龔結(jié)龍，丁雙定，李小杰，戴燕君

（中電海康集團有限公司 浙江?？悼萍加邢薰荆憬?杭州 311100）

0 引 言

在基于RFID技術(shù)管理文件、物品等對象的場景應用中，對這些被管理對象的位置定位是系統(tǒng)的核心功能。影響定位結(jié)果的關(guān)鍵性能指標為串讀率和漏讀率。實際使用中，由于RFID技術(shù)的物理特性，當多個標簽重疊率較高、被遮擋、或者所處環(huán)境場強分布不均導致無法受到激勵等情況下，無法實現(xiàn)對所有目標標簽的讀取/盤點，存在較高漏讀率。同時，由于RFID天線的場強分布特性，不同天線的場強分布范圍不同，強弱也不同，由此造成的場強區(qū)域邊界不能完全確定，在實際環(huán)境中使用時容易讀到周圍的標簽，引起串讀。

串讀和漏讀本身是一對矛盾的因子，相同天線環(huán)境下。當功率增加時，漏讀率會降低，但是串讀率會升高；當功率降低時，串讀的情況會有所改善，但是漏讀率會提升。因此，需要從本質(zhì)上改善天線的場強分布，使場強盡可能均勻分布，范圍距離可控，避免場強的弱區(qū)和盲區(qū)?；诖吮疚牟捎锰炀€陣列結(jié)合定位算法的方式，實現(xiàn)一種基于天線陣列三維立體模型的定位方法。

如圖1所示為一種RFID智能文件柜示意圖。圖1中：位置1為柜體結(jié)構(gòu)，位置2為柜體內(nèi)部的20個區(qū)域，位置3為每個區(qū)域下面鋪設(shè)的近場天線；文件存放在文件袋中，文件袋的底部貼上RFID標簽，文件豎放排列在各個區(qū)域中。在此通過柜體內(nèi)部設(shè)置的嵌入式系統(tǒng)和RFID讀寫器，使用天線陣列盤點柜體中所有文件標簽，并定位出每一本文件所在的區(qū)域。

圖1 RFID智能文件定位柜示意圖

1 天線設(shè)計

1.1 天線詳細設(shè)計

在設(shè)計PCB近場天線陣列時，需實現(xiàn)天線場強分布范圍可控且場強強度分布均勻。本文的近場天線的詳細設(shè)計示意圖如圖2所示。

本文設(shè)計的進場天線由正面板和接地板組成，采用基于π型結(jié)構(gòu)的行波天線設(shè)計，以50 Ω特性阻抗微帶線及周期性的π型結(jié)構(gòu)走線，如圖中位置3所示，尾部接50 Ω負載，如圖2中位置5所示。每個周期結(jié)構(gòu)的長度為1/4波長設(shè)計。行波天線的輻射效率較低，可以有效地將天線的輻射能量控制在近距離范圍內(nèi)。PCB天線的分布為單PCB板上分布雙天線，如圖2中位置3所示敷銅部分，并采用引出雙饋點的方式，雙饋點如圖2中位置4所示。天線的雙饋點分別通過饋線連接到RFID讀頭，RFID讀頭啟動工作時，分別使能饋點1和饋點2，生成的兩個場強在空間分布上互相彌補。通過這種π型結(jié)構(gòu)可以使場強范圍在三維空間內(nèi)均勻分布，距離范圍完全可控，有效避免了單饋點天線引起的盲區(qū)弱區(qū)問題。基于該天線陣列，無源RFID讀頭讀取到的標簽信號強度分布均勻，避免漏讀和相鄰區(qū)域天線陣列之間的明顯串讀。

圖2 近場天線結(jié)構(gòu)

1.2 仿真結(jié)果

10 mm處天線仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙饋點方式的場強分布圖

圖3中紅色表示場強最強的區(qū)域范圍，藍色表示場強最弱的區(qū)域范圍。從單饋點方式的場強分布可以看出，藍色區(qū)域和綠色區(qū)域具有明顯的界限，表明近場天線的場強覆蓋范圍是可控的，相比較于單饋點的場強分布情況，雙饋點的方式明顯增加了場強較強的分布范圍，同時改善了場強分布均勻度。圖中的綠色顏色深淺變化細微，表示場強分布均勻，整體上場強偏強的范圍在中心區(qū)域，對周圍沒有明顯影響。

2 定位算法設(shè)計

根據(jù)RFID多標簽數(shù)據(jù)設(shè)計的精準定位算法，其核心影響因子為天線陣列表。表中每根天線獲取的標簽RSSI信號強度值、讀取次數(shù)。通過三個影響因子建立三維立體空間模型，通過權(quán)重最優(yōu)的邏輯算法輸出最優(yōu)的定位值，避免因相鄰天線串讀引起的定位位置發(fā)生偏移。該算法結(jié)合所設(shè)計的天線與環(huán)境形成的場強分布，可以精確實現(xiàn)標簽的定位。

2.1 天線陣列定位算法

天線陣列定位算法描述為逐一使能天線陣列中的每一根天線，獲取每根天線讀取的標簽信息。由于RFID技術(shù)的特性，同一個標簽可以被一定范圍內(nèi)的多根天線讀到，而距離該標簽最近的天線為標簽的真實位置。通過定位算法可以準確得出每一個標簽距離最近的天線位置，天線位置在空間對應具體的位置，從而完成對標簽的準確定位。

定位算法邏輯圖如圖4所示。定位算法步驟如下：

圖4 定位算法邏輯

（1）導入天線陣列列表，根據(jù)天線陣列列表生成三維立體空間模型，即天線陣列中的每一根天線對應某一個空間區(qū)域，天線陣列以饋點為單位，因此同一塊天線PCB板上的雙饋點天線為2根天線。

