個二維情況可以寫作：

其中的ax與測量的信號強度RSSI相關，RFID的信號強度RSSI在橢圓長軸上與距離ax有很好的單調特性，由RSSI可以用公式3計算得到橢圓長軸ax。對于固定的RFID天線，ay/ax可以作為一個常數處理。

2 旋轉天線定位計算方法

由于RFID的信號強度具有橢圓特性，所得到的信號強度和天線角度有關，因此如果引入天線角度這一個新變量，可以更加準確的確定標簽的位置。

從RFID的信號橢圓特性可以得到如下推論：

（1）在RFID天線旋轉過程中，標簽的信號強度在變化，標簽與天線夾角為0o時RFID的信號強度達到最大值。

（2）天線處于兩個角度下的RFID信號強度可以確定一個標簽的位置。

（3）由于RFID閱讀器邊界的橢圓特性，每個角度下閱讀器能夠讀到的標簽范圍不同，在邊界區域的標簽能被探測的天線角度變化較小。

為此給出兩種旋轉天線定位標簽位置的方法。

2.1 連續旋轉天線定位法

記錄標簽隨著天線角度變化下的信號強度變化，得到標簽信號強度最大的角度和信號強度值r。使用公式3可以得到標簽與天線的直線距離d，則標簽位置為：

連續旋轉天線定位法算法簡單，可靠性高，但它需要天線連續旋轉下讀取標簽信號強度，計算量較大，對數據處理的要求較高。

2.2 雙位置天線定位法

考慮更簡單的方法進行定位，讀取兩個位置天線的天線信號強度，進行方程求解，獲得標簽位置。具體方法如下：在天線角度為0o下測量標簽的RSSI值得到長軸r1，然后轉動RFID天線到，測量標簽的RSSI值得到橢圓長軸r2，可以通過公式推導得到標簽的位置。

對傾角0o的情況，其方程為：

對傾角的情況，其方程為：

式中：

聯立上面的方程求得交點坐標(x，y)即為標簽所在的位置。

0o下和角度下確定標簽位置的范圍有一定局限，并且不具備對稱性，因此進一步也可以在兩個任意角度、下聯立方程求解標簽位置。

雙位置天線定位法需要求解一個四次方程，其參數相對復雜，可以直接使用解析解，也可以使用數值方法求解。

3 仿真

在Matlab里面對兩種RFID定位方法進行仿真，使用式(3)給出距離d和RSSI之間的關系，假設所得到的RSSI 有8dB的高斯噪聲。

3.1 連續旋轉天線定位法仿真

在連續旋轉天線下，仿真得到的標簽的RSSI值如圖1所示，對其進行你和得到一個二次方程，求二次方程的最大值點即為標簽所在的角度。由于存在噪聲，求得到標簽角度與實際值有差，經過大量的計算，可以得到仿真情況下角度估計偏差在3o以內。

3.2 雙位置天線定位法仿真

固定天線在0o和45o兩個角度，對同一個標簽進行多次測量，由于測量結果有噪聲，估計得到的標簽位置有變化。當標簽在（1.56，0.79）時多次測量計算得到的標簽位置如圖2所示，其中x軸位置的分布特性可以得到所測量的數值在±0.06m之內。

圖1 RSSI值隨天線旋轉下的變化

圖2 雙位置天線定位法仿真結果

4 結論

在已有RFID天線特性研究基礎上，分析了RFID標簽信號強度的橢圓形等值線表達形式，提出通過旋轉天線來進行RFID標簽定位的方法，給出了連續旋轉天線定位法和雙位置天線定位法兩種旋轉天線定位方法。仿真表明這兩種方法具有良好的定位精度，可以用于物體的精確定位。

參考文獻

[1]Reza A W,Geok T K,Dimyati K.Tracking via square grid of RFID reader positioning and diffusion algorithm[J]. Wireless Personal Communications,2011,61(1):227-250.

[2]孟慶斌,韓杰,張紅賓等.基于RSSI測距修正的有源RFID室內定位系統[J].南開大學學報:自然科學版,2013(2): 37-42.

[3]謝蒙娜,王玫,劉爭紅.一種功率可調的RFID室內動態定位方法[J].廣西師范大學學報:自然科學版,2015(2):49-55.