（测试计量技术及仪器专业论文）基于信号到达应答器的无源射频识别室内定位系统设计.pdf

中文摘要 随着无线技术、移动数据处理设备和智能技术的发展，这些技术的很多应用 都需要获取物体空间位置坐标。g p s ( 全球定位系统) 在开阔地带的定位己相当 成熟，然而，室内定位仍是无线定位技术的难题。目前，为了实现室内定位，很 多技术都被应用到这一领域，建立了各自的实验系统。 r f i d 技术，即射频识别技术，是通过无线射频方式进行非接触双向数据通 信，对目标加以识别。r f i d 技术具有非接触、非视距、易于网络集成等优点。 目前基于r f i d 的室内定位技术绝大多数根据阅读器所接收的电磁场强度判 断阅读器和应答器间的距离，进而实现定位。但是这种方法会带来较为严重的测 量误差，本文分析了误差的来源，包括：a g c ( 自动增益控制) 带来的系统误差 和反射干扰带来的随机误差。论文提出了一种新型的基于应答器定位方法：使用 应答器接收的信号强度测距定位，从而减小了误差。 当前进入市场的r f i d 室内定位系统多采用有源r f i d 应答器。与有源r f i d 应答器相比，无源r f i d 应答器具有成本低，寿命长，体积小，使用方便等诸多 优点。本文在基于应答器定位方法的基础上，设计出了一种新型无源r f i d 定位 应答器，对应答器电路功能进行了行为级仿真，对电路参数进行了优化。为配合 这种用于定位的基于无源r f i d 应答器，设计了用于定位的算法，并使用v c + + 语言对算法进行了验证。 关键词：室内定位射频识别无源应答器定位算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，m o b i l ec o m p u t i n gd e v i c e s ，a n d t h ei n t e l l e c t u a lt e c h n o l o g y , m a n ya p p l i c a t i o n sn e e dt ok n o wt h ep h y s i c a ll o c a t i o no f o b j e c t s t h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i saw i l d l yu s e dw i r e l e s sl o c a l i z a t i o n s y s t e m ，w h i c hc a nt r a c km o v i n go b j e c t so u t d o o r h o w e v e r , i ti ss t i l lac h a l l e n g et o l o c a t eo b j e c t sw i t h i nb u i l d i n g s d i f f e r e n ta p p r o a c h e sh a v eb e e np r o p o s e da n dt e s t e d f o rt h e i re f f e c t i v e n e s sa n du t i l i t i e si no r d e rt oa c h i e v et h ea b i l i t yt ol o c a t eo b j e c t s i n d o o r r f i dt e c h n o l o g yi d e n t i f i e so b j e c td e p e n d i n go nn o n - c o n t a c tb i d i r e c t i o n a ld i g i t a l c o m m u n i c a t i o nb yw i r e l e s sr fc a r r i e r ，w h i c hi sak i n do fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y r f i dt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fn o n - c o n t a c t ，n o n - l i n e o f - s i g h t ， e a s yt oi n t e g r a t e a tp r e s e n t ，m o s tr f i di n d o o rl o c a t i o nt e c h n o l o g i e sa d o p tt h es t r e n g t ho f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr e c e i v e db yr e a d e rt oi n d i c a t ed i s t a n c ea n dl o c a t i o n h o w e v e r , t h i sm e t h o dw i l lb r i n gs e r i o u sm e a s u r e m e n te r r o r sw h i c hi n c l u d es y s t e m a t i ce r r o r c a u s e db ya