利用Fisher矩陣的RFID多標(biāo)簽最優(yōu)分布檢測(cè)方法

于銀山,俞曉磊,劉佳玲,趙志敏,汪東華

(1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院,江蘇南京 210016;2.江蘇省標(biāo)準(zhǔn)化研究院,江蘇南京 210029;3.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210094)

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利用Fisher矩陣的RFID多標(biāo)簽最優(yōu)分布檢測(cè)方法

于銀山1,2,俞曉磊2,3,劉佳玲1,2,趙志敏1,汪東華2

(1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院,江蘇南京 210016;2.江蘇省標(biāo)準(zhǔn)化研究院,江蘇南京 210029;3.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210094)

摘要:射頻識(shí)別多標(biāo)簽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)包括讀取效率、識(shí)讀距離等,現(xiàn)有算法提高射頻識(shí)別多標(biāo)簽系統(tǒng)識(shí)讀性能能力有限,筆者提出了合理利用標(biāo)簽幾何分布提高射頻識(shí)別系統(tǒng)性能的新方法.該方法引入Fisher矩陣作為判定依據(jù),通過(guò)計(jì)算標(biāo)簽與閱讀器方位角的Fisher矩陣行列式極值,獲取多標(biāo)簽系統(tǒng)的最優(yōu)幾何分布.隨后通過(guò)仿真對(duì)多標(biāo)簽幾何分布與射頻識(shí)別系統(tǒng)識(shí)讀性能的關(guān)系進(jìn)行分析評(píng)估,設(shè)計(jì)了托盤(pán)級(jí)射頻識(shí)別標(biāo)簽應(yīng)用系統(tǒng),并以識(shí)讀距離為動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)參數(shù),對(duì)多標(biāo)簽最優(yōu)幾何分布進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)環(huán)境性能測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)Fisher矩陣獲得標(biāo)簽最優(yōu)分布的方法可以有效提高多標(biāo)簽系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、減小識(shí)讀誤差.

關(guān)鍵詞:射頻識(shí)別;Fisher矩陣;動(dòng)態(tài)性能;識(shí)讀距離;多標(biāo)簽;幾何分布

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification Devices,RFID)作為一種新穎的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù),具有讀取距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、可大批量讀取等優(yōu)點(diǎn),在物流供應(yīng)鏈、智能交通、生產(chǎn)自動(dòng)化、商品零售、質(zhì)量檢測(cè)等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1].RFID技術(shù)一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是多目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別,但要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別,就要面臨如何提高標(biāo)簽識(shí)讀性能的問(wèn)題.

現(xiàn)在常用的提高多標(biāo)簽識(shí)讀能力的手段是使用防碰撞算法,解決多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)存在于同一個(gè)射頻信道內(nèi)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突[2](碰撞),如ALOHA算法、二進(jìn)制算法等.但這些算法都不同程度地影響到標(biāo)簽的識(shí)讀效率;同時(shí),僅能防止碰撞的發(fā)生,但不能提高一定數(shù)量標(biāo)簽下RFID系統(tǒng)的識(shí)讀性能.

標(biāo)簽也是一種傳感器,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于多傳感器最優(yōu)信息融合技術(shù)的研究取得了一定的進(jìn)展.文獻(xiàn)[3]針對(duì)多被動(dòng)傳感器多目標(biāo)跟蹤中的傳感器資源分配問(wèn)題進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上分析了多被動(dòng)傳感器系統(tǒng)跟蹤誤差的幾何分布;文獻(xiàn)[4]通過(guò)研究RFID系統(tǒng)的閱讀器碰撞問(wèn)題,提出了GDRA閱讀器分布模型來(lái)降低標(biāo)簽讀取過(guò)程中閱讀器碰撞;文獻(xiàn)[5]將傳感器作為節(jié)點(diǎn),通過(guò)分析傳感器的幾何分布來(lái)檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的異常值.以上研究對(duì)于RFID系統(tǒng)中的多標(biāo)簽分布優(yōu)化有一定的參考價(jià)值.

