基于RFID天線陣列的精確定位方法設計

龔結龍，丁雙定，李小杰，戴燕君

（中電海康集團有限公司 浙江海康科技有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引 言

在基于RFID技術管理文件、物品等對象的場景應用中，對這些被管理對象的位置定位是系統的核心功能。影響定位結果的關鍵性能指標為串讀率和漏讀率。實際使用中，由于RFID技術的物理特性，當多個標簽重疊率較高、被遮擋、或者所處環境場強分布不均導致無法受到激勵等情況下，無法實現對所有目標標簽的讀取/盤點，存在較高漏讀率。同時，由于RFID天線的場強分布特性，不同天線的場強分布范圍不同，強弱也不同，由此造成的場強區域邊界不能完全確定，在實際環境中使用時容易讀到周圍的標簽，引起串讀。

串讀和漏讀本身是一對矛盾的因子，相同天線環境下。當功率增加時，漏讀率會降低，但是串讀率會升高；當功率降低時，串讀的情況會有所改善，但是漏讀率會提升。因此，需要從本質上改善天線的場強分布，使場強盡可能均勻分布，范圍距離可控，避免場強的弱區和盲區。基于此本文采用天線陣列結合定位算法的方式，實現一種基于天線陣列三維立體模型的定位方法。

如圖1所示為一種RFID智能文件柜示意圖。圖1中：位置1為柜體結構，位置2為柜體內部的20個區域，位置3為每個區域下面鋪設的近場天線；文件存放在文件袋中，文件袋的底部貼上RFID標簽，文件豎放排列在各個區域中。在此通過柜體內部設置的嵌入式系統和RFID讀寫器，使用天線陣列盤點柜體中所有文件標簽，并定位出每一本文件所在的區域。

圖1 RFID智能文件定位柜示意圖

1 天線設計

1.1 天線詳細設計

在設計PCB近場天線陣列時，需實現天線場強分布范圍可控且場強強度分布均勻。本文的近場天線的詳細設計示意圖如圖2所示。

本文設計的進場天線由正面板和接地板組成，采用基于π型結構的行波天線設計，以50 Ω特性阻抗微帶線及周期性的π型結構走線，如圖中位置3所示，尾部接50 Ω負載，如圖2中位置5所示。每個周期結構的長度為1/4波長設計。行波天線的輻射效率較低，可以有效地將天線的輻射能量控制在近距離范圍內。PCB天線的分布為單PCB板上分布雙天線，如圖2中位置3所示敷銅部分，并采用引出雙饋點的方式，雙饋點如圖2中位置4所示。天線的雙饋點分別通過饋線連接到RFID讀頭，RFID讀頭啟動工作時，分別使能饋點1和饋點2，生成的兩個場強在空間分布上互相彌補。通過這種π型結構可以使場強范圍在三維空間內均勻分布，距離范圍完全可控，有效避免了單饋點天線引起的盲區弱區問題。基于該天線陣列，無源RFID讀頭讀取到的標簽信號強度分布均勻，避免漏讀和相鄰區域天線陣列之間的明顯串讀。

圖2 近場天線結構

1.2 仿真結果

10 mm處天線仿真結果如圖3所示。

圖3 雙饋點方式的場強分布圖

圖3中紅色表示場強最強的區域范圍，藍色表示場強最弱的區域范圍。從單饋點方式的場強分布可以看出，藍色區域和綠色區域具有明顯的界限，表明近場天線的場強覆蓋范圍是可控的，相比較于單饋點的場強分布情況，雙饋點的方式明顯增加了場強較強的分布范圍，同時改善了場強分布均勻度。圖中的綠色顏色深淺變化細微，表示場強分布均勻，整體上場強偏強的范圍在中心區域，對周圍沒有明顯影響。

2 定位算法設計

根據RFID多標簽數據設計的精準定位算法，其核心影響因子為天線陣列表。表中每根天線獲取的標簽RSSI信號強度值、讀取次數。通過三個影響因子建立三維立體空間模型，通過權重最優的邏輯算法輸出最優的定位值，避免因相鄰天線串讀引起的定位位置發生偏移。該算法結合所設計的天線與環境形成的場強分布，可以精確實現標簽的定位。

2.1 天線陣列定位算法

天線陣列定位算法描述為逐一使能天線陣列中的每一根天線，獲取每根天線讀取的標簽信息。由于RFID技術的特性，同一個標簽可以被一定范圍內的多根天線讀到，而距離該標簽最近的天線為標簽的真實位置。通過定位算法可以準確得出每一個標簽距離最近的天線位置，天線位置在空間對應具體的位置，從而完成對標簽的準確定位。

定位算法邏輯圖如圖4所示。定位算法步驟如下：

圖4 定位算法邏輯

（1）導入天線陣列列表，根據天線陣列列表生成三維立體空間模型，即天線陣列中的每一根天線對應某一個空間區域，天線陣列以饋點為單位，因此同一塊天線PCB板上的雙饋點天線為2根天線。