（2）導入天線陣列中每一根天線讀取到的所有標簽信息，并轉(zhuǎn)換生成每個標簽被天線陣列中的哪些天線讀到、所讀到的RSSI信號值、讀取到的次數(shù)等信息列表，并以RSSI信號值進行優(yōu)劣排序，生成標簽信息排序表。如：標簽Tag1被Antx，Anty，Antz三根天線讀到，根據(jù)RSSI值排序后，得到其RSSI平均值分別為RSSIx，RSSIy，RSSIz，次數(shù)分別為 Cntx，Cnty，Cntz。

（3）依次以單個標簽進行定位計算，根據(jù)上述信息表建立算法模型，通過比較最優(yōu)的RSSI值的次數(shù)和空間位置是否均屬于最優(yōu)位置，如果是則輸出該位置為標簽所在的定位結(jié)果；如果否，根據(jù)3個影響因子的權(quán)重排序，結(jié)合空間模型中的點位，輸出最優(yōu)的天線號作為精確位置，從而輸出定位結(jié)果。

定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場強分布設(shè)計，如果場強分布不均勻，會導致定位偏差，從而輸出錯誤的定位結(jié)果。例如，天線陣列中的天線AntP在附近的空間點位Ox中存在弱區(qū)，而天線AntQ在空間點位Ox中為強區(qū)，而空間點位Ox在空間上屬于AntP的范圍，空間點位Ox距離AntQ更遠。當標簽Tagx位于空間點位Ox時，出現(xiàn)AntP天線讀到標簽Tagx的信號強度和次數(shù)更優(yōu)于AntQ天線讀到的信號強度和次數(shù)，根據(jù)定位算法與點位模型，輸出了Tagx的定位結(jié)果為AntQ，導致定位錯誤。

2.2 單天線定位算法

單天線定位算法指的是：根據(jù)天線陣列算法得出了已有的標簽所在的精確位置。當觸發(fā)單根天線讀取標簽時，如果需要增加或減少標簽，只需根據(jù)單天線讀取的標簽信息和原天線陣列的數(shù)據(jù)信息庫，設(shè)計定位邏輯算法，得到標簽的增減變化結(jié)果，具體描述：

（1）天線陣列中的天線號分布為Ant1，Ant2，…，Antn；

（2）天線陣列數(shù)據(jù)庫中的標簽數(shù)據(jù)定義為：

Ant1天線號的數(shù)據(jù)：Ant1-Tag1，Ant1-Tag2，…，Ant1-Tagm1；

Ant2天線號的數(shù)據(jù)：Ant2-Tag1，Ant2-Tag2，…，Ant2-Tagm2；

…………

Antn天線號的數(shù)據(jù)：Antn-Tag1，Antn-Tag2，…，Antn-Tagmn。

（3）天線陣列中的某根天線Antx的一次讀取標簽數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，讀取到w個標簽數(shù)據(jù)，命名為R1，R2，…，Rw。

步驟1：判斷Ri是否在Antx信息庫中（Antx-Tag1，Antx-Tag2，…，Antx-Tagm1）。

如果Ri在Antx信息庫中，則Ri=＞狀態(tài)未改變；

如果Ri不在Antx信息庫中，則查看Ri是否在所有天線陣列數(shù)據(jù)庫（Ant1～Antn）中，如果在數(shù)據(jù)庫中，說明Ri是串讀到的其他天線中的標簽，Ri=＞狀態(tài)未改變；如果Ri不在整庫中，則Ri=＞新增；

從R1輪詢到Rw結(jié)束。

步驟2：提取出Antx中原數(shù)據(jù)庫中的標簽數(shù)據(jù)，記錄為：Antx-Tag1，Antx-Tag2，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

依 次 在R1～R30中 查 找 Antx-Tag1，Antx-Tag2， …，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

如果在R1～R30中能找到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞狀態(tài)未改變；

如果在R1～R30中找不到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞取出。

通過上述比較分析可以在單天線讀取標簽后，準確定位出新增和減少的標簽。

進一步地，定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場強分布設(shè)計，如果場強分布不均勻，會帶來定位發(fā)生偏差的錯誤結(jié)果。

3 系統(tǒng)使用

將普通的近場天線應用在天線陣列定位標簽位置的場景中，以智能文件定位柜（長×寬×高=1 000 mm×360 mm×2 000 mm）為例進行實驗。該智能文件柜分為5層20個區(qū)域格，每個區(qū)域格布置一塊普通的近場天線，共20個近場天線陣列，對1 000本RFID文件進行定位結(jié)果測試，連續(xù)測試500次得到的定位結(jié)果顯示：串讀發(fā)生的概率5%以上；漏讀發(fā)生的概率在3%以上。

使用本文設(shè)計的雙饋點近場天線方式并結(jié)合定位算法對同樣的智能文件定位柜進行實驗，相同空間分布內(nèi)由原來的20個近場天線陣列變成了40個近場天線陣列，對1000本RFID文件進行定位結(jié)果測試，連續(xù)測試500次得到的定位結(jié)果顯示：串讀率低于0.1%；漏讀率低于0.5%。

4 結(jié) 語

本文針對RFID智能文件柜等應用的標簽串讀漏讀問題，提出一種基于近場天線陣列結(jié)合定位算法實現(xiàn)的精確定位方法。將所述天線組形成的天線陣列用在文件定位/物品定位等應用場景時，可嚴格控制每一個天線在本區(qū)域內(nèi)的場強分布的均勻度。基于該天線陣列，無源RFID讀頭讀取到的標簽信號強度分布均勻，避免漏讀和相鄰區(qū)域天線陣列之間的明顯串讀。同時結(jié)合定位算法，可將本文方法應用于基于RFID技術(shù)的多標簽定位場景中。