（微电子学与固体电子学专业论文）基于最近邻居标签的无源rfid定位系统的设计.pdf

摘要 定位系统按照定位环境的不同可分为室外和室内定位系统，室内定位就是要 在室内的环境下追踪确定目标的位置，由于受空间限制和物品摆放等各种因素的 影响，室内定位环境通常比室外环境更为复杂，现有的很多定位系统，如基于红 外线、超声波和蓝牙等技术的定位系统，其定位精确度经常达不到要求，且系统 成本较高，而射频识别技术以其非接触、非视距、定位精度高且成本低等优点， 已经成为室内定位领域的优选技术，并受到人们越来越多的关注。 本文首先对射频识别相关技术进行了介绍，对现有的室内定位技术进行了探 讨，对应用于室内定位的各种现有算法进行了广泛的研究，比较了各种算法的优 劣与适用性，最终选用了基于l a n d m - 6 眦的最近邻居标签定位算法作为本文 所设计的射频识别定位系统的定位算法，并对该算法进行了分析与改进。硬件上 基于i n t e l 公司的r 1 0 0 0 射频开发平台，采用多天线时分复用的工作方式，同时 利用r l0 0 0 平台可二次开发的特点，将本文所采用的定位算法以在平台上开发 应用程序的形式与硬件平台进行了软硬件协同配合。 最终应用该软硬件系统平台对定位算法进行了实际的测试，对算法在各个参 数下测试的定位数据进行了比较与分析，给出了各种参数下的定位误差概率分布 直方图与累积分布曲线。其中，在无障碍物的环境里，选择3 对天线，4 个最近 邻标签的情况下，平均定位误差为0 2 5 m ，且误差小于0 4 m 的概率为9 0 。最 后对改进的算法进行了实际的测试，并完成了定位系统导航功能的简单扩展。 关键词：r f i d ；室内定位：定位算法；参考标签；最近邻居标签 a bs t r a c t t h e r ea 他t w ok i n d s0 fl o c a t i o ns y s t e m s ：o u t d o o rl o c a t i o ns y s t e ma n di n d o o r 1 0 c a t i o ns y s t e m t h ea i mo fi n d o o rl o c a t i o ni st 0i o c a t eo b j e c t si nar o o me n v i r o n m e n t c o m p a r c dt 0 t h eo u t d 0 0 re n v i r o n m e n t ，i n d o o re n v i r o n m e n ti s g e n e r a l l y m o r c c o m p l e xd u et 0a i lk i n d so ff k t o r ，s u c h 嬲t h el i m i t a t i o no fs p a c e ，t h ea r t i c i e si nt h e r o o m 鲫ds 0o n m a n ye x i s t i n gl o c a t i o ns y s t e m sb a s e do ni n 6 a r e d ，u l t r a s 0 n i cw a v eo r b i 崛t 0 0 t ha r en o ts u i t a b l ef o ri n d 0 0 rl o c a t i o nb e c a u s et h el o c a t i o na c c u r a c yc a n n o tb e a c h i e v e d 锄dt h ec o s ti sh i g h b e c a u o fi t sn o n t o u c h ，n o 崦h to fs i g h t ，h i g h c u r a c ya n d 1 0 w c o s ta d v 觚t a g e ，t h el t a d i o f r e q u e n c yi d e n t i 6 c a t i o n( r f i d ) t e c h n oi o g ) ，h 髂w o nm o 他锄dm o 他a n e n t i o n 锄db e c o m et h em o s ta d v a n t a g e o u s t e c h n ol o g yu s e df o ri n d o o ri o c a t i o n i nt h i sp a p c r ，t h et e c h n o l o g yo fr a d i of r e q u e n c yl d e n t i f i c a t i o ni si n t r o d u c c d 倚s t ， t h 朗t h et e c h n o l o g yo ft h ee x i s t i n gi n d o o rl o c a t i o ni sd i s g u s t e d ， a l ik i n d so f a 1 9 0 r t h m su s e d mi n d 0 0 rl o c a t 沁na r ec o m p r e h e n s i v e l yr c s e a r c h e d ，t h ea d v a n t a g e 锄d d i s a d v a n t a g e 锄da p p l i c a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，f i n