于銀山,俞曉磊,劉佳玲,趙志敏,汪東華

(1.南京航空航天大學理學院,江蘇南京 210016;2.江蘇省標準化研究院,江蘇南京 210029;3.南京理工大學電子工程與光電技術學院,江蘇南京 210094)

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利用Fisher矩陣的RFID多標簽最優(yōu)分布檢測方法

于銀山1,2,俞曉磊2,3,劉佳玲1,2,趙志敏1,汪東華2

(1.南京航空航天大學理學院,江蘇南京 210016;2.江蘇省標準化研究院,江蘇南京 210029;3.南京理工大學電子工程與光電技術學院,江蘇南京 210094)

摘要:射頻識別多標簽系統(tǒng)動態(tài)性能參數包括讀取效率、識讀距離等,現(xiàn)有算法提高射頻識別多標簽系統(tǒng)識讀性能能力有限,筆者提出了合理利用標簽幾何分布提高射頻識別系統(tǒng)性能的新方法.該方法引入Fisher矩陣作為判定依據,通過計算標簽與閱讀器方位角的Fisher矩陣行列式極值,獲取多標簽系統(tǒng)的最優(yōu)幾何分布.隨后通過仿真對多標簽幾何分布與射頻識別系統(tǒng)識讀性能的關系進行分析評估,設計了托盤級射頻識別標簽應用系統(tǒng),并以識讀距離為動態(tài)性能檢測參數,對多標簽最優(yōu)幾何分布進行模擬動態(tài)環(huán)境性能測試.實驗結果表明,通過Fisher矩陣獲得標簽最優(yōu)分布的方法可以有效提高多標簽系統(tǒng)的動態(tài)性能、減小識讀誤差.

關鍵詞:射頻識別;Fisher矩陣;動態(tài)性能;識讀距離;多標簽;幾何分布

射頻識別(Radio Frequency Identification Devices,RFID)作為一種新穎的非接觸式自動識別技術,具有讀取距離遠、傳輸速度快、可大批量讀取等優(yōu)點,在物流供應鏈、智能交通、生產自動化、商品零售、質量檢測等眾多領域獲得廣泛應用[1].RFID技術一個重要的優(yōu)點就是多目標的同時識別,但要實現(xiàn)多目標的同時識別,就要面臨如何提高標簽識讀性能的問題.

現(xiàn)在常用的提高多標簽識讀能力的手段是使用防碰撞算法,解決多個標簽同時存在于同一個射頻信道內而產生的數據沖突[2](碰撞),如ALOHA算法、二進制算法等.但這些算法都不同程度地影響到標簽的識讀效率;同時,僅能防止碰撞的發(fā)生,但不能提高一定數量標簽下RFID系統(tǒng)的識讀性能.

標簽也是一種傳感器,近年來國內外對于多傳感器最優(yōu)信息融合技術的研究取得了一定的進展.文獻[3]針對多被動傳感器多目標跟蹤中的傳感器資源分配問題進行研究,在此基礎上分析了多被動傳感器系統(tǒng)跟蹤誤差的幾何分布;文獻[4]通過研究RFID系統(tǒng)的閱讀器碰撞問題,提出了GDRA閱讀器分布模型來降低標簽讀取過程中閱讀器碰撞;文獻[5]將傳感器作為節(jié)點,通過分析傳感器的幾何分布來檢測傳感器網絡的異常值.以上研究對于RFID系統(tǒng)中的多標簽分布優(yōu)化有一定的參考價值.

作為各種無偏估計誤差的方差下限,Cramer-Rao下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)為評估無偏估計量的性能提供了依據.通過計算Fisher矩陣的行列式值是否滿足Cramer-Rao界的下限,利用參數估計理論可以判斷無偏估計的最優(yōu)性能[6].在計算RFID系統(tǒng)中的標簽分布時,令閱讀器的狀態(tài)參量為一個有效的無偏估計量,并且有很小的空間誤差變化,則這種分布將達到最優(yōu).筆者引入Fisher矩陣,對最優(yōu)標簽分布進行理論分析和實驗驗證,研究多標簽系統(tǒng)動態(tài)性能受標簽幾何分布的影響,推導出RFID多標簽系統(tǒng)取得最優(yōu)識讀性能所對應的幾何分布特征.文獻[7]提出了標簽分布密度模型,重點圍繞標簽分布密度對定位開展研究;文獻[8]側重于利用標簽隨機幾何分布模型對標簽數目進行估計.文獻[7-8]分別對標簽密度和標簽數目估計進行研究,而筆者則從多標簽分布出發(fā),利用Fisher矩陣檢測多標簽的最優(yōu)分布,可以更有效地提高多標簽系統(tǒng)的整體識讀性能、減小識讀誤差.

