近場天線和信號強度的RFID標簽定位應用

賈俊峰，葉連杰，李 藝

（1.北京計算機技術及應用研究所，北京 100039；2.北京航天愛威電子技術有限公司，北京 100039）

0 引 言

無線射頻識別即射頻識別技術（Radio Frequency Identification, RFID），是自動識別技術的一種，可通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的[1-2]。

在無線通信系統中，能夠將發射機的導波能量轉變為無線電波，或者將無線電波轉換為導波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置被稱為天線。

RSSI（Received Signal Strength Indicator, RSSI）是接收信號的強度指示[3]，它的實現在反向通道基帶接收濾波器之后進行。

1 RFID天線及定位模型

1.1 RFID天線

根據RFID天線的應用場景，大致可以分為近場天線和遠場天線[4]。遠場天線的應用范圍較廣，具備普遍適用性；近場天線由于其原理特點，適用于傳送帶等近距離掃描的場景。

根據天線的設計原理，可以分為抗金屬天線、分布式天線、圓極化天線、彎折線天線等。根據天線制作工藝，可以分為線圈天線、印制天線等。RFID天線種類如圖1所示。

圖1 RFID天線

不同的天線有其自身的特點，應用過程中需要明確天線的作用，選定天線的設計原則，關注天線的性能參數。

1.2 標簽定位模型

RFID的定位即確定RFID標簽的距離和位置。確定位置的算法模型所依賴的數據類型主要有TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）、AOA（到達角）和RSSI（信號強度）算法[5-6]。

TOA的定位原理：先獲得從發射機發射的信號到達目標物體后再返回發射機的時間。由于所發射信號的傳播速度是確定的，根據速度位移公式S=VT即可計算出發射機與目標物體之間的距離，獲取目標物體的位置信息。

如圖2所示，在二維平面上定位目標物體的具體位置時，需要3個傳感器或發射器獲取數據，假設A，B，C三點的位置坐標分別為(x1, y1)，(x2, y2)，(x3, y3)，目標物體的位置坐標假設為(x, y)，且目標物體距離A，B，C三點的距離分別為a，b，c，由此可形成一組定位方程組，求解即可得到目標物體的坐標。TOA定位算法不僅依賴多個發射器，同時需要發射器具有非常精細的時鐘，否則距離數據無法作為參考值進行計算，這是TOA定位算法的劣勢。

TDOA即到達時間差定位算法，原理：在不同測量點同步發射信號，通過計算不同發射信號節點到達目標物體的距離差獲取目標物體的位置。基于圖2的位置坐標假設，根據TDOA算法得到以下方程：

圖2 TOA三角測距模型

利用R1表示A測量點和C測量點到達目標的距離差值，B、C兩個測量點之間的差值用R2表示，得到：

求解上述方程組，得到目標物體的坐標。

AOA即到達角定位算法，基于陣列天線進行計算，此定位算法依賴陣列天線2個不同方向反射回的信號，其交叉點即為目標物體位置坐標，定位原理如圖3所示。

圖3 AOA定位原理

RSSI即接收信號的強度指示，根據讀寫器的功率損耗，按照公式即可計算出空間中任意一點的功率值：

式中：Pri表示第i個讀寫器的功率；Pt表示標簽發送的額定功率；Gt和Gri分別表示標簽天線和讀寫器天線的增益。

2 近場天線及RSSI在標簽定位中的應用

本文采用的標簽和近場天線測試場景如圖4所示。利用近場天線，結合RSSI對標簽定位進行測試驗證及應用。利用近場天線對多個6C標簽進行盤點，獲取RSSI數值進行定位計算，確定RFID標簽與近場天線的對應關系與標簽的位置。

圖4 測試環境示意圖

2.1 天線設計

近場天線采用PIFA天線形式（可減小天線尺寸）。PIFA天線采用RF-4為介質，4層板設計，第3層正面為輻射陣子，陣子寬為W，長為L，饋電點由PCB第4層通過過孔通向第1層陣子，短路點由第3層通過過孔通向第1層陣子[7-8]，如圖5所示。