a l l yt h en e a r e s t n e i 曲b o r t a ga l g o r i t h mb 弱e do nl a n d m a r c i s l e c t e da st h el o c a t i o na i g o r i t h mo f t h e1 0 c a t i o ns y s t e mi i lt h i sp a p e r ，卸dt h ea l g o r 曲mi sa 他i y z c da n di m p r o v e d t h e n b a s e do nt h er l0 0 0 豫d i od e v e l o p m e n tp l a t 亿r mp r o d u c e db yi n t e lc o 驴r a t i o n ，t h e a m e n n a sw o r ki nt h ew a yo ft d m ，s i m u l t a n e o u s l yt h el o c a t i o na l g o r i t h ms e l e c t e di n t h i sp a p c ri sc o o r d i n a t e dw i t ht h eh a r d w a r ep i a t 向m li nt h ef o mo fd e v e l o p i n g 印p l i c a t i o np r o g r a mo nt h ed e v e i o p m e n tp l a t f 0 咖 f i n a l l y t h ea l g o r 曲mi st e s t e do nt h es o f t w a r e 粕dh a r d w a r eo ft h es y s t e m p k f b 肌t h ed a t a o ft h e1 0 c a t i o nr e s u ht e s t e dw i t ha l ik i n d so fp a r a m e t e r si s c o m p a r c d 觚da m l y 孺d ，t h eh i s t o g r 锄a n dt h ec u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nc u r 、，eo ft h e l o c a t i o ne 1 1 r o rp m b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ni sp r o v i d e d 1 nt h ee n v i r o n m e mw i t h o u to b s t a c l e ， u s i n g3p a i ro fa n t e n 触sa n d4n e a r e s tn e i g h b o rt a g s ，t h ea v e 住g e1 0 c a t i o ne n 0 ri s 0 2 5 m t h ep r o b a b i i i t yo ft h ee m o rw h i c hi s l e s st h a n0 4 mi s9 0 a tl a s tt h e i m p r o v e da l g o r n mi s t u a l l yt e s t e d 舳dt h e 腿v i g a t i o no ft h el o c a t i o ns y s t e mi s s i m p i ye x t e n d e d k e yw o r d s ：l 强l d ；i n d o o rl o c a t i o n ；p o s i t i o n i n ga l g o 讯h m ；r e f e r e n c et a g s ；n e a r e s t n ei g h b o rt a g 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信技术和自动化技术的不断发展推动了自动定位技术的进步，也使定 位技术越来越受到人们的关注。从宇宙探测、航空航天，到货物追踪、室内物品 管理等，自动定位技术都发挥着越来越重要的作用，也使定位技术与相应的定位 系统成为近年来学术界研究的热点。 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。目前最 著名的定位系统是美国的全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，经过几 十年的发展，g p s 技术已经广泛的应用于军用和民用的各个领域，不过g p s 属 于卫星定位，由于室内环境的特殊性，g p s 系统并不适合于室内环境下的应用。 但在实践中，人们对室内定位的需求与日俱增，甚至超过室外定位，因此人们对 室内定位技术的研究提出了越来越高的要求。 由于要在室内的复杂环境下确定目标的具体位置，并要把定位误差控制在合 理的范围之内，同时考虑到室内的各种物品摆放位置的变动与非视距因素，以及 室内环境中各种信道性质的大相径庭、多径散射以及电磁干扰等，室内定位系统 的实现难度要远大于室外系统。目前较为成熟的室内定位方法主要有红外线定 位、超声波定位、无线蜂窝网络定位以及无线射频识别定位等。现有的红外线定 位系统、超声波定位系统等一般来说设备复杂，成本较高，在复杂的室内环境下 其定位的精确度与稳定性经常达不到要求。