1 基于Fisher矩陣的RFID多標簽分布模型

RFID多標簽系統(tǒng)動態(tài)性能的讀取效率、識讀距離、讀取速度除了受算法的影響,也會受標簽幾何分布的影響.實際應用中,影響多標簽系統(tǒng)動態(tài)識讀性能的因素不僅取決于測量的精度與算法,也與多標簽相對閱讀器的幾何分布有著密切聯(lián)系.將Fisher矩陣理論引入多標簽系統(tǒng)的動態(tài)性能分析,通過建立幾何模型,推導出RFID多標簽系統(tǒng)取得最優(yōu)識讀性能所對應的最優(yōu)幾何分布圖形,可以為提高系統(tǒng)識讀性能、減少碰撞發(fā)生提供參考依據.

1.1 多標簽系統(tǒng)識讀原理

超高頻RFID系統(tǒng)采用后向散射調制,無源電子標簽附在待識別的目標表面,閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號,當標簽進入磁場時產生感應電流,同時利用感應電流產生的能量發(fā)送出其所攜帶的信息,閱讀器讀取信息并解碼后傳送給后臺進行相關處理,從而達到自動識別物品的目的.

通過引入Fisher矩陣研究了多標簽系統(tǒng)中標簽幾何分布對動態(tài)性能影響的可能性,通過距離對閱讀器空間的位置參數進行估計.Fisher矩陣中包含了每個標簽的位置、檢測值等信息,因此,通過分析計算Fisher矩陣,可以得出標簽幾何分布與閱讀器的關系,獲取多標簽系統(tǒng)的最優(yōu)幾何分布.基于多標簽系統(tǒng)的識讀原理如圖1所示.

1.2 相關幾何參數定義

圖1 標簽識讀原理圖　

圖2 幾何參數的定義

1.3 最優(yōu)幾何分布理論模型

基于多標簽識讀系統(tǒng)的Fisher矩陣可表示為

其中,P表示閱讀器的狀態(tài)參量,Rr表示協(xié)方差矩陣,Δpr(P)為雅各比矩陣,即

其中,φi為第i個標簽與閱讀器的夾角.令Rr=σ2rIN,因此N個標簽的Fisher矩陣可用如下形式表達:

求解Fisher矩陣式(4)的行列式值,即可獲得系統(tǒng)識讀性能與標簽幾何分布的關系為

其中,s={{i,j}},定義了所有i與j的組合的集合,且i,j∈{1,2,…,N},j＞i.當式(5)行列式值等于或無限接近極值時,標簽-閱讀器的幾何分布達到最優(yōu).通過對式(5)求導可得到取得極值的條件.如果標簽數為N,基于多標簽識讀的Fisher矩陣行列式的極值為N(4σr4).要達到該極值,必須同時滿足:

多標簽-閱讀器的最優(yōu)幾何分布圖形的基本特征便是由式(6)和式(7)求解得到的角度信息構成的.

2 RFID多標簽系統(tǒng)最優(yōu)幾何分布圖形仿真計算與實驗驗證

基于以上的標簽-閱讀器最優(yōu)幾何分布模型,選取直角坐標系為多標簽系統(tǒng)參考坐標,X-Y構成的平面為標簽與閱讀器所在平面區(qū)域,而Z代表該區(qū)域內每點對應的Fisher矩陣行列式歸一化值.Z方向上值的大小決定了該點的讀取效率.

2.1 Fisher矩陣分布分析

當多標簽系統(tǒng)含有3個標簽時,將N=3帶入式(5),并且令σ2r=1,化簡后可以得到

其中,A=φ3(P)-φ1(P),B=φ2(P)-φ1(P),A,B∈[0,2π).由式(1)仿真得到的Fisher矩陣行列式值在標簽-閱讀器所在平面區(qū)域的分布圖,如圖3所示.

由圖3可以看出,Fisher矩陣行列式值有8個最大值點和9個最小值點.8個最大值包含了(A=2π/3,B=π/3)、(A=4π/3,B=2π/3)等分布情況,行列式值為9/4;9個最小值點包含了(A=0,B=π)、(A=2π,B=π)等分布情況,行列式值為0.

