基于UHF RFID技術的室內定位系統設計

引言

近些年，物聯網的興起為我們的生活帶來了極大的便利。利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物品等通過新的方式連在一起，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。現階段物聯網的應用大多在室內，而物體位置感知作為物聯網中很重要的組成部分之一，卻無法通過傳統的衛星和蜂窩定位來獲取。無源超高頻RFID室內定位作為室內無線定位技術之一，正得到快速發展，然而，RFID標簽定位依然存在諸多問題亟需解決。

在傳統的無線傳感器網絡中，基于測距的定位方法主要依賴的測量參數包括時間、能量和角度，然而對于RFID系統，帶寬的限制使其無法使用時間法和角度法，使用能量法得到的測距結果精度太差。考慮到RFID系統的特點，其信號的發送載波是一個單頻信號，可以通過提取載波相位來獲取相位變化差，由此獲取距離信息。本文通過對Impinj R420讀寫器設備進行二次開發獲取載波相位，并使用基于Impinj的Indy R1000開發板獲取能量信息，將相位法和能量法得到的距離分別運用到定位上，通過算法優化最終進行定位，并證明了相位法測距定位在室內小環境定位中的優越性。

1 系統總體結構

UHF RFID室內定位系統通過獲取距離測量信息來定位待測物體坐標，故系統主要分為兩部分：測距部分和定位部分。距離信息的獲取主要涉及到兩個參數：RFID信號傳輸過程中的能量衰減和載波信號相位的變化值。其中能量信息通過R1000開發板來獲得，相位信息通過Impinj R420讀寫器來獲得。將獲得的參數信號傳入PC，通過定位算法來確定RFID標簽的位置。整個定位系統結構如圖1所示。

2 UHF RFID標簽系統測距部分

RFID標簽是產品電子代碼(EPC)的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通，并對其進行識別和讀寫。ISO18000—6協議對UHF RFID通信作出了詳細的規定，我們使用中國大陸UHF RFID的工作頻段920～ 925MHz進行標簽定位實驗。

2.1 UHF RFID工作原理

讀卡器和標簽的通信是基于ITF(Interrogator Talk First，閱讀器先發言)機制的，即基于讀寫器的命令與讀寫器的回答之間交替發送的半雙工機制。讀卡器和標簽完整的通信過程如下：讀卡器首先向標簽發送一個Query命令，解調出該命令的標簽隨即進入確認狀態，此時標簽將向讀卡器反向反射一個16位的隨機數RN16，讀卡器將發送包含相同RN16的ACK信號給標簽，若標簽接收到的ACK信號包含的RN16信息與之前發送的RN16信息相同，則標簽轉入確認狀態，并反向散射PC+EPC+CRC16信息給讀卡器。在通信過程中提取能量和相位的變化值進行測距。

2.2 能量法測距原理及硬件結構

經過傳播路徑損耗，接收端接收到的信號功率PRX(dBm)，可以通過信號傳輸公式得到：

其中，PTX是閱讀器發射功率;Greader和Gtag分別是閱讀器和標簽的天線增益;Lsys是系統內部電路損耗，在讀寫器發送信號時，發送功率可以人為設置，Lsys。可以通過反饋線接上衰減器將信號輸入頻譜儀，觀察衰減情況。當信號經過標簽反射時，讀寫器接收反射信號并測出PRX，這樣就可以計算出路徑損耗LP(d)，根據Friss公式便可以計算出信號傳播路徑。

能量信息主要通過基于射頻芯片Indy R1000開發板測量得到，如圖2右側所示，R1000使用EPCglobal超高頻第一級(Class 1)第二代標準和ISO18000—6標準，傳輸調制模式有DSB、SSB、PR—ASK三種，工作頻率為840～960 MHz。R1000采用了56引腳8 mm2QFN封裝格式，集成了大約100個元件，負責傳送、調制、接收、處理這些來自EPC Gen2電子標簽的無線電通信信息。

R1000內包含了一個能源擴大器，使得它可以在近距離或者2 m內對標簽進行編碼和閱讀，如果有外接能源擴大器，則使用R1000的讀寫范圍可以達到10 m以上。在開發板中，R1000和單獨的MCU連接，MCU將R1000數字信息處理器產生的原始數據轉換成EPC或者ISO18000—6格式的代碼。

