（通信与信息系统专业论文）排球运动信息采集系统的设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x u d c ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d e s i g n o n v o l l e y b a l ls p o r t si n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o ns y s t e m c a n d i d a t e l il e i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l t y c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n f e b r u a r y 2 0 10 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n m a r c h 2 0 1 0 u n i v e r s i t y h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y l r t 一 i 吖 协 i k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由 作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在 文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 学磊 日期 2 口知年于月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 一 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文 日往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后 e h 哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 作者 签字 李磊导师 签字 日期 2 f o 年 月 2 日 町d 年3 月 归 卜一l 吖 怆 l 多 哈尔滨t 程大学硕 学位论文 摘要 本文以 球类运动智能化辅助训练系统研究 基金项目为背景 基于 射频识别技术 设计了用于排球比赛和训练的信息采集系统 分析并讨论 了采集系统中基于接收信号强度信息的定位算法 首先 结合运动信息采集系统的发展状况 对比了现有信息采集系统 的性能指标 结合无线定位理论与技术 提出了将射频识别定位技术应用 到排球运动信息采集系统领域的设计思路 其次 基于排球运动技术特点和训练要求 设计了排球运动信息采集 系统 并给出了系统整体设计方案和主要功能单元的设计框图 对系统参 数进行了估算 并提出了相应的测试手段和方法 再次 基于无线定位技术 提出了l a n d m a r c 算法和无线传感器网 络中的加权质心算法相结合的r f i d 定位改进算法 定位精度更加准确 又 引入误差反馈机制对改进后的算法进行改进 定位精度进一步提高 详细 研究了阅读器和参考标签的分布对定位精度的影响 将无线传感器网络中 的等边三角形分布模型应用到改进算法中 提高了系统整体的定位精度 研究了功率级别 参考标签数目 最优邻居k 值对定位精度的影响 并给 出了实际系统中选择的标准 在二维改进算法的基础上采用坐标映射及 c h a r t 算法和泰勒级数展开的算法对三维空间定位性能做了仿真验证 最后 总结了课题研究内容和研究成果 并提出了以后工作的方向 关键词 射频识别 信息采集 无线电定位 动作捕获 哈尔滨t 程大学硕 学位论文 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nw a su n d e rt h es u p p o r to fh e i l o n g j i a n gn a t u r es c i e n c e f u n dp r o j e c to f r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n ta i d e dv o l l e y b a l lt r a i n i n gs y s t e m b a s e do nr f i dt e c h n o l o g y t h ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e ma p p l i e dt o v o l l e y b a l lc o m p e t i t i o na n dt r a i n i n gw a sd e s i g n e da n dt h el o c a t i o na l g o r i t h m b a s e dt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi na c q u i s i t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e da n d d i s c