g ci nr e a d e ra n dr a n d o me r r o rc a u s e db yr e f l e c t i v ei n t e r f e r e n c e i nt h i s p a p e r , an e wr f i ds y s t e mw h i c hu s e st h es i g n a lr e c e i v e db yt r a n s p o n d e rt oi n d i c a t e d i s t a n c ei sp r o p o s e da n d d e s i g n e d i tc a nr e d u c et h ee r r o r sa n di m p r o v et h ea c c u r a c y b yf a r , m o s tr f i di n d o o rl o c a t i o ns y s t e m sa c c e s s i n gt h em a r k e ta l lu s ea c t i v e t r a n s p o n d e r c o m p a r e dw i t hi t ，t h ep a s s i v et r a n s p o n d e rl o c a t i o ns y s t e mh a st h e a d v a n t a g e ss u c ha sl o n gs e r v i c el i f e ，l o wp o w e r , l o wc o s ta n dn ob a t t e r y ，a n dh a sa c h e e r f u lp r o s p e c t b a s e do ns i g n a lr e c e i v e db yt r a n s p o n d e rl o c a l i z a t i o nm e t h o d ，t h e p a s s i v et r a n s p o n d e rc i r c u i tf o ri n d o o rl o c a l i z a t i o nw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e di nt h e p a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，c i r c u i tp a r a m e t e r sw a r eo p t i m i z e d i no r d e rt or e a l i z et h es y s t e mf u n c t i o n ，t h et h ea l g o r i t h mi sd e s i g n e da n dv e r i f i e d b yv c + + t h e t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o c a t i o na c c u r a c yc a nb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：i n d o o r - l o c a l i z a t i o n ，r f i d ，p a s s i v e - t r a n s p o n d e r , l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m - 1 1 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意； 学位论文作者签名：毛蹴 签字日期：锄卯7 年6 月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞苤茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毛旭瑞 签字日期：功田年6 月年日 剔谧轹q k 钢 签字魄吖年多月9 日 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 射频识别技术 第一章绪论 近年来，自动识别技术在许多服务领域，诸如在货物的采购与分配、商业贸 易、生产制造和物流领域中，得到广泛的普及和推广。自动识别方法的任务和目 的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息【l j 。 目前应用的自动识别技术主要包括条形码系统、光学符号识别系统、生物性 状识别、接触式i c 卡、r f i d ( 也称非接触式i c 卡) 。这些识别技术各自都具有 一定的优缺点及其适用的场合。条形码的成本最低，目前广泛应用于物品的外包 装上，但是有着包含的信息少，保密性差，功能单一的缺点。光学识别符通俗讲 是一种特殊的字体，可以通过专用的阅读器进行字体的鉴定，它的优点是信息密 度高，保密性强，应用于发达国家银行支票鉴定，缺点是生产和鉴定成本高，都 需专用的设备和软件，应用受到限制。现在用于实践的生物特征识别有语音、指 纹、虹膜等方法，生物特征识别是一种新兴的自动识别技术，有很大的研究和应 用空间，不过也存在只能识别生物个体、目前应用仍有困难等缺点。