2.3 相位法測距原理及硬件結構

對于相位信息的測量，信號傳播的距離與相位變化的公式為：

d=(φ·c)/(2πf) (2)

相位獲取過程如圖3所示。由于使用的RFID頻段工作在900 MHz頻段上，信號在載波相位一個2π周期變化內所傳播的距離很短。在實際測量時，無法知道相位變化了多少個周期，這樣就會產生相位模糊問題，因此使用相位差測距法。

選取兩個頻率相近的載波f1和f2，載波初始相位為φ1,b和φ2,b，閱讀器接收信號時載波最終相位分別為φ1,e和φ2,e。對于載波f1，相位變化值為△φ1=(φ1,e-φ1,b)，對于載波f2，相位變化值為△φ2=(φ2,e-φ2,b);則在相位差測距法中，距離d為：

d=(△φ11-△φ2)·c/[4π(f1-f2)] (3)

圖2左側為Impinj R420讀寫器，通過其獲取相位信息。R420核心射頻芯片為Indy R2000，為R1000的升級版，不僅支持EPCglobal標準和ISO18000—6標準，而且可以配置其他協議。R2000采用64引腳9 mm2 QFN封裝，在功耗和接收靈敏度方面比R1000有所提高。芯片內部結構如圖4所示。

數字核心選擇好載頻點后，輸出信號，經過DAC和頻率選擇濾波器，形成I/Q兩路信號。與載波相混后兩路信號疊加，再經功放發送出去。當芯片接收到信號時，與載波相加，過低噪放大器后與發送信號相混，通過頻率選擇濾波器和頻選放大器獲取基帶信號，通過ADC將信號送至數字核心。

雖然Indy R2000的底層射頻協議(LLRP)中包含載波相位的提取，但其自帶的軟件并不讀取這一部分信息，因此，需要借助Impinj公司的二次開發包OctaneSDK來獲得載波相位值。

3 UHF RFID標簽系統定位部分

通過系統測距部分，獲得了標簽到閱讀器天線之間的距離，將通過線性化最小二乘法和加權殘差法求出標簽位置。

3. 1 線性化最小二乘法

假設定位環境有N個位置已知天線Xn(xn，yn)，i=1，2，…，N，位置未知的標簽為P(x，y)。閱讀器對天線進行測量，共有N個測量方程，en為測量誤差：

3.2 加權殘差定位方法

在測量過程中，會出現部分測量數據不準確的問題，并造成整體定位誤差較大。引入加權殘差方法，通過對測量方程增加權值，將較大誤差的處理轉換成權值的選擇，最終完成標簽定位。定義標簽坐標P的殘差平方和為：

4 系統測試結果

選擇一塊3 m×3 m的正方形區域，如圖5所示。天線使用Larid公司右相圓極化遠場天線S9028PCR，最大增益為9 dBic，回波損耗為18 dB。將4組天線放置在4個頂點，每組天線上有2個天線，分別連接到Indy R1000開發板和R420上，標簽隨機放置在正方形區域內，設置閱讀器發送信號功率為30 dBm，載頻點為920.63 MHz和924.38 MHz，使得信號載波在這兩個頻點上不斷變換。打開軟件，開始進行測試。隨機在測量區域內選取4個位置放置UHF RFID標簽，通過四周的天線與閱讀器進行通信。

在足夠長的一段通信過程中，如圖6所示，通過軟件獲取這段時間內閱讀器接收到的最大的RSSI值和相位值變化的平均值，經過處理計算，得到標簽坐標。

我們定義系統的均方根誤差(RMSE)來衡量系統定位精度。RMSE的定義式如下所示：

(x0，y0)為標簽的真實坐標。表1顯示了分別用不同的測距數據得到的定位誤差。

結語

本文通過對UHF RFID標簽通信過程中相位和能量的提取，完成了室內定位系統。可以看出在小環境中，使用相位法進行定位比傳統的使用能量法進行定位精度要提高很多。但是在復雜室內環境下，相位法定位會受到很大的影響，在后續工作中，可以在定位算法上改進，來彌補由于測距不準產生的誤差對最終定位產生的影響。