u s s e d f i r s t l y c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ei n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o ns y s t e m t h ec a p a b i l i t i e so ft h ee x i s t i n gs p o r t si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n s y s t e mw e r ec o m p a r e d c o m b i n e d r i t ht h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s l o c a t i o n t h ei d e at h a tr f i dt e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h ef i e l d so fv o l l e y b a l l i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e d s e c o n d l y v o l l e y b a l li n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do n t h et e c h n i c a lf e a t u r e sa n dt r a i n i n gr e q u e s to fv o l l e y b a l l t h ed e s i g nd i a g r a m so f t h eo v e r a l ls y s t e ma n dt h em a i nf u n c t i o n a lu n i tb l o c k sw e r eg i v e n t h es y s t e m p a r a m e t e r sw e r ee s t i m a t e da n dt e s t i n gm e a l 岱w e r ep u tf o r w a r d t h i r d l y b a s e do nw i r e l e s s l o c a t i o nt e c h n o l o g y t h ei m p r o v e dl o c a t i o n a l g o r i t h mw a sp r o p o s e d w h i c hc o m b i n e dw i t ht h el a n d m a r ca l g o r i t h m t h e w e i g h t e dc e n t r o i da l g o r i t h mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h ee r r o rf e e d b a c k m e c h a n i s m t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a st h a tt h el o c a t i o na c c u r a c yb e c a m em o 坞 a c c u r a t e h o wt h ed i s t r i b u t i o no fr e a d e r sa n dr e f e r e n c et a g si n f l u e n c e dl o c a t i o n p r e c i s i o nw a sc a r e f u l l yr e s e a r c h e d t h ee q u i l a t e r a lt r i a n g l ed i s t r i b u t i o nm o d e l w a su s e df o ri m p r o v e m e n to fa l g o r i t h m w h i c hi m p r o v e dt h el o c a t i o np r e c i s i o n o ft h ew h o l es y s t e m t h ep o w e rl e v e l t h en u m b e ro fr e f e r e n c et a g sa n dt h e o p t i m a lkv a l u eo np o s i t i o n i n ga c c u r a c yw e r es t u d i e da n ds e l e c t i o ns t a n d a r d l 鼍 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 w a s g i v e n o n m eb a s i so ft w o d i m e n s i o n a li m p r o v e m e n ta l g o r i t h m t h r e e d i m e n s i o n a ll o c a t i o np e r f o r m a n