而近年来兴起的射频识别技术，以其 非接触、非视距、成本低等优点，能很好的适应室内的复杂环境，逐渐成为室内 定位领域的优选技术，受到人们越来越多的关注与研究。 一 射频识别技术r f i d ( 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 ) 是上个世纪8 0 年代逐渐 兴起并在本世纪初得到飞速发展的一种新的自动识别技术，它通过射频信号自动 识别目标对象并获取相关数据，射频识别技术可以进行远距离、非视距的识别， 可同时识别多个目标，识别过程快捷方便，无需人工操作。同时，近年来发展起 来的利用射频识别进行定位的技术，也越来越受到广泛的关注，本研究正是在现 有研究的基础之上，提出并应用了一种基于l a n d m a r c 定位算法的最近邻居 标签射频识别定位算法，并对算法进行了详细的分析与改进，搭建了一个完整的 软硬件结合的射频识别定位系统，对该改进前后的算法进行了测试与验证，对表 示定位结果的数据进行了比较与分析。 第一章绪论 1 2 本文的主要研究内容 本文首先对射频识别相关技术进行了介绍，对现有的室内定位技术进行了探 讨，对应用于室内定位的各种现有算法进行了广泛的研究，比较了各种算法的优 劣与适用性，最终选用了基于l a n d m a r c 的最近邻居标签定位算法作为本文 所设计的射频识别定位系统的定位算法，并对该算法进行了分析与改进。硬件上 基于i n t e l 公司的r 1 0 0 0 射频开发平台，采用多天线时分复用的工作方式，同时 利用r 1 0 0 0 平台可二次开发的特点，将本文所采用的定位算法以在平台上开发 应用程序的形式与硬件平台进行了软硬件协同配合，并编写了显示界面程序，用 于完成定位结果在显示器上的最终显示。 最终应用该软硬件系统平台对定位算法进行了实际的测试，对算法在各个参 数下测试的定位数据进行了比较与分析，给出了各种参数下的定位误差概率分布 直方图与累积分布曲线。 第二章主要介绍了射频识别技术的发展和应用以及射频识别系统的结构、原 理以及各种相关技术等。2 1 节对射频识别技术进行了简要的介绍。2 2 节主要介 绍了射频识别技术的发展历史。2 3 节主要介绍了射频识别系统的组成结构。2 4 节介绍了射频识别通信过程中信号的编码与调制，对编码与调制的原理进行了简 要叙述。2 5 节介绍了射频识别系统所主要依据的标准体系，将现有的三个成熟 的标准体系进行了简要介绍。2 6 节介绍了射频识别系统在无线通信中主要使用 到的通信频段，然后对射频识别系统的应用进行了简要介绍。 第三章主要讲述了现有的各种室内定位系统与应用于室内定位系统的各种 算法的研究现状，并基于所介绍的l a n d m a r c 算法，将最近邻居标签定位算 法确定为本文中设计的定位系统的定位算法。3 1 节主要介绍了室内定位的相关 技术，分析了室内定位技术匕的难点，并介绍了几种常用的室内定位技术。3 2 节在前面提到的射频识别定位技术的基础上，主要分析了三种射频定位的依据， 即根据信号到达时间、根据信号到达角、根据到达信号的场强值进行定位。3 3 节阐述了定位的解析算法，利用解析几何的理论和方法，来计算标签位置，主要 介绍了圆周定位方法、圆环定位方法、双曲线定位方法等。3 4 节阐述了定位的 估值算法，主要阐述了最小二乘法和泰勒级数法的具体理论与公式推导。3 5 节 简要介绍了参考标签定位算法，分析了参考标签定位算法在射频识别定位中的优 点。3 6 节将现有的参考标签算法的一个实例_ i ，a n d m a r c 系统进行了详细 的介绍。 第四章主要叙述了本文的主体部分一软硬件定位系统设计过程，主要包括 基于r 1 0 0 0 开发平台的硬件定位系统的搭建与软件程序的设计，其中软件程序 部分包括用于控制硬件系统的硬件操作程序部分与用于完成定位算法与最终定 2 第一章绪论 位结果显示的界面程序部分。4 1 节主要叙述了基于烈t e lr 1 0 0 0 平台、l m p i n j 阅读器远场天线与远望谷x c t f - 8 0 3 0 a 型i n i a y 无源标签的硬件定位系统的搭 建，并对系统中的这三个组成部分均进行了相关介绍。4 2 节设计了硬件定位系 统的操作程序，利用r 1 0 0 0 开发平台的二次开发性与一些平台自带的底层开发 函数，完成了硬件定位系统的控制程序的编写。4 3 节设计了系统的界面程序， 将用于计算目标标签位置的算法程序与用于最终显示定位结果的显示程序包含 其中。 第五章主要完成了本文所设计的定位系统的定位结果的实际测试与最终的 数据比较与分析，得到了不同参数对定位精确度的影响，并通过不同参数对定位 结果影响的对比，确定了定位系统最优工作状态下的各项工作参数( 主要是k 值与n 值的选取) 。其中5 1 1 节测试并分析了在无障碍环境里，选择固定的最 近邻标签数( k 值) 的情况下，不同的天线对数( n 值) 对定位结果的影响。5 1 2 节主要测试并分析了在无障碍环境里，选择5 1 1 节中分析所得到的系统最优工 作状态下的天线对数( n 值) 的情况下，不同的最近邻居标签数( k 值) 对定位 结果的影响。5 1 3 节主要测试并分析了在选择了系统最优工作状态下的n 值与 k 值的条件下，定位系统在有障碍物的工作环境里与无障碍物的工作环境里定位 结果的比较。5 2 节在前面分析的基础上对软硬件定位系统提出了一种改进，加 上另一位置已知的标签，利用此标签的定位误差去修正目标标签的最终定位结 果，并对测试结果进行了分析。