哈爾濱第三中學(xué) 鮑天翼

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基于旋轉(zhuǎn)天線的RFID定位算法和仿真分析

哈爾濱第三中學(xué) 鮑天翼

【摘要】RFID是室內(nèi)定位的首選技術(shù)。通過分析RFID閱讀器的實際模型，給出了RFID等信號強度的橢圓表達式，提出通過旋轉(zhuǎn)RFID旋轉(zhuǎn)天線進行標(biāo)簽定位的思路，給出了連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法和雙位置天線定位法兩種旋轉(zhuǎn)天線定位方法。在Matlab中建立了RFID信號的仿真模型，對兩種定位方法進行了數(shù)學(xué)仿真，結(jié)果表明連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位可達到3o的精度，雙位置天線定位可以達到0.06m。

【關(guān)鍵詞】RFID；定位算法；旋轉(zhuǎn)天線

0 引言

室內(nèi)定位技術(shù)是一項有很廣闊前景和研究意義的技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[1]。基于RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)的定位方法具有非接觸、低成本、部署簡單、高精度等優(yōu)點，逐漸成為首選的室內(nèi)定位技術(shù)，尤其無源RFID不需要供電、能夠長期工作、可浸水使用等。

當(dāng)前的RSSI定位使用了理想RFID閱讀器模型，認(rèn)為閱讀范圍為以閱讀器為圓心的圓形，但根據(jù)RFID天線輻射及電磁場輻射理論，實際閱讀器的閱讀范圍一般是橢圓，因此理想RFID閱讀器模型下的結(jié)果并不準(zhǔn)確。本文在實際RFID閱讀器模型的基礎(chǔ)上，給出一種采用旋轉(zhuǎn)天線的新型RFID定位方法。

1 RFID閱讀器模型

1.1 RFID閱讀器的理論模型

理想RFID閱讀器模型認(rèn)為RSSI為以閱讀器為圓心的圓形，采用對數(shù)路徑損耗模型，假設(shè)無線發(fā)射機和接收機的天線增益均為1，則對數(shù)路徑損耗模型：

接收端收到的信號強度為：

實際測量中測距模型可以進一步簡化為：

由上式可知，在測得RSSI后，可以推算出標(biāo)簽在閱讀器為圓心、半徑為d的圓上，可以用三邊測量法確定出標(biāo)簽位置。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法精度很差。

1.2 RFID閱讀器的實際模型

很多人在試驗中發(fā)現(xiàn)RFID功率等值線不是一個圓。李再煜[6]的研究發(fā)現(xiàn)，實際情形下受天線和硬件PCB 布線等其他因素的影響，功率等值線所構(gòu)成的曲線并不是一個圓，通過實驗驗證其軌跡是一個近似的橢圓。

意大利羅馬大學(xué)的G. Marrocco等人的理論研究表明，RFID閱讀器的邊界可以用一個橢圓描述[4，5]：

其中：

上式表明，橢球的軸長與RFID系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，如發(fā)射功率、標(biāo)簽的靈敏度、和閱讀器天線的半功率波束寬度等?？梢缘玫?，ay/ax是閱讀器天線半功率波束寬度的函數(shù)，在天線不變的條件下，ay/ax=az/ax可以認(rèn)為是一個常數(shù)。

可以認(rèn)為，RFID閱讀器獲得的等信號強度線是一個橢圓，對一個二維情況可以寫作：

其中的ax與測量的信號強度RSSI相關(guān)，RFID的信號強度RSSI在橢圓長軸上與距離ax有很好的單調(diào)特性，由RSSI可以用公式3計算得到橢圓長軸ax。對于固定的RFID天線，ay/ax可以作為一個常數(shù)處理。

2 旋轉(zhuǎn)天線定位計算方法

由于RFID的信號強度具有橢圓特性，所得到的信號強度和天線角度有關(guān)，因此如果引入天線角度這一個新變量，可以更加準(zhǔn)確的確定標(biāo)簽的位置。