（2）導入天線陣列中每一根天線讀取到的所有標簽信息，并轉換生成每個標簽被天線陣列中的哪些天線讀到、所讀到的RSSI信號值、讀取到的次數等信息列表，并以RSSI信號值進行優劣排序，生成標簽信息排序表。如：標簽Tag1被Antx，Anty，Antz三根天線讀到，根據RSSI值排序后，得到其RSSI平均值分別為RSSIx，RSSIy，RSSIz，次數分別為 Cntx，Cnty，Cntz。

（3）依次以單個標簽進行定位計算，根據上述信息表建立算法模型，通過比較最優的RSSI值的次數和空間位置是否均屬于最優位置，如果是則輸出該位置為標簽所在的定位結果；如果否，根據3個影響因子的權重排序，結合空間模型中的點位，輸出最優的天線號作為精確位置，從而輸出定位結果。

定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場強分布設計，如果場強分布不均勻，會導致定位偏差，從而輸出錯誤的定位結果。例如，天線陣列中的天線AntP在附近的空間點位Ox中存在弱區，而天線AntQ在空間點位Ox中為強區，而空間點位Ox在空間上屬于AntP的范圍，空間點位Ox距離AntQ更遠。當標簽Tagx位于空間點位Ox時，出現AntP天線讀到標簽Tagx的信號強度和次數更優于AntQ天線讀到的信號強度和次數，根據定位算法與點位模型，輸出了Tagx的定位結果為AntQ，導致定位錯誤。

2.2 單天線定位算法

單天線定位算法指的是：根據天線陣列算法得出了已有的標簽所在的精確位置。當觸發單根天線讀取標簽時，如果需要增加或減少標簽，只需根據單天線讀取的標簽信息和原天線陣列的數據信息庫，設計定位邏輯算法，得到標簽的增減變化結果，具體描述：

（1）天線陣列中的天線號分布為Ant1，Ant2，…，Antn；

（2）天線陣列數據庫中的標簽數據定義為：

Ant1天線號的數據：Ant1-Tag1，Ant1-Tag2，…，Ant1-Tagm1；

Ant2天線號的數據：Ant2-Tag1，Ant2-Tag2，…，Ant2-Tagm2；

…………

Antn天線號的數據：Antn-Tag1，Antn-Tag2，…，Antn-Tagmn。

（3）天線陣列中的某根天線Antx的一次讀取標簽數據的周期內，讀取到w個標簽數據，命名為R1，R2，…，Rw。

步驟1：判斷Ri是否在Antx信息庫中（Antx-Tag1，Antx-Tag2，…，Antx-Tagm1）。

如果Ri在Antx信息庫中，則Ri=＞狀態未改變；

如果Ri不在Antx信息庫中，則查看Ri是否在所有天線陣列數據庫（Ant1～Antn）中，如果在數據庫中，說明Ri是串讀到的其他天線中的標簽，Ri=＞狀態未改變；如果Ri不在整庫中，則Ri=＞新增；

從R1輪詢到Rw結束。

步驟2：提取出Antx中原數據庫中的標簽數據，記錄為：Antx-Tag1，Antx-Tag2，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

依 次 在R1～R30中 查 找 Antx-Tag1，Antx-Tag2， …，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

如果在R1～R30中能找到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞狀態未改變；

如果在R1～R30中找不到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞取出。

通過上述比較分析可以在單天線讀取標簽后，準確定位出新增和減少的標簽。

進一步地，定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場強分布設計，如果場強分布不均勻，會帶來定位發生偏差的錯誤結果。

3 系統使用

將普通的近場天線應用在天線陣列定位標簽位置的場景中，以智能文件定位柜（長×寬×高=1 000 mm×360 mm×2 000 mm）為例進行實驗。該智能文件柜分為5層20個區域格，每個區域格布置一塊普通的近場天線，共20個近場天線陣列，對1 000本RFID文件進行定位結果測試，連續測試500次得到的定位結果顯示：串讀發生的概率5%以上；漏讀發生的概率在3%以上。

使用本文設計的雙饋點近場天線方式并結合定位算法對同樣的智能文件定位柜進行實驗，相同空間分布內由原來的20個近場天線陣列變成了40個近場天線陣列，對1000本RFID文件進行定位結果測試，連續測試500次得到的定位結果顯示：串讀率低于0.1%；漏讀率低于0.5%。

4 結 語

本文針對RFID智能文件柜等應用的標簽串讀漏讀問題，提出一種基于近場天線陣列結合定位算法實現的精確定位方法。將所述天線組形成的天線陣列用在文件定位/物品定位等應用場景時，可嚴格控制每一個天線在本區域內的場強分布的均勻度。基于該天線陣列，無源RFID讀頭讀取到的標簽信號強度分布均勻，避免漏讀和相鄰區域天線陣列之間的明顯串讀。同時結合定位算法，可將本文方法應用于基于RFID技術的多標簽定位場景中。