RFID定位系统简介.docx

RFlD定位系统简介RFID系统由RFID标签和RFlD阅读器以与他们之间的通信组成。每个RFlD标签具有唯一的标识符，即唯一的ID,他连接到某个对象上。用户用他的RFID阅读器读取RFID标签的唯ID,运用户能够识别与RFlD标签所连接的对象。因此，RFlD标签系统在各个领域都有应用。例如，实物安排领域，次性在一个纸箱或购物篮中识别多个目标的技术引起关注。RFlD标签的唯一ID可以涉与到些有用的信息C其中-个重要的信息是携带RFlD标签的对象的位置信息。从RFID标签的唯一ID和位置信息，用户可以知道携带RFlD标签的对象的位置，将射频识别技术用于室内定位领域是目前RFID探讨的一个热点。GpS是大家首先想到的一个定位系统，他基于卫星通信，在室外空旷环境N可供应精度在10米之内的导航，但是当目标移至室内，卫星信号受到建筑物的影响而大大衰减，定位精度也随之降低。近年来，很多技术和方案被提出用于室内坏境下的目标定位，这些技术包括红外线(InfrarCd)技术、超声波(UItraSOniC)技术、超宽带(UWB)和射频识别(RFlD)技术等。红外线(Infrared)定位具有较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物传播，因此红外线定位受到直线视距的限制，而且定位距离比较短，通常只有5米左右。超声波(UltraSOniC)定位主要采纳反射式测距法，通过三角定位算法确定物体的位置。超声波的定位精度通常都很高,但超声波不能穿透墙壁，受多径效应和非视距传播影响很大，定位距离比较短。UWB技术通过放射和接收脉冲之间的时间差为进行距离测域和定位，具有定位精度高、鲁棒性好、不易受干扰等优点，但是系统须要较大的带宽(大于500MHZ)和精度的同步时钟,校准难度较大。射频识别(RFID)技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别定位的目的，这种技术成本低、传输范国大，同时有非接触和非视距的优点，很适合室内定位技术。RFlD系统的两大重要组成部分是读写器和标签。读写器包括天线、收发器、基本限制单元、逻辑接口等，可以便利地与标签和后台应用程序进行数据传输和交换。标签包括芯片和天线两个部分。标签芯片是即ID系统的数据载体，可以存储商品或者物体的基本信息。当附着有标签的物体进入读写器天线的工作场区范围内，读写器和标签通过电场或者磁场藉合的方式实现两者之间的数据交互。依据RFID系统的工作频率不同，可将其分为低频1.F(1.owFrequency).高频HF(HighFrequency)、超高频UHF(UltraHighFreqUenCy)和微波MW(MiCrOWaVe)等四个频段。频段不同，工作特性也不同：低频和高频RFlD系统基于电感剧合的基本原理，因此其通信距离较短；超高频和微波频段RFlD系统必于电磁耦合反向散射的基本原理，因此其通信距离较长。各个频段的工作特性如表1.l所示。其中，超高频RFlD系统由于具有较远的识别距肉、较快的通信速率和较小的天线尺寸而成为当前探讨的热点工作频段典型工作族率典型波长能量传输方式典型通信距离低频(1.F)125-134kHz2千米电感耦合<10厘米高频(HF)13.56MHz20米<1米超高频(UHF)86O-96OMHz30厘米电磁场福合1-15X微波段(MiCroWaVe)2.4-2.45GHz12座米1-3米各频段RFID系统的工作特性RFID标签依据其供电方式不同，可以分为无源、有源和半有源的三种。无源RFlD标签通过从读写器放射的电磁波耦合能量来产生整个芯片工作的电源，因此成本较低，但是其工作距离有限；有源标签由于本身带有电池，不须要从电磁波中耦合能及，能主动放射射频信号，因此其工作距离较远，但寿命较短，而且成本相对较高；半有源标签自身也带有电池来供应芯片工作，但是不会主动放射信号，须要外部信号来激活其正常工作。