從RFID的信號橢圓特性可以得到如下推論：

（1）在RFID天線旋轉(zhuǎn)過程中，標(biāo)簽的信號強度在變化，標(biāo)簽與天線夾角為0o時RFID的信號強度達到最大值。

（2）天線處于兩個角度下的RFID信號強度可以確定一個標(biāo)簽的位置。

（3）由于RFID閱讀器邊界的橢圓特性，每個角度下閱讀器能夠讀到的標(biāo)簽范圍不同，在邊界區(qū)域的標(biāo)簽?zāi)鼙惶綔y的天線角度變化較小。

為此給出兩種旋轉(zhuǎn)天線定位標(biāo)簽位置的方法。

2.1 連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法

記錄標(biāo)簽隨著天線角度變化下的信號強度變化，得到標(biāo)簽信號強度最大的角度和信號強度值r。使用公式3可以得到標(biāo)簽與天線的直線距離d，則標(biāo)簽位置為：

連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法算法簡單，可靠性高，但它需要天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)下讀取標(biāo)簽信號強度，計算量較大，對數(shù)據(jù)處理的要求較高。

2.2 雙位置天線定位法

考慮更簡單的方法進行定位，讀取兩個位置天線的天線信號強度，進行方程求解，獲得標(biāo)簽位置。具體方法如下：在天線角度為0o下測量標(biāo)簽的RSSI值得到長軸r1，然后轉(zhuǎn)動RFID天線到，測量標(biāo)簽的RSSI值得到橢圓長軸r2，可以通過公式推導(dǎo)得到標(biāo)簽的位置。

對傾角0o的情況，其方程為：

對傾角的情況，其方程為：

式中：

聯(lián)立上面的方程求得交點坐標(biāo)(x，y)即為標(biāo)簽所在的位置。

0o下和角度下確定標(biāo)簽位置的范圍有一定局限，并且不具備對稱性，因此進一步也可以在兩個任意角度、下聯(lián)立方程求解標(biāo)簽位置。

雙位置天線定位法需要求解一個四次方程，其參數(shù)相對復(fù)雜，可以直接使用解析解，也可以使用數(shù)值方法求解。

3 仿真

在Matlab里面對兩種RFID定位方法進行仿真，使用式(3)給出距離d和RSSI之間的關(guān)系，假設(shè)所得到的RSSI 有8dB的高斯噪聲。

3.1 連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法仿真

在連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線下，仿真得到的標(biāo)簽的RSSI值如圖1所示，對其進行你和得到一個二次方程，求二次方程的最大值點即為標(biāo)簽所在的角度。由于存在噪聲，求得到標(biāo)簽角度與實際值有差，經(jīng)過大量的計算，可以得到仿真情況下角度估計偏差在3o以內(nèi)。

3.2 雙位置天線定位法仿真

固定天線在0o和45o兩個角度，對同一個標(biāo)簽進行多次測量，由于測量結(jié)果有噪聲，估計得到的標(biāo)簽位置有變化。當(dāng)標(biāo)簽在（1.56，0.79）時多次測量計算得到的標(biāo)簽位置如圖2所示，其中x軸位置的分布特性可以得到所測量的數(shù)值在±0.06m之內(nèi)。

圖1 RSSI值隨天線旋轉(zhuǎn)下的變化

圖2 雙位置天線定位法仿真結(jié)果

4 結(jié)論

在已有RFID天線特性研究基礎(chǔ)上，分析了RFID標(biāo)簽信號強度的橢圓形等值線表達形式，提出通過旋轉(zhuǎn)天線來進行RFID標(biāo)簽定位的方法，給出了連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線定位法和雙位置天線定位法兩種旋轉(zhuǎn)天線定位方法。仿真表明這兩種方法具有良好的定位精度，可以用于物體的精確定位。

參考文獻

[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]孟慶斌,韓杰,張紅賓等.基于RSSI測距修正的有源RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].南開大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013(2): 37-42.

[3]謝蒙娜,王玫,劉爭紅.一種功率可調(diào)的RFID室內(nèi)動態(tài)定位方法[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(2):49-55.