為方便實驗,取兩組特殊值進行實驗驗證,標簽位置的示意圖如圖4所示,分別取(φ1=0,φ2=π/3,φ3=2π/3)為行列式極大值(圖4(a)),(φ1=0,φ2=0,φ3=π)為行列式極小值(圖4(b)).

圖3 N=3時行列式值分布三維圖及俯視圖

圖4 標簽位置示意圖及矩陣行列式值三維圖

由上圖的分布對式(1)進行仿真,得到Fisher矩陣行列式值與標簽位置關系三維圖,如圖4(c)所示,標簽Fisher矩陣行列式值在圖4(a)所示位置達到最大值,在圖4(b)所示位置達到最小值,實驗角度選擇滿足行列式在最大值和最小值之間.

2.2 RFID檢測系統(tǒng)

RFID標簽進出閘門應用檢測系統(tǒng)(原理圖如圖5(a)所示),主要由貨物傳輸帶、托盤、貨物支架、閱讀器天線支架、激光測距傳感器、RFID閱讀器、RFID標簽和控制計算機等組成.RFID標簽進出閘門應用檢測系統(tǒng)實物圖如圖5(b)所示,RFID閱讀器選用Impinj公司的Speedway Revolution R420超高頻閱讀器.閱讀器天線選用Larid A9028遠場天線,最大識讀距離約為15 m.測距傳感器選用Wenglor公司的X1TA101MHT88型激光測距傳感器,該傳感器測量距離范圍為15 m,精度為2μm.

圖5 RFID標簽進出閘門應用檢測系統(tǒng)原理圖及實物圖

整個檢測系統(tǒng)模擬貨物進出庫步驟,在貨物傳輸帶上架設托盤,托盤上放置貨物,設定托盤托舉高度和貨物傳輸帶傳輸速度,托盤在貨物傳輸帶上勻速傳動以模擬叉車進出閘門的動作.在貨物表面貼上RFID標簽,在閘門上安裝一個RFID閱讀器和多個RFID天線,在正對貨物傳輸帶的一側安裝一個測距傳感器,測距傳感器光束指向貨物進入閘門的方向.貨物傳輸帶連同架設托盤向閘門方向運動,貼有RFID標簽的貨物進入RFID天線輻射場,某一個RFID天線感應到RFID標簽反射的射頻信號,與RFID天線連接的RFID閱讀器串口發(fā)出跳變信號.RFID閱讀器通過串口通信的方式將產生的跳變信號發(fā)送給測距傳感器,同時將RFID天線的標號也發(fā)送給測距傳感器,啟動測距程序,測量測距傳感器到反射板的距離值.最后計算出RFID天線到RFID標簽的距離值,作為閘門入口環(huán)境下RFID識讀范圍.

實驗檢測環(huán)境:托盤運動速度為20 m/min,天線接收靈敏度為-70 dBm,閱讀器天線發(fā)射功率為27 dBm.調整光學升降平臺,使測距傳感器光束瞄準貨物,定義測距傳感器光束與閘門所在平面的交點為參考點.然后設貨物表面到參考點的距離為R,測距傳感器到參考點的距離為固定值L,測距傳感器到貨物表面的距離為S,第i個RFID天線到參考點的距離為固定值Hi,則R=S-L,第i個RFID天線到RFID標簽的距離值Ti=(R2i+H2i)1/2,即Ti為閘門入口環(huán)境下RFID的識讀范圍.

2.3 實驗驗證

選擇5個具有代表性的RFID標簽粘貼位置(貨物前后左右及頂部)做標簽粘貼最優(yōu)位置實驗,實驗發(fā)現(xiàn)RFID標簽在如圖5所示測試位置的識讀距離最優(yōu),因此,多標簽實驗驗證選擇正對激光測距儀位置作為標簽粘貼位置.檢測步驟如下:

(1)系統(tǒng)初始化,把RFID標簽貼到貨物上的各測試位置.

(2)每組實驗設定標簽往返次數為10次,實驗數據統(tǒng)計取平均,以保證對識讀距離測量的可靠性.

(3)固定φ3=120°,令φ在[0°,60°]之間變化,保證了矩陣行列式在最大值和最小值之間變化,測試不同位置的RFID標簽的識讀距離,可做出行列式仿真圖及識讀距離擬合曲線,如圖6(a)、(b)所示.