c ew a ss i m u l a t e db a s e do nt h ec o o r d i n a t e m a p p i n g c h a na l g o r i t h m a n dt a y l o rs e r i e se x p a n s i o n f i n a l l y t h er e s e a r c hw a s s u m m e du p t h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r ew o r kw a s p r o p o s e d k e yw o r d s r f i d i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n r a d i ol o c a t i o n m o t i o nc a p t u r e 哈尔滨下程大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 研究现状 2 1 3 论文主要内容及安排 5 第2 章r f i d 无线定位技术 6 2 1r f i d 系统工作工作原理 6 2 1 1r f i d 系统构成 6 2 1 2 电子标签的分类 6 2 1 3 防碰撞技术 1 0 2 2 无线定位技术 1 2 2 2 1g p s 定位技术 12 2 2 2 室内定位技术 13 2 3r f i d 定位技术与方法 1 4 2 3 1 基于到达时间的定位 1 4 2 3 2 基于到达时间差的定位 1 5 2 3 3 基于入射角度的定位 1 6 2 3 4 基于接收信号强度的定位 1 7 2 4 基于信号强度信息的r f i d 定位 1 8 2 4 1r a d a r 系统 l8 2 4 2l a n d m 渔r c 1 9 2 5 本章小结 2 0 第3 章排球运动信息采集系统设计 2 l 3 1 采集系统方案概述 2 1 3 2 采集系统硬件设计 2 2 3 2 1 系统主控单元 2 2 3 2 2 射频收发单元 2 5 史 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2 3 网络通信单元 2 7 3 2 4 串口通信单元 2 8 3 2 5 存储器单元 2 9 3 3 系统参数估计与测试 2 9 3 3 1 系统参数估计 2 9 3 3 2 系统测试 3 0 3 4 本章小结 3 2 第4 章定位算法仿真与实现 3 3 4 1 定位算法的改进 3 3 4 2 算法仿真与分析 3 6 4 2 1 改进算法的仿真与分析 3 6 4 2 2 参考标签的分布形状对定位精度的影响 3 8 4 2 3 参考标签的密度对定位精度的影响 3 9 4 2 4 不同功率检测级别对定位精度的影响 4 0 4 2 5 最近邻居数目对定位精度的影响 4 l 4 2 6 误差反馈机制 4 2 4 3 三维定位算法的研究 4 4 4 3 1 三维空间定位算法原理 4 4 4 3 2 三维定位仿真与分析 4 6 4 4 本章小结 4 8 结论 4 9 参考文献 5l 攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果 5 5 致谢 5 6 i 毫 哈尔滨 t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 本课题来源于黑龙江自然科学基金项目 球类运动智能化辅助训练系统 研究 旨在研究基于射频识别技术的排球运动信息采集系统 主要内容包括 采集系统的参数估算 定位算法 以及方案设计 本课题可以为研制排球运 动辅助比赛和训练系统提供技术支持 是为使球类比赛更加公正公平 体育 训练更加科学 合理和高效所做实践探索和技术准备 传统体育训练是教练员通过目视观察并依靠自身具有的知识和经验分析 出运动员动作的规律和不足 然后给出训练建议和训练方法 对教练自身素 质依赖性很大 而现代体育发展的特点和规律是体育与科技相结合 从运动 员的比赛服装 运动器材到训练方法 无一不富含高科技成分 因此 体育 训练的科技化是体育和科技工作者的共同的奋斗目标 运动信息采集技术 也称为运动捕捉技术 是指测量 跟踪 记录物体 在三维空间中的运动轨迹的应用理论与方法 该技术可以用于采集排球运 动员及球的运动信息 并进行量化和统计分析 以便进行运动轨迹的3 d 虚 拟现实建模与显示 此外 利用实时坐标信息 可实现排球比赛辅助裁判功 能 将运动员的运动轨迹与优秀运动员动作轨迹进行比对 结合运动生理学 动力学 心理学等多个相关学科的理论知识 进行推理判断 给出准确的定 性或定量分析结果 以及训练建议 从而改进训练方法 实时显示的运动员 运动轨迹 可以帮组教练员和运动员对技战术进行评价 实现排球训练的科 学化和现代化 排球运动随着竞赛规则的不断革新 导致了排球技 战术的革新 排球 的球速的加快和变化莫测的战术 使攻防对抗性大大增强 对排球运动员的 身体素质和训练水平及教练员的指导水平提出了更高的要求 掌握排球运动 员在训练和比赛中的运动信息是提高水平的第一步 也是最关键的一步 研 究排球运动的信息采集技术具有重大的意义 1 j鼻 l 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 1 2 研究现状 运动信息采集系统一般包括传感器 