5 3 节结合现代无线定位的需要，对本系统的功 能进行了尝试性的扩展，简单的完成了运动中标签的运动轨迹的导航与在界面上 的显示。 第六章总结了本文中所设计的软硬件定位系统的实现过程与系统的优缺点， 并且对以后的研究工作提出了展望。 1 3 本文的主要工作和创新点 本文在对室内定位技术分析的基础上，研究了现有的室内定位系统与现有室 内定位算法的优缺点，并最终搭建了基于i n t e ir l0 0 0 射频开发平台与最近邻居 参考标签定位算法的射频识别定位系统，主要创新点如下： ( 1 ) 本文所设计的系统是基于无源i 玎i d 技术的定位系统，系统简单且易 于实现，并且由于均使用了成本很低的无源标签，与以往的有源标签定位系统相 比，措建系统所用的成本大大降低，便于推广。 ( 2 ) 在硬件系统的搭建过程中，充分利用i n t e lr 1 0 0 0 开发平台可连接多对 天线的特点，利用“多天线 代替了“多阅读器 ，各对天线基于时分复用的方 式轮流工作，采用这种单阅读器控制多天线时分复用的硬件定位系统，既方便了 3 第一章绪论 阅读器对定位系统的集中控制，又避免了系统使用多个成本较高的阅读器，节省 了成本。 ( 3 ) 在系统方面，本文开发了自己的定位系统软件界面无源i 心i d 定 位系统。在该软件界面下，可以直接通过界面上的各个命令按钮的点击操作来操 控整个硬件定位系统，完成整个软硬件系统协同工作，方便快捷的完成整个定位 过程。 ( 4 ) 在定位算法方面，选择了基于l a n d m a r c 的最近邻参考标签定位算 法，在对l a n d m a r c 分析的基础上，进行了实际的测试，测试了系统在各不 同参数( 如不同天线对数与不同最近邻标签数等) 和不同环境下的工作情况，最 终给出了定位系统的最优工作状态下的各参数。与现有很多关于定位技术的文献 里只进行了理论分析相比，本系统的所有参数均是在实际测试的基础上进行相关 分析的，具有很高的可参考性。 ( 5 ) 在对定位系统中各参数对定位结果影响进行分析的基础上，提出了一 种增加另一已知位置标签，利用此标签的定位误差去修正目标标签定位结果的改 进方法。此外，结合现有无线定位技术中的实时轨迹导航的需要，利用本定位系 统对运动中标签的运动轨迹进行了定位与导航显示的简单尝试。 4 第二章r f i d 系统结构及原理研究 第二章l 玎i d 系统结构及原理研究 2 1i u i d 技术简介 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f l c a t i o n ，简称r f i d ) ，是一种非接触 式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别标签并且能够进行双向的数据传 输。与传统的自动识别技术不同，射频识别技术可以进行远距离、非视距( n l o s ， n o nl i g h to f s i 曲t ) 的识别，并且识别过程无需人工操作。一般而言，射频识别 技术识别距离可达到几十米以上，可以识别高速运动中的物体，并且可以同时识 别多个标签。与传统的条形码相比，r f l d 标签具有防水防磁、耐高温、寿命长、 识别距离大、数据容量大、读写方便等优点，因此它被广泛的认为是传统条形码 的替代品1 2 j 。 一个完整的r f i d 系统一般来说由三部分组成，即阅读器( r e a d e r ) 、电子标 签( t a g ) 和处理器( 一般可用p c 机) 。r f i d 系统的工作原理是阅读器发射特 定频率的无线电磁波能量给标签，用以驱动标签电路将内部的数据信息发送出， 然后阅读器便依照一定的次序接收并解读数据，送给处理器做相应的处理，完成 对标签的识别。电子标签由耦合元件以及芯片电路组成，每个标签具有世界上唯 一的电子编码。 2 2i 讧i d 技术的发展历史 尽管i 讧i d 技术在近几年才逐步开始实现广泛应用，其技术本身还在不断发 展与完善之中，但该技术的历史却可以追溯到上个世纪四十年代。1 9 4 8 年，h a 盯) r s t o c l m 诅n 在发表的c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so f 佗f l e c t c dp o w e r 【3 】一文奠定了 r f l d 的理论基础。在此后的半个多世纪中，射频识别技术的发展经历了以下几 个阶段： 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，1 9 8 4 年 h a n 了s t o c k m a n 发表了o m m u n i c a t i o nb ym e a 眦o f 他f l e c t e dp o w e r 一文奠定了 r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 0 1 9 6 0l u i d 技术的早期探索阶段，主要进行实验室研究。 1 9 6 0 1 9 7 0r f l d 技术的理论获得了进一步发展，开始进行基础的应用实 验。 1 9 7 0 1 9 8 0r f i d 技术进一步发展，加速进行有关测试与实验，并开始出 现早期的r f i d 应用。 第二章r f i d 系统结构及原理研究 1 9 8 0 1 9 9 0 r 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。 