接触式i c 卡、磁卡的成本较高，数据存储量大，数据安全性较好，目前在银行、电信、服 务等行业有着广泛的应用，但是由于它和阅读器的接触点暴露在外面，本身很有 可能因静电或人为因素而遭到损坏【2 】。 射频识男j l j ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触式的自动识别 技术( a u t o i d ) ，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无 须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体并可同时 识别多个标签，操作快捷方便1 2 j 。 r f i d 的基本原理是电磁理论。与上述这些自动识别技术相比，r f i d 系统的 最大优势在于不局限于视线的非接触工作方式，识别距离比光学系统远，有源的 r f i d 系统识别距离可达几百米。射频识别卡具有可读可写的性能，可携带大量 数据，并且难以伪造。另外r f i d 独特之处还在于它适合于高速运动物体识别， 以及多个目标的同时识别，并且操作快捷方便，整个识别过程不需人工参与p j 。 因此，r f i d 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快 速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位以及长期跟踪管理。r f i d 第一章绪论 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。 r f i d 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运营效 率，降低成本。表1 1 为r f i d 与其他a u t o i d 技术优缺点的比划2 1 。 表1 1 各种识别系统优缺点的比较 光学符语音识射频识别 参数 条形码 生物识别i c 卡 号识别别系统 典型数据 1 1 0 01 一1 0 01 6 石4 k1 6 - - 6 4 k 量字节 数据密度小小高高很高很高 机器阅读 好好 费时间费时间好好 的可读性 个人阅读 受制约 简单容简单容 的可读性易易 困难不可能不可能 灰尘潮湿 很严重很严重 可能( 接 没有影响 的影响触) 光遮盖的全部失全部失 可能没有影响 影响效效 方向和位 很小很小 一个插入 置影响方向 没有影响 有条件有条件 用坏磨损接触没有影响 的的 未经允许 可能( 录 的复制修容易容易 音带) 不可能不可能不可能 改 阅读速度 ( 包括数 很低 很快 据载体的 低 4 s低3 s很低 5 s低 4 s 5 - 1 0 s- 4 ) 5 s 使用) 最大读写 0 - 5 0 c m l c m0 - 5 0 c m 直接接触直接接触 0 5 m 距离 r f i d 技术在国外发展非常迅速，产品种类繁多。在发达国家，r f i d 已经广 泛应用于工业自动化、商业智能化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火 车的交通监控，高速公路收费系统停车场管理系统，物品管理，流水线智能化， 安全出入检查，仓储管理，动物管理，车辆防盗等。2 0 0 8 年，r f i d 产品产值已 突破4 0 亿美元。图1 1 是全球r f i d 应用市场图1 4 。在中国，r f i d 起步晚，技 术发展相对缓慢。目前，射频识别技术主要运用于公共交通、校园、社会保障等 第章绪论 方面。我国r f i d 应用晟大的项目是第二代公民身份证【m 图l - 1r f i d 市场组成预测 总之，r e i d 技术结合其他高新技术。如g p s 、无线传感网络、由单一识别 向多功能、特种用途方向发展时，将结合现代通信和计算机技术，实现跨地区、 跨行业应用。 11 2 无线定位技术 无线定位技术是一项古老而又年轻的技术。定位通常是指确定地球表面某种 物体在某一参考坐标系中的位置。传统的定位技术和导航密不可分，导航是指引 导交通工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这一过程通常需要 定位进行辅助。 定位系统按照定位环境的不同可分为室外定位系统和室内定位系统。近年 来，g p s 、蜂窝网定位技术发展十分迅速，逐渐成为构成室外定位系统的主要技 术，尤其是g p s 接收机的价格不断下降，体积不断缩小，提供给普通客户的定 位精度不断提高，使得在室外开阔环境下，无线定位几乎到了完美的地步。 在实践中，人们对室内定位的需求与日俱增，甚至超过室外定位。机场、展 厅、写字楼、地下停车场等公共场所都需要使用准确的室内定位信息：物流业为 了实现对物资的高效管理，需要知道物品在仓库内的确切情况，另外在巷战，确 定建筑设施内人员位置、火灾现场温度和被困人员位置分布等军事、安防和消防 领域，对室内定位的需求一点不比室外定位逊色。 然而，卫星信号进入建筑时衰减剧烈，使得g p s 系统无法应用于室内定位： i。i 瑚 咐 啪 啪 蛳 瑚 o ce!e#：!) 第一章绪论 室内物品种类繁多，使得蜂窝网定位信号受干扰剧烈，无法提供确切的室内位置 信息。