RFID定位技术与实现教学设计系统的关键技术之定位技术.ppt

rfid定位技术与实现 教学设计 物流信息系 米志强 2011.8.9 一、教学引入 二、 rfid定位技术概述 三、 rfid无线定位方法 四、基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 主要内容 一、教学引入 rfid定位赛鸽赛鸽 位置案例 医院定位示意图 人员医院定位示意图 讨论与分析 1、定位技术术的基本原理是什么？ 2、请简单说请简单说 明有哪些定位技术术？ 二、 rfid定位技术概述 定位管理被认为是无线射频识别技术(rfid)的一个重要 发展方向，rfid技术在实现定位管理系统的灵活性、可维 护性和可扩展性方面具有巨大的潜力。基于rfid的定位管 理系统必须能够根据不同应用的需求进行快速部署,并且能 够快速有效地生成位置信息。 rfid定 位技术术 二、 rfid定位技术概述 （1）gps卫星定位技术 gps是美国从20世纪纪70年代开始研制的系统统，于1994年建成。 gps是一套具有在海、陆陆、空全方位实时实时 三维导维导 航与定位能力的新 一代卫卫星导导航与定位系统统，具有全天候、高精度、自动动化、高效益等 显显著特点。 常见的定位技术 随着各个领域中对定位管理要求的显著突出，定位 技术的研究也日趋成熟，其中gps、wi-fi和rfid技术较为 成熟。主要定位技术进行分析和比较： 二、 rfid定位技术概述 常见的定位技术 gps卫星定位技术的原理 从整体上说，gps主要由三大部分组成：空间部分、控制部分、用户部分 。 空间部分由卫星星座构成。系统由24颗位于高空的卫星群提供信息。各个 卫星以55等角均匀地分布在6个轨道面上，并以11小时58分的时间周期环 绕地球运转。在每一颗卫星上都载有位置及时间信号。 客户端的gps设备，在地球上任何地方都可以接收到至少5颗卫星的信号 。 控制部分由地面卫星控制中心进行管理。 用户部分则追踪所有的gps卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标 、移动速度及时间，garmin gps即属于此部份。 gps卫星定位技术的精度与应用分析 目前gps系统提供的定位精度是优于10米，虽然gps定位系统发展的比较 成熟，在民用领域中的应用也越来越广泛。但由于gps定位原理的限制 ,gps接收器至少要从3个卫星上获取信号，然后根据信号画出三角坐标。 在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，这时候 gps的接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫 星之间，gps的接收效果就会很差。 二、 rfid定位技术概述 常见的定位技术 （2）wi-fi定位技术 wi-fi定位技术的原理 wi-fi网络络会像gps卫卫星一样发样发 出信号。wi-fi设备设备 先是搜索信号，之后 通过过以前就识别识别 出来的连连接或者一系列可用连连接来接驳驳到wi-fi网络络。这这 个搜索过过程和gps接收器搜索卫卫星信号并无区别别。不过过，装有wi-fi设备设备 的电脑电脑 搜索的是地面上的wi-fi无线线网络络的信号。 wi-fi定位技术的精度 在室外，由于接入点不普及，以及接入点位置不明确，定位精度不理想。 在室内，采用各种定位方式，对环对环 境因素的适应应性不同，一般可以达到3 米到15米不等。 wi-fi定位技术的应用分析 虽虽然比起gps定位技术术，wi-fi定位技术术有一定的优势优势 ，这这些优势优势 在场馆场馆 建筑内的定位实现实现 中更为为明显显。但wi-fi定位技术术也有其局限性。由于ap 所发发送的无线线信号的工作频频率为为2.4ghz，很容易受到环环境因素的影响， 无线线信号会被环环境中的一些元素所消减。因此，这这些因素对对于wi-fi定位 精度有不可估计计的影响。 二、 rfid定位技术概述 常见的定位技术 （3） rfid定位技术术 无源标签的定位原理：在使用无源标签进行定位的时候，常常使用辅助 标签来提高定位的精度。辅助标签的部署和使用如图7-21所示 二、 rfid定位技术概述 （3） rfid定位技术术 根据场所的具体情况，按需要均匀的部署辅助标签和读写器 。一般可以通过两种途径来表示辅助标签离读写器的距离远近。 第一种方法是使用可以通过调节能量层来调节读写距离 的读写器，每一个辅助标签在何能量层上被读写器读取到 ，这一能量层数据就表示出这个辅助标签离读写器的距离 的远近。能量层数据越小，辅助标签离读写器越近；能量 层数据越大，辅助标签离读写器越远。 