由于成本缘由，目前物流和门禁等领域中最常用的还是无源RFlD标签，有源和半有源标签仅用于少数珍货物品的识别和管理。短短几年，各种基于RFlD的定位技术应运而生，下图就是几种技术的分类总结。基于RFID的定位技术基于RFID技术的定位方法依据是否测距分为2大类：非测距定位技术和测距定位技术。非测距定位技术不须要对距高进行检测，通过与参考点通信来进行区域定位：将参考读写器或者参考标签分布于特定区域，通过检测参考点与目标之间的通信胜利与否来推断目标是否处于该区域。非测距定位技术必需将参考点按要求分布于目标区域，因此应用受到肯定限制，成本也较高。基于测距的定位技术依据其测距原理乂可以分为三大类：接收信号强度检测(RSSI)、信号到达方向(DirectionofArrival,DOA).信号到达时间(TimeofArrival,TOA)oRSSI定位技术的基本原理为：射频信号的衰减量与距离的平方成反比；己知放射信号的功率，通过检测接收信号的功率强度即可得到信号传输的距离。但是接收信号强度受到环境因素影响，多径干扰严竣，而且还受视距(1.oS)与否、天气等的影响，定位精度较低。DOA定位技术的基本原理为：接收信号功率最强的方向或者接收信号功率最弱的反方向即为信号传输的方向；已知两条信号传输的方向即可确定目标的位置.但是信号方向的精确检测难度较大，须要困难的方向性天线或者天线阵列，成本较高。TOA定位技术的基本原理为：射频信号传输的速度恒定为光速c(3.0*108米/秒)；通过检测放射和接收信号的时间差，即可得到信号传输的距离。该方案基本不受视距和环境的影响，也不须要困难的天线，低成本条件卜.实现精确的传输时间检测是其难点。landmarc：采纳有源RFlD的室内位置感应1.ANDMRC算法原理1.ANDMARC的设计思想是采纳额外的固定参考标签协助定位，通过参考标签的信号强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，采纳“最近邻距离”权重思想，计算出待定位标签的坐标。假设现有N个RF阅读器、M个参考标签和U个待定位标签，N个阅读器分别读出M个参考标签和U个待定标签发给阅读器的信号场强值，此场强值分为18总共8个等级。待定位标签坐标位置求解过程过下：D定义参考标签的信号强度矢量为S.=(Sjn.SmiSIrv),S.,表示参考标签在阅读器i上的值，待定位标签的信号强度矢显为，5,=(Sn.Sr2.SQ,Sn表示待定位标签在阅读器i上的值。因此，它们之间的欧式距尚为：Ej=、|£(S.“-SjJw(1.M)E越小表示参考标签和待定位标签距离越近。2)通过求得的k个跟待定位标签的信号强度最相近的参考标签，可以推算出待定位的的坐标为：(.y)=l>4(,y')%为第1个邻居的权重(1=1,2,3,，K<M,K是M个欧式距离£,中最小的K个邻居)，%可依据阅历公式得到：叱=N-号)3)定义估计误差：ey(x-xll)2+(y-ytf)2其中，(XN)是估计出的待定位标签位置，(与，儿)为待定位标签的实际位置.1.ANDMRC系统按下图所示位置布设16个参考标签和4个阅读器,并放置8个待定位标签0问4”怙定位你第* c nnOOOD-1III4tn3m2mIm-Xm-7m-rn-5m-4inTm-2m一Im（O.O）1.ANDMARC算法有以下三个主要的优点：D不须要大量昂费的RFlD阅读器，取而代之的是，采纳厂额外的、便宜的RFlD标签。2）可以比较简单地适应环境的动态性.landmarc方法可以抵消很多环境因素，主要缘由是，当待定位标签被定位时，参考标签也会受到相同的环境影响。因此，可以动态实时地更新参考信息。3）位置信息更加精确和牢靠。但是，1.ANDMARC算法也存在一些缺点：D在密集环境下，1.ANDMARC算法易受多径效应的影响。2）假如想进一步提高定位精确度，须要增加参考标签数目，会增加额外的系统开销。3)当前的RFlD系统没有干脆供应标签的信号强度，阅读器只能报告被检测标签的能量等级(在1.ANDMARC系统中能级为18),因此只能粗略地测过哪个等级对应什么样的距离。