因此就目前现状，要想完成建筑物内的定位，需要建立独立的室内定位系 统。 据分析机构预测，无线定位技术市场2 0 0 5 2 0 1 0 年每年将保持8 0 的增长 率。因此，在未来几年，定位服务将逐渐演变成基础信息服务，同短信、语音、 数据通信服务一样自然融入各种信息服务中，与人们的生活和工作密切关联，无 线定位的市场巨大【5 j 。 1 2 射频识别技术历史、现状与发展前景 1 2 1 发展历史 r f i d 工作的基础是电磁波能量的传递和转化。无线的能量、功率传输( w p t ) 最早由n i k o l at e s l a 在1 8 9 9 年提出并进行研究，他在美国科罗拉多州科罗拉多泉 建立了实验室，试验取得了初步的成功，他用无线功率传输的方法点亮了距离发 射塔4 2 k m 的2 0 0 盏5 0 w 的白炽灯。由于当时的电子电气理论水平还处于起步 阶段，实验并没有进一步的进展【6 j 。直到1 9 4 8 年，h a r r ys t o c k m a n 发表的 “c o m m u n i c a i t o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r 1 7 直接继承雷达的概念，提出利 用反射功率通信，奠定了r f i d 的理论基础。此后，r f i d 主要经历了以下发展 阶段。 1 9 4 0 - 1 9 5 0 在对雷达进行改进和应用的基础上产生r f i d 技术，r f i d 应 用于二战时美军飞机的敌我识别，开创了r f i d 走向应用的先河。 1 9 5 0 - - 一1 9 6 0r f i d 技术的早期探索阶段，主要进行实验室研究方面。 1 9 6 0 - - - , 1 9 7 0 盯i d 技术的理论获得了进一步发展，开始进行应用实验。 1 9 7 0 , - - 1 9 8 0r f i d 研究加速，进行有关测试与实验，并开始出现早期的商 业应用。 1 9 8 0 ，- - 1 9 9 0r f i d 技术及产品进入主流商业应用阶段，开始出现成规模的 商用。 19 9 0 - - 一2 0 0 0r f i d 技术的相关标准开始出现，广泛开发r f i d 产品，r f i d 产品开始逐渐进入人们生活的每个领域。 2 0 0 0 至今 r f i d 标准化问题日趋为人们所重视，对r f i d 技术进行进一 步的开发与研究，r f i d 产品种类日益丰富，其成本不断降低，应用规模与领域 不断扩大，r f i d 进入快速发展时期【3 j 。 第章绪论 i2 2 射频识别技术发展应用现状 r f i d 技术在国外发展很快，r f i d 产品种类很多，像德州仪器、摩托罗孝盘、 飞利浦等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且各有特点，自成系列，我国在这 方面起步较晚，但经过几年努力，也已经研发出了具有自主知识产权的产品。 i 晷 图2 - 1 各种r f i d 产品( 左上：惠普和飞利浦联合生产的r f | d 标签：左下 2 0 0 6 世界杯应用r f i d 电子门票；右：t i 公司的各种r f i d 产品) 2 0 0 4 年全球r f i d 市场规模达到l8 2 亿美元，2 0 0 6 年突破4 0 亿，r f i d 在 国外的应用正在迅速的发展。2 0 0 5 年沃尔玛百货宣布所有供应沃尔玛百货的商 品装箱上都要有r f i d 电子商务标签，分析师估计这一举措可以每年为公司节约 供应链成本8 4 亿美元。欧洲国家高速公路设有电子收费站，只要凭着粘在车上 的电子标签，就可以直接通过收费道，自动扣款。英国机场已经应用r f i d 拄术 标明行李内物品，防止非法物品夹带。 中国史世界生产中心和晟具潜力的消费市场，我国已经开始在一些领域进行 r f i d 的推广实验，比如煤矿工人安全帽上佩戴r f i d 标签可以解决井下安全问 题邮政行业也在进行物品传输的安全及整体数据模型的应用测试。r f i d 技术 也应用到了城市公交、校园卡等领域。我国最大的r f i d 项目是二代身份证使用 了射频标签。 1 2 3 目前射频识别技术主要研究方向 目前，r f i d 技术的主要研究集中在推广研究、核心技术研究和应用研究几 第一章绪论 个方面。 r f i d 的推广研究主要包括： ( 1 ) 频段的选择和标准的制定。 为了实现对世界范围内的物品进行统一管理，同时也为了规范标签及读写器 的开发工作，解决r f i d 系统的互联和兼容为题，必须对r f i d 技术进行规范。 但到目前为止，r f i d 国际和国内标签都还尚未形成。当前主要的r f i d 相关规 范有欧美e p c 规范、日本u i d 规范和i s 0 18 0 0 0 系列标准。 ( 2 ) 标签生产成本。 r f i d 标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。r f i d 标签的成本主要 由i c 芯片、天线和封装等几部分构成。随着集成电路技术的进步和应用规模扩 大，r f i d 标签的成本将不断降低。根据a u t o i d 中心的预测，在大规模生产的 情况下，r f i d 标签生产成本最低能降到5 美分，其中i c 芯片约2 美分，、天线约 l 美分。