数据采集设备 数据传输设备和数 据处理设备等 根据所选用传感器的特点 可将运动信息采集系统分为成像 式采集系统 电磁式采集系统和其它类型的采集系统 成像式采集系统基于计算机视觉原理 采用一个或多个摄像机高速率 同时 连续拍摄运动图像 通过对图像的后处理获取运动信息 成像式采集 系统的优点是工作区域覆盖范围大 无电缆 机械装置的限制 使用方便 可以满足多数高速运动测量的需要 缺点是系统价格昂贵 虽然可以捕捉实 时运动信息 但要实现目标识别及跟踪 空间坐标计算和其他信息的后处理 工作量较大 对场地光照及反射情况有一定要求 图像定标很烦琐 特别是 运动复杂 目标点被遮挡时 易产生错误信息 需要人工进行干预和采用专 业的图像分析工具 成像式采集系统在技巧类项目 如蹦床 板球 跳水 体操 体能类 分道竞速项目 如跨栏 和小球类项目 如高尔夫球 板球 等项目中已有 成功的应用实例 但由于其在覆盖范围 采集数目 定位精度 空间坐标定 位和信息处理量等方面的原因 在团体对抗性项目 如足球 篮球 排球 手球 曲棍球等多人分组对抗项目 仅有瑞士d a r t f i s h 运动技术和战术录 像分析系统的成功应用报掣2 电磁式采集系统基于电磁感应原理 将发射源辐射空间的 按照一定规 律分布的电磁场的变化测量结果转换为电信号 通过线缆发送给数据处理设 备 进行解算处理 得到位置 速度和角度等运动信息 电磁式采集系统的优点是信息采集的实时性强 准确性高 便于安装 缺点是使用时易受其他电磁设备及外界环境的干扰 作用范围受发射源位置 和强度的限制 电磁式采集系统可用于舞蹈训练的计算机仿真动作分析 射 箭项目的瞄准稳定性分析与仿真训练 还可以用于仿真射击类电子游戏 近年来 无线通信技术得到了迅猛发展及广泛应用 无线定位技术的应 用也日益受到关注 无线定位技术是通过设备测量接收到的多路无线信号 2 0 分 k 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 利用几何约束关系建立定位方程组 解算出被测物体坐标位置的技术 所测 参量一般包括信号传输时间 如信号到达时间 t o a 或信号到达时间的差 值 t d o a 信号幅度 相位到达角 a o a 和接收信号强度指示 r s s i 等 蜂窝移动通信系统中的无线定位技术分为两大类 基于终端的定位技术 和基于网络的定位技术 全球定位系统g p s 是典型的基于终端的无线定位系 统 它通过扩频码测量伪距 一般定位精度为数十米 经过改进后的差分g p s 系统即d g p s 定位精度可提高到米级 而通过载波相位测量伪距的系统 精度可提高到厘米级 3 1 但由于电磁波被建筑物遮蔽 这些技术构建系统所 需要的硬件成本昂贵 大多只能在室外使用而不能在室内有效工作 然而随 着大型设备精密安装和其他需要精确定位的应用需求 基于超声波 红外线 无线网络和蓝牙等技术的定位系统正快速成熟起来 并成为室内定位应用的 主要选择 但由于其在抗干扰性 采集量 系统成本等方面有明显缺陷 也 不适合精确的运动信息采集系统选用 而近年来 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 i c a t i o n r f i d 超宽 带技术 u w b 和z i g b e e 技术在学术界掀起了一股研究热潮 特别是射频 识别技术 它是一种利用射频信号的空间耦合 电感或电磁耦合 或反射的 传输特性对物体进行非接触式自动识别技术 是无线通信技术和自动识别技 术的完美结合1 4 l l 心i d 技术引起的变革必将会影响每个人的生活 从而成为 继3 g 技术之后最有影响力的无线通信技术之一 r f i d 系统主要包括阅读器 r e a d e r 和电子标签 t a g 两部分 阅读 器有时也称读写器 主要是由主控制器部分 射频收发模块 天线 其他功 能单元及i o 接口电路组成 阅读器可将主机的读写命令发送给电子标签 再对主机发往电子标签的数据信息进行加密 然后将电子标签返回的数据信 息解密后送到主机 电子标签由耦合元件及芯片组成 其中包含微控制器 射频收发电路 加密逻辑单元 串行电可擦除可编程只读存储器 e e p r o m 天线等 电子标签具有智能读写和加密通信的功能 通过射频信号与读写设 3 0 k 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 备进行数据交换 工作所需能量来源于由阅读器发出的射频脉冲或内置电池 或电源 阅读器和标签能够完成r f i d 系统的主要功能 是其基本组成部分 在 较大型的r f i d 系统中 识别数据繁多复杂 需要对其进行分析与处理 这 时需要中间件 应用系统软件等附属设备来完成对多阅读器识别系统的管理 当前 空间定位与跟踪是r f i d 研究的热点之一 r f i d 定位与跟踪系统 主要是利用电子标签对物体的唯一标识特性 及阅读器与安装在物体上的电 子标签之间射频信号强度信息来测量物体的空间位置 具有低成本 高精度 高实时性 传输范围广的特点 非常适合应用于集体对抗性体育项目的实时 动态信息采集 目前 已有多个基于r f i d 系统的定位算法 通常定位算法原理是将电 子标签贴附于待定位物体上或嵌入到待定位物体内部 将多个阅读器布置在 已知的固定位置 通过读取进入阅读器区域的标签来获得标签的位置信息 标签的位置就被认为是在该阅读器的作用范围内 并将阅读器位置作为标签 