1 9 9 0 2 0 0 0r f i d 技术的相关标准开始出现，广泛开发r f l d 产品，r f l d 产品开始逐渐进入人们生活的每个领域。 2 0 0 0 r f l 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 进入快速发展时划4 1 。 发达国家的r f l d 相关研究工作起步比较早，在标准、技术、产业链以及应 用方面都已相当完备，在核心技术，尤其是芯片技术上，发达国家目前已提供了 相对完备的产品线，并且由于技术的不断进步，电子标签工艺的提升，其成本也 在不断降低，应用扩展进入了一个良性循环【5 】。下图2 1 为t j 公司生产的i u i d 产品。 2 3r f i d 系统的组成 图2 1t i 公司生产的r f i d 产品 一个完整的r f l d 系统主要由阅读器( r e a d e r ) 、电子标签( t a g ) 和数据处 理终端( 一般可用计算机) 三部分组成m 其基本组成如图2 2 所示： 6 第二章r f d 系统结构及原理研究 图2 2 射频识别系统结构示意图 r f i d 系统的基本工作原理：阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号， 当电子标签进入有效工作区域时，接收阅读器发射的电磁波信号并产生感应电 流，从而获得能量被激活，然后标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去； 阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经接收天线传送到阅读器信 号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至处理机系统进行相关处理：处理机 系统根据标签发送过来的编码信息识别标签的身份，针对不同的接收信号做出相 应的处理和控制，最终发出命令信号控制阅读器完成不同的读写操作。下面将分 别介绍l u i d 阅读器和标签的结构以及工作原理【7 j 。 2 3 1i 讧i d 阅读器 阅读器是在一定的范围内可以与标签进行数据通讯并完成读写功能的装置， 阅读器的作用是以无接触的方式读取电子标签中的数据信息，通过识别电子标签 内存储的信息来间接实现对标签所标识的物品的识别。阅读器是射频识别系统中 重要的组成部分，也是结构最为复杂，实现功能最多的部件，通常包括射频收发 单元、控制模块、应答器连接的耦合元件四部分。射频模块主要用于通过无线射 频通信自动捕获应答器中的数据；控制模块主要包括信号及通信协议处理单元和 应用系统接口单元。射频模块输出的数据通过串口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或u s b 口送 往数据处理系统( 一般来说是一台计算机) ，从而实现对物体识别信息的采集、 处理及远程传送等。相对于固定且完备的数据处理系统，阅读器和电子标签具有 非常强的依赖和对应关系，因此它们一同构成了射频识别系统的核心，其工作方 式也就决定了整个系统的类别和应用范围【g 】。 本文所设计的定位系统采用的阅读器是i n t e i 公司生产的r 1 0 0 0 阅读器， r 1 0 0 0 阅读器实际上是一个可以完成阅读器的所有功能并能按个人需求进行二 次开发的射频识别开发平台，本文即是依据r 1 0 0 0 开发平台的可二次开发的特 点将阅读器用到了定位系统中。 7 第二章r f d 系统结构及原理研究 2 3 2i u i d 标签 标签( 即应答器) 是r f i d 系统的核心部分，其主要作用是存储相关的识别 信息，并实现与阅读器之间的通信，具有一定的保密能力，在特定条件下具备自 毁( k i l l ) 功能，从而保证标签内的信息不会外泄。标签按供电方式一般可以分 为有源、无源、半有源等三类【9 】。 1 有源标签：内部装有电池，一般具有较远的阅读距离，其阅读距离一般 可以达到1 0 5 0 m ，不足之处是电池的寿命有限，大多为3 1 0 年，在实际应用中 需要对其不断进行维护并且有一定的失效率，其成本相对较高，一旦电池失效标 签即丧失功能，有源标签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特定频率的射频 信号，将射频电磁波能量转化为直流电源提供给芯片工作，而标签一般通过反向 散射的方式与阅读器实现通信。无源标签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更广泛的适应性，使其在 物流、仓储管理、车辆管理、零售业等领域有着广泛的应用，其工作距离一般不 会超过1 0 m 。 3 半有源标签：半有源标签本身也带有电池，但其只为标签内部的数字电 路提供能量，它需要阅读器的能量场激活，才能进入工作状态，此时类似于有源 标签。与无源标签相比，半有源标签由于对接收到的射频能量的需求更小，故可 以实现更远距离的无线通讯，但其需要额外的电池供电；和有源标签相比，半有 源标签的电路结构简单，对于电池性能的需求也更小，生产成本更低，但其读写 距离达不到有源标签的标准。 考虑到r f i d 系统的发展趋势与无源r f i d 电子标签的成本优势，本文所设 计的定位系统即为无源l u l d 定位系统，选用的电子标签为深圳远望谷公司的无 源r f i d 标签。与有源、半有源标签相比，采用无源标签来完成定位系统的搭建， 大大节省了成本，也更好的适应了射频识别定位系统的发展趋势。 