随着“世界工厂”中国的半导体制造行业的兴起，标签成本有望进一步 降低。可以预见，未来标签成本将不是r f i d 推广的制约因素。 r f i d 的核心技术研究主要包括： ( 1 ) 应用环境的影响： r f i d 技术的应用受其周边环境的影响很大，例如水和金属会影响信号的通 讯，水对r f 信号有着极强的吸收作用，而金属则对r f 信号有着很强的反射作 用。因此，不同种类的产品和r f 信号之间的交互作用是不同的，例如一货盘金 属易拉罐饮料与一货盘面包，其对r f i d 标签的影响作用是完全不同的，开发人 员必须为不同种类的产品设计和选择最为适合的r f i d 技术解决方案。此外，标 签的摆放位置也会对其自身极化方向产生影响，进而对识别距离产生极大影响。 ( 2 )信息安全与隐私保护： 从理论上讲，任何人都可以实现对r f i d 标签的远距离识别和信息阅读，甚 至是信息写入，这就直接导致了信息安全与隐私保护问题。目前，针对这一问题， e p c g l o b a l 和i s o 已经在其最新制定的r f i d 标准中包含有“k i l l 命令，通过使 用该命令可以使r f i d 丧失功能，使得阅读器无法对标签内的数据信息进行操作。 i b m 公司也开发出一种称为“裁剪标签”( c l i p p e dt a g ) 的技术，消费者可以将 r f i d 标签的天线扯掉或刮除，使得标签不能被随意读取，从而使得信息受到保 护。在我国正在推广使用的第二代公民身份证( 符合i s o1 4 4 4 3 标准) 中则采取 了加密模块保护的方式，通过专用阅读器才能读取身份证中的公民信息，从而使 得保护公民的隐私获得保护。在未来，随着r f i d 应用范围的不断扩展，信息安 全与隐私保护问题将变得愈来愈重要。 ( 3 ) 功耗问题： 第一章绪论 开发低功耗的r f i d 标签不仅可以扩展标签的使用距离，还可以延长标签的 使用寿命，进而降低整个系统的成本。随着低功耗i c 技术的进一步发展，必将 推动低功耗小型无源r f i d 标签的研发瞵j 。 r f i d 的应用研究。 r f i d 标签对物体的唯一标识特性，引发了人们对基于r f i d 技术的应用研 究热潮。更为重要的是，标签具有可读可写的性能，可以对该唯一标识进行信息 的交换。目前，r f i d 的应用研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 用于测量距离。 利用电磁波在传播过程中的衰减和方向性，可以确定标签和阅读器的距离。 宝马汽车公司设计的c a r - 2 xc o m m u n i c a t i o n 的人车沟通技术，就是应用r f i d 实现测量人车之间的距离，车辆行驶过程中持续发出2 4g h z 射频无线电磁波， 此时，在行人随身佩戴的电子标签若在电磁波感测范围内，就会持续将电子标签 内的芯片数据回传给车载读码器，若r f i d 系统侦到测行人进入车辆行驶路线时， 将立即透过车辆h u d 抬头显示器的警报系统，以闪避与刹车动作避免撞击行人 意外，或降低撞击伤害程度1 9 j 。 ( 2 ) 和无线传感网络结合 用r f i d 标签构成湿度传感器测量环境湿度。用对湿度敏感的聚合物材料做 成r f i d 标签天线，湿度可以改变天线容抗等参数，可以改变天线的谐振频率， 测出谐振频率的变化就相当测出了湿度 1 0 - 1 1 。在温度传感器方面，把测量温度 的温度传感器与r y l d 标签芯片集成 1 2 - 1 4 ，主要采用两种方法，一种是在原标 签集成电路中增加一个对温度敏感的电路；另一种是在原电路的内部振荡器使用 温度敏感型，温度变化改变振荡器的频率，用频率指示温度。由r f i d 的阅读器 构成传感网络的节点，组成无线传感网络l l 引。 ( 3 ) 室内定位 目前室外开阔环境下的定位已由日臻完善g p s 定位系统完成，但是精确地 室内定位难题仍然是研究热点。据报道，法国已在消防系统进行试验，将消防员 头盔上佩戴r f i d 传感器，用来确定消防员在建筑物内的位置和温度信息，以便 消防指挥人员指挥消防队员协同工作【5 j 。另有报道，在2 0 0 8 年以色列和哈马斯 的战斗中，以特种部队士兵携带r f 收发设备，用于巷战时的敌我识别和协同作 战。目前已经投入市场的l a n d m a r c 定位系统可将距离远近分为8 个等级， 使用“最近邻居算法”对标签的位置进行估计和拟合，提高了定位的精度，成为 第一套投入市场的可以完成室内定位的r f i d 系统1 1 引。 第一章绪论 1 3 室内定位技术简介 为了实现自动化和智能化，人们总要感知空间中的设备或人的位置信息。如 前文所述，在室外开阔的环境，采用差分定位的g p s 定位精度已达毫米量级【l7 1 ， 已经基本满足了需要。然而室内定位仍是亟待解决的课题。本节介绍目前室内定 位常用的技术。 ( 1 ) 超声波 c r i c k e tl o c a t i o n s u p p o r ts y s t e m 1 8 】和a c t i v eb a t f l 9 1 是采用超声波定位的两个 典型例子，它们采用超声波时延信息进行定位。其优点在于整体定位精度较高。 c r i c k e t 可以对4 4 英尺的区域进行精确定位，而a c t i v eb a t 对于b a t 定位时， 在o 9 5 概率条件下的定位精度可以达到9 c m 。