的坐标 这样的定位系统定位误差较大 且因需要布置大量的阅读器提高了 系统成本 更精确r f i d 定位算法是利用射频信号传播所获得的几何信息实现定位 类似无线定位技术 按照定位方式即测量参量的不同 r f i d 定位技术算法可 以分为三大类 信号时间信息定位 t d o a 和t o a 信号强度信息定位 r s s i 和信号到达角度定位 a o a 在室内空间中 由于存在着较为严 重的反射 衍射和绕射等非视距传播等情况 且系统现有的时钟源和测时设 备精度有限 使得基于t o a 的测量值有较大偏差 不能正确反映阅读器与电 子标签间的距离 而基于t d o a 的距离估计不仅需要精确测时 还需要各 阅读器间保持同步 但实际r f i d 定位系统中很难保证各阅读器之间的同步 利用a o a 的定位方式则需要方向性很强的定向天线或天线阵列 系统实现 成本较高 因此 可以考虑通过测量接收信号强度来估计电子标签与阅读器 间的距离 从而获得被测物体位置信息 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 l a n d m a r c 系统是基于接收信号强度信息的经典定位系统 但目前的 r f i d 系统还不能直接将电子标签信号强度信息提供给阅读器 阅读器仅能粗 略测量标签发射信号到达阅读器的能量级别 通过初步的测量计算获得功率 级别对应的距离信息 再通过几何关系解算出标签位置 这种定位方式在环 境较复杂空间中的精度很难满足用户需求 如果采用额外的固定参考标签来 辅助定位的工作方式 可以克服环境的不利影响 并具有稳定性较高 精度 较高的特点 1 3 论文主要内容及安排 本文设计基于射频识别技术的排球运动信息采集系统 研究应用于该系 统的精确定位算法 针对信息采集系统给出了具体详细的设计方案 参数估 计和系统测试内容 提出了将l a n d m a r c 算法和无线传感器网络加权质心 定位算法相结合的定位算法 并基于二维条件下对算法及影响定位效果的因 素做了研究与仿真 将无线传感器网络中的等边三角形分布模型用于参考标 签的分布提高了定位精度 最后利用坐标映射并将改进后的算法与c h a r t 算 法及泰勒级数展开的算法相结合对三维空间定位做了初步仿真验证 本文后续章节做安排如下 第二章简要介绍了r f i d 技术及系统构成 详尽叙述了无线定位技术 射频识别定位技术和定位算法 第三章叙述了排球运动信息采集系统的硬件总体设计及系统重要功能单 元的设计 对系统参数进行了估计 提出了系统技术测试方案 第四章提出了基于l a n d m a r c 算法和无线传感器网络中的加权质心定 位算法相结合的改进算法 并对二维算法进行了仿真验证 对影响系统定位 效果的因素做了详细仿真与验证 并且在二维改进算法的基础上采用坐标映 射及c h a r t 算法和泰勒级数展开的算法对三维空间定位性能做了初步仿真验 证 最后 对课题研究工作进行了总结 分析了本设计的难点及解决途径 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章r f i d 无线定位技术 2 1r f i d 系统工作原理 2 1 1r f i d 系统构成 射频识别系统由电子标签和阅读器两个基本部分组成 也可以结合许多 其他组件 如计算机 网络 无线设备和软件系统等共同工作 组成完整的 解决方案 电子标签 存储自身的身份信息和其他重要信息 位于要识别物体的表 面或内部 一般由天线和电子芯片组成 阅读器是用于读取标签的数据信息 和向标签内的存储器写入数据的设备 由硬件和软件两部分组成 阅读器硬 件主要包括主控制模块 射频处理模块 天线及其他功能电路 软件部分主 要是对标签发送的动作指令和对接收指令的响应 阅读器将要发送的数据信息经编码和调制后通过天线发送出去 在阅读 器作用范围内的电子标签接收到信号 通过内部电路对其解调解码 对接收 的信息分析判断进行响应 阅读器还可以通过外部接口将接收的数据信息或 经过处理后的信息发送给另一系统如上位机 并接收上位机的命令 对电子 标签操作 阅读器与电子标签的通信方式是无接触耦合 包括电感耦合和电 磁反向散射耦合 通过这种方式实现两者之间的能量传递和数据交换 一般 阅读器设计较比电子标签复杂 且成本较高 2 1 2 电子标签的分类 电子标签可以根据以下4 种不同的方式进行分类 标签获取能量方式 标签使用能量的方式 标签的工作频率 标签内部使用的存储器类型网 l 标签获取能量方式 根据标签获取能量方式的不同 可将电子标签分为有源标签 无源标签 和半有源标签 1 有源标签 6 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 有源标签通过内置电池或电源供电 能量充足 信号传送的距离远 工 作可靠性高 另外 有源标签可以通过控制电池电量对标签使用寿命进行限 制 有源标签的主要缺点是标签的使用寿命受到限制 且随着标签内电池电 量的消耗 其信号传输距离越来越小 影响系统的正常工作 2 无源标签 无源标签靠外界提供能量才能正常工作 无源标签产生电能的装置是天 线与线圈 当标签进入阅读器的侦测区域时 阅读器发出射频信号 标签内 的线圈就会产生感应电流 再经过整流电路给标签供电 无源标签理论上具 有永久的寿命 通常用在标签信息需要频繁读写的地方 无源标签的主要缺 点是信息传输距离要比有源标签短 3 半有源标签 半有源系统介于有源与无源之间 