作為各種無(wú)偏估計(jì)誤差的方差下限,Cramer-Rao下限(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)為評(píng)估無(wú)偏估計(jì)量的性能提供了依據(jù).通過(guò)計(jì)算Fisher矩陣的行列式值是否滿足Cramer-Rao界的下限,利用參數(shù)估計(jì)理論可以判斷無(wú)偏估計(jì)的最優(yōu)性能[6].在計(jì)算RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽分布時(shí),令閱讀器的狀態(tài)參量為一個(gè)有效的無(wú)偏估計(jì)量,并且有很小的空間誤差變化,則這種分布將達(dá)到最優(yōu).筆者引入Fisher矩陣,對(duì)最優(yōu)標(biāo)簽分布進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究多標(biāo)簽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能受標(biāo)簽幾何分布的影響,推導(dǎo)出RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)取得最優(yōu)識(shí)讀性能所對(duì)應(yīng)的幾何分布特征.文獻(xiàn)[7]提出了標(biāo)簽分布密度模型,重點(diǎn)圍繞標(biāo)簽分布密度對(duì)定位開(kāi)展研究;文獻(xiàn)[8]側(cè)重于利用標(biāo)簽隨機(jī)幾何分布模型對(duì)標(biāo)簽數(shù)目進(jìn)行估計(jì).文獻(xiàn)[7-8]分別對(duì)標(biāo)簽密度和標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)進(jìn)行研究,而筆者則從多標(biāo)簽分布出發(fā),利用Fisher矩陣檢測(cè)多標(biāo)簽的最優(yōu)分布,可以更有效地提高多標(biāo)簽系統(tǒng)的整體識(shí)讀性能、減小識(shí)讀誤差.

1 基于Fisher矩陣的RFID多標(biāo)簽分布模型

RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的讀取效率、識(shí)讀距離、讀取速度除了受算法的影響,也會(huì)受標(biāo)簽幾何分布的影響.實(shí)際應(yīng)用中,影響多標(biāo)簽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)識(shí)讀性能的因素不僅取決于測(cè)量的精度與算法,也與多標(biāo)簽相對(duì)閱讀器的幾何分布有著密切聯(lián)系.將Fisher矩陣?yán)碚撘攵鄻?biāo)簽系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析,通過(guò)建立幾何模型,推導(dǎo)出RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)取得最優(yōu)識(shí)讀性能所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)幾何分布圖形,可以為提高系統(tǒng)識(shí)讀性能、減少碰撞發(fā)生提供參考依據(jù).

1.1 多標(biāo)簽系統(tǒng)識(shí)讀原理

超高頻RFID系統(tǒng)采用后向散射調(diào)制,無(wú)源電子標(biāo)簽附在待識(shí)別的目標(biāo)表面,閱讀器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào),當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流,同時(shí)利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量發(fā)送出其所攜帶的信息,閱讀器讀取信息并解碼后傳送給后臺(tái)進(jìn)行相關(guān)處理,從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物品的目的.

通過(guò)引入Fisher矩陣研究了多標(biāo)簽系統(tǒng)中標(biāo)簽幾何分布對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響的可能性,通過(guò)距離對(duì)閱讀器空間的位置參數(shù)進(jìn)行估計(jì).Fisher矩陣中包含了每個(gè)標(biāo)簽的位置、檢測(cè)值等信息,因此,通過(guò)分析計(jì)算Fisher矩陣,可以得出標(biāo)簽幾何分布與閱讀器的關(guān)系,獲取多標(biāo)簽系統(tǒng)的最優(yōu)幾何分布.基于多標(biāo)簽系統(tǒng)的識(shí)讀原理如圖1所示.

1.2 相關(guān)幾何參數(shù)定義

圖1 標(biāo)簽識(shí)讀原理圖　

圖2 幾何參數(shù)的定義

1.3 最優(yōu)幾何分布理論模型

基于多標(biāo)簽識(shí)讀系統(tǒng)的Fisher矩陣可表示為

其中,P表示閱讀器的狀態(tài)參量,Rr表示協(xié)方差矩陣,Δpr(P)為雅各比矩陣,即

其中,φi為第i個(gè)標(biāo)簽與閱讀器的夾角.令Rr=σ2rIN,因此N個(gè)標(biāo)簽的Fisher矩陣可用如下形式表達(dá):