但是随着定位精度要求的提高， 这些系统需要大量的底层硬件设施投资，成本高f 2 0 j 。 ( 2 ) 红外线 o l i v e t t i 研究实验室的a c t i v eb a d g e l 2 1 】系统采用红外线技术实现室内定位。 直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差阱】。 ( 3 ) 计算机视觉一立体视觉法 立体视觉是计算机视觉中的一种。立体视觉直接模拟了人类视觉利用双眼处 理景物的方式，可以从多幅二维图像中灵活获取物体的三维信息，其作用是其他 计算机视觉方法所不能取代的，它将过去的二维图像分析推广到了三维景物。近 年来，立体视觉在机器人视觉、航空测绘、军事应用、工业检测中的应用越来越 广。 立体视觉的基本原理是从两个( 或多个) 视点观察同一景物，获取在不同视角 下的二维图像，通过三角测量原理计算图像象素之间的位置偏差，获取景物的三 维信息。常用的由两个性能、结构相同的c c d 摄像机构成的双目视觉测量系统 中，两台c c d 摄像机分别从两个不同的角度拍摄被测物体的图像，将物体上同 一点在左右摄像机拍摄的图像中对应的象素点一一对应起来，通过同一点在左右 图像中的相差计算出物体上点的三维坐标。 立体视觉三维测量技术以其方便性和实用性，己成为当今研究的热点，尤其 是双且传感器以结构简单、使用方便、速度快、精度高等诸多优点被成功的用于 工业检测、物体识别、工件定位等诸多领域【2 3 1 。 ( 4 ) 基于i e e e 8 0 2 1 l 标准的r a d a r 系统 采用标准的i e e e8 0 2 1l 网络的经典室内定位感知系统是r a d a r 系统。该 系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，其主要优点在于易于安装、需 要很少基站和采用相同的底层无线网络结构。但是，到目前为止，系统总精度不 第一章绪论 尽如人意。比如，r a r d a r 系统中物体以o 5 0 的概率分布在3 米范围，而相同 概率条件下的信号分布精度为4 3 米【2 2 1 。 ( 5 ) r f i d 最近，随着r f i d 技术的兴起，对r f i d 标签的定位跟踪日益受到关注。r f i d 技术由于其非接触和非视距，成本较低，传输范围大等优点有望成为室内目标跟 踪定位的首选。u h f 频段r f i d 系统的典型阅读距离为4 m 6 m ，故r f i d 的室 内定位技术多采用u h f 频段工作方式。 典型的r f i d 室内定位系统是l i o n e lm n i 等人研制的l a n d m a r c 系纠m j 。 该系统系统主要由多个有源主动式应答器( a c t i v et a g ) 和阅读器( r e a d e r ) 组成。应 答器在该系统中有两种功能：一种作为定位参考点，相当于信标的作用，我们称 之为参考点应答器( r e f e r e n c ea c t i v et a g ，r a to 另一种是贴在被定位物体或人身 上，我们称之为被定位应答器( p o s i t i o n e da c t i v et a g ，p a t ) 。系统将r a t 固定在 室内已知坐标的位置上，由同样安放在固定位置的r e a d e r 记录下r a t 发送过来 的电磁波能量值。当携带有p a t 的物体进入室内时，r e a d e r 检测p a t 发送的能 量值并与之前记录的值进行比较，最终得到被定位物体的位置。 该定位技术稳定性较高，但需要通过增加r a t 的方法以提高定位精度，增 加了系统成本。且一旦室内环境发生变化，就必须重新进行t a g 布局以及电磁波 能量的测量【2 引。 r f i d 定位系统和上述几种室内定位方法相比精度不算最高的，但是r f i d 系统，尤其是无源r f i d 有着特有的有优点：成本低，非视距，结构简单，操作 简单便于推广；更具有上述系统不具有的特点：一对多，r f i d 标签可读可写， 可以和阅读器进行信息的交换，并且很容易由多组标签和多个阅读器组成无线传 感器网络。r f i d 定位系统也存在着易受干扰、定位精度低的缺点。本文将对这 两个问题进行讨论，提高性能，提出一种新型的r f i d 室内定位解决方案。 1 4 本文主要研究问题和结构 本文对现有r f i d 定位技术进行综合分析和论述，分析现有方法的定位误差， 进而提出一种基于无源应答器的信号到达应答器定位方法，并推导论证该方法可 减小反射干扰造成的定位误差。本文将设计一种实现该定位方法的应答器电路， 进行电路行为级仿真，并对仿真结果进行分析。由于目前的r f i d 阅读器不具有 直接读取距离信息的功能，为配合这种具有定位功能的标签，将设计定位算法， 搭建阅读器定位系统，并应用v c + + 验证算法的可行性。 第二章射频识别室内定位技术 第二章射频识别室内定位技术 2 1 射频识别系统构成 2 1 1 系统结构概述 一般来说，r f i d 系统主要是由应答器( 也称作电子标签或者t a g ) 、阅读器 ( r e a d e r ) 、和数据处理终端( p c ) 组成的。