虽然内置电池 但电池的能量只用于 激活系统 待系统激活后内置电池停止提供电能 标签进入无源工作模式 2 标签使用能量方式 标签使用能量的方式也称标签的工作方式 即标签通过何种形式方法与 阅读器进行数据交换 根据使用能量方式的不同可将r f i d 标签分为主动式 被动式和半主动式 1 主动式 通常主动式r f i d 系统为有源系统 即主动式电子标签用自身的射频能 量主动地与阅读器进行通信 标签射频信号只需穿过障碍物一次 且传输距 离远 因此主动式电子标签可以用于特定的环境中 2 被动式 被动式系统 通常是无源系统 电子标签必须采用阅读器的载波信号来 调制自身的信号 为了能与标签正常通信 阅读器的能量必须能够来回穿过 障碍物两次 被动式系统可以确保阅读器只能够与一定范围内的电子标签进 行通信 所以一般应用于门禁或交通系统中 3 半主动式 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 半主动式r f i d 系统虽然内置电池 但标签并不通过自身能量主动发送 射频信号给阅读器 电池只负责对标签内部电路供电 标签正常工作需要的 能量来源于阅读器 利用信号反向传输特性与阅读器建立通信 3 工作频率 标签的工作频率决定着r f i d 系统的工作模式 从而决定了系统的技术 复杂度 识别距离 使用寿命和系统成本等 工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点 工作频率从低到 高为1 2 5 k h z 1 3 3 k h z 1 3 5 6 m h z 2 7 1 2 m h z 4 3 3 m h z 8 6 8 9 2 8 m 2 4 5 g i i z 5 8 g h z 等 它们分别属于低频 高频 超高频和微波r f i d 如图 2 1 所示 图2 1 不同频段的r f i d 系统 1 低频电子标签 低频电子标签其工作频率主要有两个典型频点 1 2 5 k h z 1 3 3 k i i z 全 世界范围内的r f i d 应用都可以使用这个频段 低频电子标签一般为无源标 签 所以低频标签工作时必须位于天线的近场区内 低频标签工作频率不受约束 且制作成本低 消耗能量少 但存储数据 量较少 传输距离近且没有防碰撞能力 阅读器不能同时读取多个标签 低 频标签适合近距离的 低速的 数据量要求较少的识别应用 典型应用为物 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 体识别 门禁和安全管理系统 汽车防盗和停车场车辆管理系统等 2 高频电子标签 高频波段为3 3 0 m h z 1 3 5 6 m h z 为高频段电子标签的工作频点 高频 标签工作时也必须在近场区才能被阅读器识别 高频标签一般也采用无源被 动式方式 读取距离在l m 之内 高频标签与低频标签的特点相似 由于工作频率的提高 具有较高的数 据传输速率和防碰撞能力 高频标签的天线设计相对简单 一般制成卡片形 状 高频标签是目前世界上使用最广泛的标签 典型的应用包括 电子车票 电子身份证 电子遥控门锁控制器 图书管理系统的应用 物流系统的应用 等 3 超高频电子标签 超高频的范围从3 0 0 1 0 0 0 m h z 而超高频标签仅有两个典型工作频率 为 4 3 3 9 2 m h z 8 6 8 9 0 2 9 2 8 m h z 4 3 3 m h z 频率用于主动式标签 而 8 6 8 9 2 8 m h z 频段大部分用于被动式标签和一些半被动式标签 8 6 8 9 2 8 m h z 频段常常可认为是一个单独的频率9 0 0 m h z 或者9 1 5 m h z 超高频标签相应的r f i d 系统的读取距离一般大于l m 最大通信距离在 1 0 m 以上 阅读器天线一般采用定向型天线 标签必须在天线定向波束范围 内才能与之通信 超高频阅读器具有防碰撞的能力 并能够在每秒钟读取数 百个标签 超高频标签的典型特点主要集中在是否无源 无线读写距离 是否支持 多标签读写 是否适合高速识别应用 读写器的发射功率容限 电子标签及 阅读器的价格等方面 超高频标签的典型应用包括 集装箱运输管理 铁路 包裹管理 仓储物流管理 移动车辆识别 电子身份证和电子防盗等 4 微波标签 微波标签的典型工作频率为2 4 5 g h z 和5 8 g h z 微波标签的类型可以是 被动式 半被动式的 也可以是主动式的 被动式微波标签的读取范围大约 为5 m 半被动式的约在3 0 m 左右 但是主动式微波标签的读取范围可达 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 0 0 m 市场上微波标签主要是半无源式的类型 半被动式r f i d 微波标签应 用于车辆大范围的访问控制 舰艇识别和高速公路收费站 主动式微波标签 应用于实时定位系统 4 标签内部存储器的类型 电子标签由于内部采用不同的存储器 实现的功能可分为只读式标签和 可读可写式标签 只读标签内部只有只读存储器 r o m 和随机存储器 c r a m r o m 用于存储自身的身份信息 标签工作参数和保密数据等 可 读可写式标签内部的存储器除了r o m 和r a m 还包含e e p r o m 用于存 储标签的重要信息 2 1 3 防碰撞技术 在r f i d 的实现过程中会出现多个设备间的相互干扰 这种情况称为碰 撞 