无源RFID标签的位置估计的多功率传感范围的方法在室内，配备RFlD阅读器和RFID天线的机器人执行RFID标签的位置估计。为了估计标签的位置，我们采纳概率的方法，计算后验概率P(XIZh在这里，x是标签的位置，：一为时间步长从1到t的观测，小，为RFlD天线的位置，时间从1到t.基于贝叶斯法则，有如下定义：J”p(z,GP(XIZl”q.J(1)其中Mzl是给定标签位置X和RFID天线位置时观测到的似然值在传统方法中RFID读写器以恒定的传输功率感应标签的唯一IDC换句话说，此方法具有单一的通信范困。卜.图显示了传统方法的传感器模型，定义了分布的概率似然值。RFlD读写器的探测他围假定为椭圆内的面积。Smarmodeloftheconventionalmethod.下图是传统位置探测的流程图Flowchanofotouestimation.（八）Systemsamplespositions(b)SyStUmupdatestheposteriorprobability显示了更新后验概率在时间步长为1的例子。在这里，我们假定，个机器人配有RFlD天线，它移动并找寻标签的位置.在这个例子中，机器人是在视察点1。假定，机器人在时间步长】首次检测到标签，则计算各取样位置的概率似然值以二/KQ。三角形标记的取样位置的概率计算为（初始概率1)*(可能性09)=0.9;点标记的取样位置的概率计管为(初始概率D*(可能性05)=0.5»接下来，RFID读取器移动到另一个位置.假如RFlD读写器接收到一个标签的ID响应，则依据传感器模型计算各取样位置的概率似然值MzJaf)并更新后验概率C重复此过程，计算RFlD标签的位置。假如有多个采样位置的后验概率一样最大，则认为这些采样位置区域的重心为标签的估计位置。标签位置估计误差定义为e:I；e=(x-x1,)-+(y-y)-这里，儿为标签的实际坐标，,y为计算得出的坐标。不断变更通信范困的大小，可以高效地估计标签的位置.于是提出r个多传感范阐的方法，即多级RFlD阅读器的放射功率的方法。为了简便，RFID阅读器放射功率分三个通信范围：远拒图范围(long-range)对应最高放射功率、中距离范闱(middle-range)对应中间放射功率、短距离范围(short-range)对应最小放射功率。图4显示了一个多传感范的的RFlD标签的位置估计方法的流程图。首先,在同一观测点下，以远距离他围(最高放射功率)搜寻标签，假如机器人接收到来自标签的ID响应，则机器人尝试以中距离范围搜寻标签，假如再次接收到响应则尝试以短距离范围搜寻标签。之后更新后验概率并移动到卜一个观测点。感应模型一是只接收到远距离范围的感应，模型二是只接收到远距离和中距离的感应，模型二是接收到全部二种范围的感应。ISy5rec*sxD¾on*WTthtongrangeSmsrecssxDj¾o.tapIrthz¾d.r3<jS13tenreq,C¾oayw<g<hcrGmqEMFlowchanofthemult-sensing-ranoemethodSeniccmodel2.SeiHCrmodeliNumberoftag1Distancebetweenobservations25cmFrequencyusedbytheRFIDSyVtE860MHZ-960MHz1.ong-range5mMiddle-ranee3.5mShort-range2mConventionalmethods'range5mISampkpatternofpositionsGndof5cm5iUOB«&p叁OSUJMovngdistanceof1roootcmEstimatedpositionerrorvs.movingdistanceofrobot1.=100cm【5Wotw80SodPsIeUlISWMovingdistanceoftrobotcmFig.10.Estunatedpositionerrorvs.movingdistanceofrobotKX)cm