求解Fisher矩陣式(4)的行列式值,即可獲得系統(tǒng)識(shí)讀性能與標(biāo)簽幾何分布的關(guān)系為

其中,s={{i,j}},定義了所有i與j的組合的集合,且i,j∈{1,2,…,N},j＞i.當(dāng)式(5)行列式值等于或無(wú)限接近極值時(shí),標(biāo)簽-閱讀器的幾何分布達(dá)到最優(yōu).通過(guò)對(duì)式(5)求導(dǎo)可得到取得極值的條件.如果標(biāo)簽數(shù)為N,基于多標(biāo)簽識(shí)讀的Fisher矩陣行列式的極值為N(4σr4).要達(dá)到該極值,必須同時(shí)滿足:

多標(biāo)簽-閱讀器的最優(yōu)幾何分布圖形的基本特征便是由式(6)和式(7)求解得到的角度信息構(gòu)成的.

2 RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)最優(yōu)幾何分布圖形仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上的標(biāo)簽-閱讀器最優(yōu)幾何分布模型,選取直角坐標(biāo)系為多標(biāo)簽系統(tǒng)參考坐標(biāo),X-Y構(gòu)成的平面為標(biāo)簽與閱讀器所在平面區(qū)域,而Z代表該區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Fisher矩陣行列式歸一化值.Z方向上值的大小決定了該點(diǎn)的讀取效率.

2.1 Fisher矩陣分布分析

當(dāng)多標(biāo)簽系統(tǒng)含有3個(gè)標(biāo)簽時(shí),將N=3帶入式(5),并且令σ2r=1,化簡(jiǎn)后可以得到

其中,A=φ3(P)-φ1(P),B=φ2(P)-φ1(P),A,B∈[0,2π).由式(1)仿真得到的Fisher矩陣行列式值在標(biāo)簽-閱讀器所在平面區(qū)域的分布圖,如圖3所示.

由圖3可以看出,Fisher矩陣行列式值有8個(gè)最大值點(diǎn)和9個(gè)最小值點(diǎn).8個(gè)最大值包含了(A=2π/3,B=π/3)、(A=4π/3,B=2π/3)等分布情況,行列式值為9/4;9個(gè)最小值點(diǎn)包含了(A=0,B=π)、(A=2π,B=π)等分布情況,行列式值為0.

為方便實(shí)驗(yàn),取兩組特殊值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,標(biāo)簽位置的示意圖如圖4所示,分別取(φ1=0,φ2=π/3,φ3=2π/3)為行列式極大值(圖4(a)),(φ1=0,φ2=0,φ3=π)為行列式極小值(圖4(b)).

圖3 N=3時(shí)行列式值分布三維圖及俯視圖

圖4 標(biāo)簽位置示意圖及矩陣行列式值三維圖

由上圖的分布對(duì)式(1)進(jìn)行仿真,得到Fisher矩陣行列式值與標(biāo)簽位置關(guān)系三維圖,如圖4(c)所示,標(biāo)簽Fisher矩陣行列式值在圖4(a)所示位置達(dá)到最大值,在圖4(b)所示位置達(dá)到最小值,實(shí)驗(yàn)角度選擇滿足行列式在最大值和最小值之間.

2.2 RFID檢測(cè)系統(tǒng)

RFID標(biāo)簽進(jìn)出閘門(mén)應(yīng)用檢測(cè)系統(tǒng)(原理圖如圖5(a)所示),主要由貨物傳輸帶、托盤(pán)、貨物支架、閱讀器天線支架、激光測(cè)距傳感器、RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽和控制計(jì)算機(jī)等組成.RFID標(biāo)簽進(jìn)出閘門(mén)應(yīng)用檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5(b)所示,RFID閱讀器選用Impinj公司的Speedway Revolution R420超高頻閱讀器.閱讀器天線選用Larid A9028遠(yuǎn)場(chǎng)天線,最大識(shí)讀距離約為15 m.測(cè)距傳感器選用Wenglor公司的X1TA101MHT88型激光測(cè)距傳感器,該傳感器測(cè)量距離范圍為15 m,精度為2μm.