此外，标签分类还可以按工作频率分为低频( l f ) 、高频( h f ) 和超高频 ( u h f ) ；按照阅读距离分为近耦合、琉耦合和遥耦合；按照数据存储方式分为 只读型和可读写型；按照通信方式分为半双工、全双工和时序系统；按信号调制 方式可分为负载调制、数字调制、a s k 和次载波调制掣m 1 2 】。 2 4i u i d 信号的编码与调制 为了进行阅读器与标签之间的数据信号传输，必须要对信号进行编码与解 码，调制与解调的处理。一般来说，信号在阅读器端经过编码和调制之后，以电 磁波的形式通过传播介质，传输到标签端，在标签端进行解调和解码。其过程如 8 第二章r f i d 系统结构及原理研究 图2 3 所示【13 1 。 图2 3 射频系统通信结构图 2 4 1 编码 信号编码系统的作用是对要传输的数据信息进行编码，以便传输信号尽可能 最佳地与信道相匹配，这样的处理包括了对信息提供某种程度的保护，以防止信 息受干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。调制器用于改变高频载波 信号，即使载波信号的振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。射频识别系统 信道的传输介质为磁场( 电感耦合) 和电磁波( 微波) 。解调器的作用是解调获 取信号，以便再生基带信号。信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进 行译码，恢复成原来的信息，并识别和纠正传输错误。射频信号通常使用的编码 方式有以下几种【1 4 j ： ( 1 ) 反向不归零( n r z ) 编码 l0ll0olol00l0 li 图2 - 4 反向不归零编码示意图 反向不归零编码用高电平表示二进制“l ，低电平表示二进制“o ，如图 2 4 所示。这种编码方式不适合于实际应用，首先，这种编码方式编码后的信号 有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；其次，接收端判决门限与信号 功率有关，不方便使用；第三，不能直接用来提取位同步信号，因为在n l 屹中 不含位同步信号频率成分。 ( 2 ) 单极性归零( u n i p o l a rr z ) 编码 单极性归零编码在第一个半个位周期中的高电平表示二进制“1 ，而持续整 个位周期内的低电平信号表示二进制“o ，如图2 5 所示。单极性归零编码可用 9 第二章i 强【d 系统结构及原理研究 来提取位同步信号。 lol l o 0lol0ol0 il 图2 5 单极性归零编码示意图 ( 3 ) 差动双相( d b p ) 编码 差动双相编码在半个位周期中的任意的边沿表示二进制“o ，而没有边沿就 是二进制“l ，如图2 6 所示。此外，在每个位周期开始时，电平都要反相。因 此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。 lol lo olol0ololl 图2 6 差动双向编码示意图 ( 4 ) 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 曼彻斯特编码也被称为分相编码。在曼彻斯特编码中，某位的值是由该位长 度内半个位周期时电平的变化( 上升下降) 来表示的，在半个位周期时的负跳 变表示二进制“1 一，半个位周期时的正跳变表示二进制“0 ，如图2 7 所示。 l0ll00l0l0ol0ll 图2 7 曼彻斯特编码示意图 ( 5 ) 米勒( m i l i e r ) 编码 米勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制“1 ，而经过下一个位周期 中不变的电平表示二进制“0 。位周期开始时产生电平交变，如图2 8 所示。因 此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。 1 0 第二章r f d 系统结构及原理研究 l 1 jl 1 i 1 101l00l0l00l01l 图2 8 米勒编码示意图 2 4 2 调制 调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过 程。一般来说，信号源的信息( 也称为信源) 含有直流分量和频率较低的频率分 量，称为基带信号。由于频率较低，基带信号往往不能作为传输信号，因此必须 把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。 这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即 消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来 实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者( 也称为信 宿) 处理和理解的过程。 以正弦信号作为载波信号的调制方式主要有三种，分别为幅值键控( a s k ) ， 频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。现分别介绍如下： ( 1 ) 幅度键控。