第二种方法是根据读写器发送信号至读取到标签信息 之间的延迟来表示辅助标签离读写器的距离的远近。延迟 时间越短，辅助标签离读写器的距离越近；延迟时间越长 ，辅助标签离读写器的距离越远。 二、 rfid定位技术概述 （3） rfid定位技术术 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下 三种： 第一种方式是标签定时回报方式：可以在电子标签设定 定时回报，将识别号码定时传回读写器。 图7-22定位方式：a.定数回报 b.主动搜索 c.指位器 二、 rfid定位技术概述 （3） rfid定位技术术 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下 三种： 第二种方式是读写器主动搜索方式：利用读写器主动去 搜寻覆盖范围内的电子标签。如图7-22b所示，上图中紫色 区域为读写器的读取范围，当携带标签的人员进入该区域 ，读写器就可以获得该人员的标签信息，人员的位置信息 就被记录下来。一般，这种定位方式的定位精度是由读写 器的读取范围来决定的。当需要调整定位精度的时候，可 以通过多个读写器协同工作，然后根据一定的算法，获得 人员的位置信息。 三、 rfid定位方法 工作在uhf频段的rfid系统可以借鉴比较成熟的 无线定位方法。与传统的无线定位方法一样，按照定 位方式的不同，rfid定位方法可分为三大类:时间信 息定位(toa和tdoa)、信号强度信息定位(rssi)和 到达角度定位(aoa)。 三、 rfid定位方法 1.利用到达时间时间 信息的定位方法 在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线 电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分 为到达时间定位(toa)和到达时间差定位(tdoa)。 (1)toa定位方法 由于己知电电磁波在自由空间间的传传播速度c(3l08m/s) ，若阅读阅读 器测测得电电磁波从标签标签 到阅读阅读 器的传传播时间时间 tl 、t2、t3，则标签则标签 到各阅读阅读 器的距离即为为 ri=cti(i=1，2，3)。且系统统已知阅读阅读 器的位置坐标标(xi， yi)，根据几何原理，标签标签 一定位于以阅读阅读 器i所在位置为为 圆圆心，ri为为半径的圆圆周上，即标签标签 位置(x0，y0)与阅读阅读 器位置(xi，yi)之间满间满 足如下关系: 三、 rfid定位方法 1.利用到达时间时间 信息的定位方法 联立方程式就可以求出标签的位置坐标(x0，y0)。 图7-23基于toa定位 三、 rfid定位方法 1.利用到达时间时间 信息的定位方法 在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线 电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分 为到达时间定位(toa)和到达时间差定位(tdoa)。 (2)tdoa定位方法 阅读器reader1、reader2与标签之间的距离差可以通过测量得出 ，即通过测组从两个阅读器同时发出的信号到达目标标签的时间差t21 来确定。r21=c.t21其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据几何原 理，在己知阅读器bs1、bs2和标签之间的距离差时，标签必定位于 以两阅读器reader1和reader2为焦点、与两个焦点的距离差恒为r21 的双曲线对上。当同时知道阅读器reader1、reader3与标签的距离 差r31=c.t31时，可以得到另一组以两阅读器reader1和reader3为焦 点、与该两个焦点距离差为r31的双曲线对上，如图7-24, 三、 rfid定位方法 1.利用到达时间时间 信息的定位方法 图7-24 tdoa双曲线 定位方法 三、 rfid定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路。 如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据friis 传输理论空间任一点的接收功率或场强(功率正比于场强的 平方)仅与距离有关。自由空间传播模型为: 三、 rfid定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路。 如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据friis 传输理论空间任一点的接收功率或场强(功率正比于场强的 平方)仅与距离有关。