圖5 RFID標(biāo)簽進(jìn)出閘門(mén)應(yīng)用檢測(cè)系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)模擬貨物進(jìn)出庫(kù)步驟,在貨物傳輸帶上架設(shè)托盤(pán),托盤(pán)上放置貨物,設(shè)定托盤(pán)托舉高度和貨物傳輸帶傳輸速度,托盤(pán)在貨物傳輸帶上勻速傳動(dòng)以模擬叉車進(jìn)出閘門(mén)的動(dòng)作.在貨物表面貼上RFID標(biāo)簽,在閘門(mén)上安裝一個(gè)RFID閱讀器和多個(gè)RFID天線,在正對(duì)貨物傳輸帶的一側(cè)安裝一個(gè)測(cè)距傳感器,測(cè)距傳感器光束指向貨物進(jìn)入閘門(mén)的方向.貨物傳輸帶連同架設(shè)托盤(pán)向閘門(mén)方向運(yùn)動(dòng),貼有RFID標(biāo)簽的貨物進(jìn)入RFID天線輻射場(chǎng),某一個(gè)RFID天線感應(yīng)到RFID標(biāo)簽反射的射頻信號(hào),與RFID天線連接的RFID閱讀器串口發(fā)出跳變信號(hào).RFID閱讀器通過(guò)串口通信的方式將產(chǎn)生的跳變信號(hào)發(fā)送給測(cè)距傳感器,同時(shí)將RFID天線的標(biāo)號(hào)也發(fā)送給測(cè)距傳感器,啟動(dòng)測(cè)距程序,測(cè)量測(cè)距傳感器到反射板的距離值.最后計(jì)算出RFID天線到RFID標(biāo)簽的距離值,作為閘門(mén)入口環(huán)境下RFID識(shí)讀范圍.

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)環(huán)境:托盤(pán)運(yùn)動(dòng)速度為20 m/min,天線接收靈敏度為-70 dBm,閱讀器天線發(fā)射功率為27 dBm.調(diào)整光學(xué)升降平臺(tái),使測(cè)距傳感器光束瞄準(zhǔn)貨物,定義測(cè)距傳感器光束與閘門(mén)所在平面的交點(diǎn)為參考點(diǎn).然后設(shè)貨物表面到參考點(diǎn)的距離為R,測(cè)距傳感器到參考點(diǎn)的距離為固定值L,測(cè)距傳感器到貨物表面的距離為S,第i個(gè)RFID天線到參考點(diǎn)的距離為固定值Hi,則R=S-L,第i個(gè)RFID天線到RFID標(biāo)簽的距離值Ti=(R2i+H2i)1/2,即Ti為閘門(mén)入口環(huán)境下RFID的識(shí)讀范圍.

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選擇5個(gè)具有代表性的RFID標(biāo)簽粘貼位置(貨物前后左右及頂部)做標(biāo)簽粘貼最優(yōu)位置實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RFID標(biāo)簽在如圖5所示測(cè)試位置的識(shí)讀距離最優(yōu),因此,多標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選擇正對(duì)激光測(cè)距儀位置作為標(biāo)簽粘貼位置.檢測(cè)步驟如下:

(1)系統(tǒng)初始化,把RFID標(biāo)簽貼到貨物上的各測(cè)試位置.

(2)每組實(shí)驗(yàn)設(shè)定標(biāo)簽往返次數(shù)為10次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)取平均,以保證對(duì)識(shí)讀距離測(cè)量的可靠性.

(3)固定φ3=120°,令φ在[0°,60°]之間變化,保證了矩陣行列式在最大值和最小值之間變化,測(cè)試不同位置的RFID標(biāo)簽的識(shí)讀距離,可做出行列式仿真圖及識(shí)讀距離擬合曲線,如圖6(a)、(b)所示.

(4)固定φ2=0°,令φ3在[120°,180°]之間變化,測(cè)試不同位置的RFID標(biāo)簽的識(shí)讀距離,可分別得到行列式仿真圖及標(biāo)簽識(shí)讀距離與標(biāo)簽角度變化關(guān)系的擬合曲線,如圖6(c)、(d)所示.

