一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统

陈同宁 郭燕玲 乔静 刘伟民

摘要：本文介绍了一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统，系统采用多级定位方法，通过划分区间，多次简单定位，实现了大范围跳转到小范围，再根据已建立的RFID系统精确定位。本系统在扩展定位范围时很少增加系统负担，且不损失定位精度，实现了高效迅速的定位。

关键词：超高频RFID；扩展定位范围；多级定位；高效迅速

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章編号：1674-9324（2015）51-0230-02

随着无线通信技术的快速发展，射频识别技术（RFID）作为一种高效的监测和识别方法被越来越多的人所使用[1]。与其他技术相比，射频识别技术以其非接触、非视距、传输范围大、定位精度高且成本低等其他技术无可比拟的优点[2]，成为室内定位领域的优选技术，受到人们越来越多的关注。目前典型的基于RFID技术的室内定位系统多是基于RSSI原理的参考标签算法[3，4]，如LANDMARC室内定位系统，即在待定位标签可能的所在范围内，按照一定的分布形式布置一些位置已知的标签作为参考，然后阅读器分别读出这些参考标签和目标标签的场强值，根据参考标签和目标标签的场强值的大小关系确定他们位置的相对关系，从而确定目标标签位置的一种算法[5]。

一、RFID定位系统介绍

1.定位系统硬件结构。本系统的硬件部分包括一组无源RFID标签，由若干参考标签和一个动态定位物体的标签组成；超高频RFID阅读器；阅读器远场天线，上位机。其过程是使用RFID参考标签构成分布形式为N*N的矩阵，两个标签之间的距离在0.5～1m之间，动态物体携带定位标签在矩阵中，以三对阅读器远场天线检测标签场强值，由超高频RFID阅读器读取天线数据并传输给上位机，上位机将标签场强值带入设计的定位算法即可实现基于RSSI的定位。其中RFID射频发射电路由RFID阅读器芯片输出解耦、匹配电路、差分转单端电路、功率放大电路、滤波电路以及定向耦合电路组成，其将命令和数据封装成帧，使其满足EPC C1G2标准，调制为860MHz—960MHz的射频信号，通过远场天线发射出去。标签接收射频信号获得能量从而被启动，将收到的命令和数据进行解调解码，并将命令要求的信息通过ASK或BPSK的方式调制，然后反向散射，将调制信号反馈给RFID射频收发器。在此过程中，超高频RFID阅读器与标签之间采取询问—应答的方式进行，及阅读器发出询问信号后，标签给予应答，并且由阅读器提供时序，两者时序关系需一致。系统框图如图1所示。

2.定位系统算法。本系统的算法采用的是基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）原理的参考标签算法[6，7]，参考标签算法示意图如图2。

如图2所示，参考标签以此形式放置，定位过程中的算法如下：由阅读器读取参考标签和待定位标签的场强值，系统根据所读取标签的场强值，以参考标签和待定位标的签场强值的相对大小关系为依据，对各个参考标签的可信度进行判断，判断完成之后，将最近邻位的标签选取出来，而后计算各最近邻位标签的权重，从而得到对参考标签位置的估计值，实现了N*N矩阵中的动态标签定位。

3.可高效扩展定位范围算法。下面说明如何实现对已有定位系统的定位范围高效迅速的扩展。范围由N*N矩形扩展至（N+m）*（N+m）矩形，其中1在每个N*N矩阵中选取一个初次定位标签，初次定位标签的位置，在N为奇数时，应为N*N矩阵中心点位置的标签；若N为偶数，则应为N*N矩阵中心2*2矩阵靠近边角位置的标签，四个标签位置中心对称。使用三对阅读器远场天线进行初次定位，检测这四个标签和动态定位标签的场强值，通过四个标签和待定位标签场强值的相对大小关系定位其中一个标签，因为场强值反映了两个标签之间的距离，故通过比较场强值来选择与动态定位标签距离最近的标签，作为初次定位的目标标签，如图3所示，右下角的三角标签即为初次定位的目标标签。注意，初次定位的运算量极小，相对于复杂的大型算法，其对系统资源的消耗和用时可以忽略。初次定位标签后，系统可判段待定位标签位于初次定位标签所在N*N矩阵之中，这样就缩小了定位的范围，然后仅需控制系统跳转至之前已建立的RFID定位系统，进行小范围的标签位置判定即可得到准确的标签位置。如此，就完成了定位范围的扩展。

二、系统测试结果与分析

可高效扩展定位范围的定位系统的优势在于在原有小范围定位范围基础上高效迅速扩展其定位范围，本节针对其定位效率进行测试和分析。定位算法的仿真验证是通过Intel？襆R1000开发平台的定位系统实现的。该仿真系统包括：软件为系统定位程序、硬件控制程序和测试界面；硬件为Intel？襆 R1000开发平台、射频远场天线、无源标签、PC机。本系统搭建地点为约4m*4m的室内空间中，远场天线放置如图2所示，16个参考标签如系统测试界面所示摆放于固定位置，参考标签的EPC值以保存在程序中。开始测试时，首先启动Intel？襆R1000开发平台，而后系统测试界面会显示平台启动成功界面，点击开始测试，定位完成后会在直角坐标系中显示出定位标签位置。下面将系统定位范围扩展到约6m*6m，需要36个参考标签，标签放置方式如图4所示。

通过对前后两种范围的定位系统比较发现，扩大定位范围之后的定位时间与原有小范围的定位时间相差无几，表明本论文提出的多级定位算法并没有增加系统负担，降低系统的定位效率，这样就实现了高效迅速的定位范围扩展。

三、结语

本文提出的可高效扩展定位范围的RFID定位系统通过将较大定位范围划分区间，进行两次定位，跳转到较小的可精确定位范围之中，实现了高效迅速扩展定位范围的目的。该算法在实际应用中可以在阅读器允许的读取范围内，进行更多级的定位，将更大的定位范围根据其摆放位置，合理地划分区间，化繁为简，得到高精度高效率的定位结果。

參考文献：

[1]Want，R. An introduction to RFID technology. IEEE Pervasive Comput. 2006，5，25–33.

[2]Potyrailo，R.A.；Surman，C. A passive radio-frequency identification （RFID） gas sensor with self-correction against fluctuations of ambient temperature. Sens. Actuator B Chem. 2013，185，587–593.

[3]Chen，Y.；Rapajic，P. Ultra-wideband cognitive interrogator network：Adaptive illumination with active sensors for target localisation. IET Commun. 2010，4，573–584.

[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.

[5]Ni，L.M.；Liu，Y.；Lau，Y.C.；Patil，A.P. LANDMARC：Indoor location sensing using active RFID. Wirel. Netw. 2004，10，701–710.

[6]NI L，LIU Y，LAU Y，PATIL A. LANDMARC：indoor location sensing using active RFID[A].Proceedings of the First IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications （Per-Com2003）[C].Dallas，Texas，USA，March 2003.407-415.

[7]BAHL P，PADMANABHAN V，BALACHANDRAN A. Enhance-ments to the RADAR User Location and Tracking System[R]. Micro-soft Research Technical Report，2009.