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字 信号l 或0 的控制下通或断，在信号为l 的状态载波接通，此时传输信道上有载 波出现；在信号为o 的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么 在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1 和0 。 ( 2 ) 频移键控。频移键控使用不同频率的载波来传送数字信号，接收端收 到不同的载波信号在变换成数字信号。二进制频移键控用两种频率的载波来代表 数字信号的0 和l 。载波信号的频率随着调制信号l 或者0 而变成频率1 f l 或者 q ，以完成调制过程。 ( 3 ) 相移键控。相移键控使用载波的相位信息来携带数字基带信号。在二 进制相移键控中，载波相位随着调制信号的l 或者o ，而变成相移0 。和1 8 0 。， 以完成调制过程【l5 1 。 2 5 盯i d 系统的标准体系 由于r f i d 技术在全球范围内的迅速发展与和广泛应用，制定l u i d 通信系 统的标准化工作也越来越重要。在现阶段，有三个广泛使用的射频技术标准体系， 第二章r f d 系统结构及原理研究 分别为：国际标准化组织l s o 和国际电工委员会i e c 联合制定的技术标准；美 国统一代码协会u c c 和国际物品编码协会e a n 共同制定的e p cg l o b a l 的技术 标准；日本泛在i d 中心( u b i q u i t o u sl dc e n t e r ) 制定的技术标准【1 6 】。 ( 1 ) e p cg l o b a l 1 9 9 9 年，美国麻省理工学院成立了e p cg l o b a l 的前身a u t o 1 d 中心， 为了推进r f i d 技术推广和标准化，美国统一代码协会和国际物品编码协会于 2 0 0 3 共同成立了e p cg l o b a l 组织。e p cg l o b a l 标准的物联网体系架构由读写器、 e p c 标签及中间件、e p c 编码、o n s 和e p c i s 服务器等部分构成。e p c 赋予每 个物品惟一的电子编码，编码位长通常为6 4 或9 6 位，也可扩展为2 5 6 位。e p c 对不同的应用有不同的编码格式，主要存放商品代码、企业代码和序列号等。e p c 中间件对其读取到的e p c 编码进行容错和过滤等处理，然后输入到企业的业务 系统中。通过定义中间件与读写器的通用接口( a p i ) ，可以实现中间件与不同制 造商生产的读写器兼容。 ( 2 ) u b i q u i t o u si d 泛在i d 中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码、信息系统服务器、泛 在通信器和泛在识别码解析服务器等四部分构成。泛在识别码采用1 2 8 位来记录 信息，提供了3 4 0 1 0 3 6 的编码空间，并可从1 2 8 位进一步扩展到2 5 6 、3 8 4 或 5 1 2 位。泛在识别码能兼容现有编码体系中的元编码设计，还可以兼容其他多种 编码，包括i s b n 、u p c 、j a n 、i p v 6 地址，甚至可以兼容电话号码。应用泛在 识别码的电子标签可以有多种形式，包括条码、智能卡、射频标签、有源芯片等。 ( 3 ) i s o 标准体系1 9 j 国际标准化组织l s o 与国际电工委员会l e c 在1 9 7 6 年达成协议，两组织在 法律上都是独立的组织，分工方面，有关电工、电子领域的国际标准化工作主要 由l e c 负责，其他领域则由l s o 负责。i s o i e c 组织制定出了一些列r f l d 标准， 可分为技术标准、应用标准、性能标准以及数据结构标准等。i s o l e cl8 0 0 0 系 列是i s o i e c 制定出的比较新的一系列l 玎i d 标准，其包含了有源和无源r f l d 标准，该标准包括了阅读器和电子标签之间的信号形式、命令格式、多标签防碰 撞协议等，全面定义了所有阅读器和标签之间的通信命令。阅读器与标签之间进 行命令和数据交换的机制由空中接口通信协议定义，阅读器向标签发送的命令， 标签返回给阅读器数据。i s o i e cl8 0 0 0 系列协议标准涵盖了现有的r f i d 应用 频段，如1 2 5 13 4 2 l ( h z 、l3 5 6 m h z 、4 3 3 m h z 、8 6 0 9 6 0 m h z 、2 4 5 g 比、5 8 g h z 等。 1 2 第二章r f i d 系统结构及原理研究 2 6r f i d 系统的使用频段与应用 为了保证通信安全和通信质量，国家对无线信号的使用频率有专门规定，对 一些特定的频率段，需要使用者向国家提交相关的申请才能拿到相应的使用证 书，不过也有部分频段则是免许可的。射频系统通常使用到的一般来讲有4 个频 段，分别为低频段、高频段、超高频段和微波频段，对应4 个频带内的典型使用 频率分别是12 5 k h z 、l3 5 6 m h z 、9 l5 m h z 和2 4 5 g h z 。 射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛的应用于工业自动化、商业自动 化和交通运输控制管理等领域。尤其对于企业物流和供应链管理而言，r f i d 技 术作为一种提高识别效率和准确性的工具，正发挥着极其重要的作用。随着大规 模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断的 降低，其应用将越来越广泛。 