圖6 矩陣行列式值、識(shí)讀距離——φ2、φ3關(guān)系曲線

對(duì)圖6(a)行列式理論值與圖6(b)識(shí)讀距離實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析可以看出,隨著號(hào)標(biāo)簽角度增大,矩陣行列式值與標(biāo)簽識(shí)讀距離都隨之增大,并且變化趨勢(shì)相同;對(duì)圖6(c)行列式理論值與圖6(d)識(shí)讀距離實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出仿真曲線和實(shí)驗(yàn)得到的擬合曲線變化趨勢(shì)相同;隨著號(hào)標(biāo)簽角度增大,矩陣行列式值與標(biāo)簽識(shí)讀距離都隨之減小.實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定條件下對(duì)識(shí)讀距離值進(jìn)行多次測(cè)量,并且方差穩(wěn)定,保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性測(cè)量.實(shí)驗(yàn)證明,利用Fisher矩陣作行列式來(lái)判定RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)識(shí)讀性能是可行的.

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了基于距離測(cè)量的多標(biāo)簽系統(tǒng)最優(yōu)的幾何分布模型、相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式,為提高多標(biāo)簽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、減小識(shí)讀誤差,引入含狀態(tài)參量的Fisher矩陣作為理論依據(jù),研究了標(biāo)簽幾何分布與動(dòng)態(tài)性能間的關(guān)系,提出了合理利用標(biāo)簽分布位置來(lái)提高RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)識(shí)讀性能的新方法.通過(guò)仿真計(jì)算給出最優(yōu)的標(biāo)簽位置的幾何分布,理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律符合,利用Fisher矩陣作行列式來(lái)判定RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)識(shí)讀性能是可行的.該研究為打破RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸提供了一種重要手段.

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(編輯:王 瑞)

簡(jiǎn) 訊

2015年11月20日,由共青團(tuán)中央、中國(guó)科協(xié)、教育部、全國(guó)學(xué)聯(lián)、廣東省人民政府共同主辦,廣東工業(yè)大學(xué)、香港科技大學(xué)聯(lián)合承辦的第十四屆“挑戰(zhàn)杯”中航工業(yè)全國(guó)大學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽終審決賽在廣州落下帷幕.我校共提交6件參賽作品,其中2件獲國(guó)家一等獎(jiǎng),3件獲國(guó)家二等獎(jiǎng),1件獲國(guó)家三等獎(jiǎng),并捧得“優(yōu)勝杯”.

摘自《西電科大報(bào)》2015.11.28

Method for detecting optimal distribution of RFID multiple tags based on Fisher matrix

YU Yinshan1,2,YU Xiaolei2,3,LIU Jialing1,2,ZH AO Zhimin1,WANG Donghua2
(1.College of Science,Nanjing Univ.of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Jiangsu Institute of Standardization,Nanjing 210029,China;3.College of Electronic and Optical Engineering,Nanjing Univ.of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:Dynamic performance parameters of multiple tags in the RFID system includes reading efficiency,reading distance and so on.The improvement of existing algorithms for the reading performance of multiple tags is limited in the RFID system,so the geometric distribution of tags is arranged reasonably to improve the performance in this paper.In the Fisher matrix of evaluation,we calculate the extremum of the azimuth matrix and obtain the optimal geometric distribution of tags.Then the geometric distribution of multiple tags and the reading performance of the RFID system are evaluated in numerical simulation.Taking the reading distance as the dynamic performance parameter,we design the tray-level RFID application system and test the optimal geometric distribution of multiple tags in simulative dynamic environment.The results show that the optimal geometric distribution of tags,which is obtained by calculating the Fisher matrix,could improve the dynamic performance and reduce the reading error of multiple tags in the RFID system effectively.

Key Words:RFID;Fisher matrix;dynamic performance;reading distance;multiple tags;geometric distribution

通訊作者:俞曉磊(1981-),男,博士,E-mail:nuaaxiaoleiyu@126.com

作者簡(jiǎn)介:于銀山(1987-),男,南京航空航天大學(xué)博士研究生,E-mail:yuyinshan@163.com.

基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2013M531363);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK20141032);江蘇省博士后基金資助項(xiàng)目(1202020C);國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013QK194);江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技資助項(xiàng)目(KJ133818);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX0246)

收稿日期:2014-10-12 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.019

中圖分類號(hào):TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2400(2016)02-0108-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.016.html