圖5 近場天線圖

通過HFSS仿真優化參數，確定尺寸W=5 mm，L=30 mm，天線輻射方向如圖6所示。

圖6 天線輻射方向圖

圖6中，天線最大增益為-13.7 dBi，半功率夾角為110°，滿足天線近場以及小型化的要求。

2.2 讀寫器配置

為實現對近場標簽的定位，針對RFID讀寫器進行了額外的算法配置。根據所使用近場標簽的類型特點，考慮標簽所在環境為封閉式金屬柜體內部，存在信號反射等情況，故縮短盤點周期，并采用固定的頻點設置[9]。為減少信號反射造成的標簽串讀現象，降低讀寫器發射功率，通過大量實驗數據確定了合適的功率值。調整標簽響應概率值，使其根據所配置的Q值調整標簽響應時間，減少多標簽碰撞帶來的數據沖突問題，提升標簽盤點效率。讀寫器配置見表1所列。

表1 讀寫器配置

不同的配置參數能夠盤點的標簽數量有所差異，根據使用場景要求，單次盤點過程中，盤點的標簽越集中，參數配置越合理。

2.3 RSSI定位

從本文的應用場景可以看出，測試方式為單個讀寫器利用多個近場天線對多個RFID標簽進行盤點操作，如何確定各天線與標簽的位置關系是RSSI定位需要解決的關鍵問題。

讀寫器位置固定，標簽位置遠近不同。實際應用環境中，受限于障礙物、吸波材料、多徑效應等因素的影響，理想的RSSI定位公式并不一定適用，本文采用基于傳播的簡化距離損耗模型來估算標簽位置。射頻信號傳播示意如圖7所示。

圖7 射頻信號傳播示意圖

讀寫器工作時，根據觸發條件選定特定的天線對標簽進行盤點動作，實時獲取該天線盤點的全部epc和RSSI數據，并對epc進行分類匯總，同時對RSSI進行排序。根據信號損耗隨距離呈現對數衰減的特點，選取RSSI數值最大的epc作為距離盤點天線最近位置的標簽，實現該次工作天線與標簽位置的綁定關系，并確定天線與標簽的對應管線，實現天線與標簽的一對一綁定。

3 標簽定位的影響因素及改進措施

近場天線與遠場天線的應用環境區別較大，目前近場天線的應用仍然具有較大的改進空間，具體措施主要體現在以下幾方面。

3.1 空間結構反射

RFID是通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信的技術，受空間結構反射或散射的影響較大，而近場天線恰恰是在環境受限的場景中應用。

讀寫器頻點不同，在近場環境中所產生的折射、反射現象都有所區別。RFID信號通過結構外框，其他天線或障礙物后進行折射、反射，形成多條信號路徑到達標簽位置，這是RFID信號的多徑效應，是RFID信號的典型傳播特性之一。因此在結構設計時需考慮射頻信號多徑效應對標簽定位造成的影響。

3.2 天線設計

近場天線的性能指標對標簽盤點的準確性起到至關重要的作用。本文所采用的近場天線設計為方形結構。后續應用中，不僅可以嘗試變換天線的設計形狀，改進設計參數，還可以考慮在近場天線的設計上克服或降低外界材質，尤其是金屬障礙物對天線性能造成的影響。近場天線的尺寸面積和排列緊密度也具備提升空間，使得單位面積內各天線可以盤點的標簽數量有效增加。

3.3 標簽選型

RFID系統由讀寫器、天線和標簽構成。系統能夠正常、穩定的運行，離不開每個設備、器件的良好配合。排除空間結構、天線側的影響，合適種類的標簽也是影響定位的因素之一。針對近場天線的性能要求，需要對多種標簽進行大量測試，包括近場標簽、遠場標簽和近遠場標簽[10]。測試不同標簽的表現效果，確定合適的標簽型號。

4 結 語

本文通過設計近場天線對單個讀寫器盤點多個標簽并定位的技術進行了測試，通過驗證，確定了讀寫器的盤點參數配置和位置定位模型，對近場天線的位置確定取得了良好的效果。同時，針對近場天線應用的各環節提出了改進措施，能夠進一步降低標簽漏讀、串讀概率，大幅提升盤點效率和準確率。