通过采用防止碰撞的算法即防碰撞算法可以有效解决碰撞现象的出现 7 8 1 由阅读器产生的碰撞和由标签产生的碰撞是两种典型的碰撞 防碰撞的方法主要通过四种方式解决标签或阅读器间的碰撞问题 时分 多址法 频分多址法 空分多址法及码分多址法1 9 1 l 时分多址 t d m a 法 t d m a 是应用比较广泛的一种多路存取机制 是通过划分不同的时间 段 在每一个时间段内只允许一个通信用户占用整个信道资源 t d m a 方式 是在射频识别系统中应用最多的多路存取方式 t d m a 法根据控制端的不同 分为标签控制法和阅读器控制法 因为电子标签控制法的工作是非同步的 解决碰撞问题需时较长且可控性较差 所以实际应用系统中多选择阅读器控 制法 t d m a 法应用于r f i d 系统中简单方便 并能够很好地解决标签碰撞 问题 2 频分多址 f d m a 法 f d m a 方式是指将通信带宽划分为多个载频不同的通信通路 然后多个 用户可以同时进行各自通信 要将f d m a 方式应用到射频识别系统中 可采 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 用频率可调且非发送频率谐振的标签 阅读器在激活标签和对其进行控制操 作时采用最佳工作频率 于此相对应 标签可以选择多个不同的频率与阅读 器通信 所以 标签与阅读器通信时可以采用完全不一样的频率 将f d m a 方法应用到r f i d 系统中 需要为每条通道设计一个单独的信 号接收器 系统设计复杂且成本较高 因此f d m a 方式不适合在r f i d 系统 中推广 3 空分多址 s d m a 法 s d m a 方式是重新利用在分离的空间范围内确定的资源 在r f i d 系统 中有两种实现方式 其中之一是减小单个阅读器的侦测范围 并排地将数量 较多的阅读器以及天线的覆盖范围布置在一个阵列中 标签会在通过的过程 中与距离最近的相通信 而因为每个天线的覆盖面积不是很大 因此在阅读 器侦测范围内有其他标签存在时仍然可以与阅读器进行通信而不受相邻的标 签的影响 当阵列中含有许多同样的标签时 空间分布保证它们都能够与阅 读器正常通信 r f i d 实现s d m a 的另一种方式是利用自适应技术控制在阅读器上安装 的电子可控制定向天线的方向解决碰撞问题 这种方式称为自适应的s d m a 所以可以通过角度信息区分阅读器作用范围内的不同标签 可以用相控阵天 线作为阅读器的天线 它由若干个偶极子元件构成 r f i d 系统只有工作在微波波段时才能选用自适应s d m a 方式 原因是 这种方式对天线的结构尺寸有一定要求 天线设计较为困难 代价较高 自 适应s d m a 只用在特殊领域 4 码分多址 c d m a 法 c d m a 技术建立在扩频通信技术基础之上 已经在现实生活中广泛应 用 c d m a 工作的基础是扩频技术和通信用户具有特征码 也就是扩频与码 分 扩频是指扩展传输信息的带宽 即发送端用一个带宽远大于信号带宽的 伪随机 p n 码对需要传送的信息数据进行调制 调制后的信号带宽变宽 最后进行载波调制将信息数据发送出去 这是发送端的扩频过程 1 l 哈尔滨 t 程大学硕十学位论文 相应地 信号接收端对接收到的带宽信号做相关运算时采用与发射端完 全一样的p n 码 将被展宽的宽带信号转换成原有的窄带信号 这一过程称 为解扩 码分的作用是解决通信用户信道和基站的标识问题 基站的码分选 址通过选用不同移相的p n 序列来实现 并通过算法实现对通信信道的选择 而采用足够长的周期的伪随机序列可解决通信用户及业务的标识问题 目前在r f i d 系统中多应用软件方式解决碰撞问题 相应的防碰撞算法 包括确定性的树搜索算法和统计性的基于a l o h a 算法 1 o 1 1 1 2 2 无线定位技术 2 2 1g p s 定位技术 g p s 定位技术具有定位精度高及覆盖范围广等特性 已经在军事和民用 领域发挥着越来越大的作用 g p s 定位技术包括差分g p s d g p s 和辅助 g p s a g p s 1 2 1 l d g p s d g p s 在定位精度上比普通g p s 有所提高 其参照的原理是首先接收机 对自身进行定位 由其已知坐标信息作为基础 再与测量值做差求得误差值 将此值用于修正终端的定位结果 且处在相同区域的终端可以共用该误差值 2 a g p s 通过a g p s 做定位处理时 参考网络会将定位信息借助无线网络发至移 动台 从而可以大幅缩减搜索的时间 将定位所需要的时间降到秒的量级 g p s 在每两次定位的时间间隔 处在睡眠状态 利用这种手段可以减小终端 对于能量的消耗 g p s 信号在复杂的室内环境下变得非常微弱 难以实现正常接收和处理 通过延长每个码上的延迟时间 a g p s 技术提高了信号接收灵敏度 实现了 室内g p s 定位 但这种技术有一定的局限性 需要在移动终端内增加g p s 接收机模快 用户使用移动定位业务必须更换移动终端 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 2 2 室内定位技术 l 超声波 超声波在精度要求不高的室内定位中经常被用到 其原理利用超声波与 不同界面相遇时所体现出来的不同特性来判定目标的位置 剑桥a t t 实验 室的b a t 系统可以做到3 m 之内的精度 1 3 但是超声波在空气中的衰减很大 同时作用距离也很有限是其存在的主要不足之处 