自由空间传播模型为: 其中，pt表示标签的发射功率，表示第i个阅读器接收到的功率，表 示电磁波的波长，gt，分别表示标签及第i个阅读器天线的增益，di是 标签到第i个阅读器的距离。在实际系统中，由于pt，gt，都是已知 的，而只又可以测量得到，因此可以根据(7.16)式计算出标签到阅读器 距离di。 三、 rfid定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 上图中三个阅读器reader1、reader2、reader3的位置坐标均已知， 通过测量标签到达阅读器的电波功率可以由式(7.16)计算出三个阅读器 到标签的距离d1、d2、d3。这样标签的位置就在分别以三个阅读器为 圆心，d1、d2、d3为半径的圆的交点处。 图7-25基于场 强的定位方法 三、 rfid定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。 (1)经验经验 定位 采用经验经验 定位时时物体定位的全过过程分为为两个阶阶段:数据收集阶阶段和数据处处理阶阶段 。 第一个阶阶段是离线线状态阶态阶 段，即数据收集阶阶段。在系统统覆盖的范围围内取一些关 键键的位置作为为参考点pn(n是参考点的总总数)，然后把移动终动终 端摆摆在这这些位置确 定的参考点上，系统统中的三个阅读阅读 器分别别接受到移动终动终 端的发发来的信号强度s1 、s2、s3，三个阅读阅读 器接受到的信号强度和移动终动终 端当前的所在的参考点的位 置信息一并发发往后台数据库库。数据库为给库为给 参考点建立这样这样 的数据记录记录 (s1，s2 ，s3，pn)n从1取到n。可以看出这这个过过程是个学习积习积 累经验经验 的过过程，参考点的 数目和位置的选选取会直接影响到物体定位的精度。 第二阶阶段是数据处处理阶阶段，即实时实时 的物体定位过过程。当移动终动终 端处处在某个位置 时时，系统统中的三个阅读阅读 器将测测得rf信号强度(s1，s2，s3)和当前时间时间 t作为时为时 间间戳一起送往数据库库，这这个时间时间 戳用于对对移动动的物体进进行实时实时 的追踪。数据库库 将送来的(s1，s2，s3)依次与每条记录记录 (s1，s2，s3，pn)做r=sqrt(s1- s1)*(s1-s1)+(s2-s2)*(s2-s2)+(s3-s3)*(s3-s3)，找出r值值最小的k条记录记录 ，这这k 位置的均值值就是估算出来的物体位置。 三、 rfid定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。 (2)信号传传播模型定位 信号传传播模型定位的目的是减少定位对经验对经验 数据的依赖赖 。结结合具体的应应用环环境在rayleigh衰减模型、rician分布模 型等中选选取一个或者设计设计 一个新的信号传传播模型，利用合适 的信号传传播模型为为参考位置计计算出理论论上的信号强度。实实 时时的定位过过程与经验经验 定位相似，不同之处处是r值值是由接受信 号强度和按传传播模型算得强度来计计算的。虽虽然信号传传播的定 位精度不如经验经验 定位，但是不需要经验经验 定位在离线阶线阶 段做 的大量测测量工作。 三、 rfid定位方法 3.利用到达角信息定位方法(aoa) 到达角(aoa-angle of arrival)定位方法是每一个阅读器 都安装天线阵列，阅读器通过阵列天线测出从标签到2个以 上阅读器的传输路径的到达方向(电波的入射角)来获得位置 信息。 图7-26接收信号到达角的确定 三、 rfid定位方法 3.利用到达角信息定位方法(aoa) 如图7-22所示，通常标签处于天线阵元的远区场，因此可 近似地将标签的来波波前看作是平面波，则间隔位置为d的 相邻阵元所接收到的来自同一标签的到达角为。的相位差 为 其中表示空中传播的无线信号的波长。 根据前面测量不同阵元接收信号的相差，可 得到来波信号的到达角。根据两个阅读器接 收到同一个标签tag信号的到达角信息，可 以利用几何知识计算出标签的位置。如图7- 27所示，阅读器reader1、reader2测得的 无线电波的到达角为1、2，标签位于分别经 过阅读器reader1、reader2且以tan(1)、 tan(2)为斜率的直线交点处。 图7-27 aoa定位方法 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 信号强度（rss ） 通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离 根据信道模型求解距离： 信道的时变特性： 信道由于受到多径衰减（multi-path fading） 非视距阻挡（non-of-sight bloc