(4)固定φ2=0°,令φ3在[120°,180°]之間變化,測試不同位置的RFID標簽的識讀距離,可分別得到行列式仿真圖及標簽識讀距離與標簽角度變化關系的擬合曲線,如圖6(c)、(d)所示.

圖6 矩陣行列式值、識讀距離——φ2、φ3關系曲線

對圖6(a)行列式理論值與圖6(b)識讀距離實驗值進行對比分析可以看出,隨著號標簽角度增大,矩陣行列式值與標簽識讀距離都隨之增大,并且變化趨勢相同;對圖6(c)行列式理論值與圖6(d)識讀距離實驗值進行對比分析,可以看出仿真曲線和實驗得到的擬合曲線變化趨勢相同;隨著號標簽角度增大,矩陣行列式值與標簽識讀距離都隨之減小.實驗在穩(wěn)定條件下對識讀距離值進行多次測量,并且方差穩(wěn)定,保證實驗的可重復性測量.實驗證明,利用Fisher矩陣作行列式來判定RFID多標簽系統(tǒng)識讀性能是可行的.

3 結束語

筆者研究了基于距離測量的多標簽系統(tǒng)最優(yōu)的幾何分布模型、相關數學表達式,為提高多標簽系統(tǒng)動態(tài)性能、減小識讀誤差,引入含狀態(tài)參量的Fisher矩陣作為理論依據,研究了標簽幾何分布與動態(tài)性能間的關系,提出了合理利用標簽分布位置來提高RFID多標簽系統(tǒng)識讀性能的新方法.通過仿真計算給出最優(yōu)的標簽位置的幾何分布,理論與實驗結果規(guī)律符合,利用Fisher矩陣作行列式來判定RFID多標簽系統(tǒng)識讀性能是可行的.該研究為打破RFID多標簽系統(tǒng)推廣應用的技術瓶頸提供了一種重要手段.

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(編輯:王 瑞)

簡 訊

2015年11月20日,由共青團中央、中國科協(xié)、教育部、全國學聯(lián)、廣東省人民政府共同主辦,廣東工業(yè)大學、香港科技大學聯(lián)合承辦的第十四屆“挑戰(zhàn)杯”中航工業(yè)全國大學生課外科技學術作品競賽終審決賽在廣州落下帷幕.我校共提交6件參賽作品,其中2件獲國家一等獎,3件獲國家二等獎,1件獲國家三等獎,并捧得“優(yōu)勝杯”.

摘自《西電科大報》2015.11.28

Method for detecting optimal distribution of RFID multiple tags based on Fisher matrix

YU Yinshan1,2,YU Xiaolei2,3,LIU Jialing1,2,ZH AO Zhimin1,WANG Donghua2
(1.College of Science,Nanjing Univ.of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Jiangsu Institute of Standardization,Nanjing 210029,China;3.College of Electronic and Optical Engineering,Nanjing Univ.of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:Dynamic performance parameters of multiple tags in the RFID system includes reading efficiency,reading distance and so on.The improvement of existing algorithms for the reading performance of multiple tags is limited in the RFID system,so the geometric distribution of tags is arranged reasonably to improve the performance in this paper.In the Fisher matrix of evaluation,we calculate the extremum of the azimuth matrix and obtain the optimal geometric distribution of tags.Then the geometric distribution of multiple tags and the reading performance of the RFID system are evaluated in numerical simulation.Taking the reading distance as the dynamic performance parameter,we design the tray-level RFID application system and test the optimal geometric distribution of multiple tags in simulative dynamic environment.The results show that the optimal geometric distribution of tags,which is obtained by calculating the Fisher matrix,could improve the dynamic performance and reduce the reading error of multiple tags in the RFID system effectively.

Key Words:RFID;Fisher matrix;dynamic performance;reading distance;multiple tags;geometric distribution

通訊作者:俞曉磊(1981-),男,博士,E-mail:nuaaxiaoleiyu@126.com

作者簡介:于銀山(1987-),男,南京航空航天大學博士研究生,E-mail:yuyinshan@163.com.

基金項目:中國博士后基金資助項目(2013M531363);江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BK20141032);江蘇省博士后基金資助項目(1202020C);國家質檢總局科技計劃資助項目(2013QK194);江蘇省質量技術監(jiān)督局科技資助項目(KJ133818);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項目(KYLX0246)

收稿日期:2014-10-12 網絡出版時間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.019

中圖分類號:TN98

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2400(2016)02-0108-06

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.016.html