基于旋转天线的RFID定位算法和仿真分析

哈尔滨第三中学 鲍天翼



基于旋转天线的RFID定位算法和仿真分析

哈尔滨第三中学 鲍天翼

【摘要】RFID是室内定位的首选技术。通过分析RFID阅读器的实际模型，给出了RFID等信号强度的椭圆表达式，提出通过旋转RFID旋转天线进行标签定位的思路，给出了连续旋转天线定位法和双位置天线定位法两种旋转天线定位方法。在Matlab中建立了RFID信号的仿真模型，对两种定位方法进行了数学仿真，结果表明连续旋转天线定位可达到3o的精度，双位置天线定位可以达到0.06m。

【关键词】RFID；定位算法；旋转天线

0 引言

室内定位技术是一项有很广阔前景和研究意义的技术，是物联网的关键基础技术[1]。基于RFID(Radio Frequency Identification)技术的定位方法具有非接触、低成本、部署简单、高精度等优点，逐渐成为首选的室内定位技术，尤其无源RFID不需要供电、能够长期工作、可浸水使用等。

当前的RSSI定位使用了理想RFID阅读器模型，认为阅读范围为以阅读器为圆心的圆形，但根据RFID天线辐射及电磁场辐射理论，实际阅读器的阅读范围一般是椭圆，因此理想RFID阅读器模型下的结果并不准确。本文在实际RFID阅读器模型的基础上，给出一种采用旋转天线的新型RFID定位方法。

1 RFID阅读器模型

1.1 RFID阅读器的理论模型

理想RFID阅读器模型认为RSSI为以阅读器为圆心的圆形，采用对数路径损耗模型，假设无线发射机和接收机的天线增益均为1，则对数路径损耗模型：

接收端收到的信号强度为：

实际测量中测距模型可以进一步简化为：

由上式可知，在测得RSSI后，可以推算出标签在阅读器为圆心、半径为d的圆上，可以用三边测量法确定出标签位置。实际应用中发现该方法精度很差。

1.2 RFID阅读器的实际模型

很多人在试验中发现RFID功率等值线不是一个圆。李再煜[6]的研究发现，实际情形下受天线和硬件PCB 布线等其他因素的影响，功率等值线所构成的曲线并不是一个圆，通过实验验证其轨迹是一个近似的椭圆。

意大利罗马大学的G. Marrocco等人的理论研究表明，RFID阅读器的边界可以用一个椭圆描述[4，5]：

其中：

上式表明，椭球的轴长与RFID系统的参数有关，如发射功率、标签的灵敏度、和阅读器天线的半功率波束宽度等。可以得到，ay/ax是阅读器天线半功率波束宽度的函数，在天线不变的条件下，ay/ax=az/ax可以认为是一个常数。

可以认为，RFID阅读器获得的等信号强度线是一个椭圆，对一个二维情况可以写作：

其中的ax与测量的信号强度RSSI相关，RFID的信号强度RSSI在椭圆长轴上与距离ax有很好的单调特性，由RSSI可以用公式3计算得到椭圆长轴ax。对于固定的RFID天线，ay/ax可以作为一个常数处理。

2 旋转天线定位计算方法

由于RFID的信号强度具有椭圆特性，所得到的信号强度和天线角度有关，因此如果引入天线角度这一个新变量，可以更加准确的确定标签的位置。

从RFID的信号椭圆特性可以得到如下推论：

（1）在RFID天线旋转过程中，标签的信号强度在变化，标签与天线夹角为0o时RFID的信号强度达到最大值。

（2）天线处于两个角度下的RFID信号强度可以确定一个标签的位置。

（3）由于RFID阅读器边界的椭圆特性，每个角度下阅读器能够读到的标签范围不同，在边界区域的标签能被探测的天线角度变化较小。

为此给出两种旋转天线定位标签位置的方法。

2.1 连续旋转天线定位法

记录标签随着天线角度变化下的信号强度变化，得到标签信号强度最大的角度和信号强度值r。使用公式3可以得到标签与天线的直线距离d，则标签位置为：

连续旋转天线定位法算法简单，可靠性高，但它需要天线连续旋转下读取标签信号强度，计算量较大，对数据处理的要求较高。

2.2 双位置天线定位法

考虑更简单的方法进行定位，读取两个位置天线的天线信号强度，进行方程求解，获得标签位置。具体方法如下：在天线角度为0o下测量标签的RSSI值得到长轴r1，然后转动RFID天线到，测量标签的RSSI值得到椭圆长轴r2，可以通过公式推导得到标签的位置。

对倾角0o的情况，其方程为：

对倾角的情况，其方程为：

式中：

联立上面的方程求得交点坐标(x，y)即为标签所在的位置。

0o下和角度下确定标签位置的范围有一定局限，并且不具备对称性，因此进一步也可以在两个任意角度、下联立方程求解标签位置。

双位置天线定位法需要求解一个四次方程，其参数相对复杂，可以直接使用解析解，也可以使用数值方法求解。

3 仿真

在Matlab里面对两种RFID定位方法进行仿真，使用式(3)给出距离d和RSSI之间的关系，假设所得到的RSSI 有8dB的高斯噪声。

3.1 连续旋转天线定位法仿真

在连续旋转天线下，仿真得到的标签的RSSI值如图1所示，对其进行你和得到一个二次方程，求二次方程的最大值点即为标签所在的角度。由于存在噪声，求得到标签角度与实际值有差，经过大量的计算，可以得到仿真情况下角度估计偏差在3o以内。

3.2 双位置天线定位法仿真

固定天线在0o和45o两个角度，对同一个标签进行多次测量，由于测量结果有噪声，估计得到的标签位置有变化。当标签在（1.56，0.79）时多次测量计算得到的标签位置如图2所示，其中x轴位置的分布特性可以得到所测量的数值在±0.06m之内。

图1 RSSI值随天线旋转下的变化

图2 双位置天线定位法仿真结果

4 结论

在已有RFID天线特性研究基础上，分析了RFID标签信号强度的椭圆形等值线表达形式，提出通过旋转天线来进行RFID标签定位的方法，给出了连续旋转天线定位法和双位置天线定位法两种旋转天线定位方法。仿真表明这两种方法具有良好的定位精度，可以用于物体的精确定位。

参考文献

[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]孟庆斌,韩杰,张红宾等.基于RSSI测距修正的有源RFID室内定位系统[J].南开大学学报:自然科学版,2013(2): 37-42.

[3]谢蒙娜,王玫,刘争红.一种功率可调的RFID室内动态定位方法[J].广西师范大学学报:自然科学版,2015(2):49-55.