在未来的发展中，射频识别技术将结合其他高新技术，比如g p s 、生物识别 等技术，由单一识别向多功能识别方向发展，将结合现代通信及计算机技术，实 现跨地区、跨行业应用。表2 1 列举了射频识别技术的几个典型应用【6 】。 表2 1 射频识别技术典型应用 典型应用领域具体应用 车辆自动识别铁路车号自动识别是射频识别技术最普遍的应用 管理 高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应 高速公路收费用之一，它充分提现了非接触识别的优势，在车辆高速通 ：智能交通系统过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高 了车行速度 货物的跟踪、 射频识别为货物的跟踪、管理及监控提供了快捷、准 确、自动化的手段，以射频识别技术为核心的集装箱自动 管理及监控 识别，成为全球范围最大的货物跟踪管理应用 射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多 仓储、配送等成功的应用。随着射频识别技术在开放的物流环节统一标 物流环节准的研究开发，物流业将成为射频识别技术最大的受益行 业 电子钱包、电 射频识别卡是射频识别技术的一个主要应用。射频识 别卡的功能相当于电子钱包，实现非现金结算。目前主要 子票证 的应用在交通方面。 生产线产品加主要应用在大型工厂的自动化流水线作业上，实现自 第二章r f d 系统结构及原理研究 工过程自动控动控制、监测，提高生产效益，节约成本。 制 射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖场，可通 动物跟踪和管 过采用射频识别技术建立饲养档案，预防接种档案等，达 到高效、自动化管理畜牲的目的，同时为食品安全提供了 理 保障。射频识别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以 准确测定到达时间 1 4 第三章室内定位系统及算法研究 第三章室内定位系统及算法研究 3 1 室内定位技术简介 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。目前最 著名的定位系统是美国的全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，经过几 十年的发展，g p s 技术已经广泛的应用于军用和民用的各个领域，不过g p s 属 于卫星定位，由于室内环境的特殊性，g p s 系统并不适合于室内环境下的应用。 但在实践中，人们对室内定位的需求与日俱增，甚至超过室外定位，因此人们对 室内定位技术的研究提出了越来越高的要求。室内定位，就是使用自动定位设备 和算法，追踪和确定室内目标的具体位置。与室外定位相比，室内定位有很多独 特的地方，室内环境通常要比室外的环境复杂，内部物品的干扰和变动更大，非 视距因素更多1 1 7 j 。 3 1 1 室内无线信号传播与信道特性 无线电磁波的传播有许多不同的机理，对于室内的无线传播系统来说，电磁 波传播的主要方式有视距传播和非视距传播两种。一般情况下，室内系统中信号 的传播与接收主要通过视距传播来完成，但如果接收端在视距以外，则信号只能 通过非视距传播的方式到达接收端，非视距传播的方式主要有反射、绕射和散射 等。非视距传播在室内的无线通信中也占据着很重要的作用，下面对电波反射、 电波绕射和电波散射等传播机理进行简要介绍。 电磁波反射：电磁波在室内空间的传播路径上会遇到很多障碍物，比如遇到 地面、墙面或建筑物表面等物理尺寸比电磁波波长大很多的障碍物时，就会发生 电磁波反射，电磁波反射对信号的正常传播有很大干扰。 电磁波绕射：当电磁波在室内空间传播时遇到表面或边缘尖锐的障碍物时， 就会发生绕射现象，并以绕射波的方式继续向前传播，绕射反映在电磁波波形状 上相当于发生了“弯曲 的现象，同时绕射使得非视距传输成为了可能。 电磁波散射：当电磁波在室内空间传播时遇到尺寸和自身波长差不多或者更 小的障碍物时，就发生电磁波散射现象。散射传播方式主要是由尺寸较小的障碍 物的粗糙表面引起的。电磁波散射和绕射遵从相同的物理理论，散射也将发射端 发出的电磁波能量辐射到许多不同的方向。 由以上分析可知，室内复杂的传播环境会引起电磁波的反射、绕射和散射等， 结果就是发射端发出的信号可以经过不同的方向与路径到达接收端，从而形成多 径传播现象。由电磁波传输理论可知，信号由窄带脉冲方式发射时，多径传播会 第三章室内定位系统及算法研究 引起接收信号包络和相位的波动；电磁波由宽带脉冲方式发射时，则会产生一系 列的信号延迟和减弱的脉冲( 回波) 。由于多径传播与多径衰落的存在，室内无线 通信系统的性能会大大降低，然而多径传播的现象往往是无法控制的。在清楚地 认识室内无线通信环境中多径媒质的特征的基础上，将发射端和接收端设计成与 信道匹配可以减少多径传播的影响l l 引。 3 1 2 常用的室内定位技术 ( 1 ) 红外线室内定位技术。红外线室内定位技术进行定位的原理是，红外线 l r 标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽 然理想传播环境里红外线技术具有相对较高的定位精度，但是由于红外线不能穿 过障碍物，使得红外射线仅能视距传播，由于其直线视距与传输距离较短，红外 线室内定位的效果很差。 ( 2 ) 超声波定位技术。在超声波通