2 红外 红外定位技术是应用比较早的定位技术 利用红外技术构建的定位系统 系统设计简单 操作方便 但由于红外线的波长较短 对障碍物的衍射能力 较差 并受外界环境的影响 红外线定位的作用范围一般在5 m 以内 定位 精度为厘米级 主要用在实验室 车间 医院等对定位要求高且对电磁信号 较敏感的区域 3 况a n 无线基站安装在给予无线局域网的系统中 利用这些固定基站与节点间 的通信获得节点的时间信息和信号强度信息 并结合无线局域网的网络拓扑 结构和几何约束关系计算出待定位物体的位置 无线局域网定位的特点是基 于网络的拓扑结构 利用现有的基站 不必专门搭建网络 4 蓝牙 蓝牙定位技术通过测量信号强度的方式进行定位 具有距离短 功耗低 的特点 蓝牙技术提供点到点之间和点到多点之间的数据和语音业务 通过 放置接入网点 可以将室内多个设备进行连接 将接入设备作为网络的主设 备 并将蓝牙网络的配置应定义为基础网络连接的模式 从而可以得到各用 户的信息 完成确定位置的目的 1 4 1 蓝牙定位技术还具有设备体积小 易集 成的特点 主要应用于定位距离较小的区域 如客厅或仓库等 5 超宽带 超宽带 u l t r aw i d e b a n d u w b 是一种采用短能量脉冲的无线超宽带 技术 在r f i d 领域应用u w b 技术 工作频段在5 8 7 2 g h z 可以一定程 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 度克服环境噪声的干扰 根据不同的应用需求采用不同的定位算法 英国 u b i s c n s c 公司采用u w b 技术推出的p o s i t i o n i n g l o c a l i z a t i o n 系统 利用 a o a 和t d o a 定位方式可以取得1 5 3 0 c m 的测量精度 1 5 2 3l 心i d 定位技术与方法 2 3 1 基于到达时间的定位 在二维平面中 设电子标签与阅读器之间的信号传播时间为r 则电子标 签与阅读器的距离应该为r c t 标签应位于以阅读器为中心 以足为半径 的圆上 如图2 2 所示 根据几何关系 可以得到到达时间 n m eo fa r r i v a l t o a 的方程 墨2 x 一而 2 y 一只 2 2 一1 其中 x y 为电子标签的坐标 x t m 为阅读器f 的坐标 i i 2 3 图2 2 1 i a 定位不恿图 通过测量标签到3 个阅读器的信号传播时间计算它们之间的距离 可知 三个圆的交点就是标签的位置 t o a 算法要求参加定位的阅读器要有精确的 测时设备 阅读器间还要保持严格同步 但由于电磁波传播速率很高 在实 际系统中绝对同步且精确测时很难实现 环境噪声 多径传播 障碍物遮挡 1 4 哈尔滨下程大学硕十学位论文 都会使三个圆无法相交于一点 如图2 3 所示 图2 3 三个圆相交的典型情况 2 3 2 基于到达时差的定位 到达时差 t t r a ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l t d o a 算法是对t o a 算法的改进 是用多个阅读器接收信号的时间差来确定标签的位置 t d o a 算法定位原理 如图2 4 所示 在己知阅读器l 阅读器2 和标签之间的距离差为定值时 标 签必定位于以两阅读器为焦点的双曲线上 同理 标签也必定位于阅读器l 和阅读器3 为焦点的双曲线上 两组双曲线交点就是待定位标签位置估计 通常有两种方法获取t d o a 值 第一种方法是通过测量待定位标签传输 信号到达两个阅读器的时间 并计算两者之差获得 定位系统仍需要阅读器 保持同步 但当两个阅读器间具有相似的信道传输特性时 用t d o a 方法可 以减小多径效应带来的误差 t d o a 双曲线定位方程为 蜓三二兰 二兰 一蜓 二兰 兰二兰 c 一 2 2 2 i x 一五 2 一乃 2 一 x 一而 2 y 一乃 2 c t 一 3 另一种方法是通过两个阅读器接收到的信号进行相关运算得到t d o a 值 该算法估计t d o a 值不必考虑阅读器和标签的同步问题 对网络的要求 较低并能够获得较高的定位精度 在实际中广泛应用 1 5 哈尔滨下程大学硕十学位论文 阅读嚣3 喇误器2 图2 4 1 i o a 定位示意图 2 3 3 基于入射角度的定位 到达角度 a n g l eo f a r r i v a l a o a 算法是指阅读器的接收模块通过天线 阵列测得电磁波的入射角度 形成一根从接收模块到目标发射模块的方向线 即侧位线 由两个阅读器得到的两个侧位线的交点就是目标的位置 1 6 1 但为 了减小定位误差 在系统中通常采用三个阅读器定位 如图2 5 所示 嚣2 图2 5 a o a 定位示意图 设三个位置固定阅读器的坐标分别为 而 y 1 x 2 耽 x 3 弘 阅读器 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 通过天线阵列测得的入射角度为q 则目标就在喁确定的直线厶上 同理 目标也在厶和厶上 则三条直线的交点就是目标的位置估计 f 厶 x y o 厶 x y 吃 o 2 3 厶 x y o 基于入射角度的定位系统需要方向性强的天线阵列 天线技术复杂性和制作 成本较高 2 3 4 基于接收信号强度的定位 在无线通信环境中 接收信号强度指示 r e c e i v e ds i g n