其组成如图2 1 【2 5 】所示： 幽 瞳参 0 ；凶 缓0 九蟾 嘲徽敬天线 图2 1r f i d 基本模型图 r f i d 系统在工作的时候就是利用无线电波来进行通信的一种自动识别技 术。其原理就是利用阅读器和物体上的标签之间的电感耦合或者是电磁耦合来进 行数据通信，以达到对标签物品的数据登记和处理。这种工作方式使得r f i d 技 术有了存储容量大、可读写、穿透力强、识别距离远、识别速度快、使用寿命长、 环境适应性好、多标签同时识别等特点。而这些优势是多项技术综合发展的结果， 它包括：a s i c 技术、天线技术、无线收发技术、数据变化和编码技术、电磁传 播技术和雷达技术。 2 1 2 应答器( 电子标签、t a g ) 电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物体 上，它所存储的信息通常可以被阅读器通过非接触的方式“读或者“写 。 营 第二章射频识别室内定位技术 图2 - 2 r f i d 应菩器( 标签) r f i d 应答器可以有很多的分类方式，结合本文所用的概念，一般按供电方 式可以分为有源、无源、半有源等三类 “i ： 1 有源标签：内部装有电池，一般具有较远的阅读距离，其阅读距离最远 甚至几十米甚至上百米，不足之处是带有电池而且电池的寿命有限，大多为3 i o 年- 在实际应用中需要不断进行维护并且有一定的失效率，其成本也就相对 较高，一旦电池失效标签即丧失功能，而且有源标签的体积也比较大。一般应用 在对性能要求较高、读写距离要求较远的场合。 2 无源标签：内部没有电池，主要通过接收阅读器发出的r f 信号，将r f 电磁波能量转化为直流电源提供给芯片工作，而标签通过负载切换或反向散射的 方式与阅读器实现通信。尽管在阅读距离等方面会受到一定的限制，但与有源标 签相比，无源标签具有较为低廉的成本以及广泛的适应性，使其在物流、车辆管 理、仓储管理、零售业等领域有着广泛的应用。无源标签体积，小重量轻，但是 其发射距离受到限制，一般是几十厘米到数十米，需要阅读器有较大的发射功率。 3 半有源标签：与有源标签类似内部设有电池，或者供电设旌，通常情 况下可以作为有源标签使用】0 年以上在电池耗尽后可以继续作为无源电子标 签使用从而进一步降低成本，延长了标签的使用寿命，并节省了资源。有源工 作条件下，其工作距离大于1 0 m 。半有源标签形式多样，可以有效替代有源标签， 成为r f j d 电子标签一个新的研究领域。 此外，标签还有很多其他的分类方法，例如根据工作频率分为低频、高频、 超高频；根据标签的可读可写性分为只读、读写型；根据标签的阅读器的通信模 式分类等。 第二章射频识别室内定位技术 2 1 3 阅读器( 读写器、r e a d e r ) 阅读器在射频识别系统中起着举足轻重的作用。阅读器是负责读取或写入电 子标签信息的设备。阅读器可以是单独的整体，也可以以部件的形式嵌入到其他 的系统中去。它可以单独具有读写、显示的功能，也可以与计算机或者其他的系 统联合，完成对射频电子标签的操作。 绝大多数射频识别系统是按电感耦合的工作原理工作的。阅读器在数据管理 系统的控制下发送一定频率的射频信号，当电子标签进入电磁场时产生感应电流 获得能量和数据，发送自身编码等信息。该信息被读写器读取并解码后送至管理 系统进行处理。这一信息的收集和处理是以无线的方式进行的。 阅读器是r f i d 系统的重要组成部分，它实现对电子标签的控制和通信。阅 读器主要完成以下功能。 ( 1 )阅读器和电子标签的通信功能：在特定的技术条件下，读写器与电子 标签之间可以进行通信。 ( 2 )阅读器与计算机之间可以通过标准接口( 例如r s 2 3 2 ) 进行通信。 阅读器可以和计算机网络连接，实现标签信息在网络中的运行。 ( 3 ) 实现在读写区多电子标签同时读取，具备防冲突功能。 ( 4 ) 适用于固定或者移动的电子标签读取。 ( 5 )能够验校读写过程中的错误信息。 ( 6 )对于有源电子标签，能够表示电量等信息。 ( 7 )具有r f i d 系统应用拓展功能。 阅读器和电子标签的所有行为均由应用软件控制完成。在系统结构中，应用 软件作为主动方对阅读器发出读写指令，而阅读器作为从动方对应用软件的读写 指令做出回应。回应的结果就是对电子标签做出相应的动作，建立某种通信关系。 因此相对于电子标签，阅读器变成指令的主动方。 在r f i d 系统工作过程中，应用软件向阅读器发出读取指令，作为响应，阅 读器和电子标签建立通信联系。阅读器出发电子标签，对电子标签进行身份验证， 然后电子标签传回阅读器要求的数据。 因此，阅读器的基本任务是触发作为数据载体的电子标签，与电子标签建立 通信联系，并在应用软件和非接触的数据载体见传输数据。 阅读器可将主机的读写命令传到电子标签，再把主机发往电子标签的数据加 密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。各种读写器虽然在耦合方式，通信 流程，数据传输方法等方面有着差别，但是在功能原理和结构上，都十分相似。 如图2 3 所示。 第二章射频识别室内定位技术 髑2 - 3 形形色色的r f i d 阅读器 阅读器般由天线、射频模块和读写模块构成。 ( 1 ) 天线 天线是发射和接收射频载波信号的设备。在确定的工作频率和带宽下，天线 发射由射频模块产生的射频载波，并接收从电子标签发射或者反射回来的射频载 波。 ( 2 ) 射频模块 射频模块有射频振荡器、射频处理器、时钟电源、射频接收器以及前置放大 器组成。射频模块可以发射、接收射频载波。射频载波信号由射频振荡器长生井 被射频处理器放大。该载波通过天线发射。射频模块将天线接收的载波信号解调 后送给读写模块。 ( 3 ) 读写模块 般由放大器、解码及纠错电路、时钟电路、标准接i z l 以及电源组成，它可 以接受射频模块传输的信号，解码后获得电子标签内的信息。或将要写入电子标 签的信息编码后传给射频模块，完成电子标签的操作。还可以通过标准接口将电 子标签内容和其他信息送给主机。 2 1 4 客户主机、服务器与通信网络 在r f i d 系统中，客户机主要用于实现与阅读器之间的通信功能，阅读器可 以通过r s 2 3 2 4 8 5 等标准接口与客户机进行通信，进而通过通信网络与服务器进 髭叫9 第二苹射舶识别坐内定似技术 行连接，通过服务器对数据进行记录井实现对数据库的管理，从而构成个完整 的信息管理- 1 7 台。 2 2 射频识别系统工作原理 射频识别系统的萆本模型如目2 - 4 所示。电子标签和阅读描之问通过耦台元 件实现能射频信号的空间耦合：在耦合通道内根据时序关系，寅现能量的传递 和数捂的交换。 图2 - 4 , r f d 的基奉工怍模型 在r f i d 系统中，阅读器和应答器一般利用反向散射调制实现能量的传递。 电磁波从天线向周围空川发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能量一部分 被目标吸收另一部分以不同的强度散射到各个力向上去。反射能量的韶分最 终返凹发射天线。在雷达技术叶 ，用这种反射测量目标的距离和方位。 对射频识别系统来说，可以采用反射调制的系统，利用电磁被发射完成从电 于标签到阅读器的数据传输。这主要是应用在9 15 m h z 、2 , 4 5 g h 或者更高频率 的系统中。 f 1 ) 阅读器到电子标签的能量传输。o 在趴离阅读器r 的电子标签处的功率智度为： 。耳、g 、 e r p 4 ”足。4 z r r 。 r ，1 、 式中，。t ay , j 阕读器的发射功率：。n 为阅读器发射灭线的增益：r 是标箍 到阅读器天线闻的距离：e i r p 为天线有效辐劓功率，足指阅读器发射功率和无 线增益的乘租； 第二章射频识别室内定位技术 在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签司以吸收的最大功 率与入射波的功率密度s 成正比，可以表示为： 2a s f 2 2 1 其中，彳e 。云，g t a gi f ；3 电子标签的天线增益。入是射频信号波长 所以有： 邓= 等s = 一吒( 击) 2 亿3 、 无源射频识别系统标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写阅读距离越短。 性能越差。现代低功耗设计技术使电子标签的功耗逐步降低，这使得无源电子标 签的识别距离达到1 0 米以上。 ( 2 ) e g 子标签到阅读器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射截面。成正比。它是目标反射电磁波能 力的测度。散射截面取决于一系列参数，例如目标的大小、性状、材料、表面结 构以及波长和极化方向等。电子标签返回的能量为： p n 掀= s o = p 斗r x 腊g r x 仃1 = 丽e i r p 矿 ( 2 - 4 ) 所以返回阅读器的功率密度为： 2 丽p r x g r x 。r ( 2 _ 5 ) 接收天线的有效面积以= 五2 ( 4 万) ，其中，为接收天线增益，可以 得到接收功率为； 伽笮萨 ， 式( 2 5 ) 表明，如果以接收的标签反射能量为标准，反向散射的射频识别系统 的作用距离与读写器发送功率的四次方成反比【2 6 1 。 第二章射频识别室内定位技术 2 3 射频识别系统用于室内定位技术 定位算法是实现e l 标定位的重要技术，在室内定位系统中是不可或缺的。根 据具体的定位机制，可以将现有的室内定位定位方法分为两类2 7 】：基于测距的方 法和不基于测距的方法。 基于测距的定位机制需要测量未知节点与已知位置的节点之间的距离或者 角度信息，然后使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算未知节点的 位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信 息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。 常用的无线测距定位技术有：到达时间信息定位、到达角定位、到达信号强 度信息定位。 2 3 1 到达时间信息定位 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( t o a ) 和到达时间差定位 t d o a 。 ( 1 ) t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 到达时t o a 技术通过测量信号传播时间来测量距离。在t o a 方法中，若电 波从已知位置节点到未知节点的传播时间为t ，电波传播速度为c ，则已知位置 节点到未知节点的距离为t x c 。t o