基于RFID天線陣列的精確定位方法設(shè)計(jì)

龔結(jié)龍，丁雙定，李小杰，戴燕君

（中電海康集團(tuán)有限公司 浙江?？悼萍加邢薰?，浙江 杭州 311100）

0 引 言

在基于RFID技術(shù)管理文件、物品等對(duì)象的場(chǎng)景應(yīng)用中，對(duì)這些被管理對(duì)象的位置定位是系統(tǒng)的核心功能。影響定位結(jié)果的關(guān)鍵性能指標(biāo)為串讀率和漏讀率。實(shí)際使用中，由于RFID技術(shù)的物理特性，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽重疊率較高、被遮擋、或者所處環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)分布不均導(dǎo)致無(wú)法受到激勵(lì)等情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有目標(biāo)標(biāo)簽的讀取/盤(pán)點(diǎn)，存在較高漏讀率。同時(shí)，由于RFID天線的場(chǎng)強(qiáng)分布特性，不同天線的場(chǎng)強(qiáng)分布范圍不同，強(qiáng)弱也不同，由此造成的場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域邊界不能完全確定，在實(shí)際環(huán)境中使用時(shí)容易讀到周?chē)臉?biāo)簽，引起串讀。

串讀和漏讀本身是一對(duì)矛盾的因子，相同天線環(huán)境下。當(dāng)功率增加時(shí)，漏讀率會(huì)降低，但是串讀率會(huì)升高；當(dāng)功率降低時(shí)，串讀的情況會(huì)有所改善，但是漏讀率會(huì)提升。因此，需要從本質(zhì)上改善天線的場(chǎng)強(qiáng)分布，使場(chǎng)強(qiáng)盡可能均勻分布，范圍距離可控，避免場(chǎng)強(qiáng)的弱區(qū)和盲區(qū)?；诖吮疚牟捎锰炀€陣列結(jié)合定位算法的方式，實(shí)現(xiàn)一種基于天線陣列三維立體模型的定位方法。

如圖1所示為一種RFID智能文件柜示意圖。圖1中：位置1為柜體結(jié)構(gòu)，位置2為柜體內(nèi)部的20個(gè)區(qū)域，位置3為每個(gè)區(qū)域下面鋪設(shè)的近場(chǎng)天線；文件存放在文件袋中，文件袋的底部貼上RFID標(biāo)簽，文件豎放排列在各個(gè)區(qū)域中。在此通過(guò)柜體內(nèi)部設(shè)置的嵌入式系統(tǒng)和RFID讀寫(xiě)器，使用天線陣列盤(pán)點(diǎn)柜體中所有文件標(biāo)簽，并定位出每一本文件所在的區(qū)域。

圖1 RFID智能文件定位柜示意圖

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線詳細(xì)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)PCB近場(chǎng)天線陣列時(shí)，需實(shí)現(xiàn)天線場(chǎng)強(qiáng)分布范圍可控且場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度分布均勻。本文的近場(chǎng)天線的詳細(xì)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)的進(jìn)場(chǎng)天線由正面板和接地板組成，采用基于π型結(jié)構(gòu)的行波天線設(shè)計(jì)，以50 Ω特性阻抗微帶線及周期性的π型結(jié)構(gòu)走線，如圖中位置3所示，尾部接50 Ω負(fù)載，如圖2中位置5所示。每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)設(shè)計(jì)。行波天線的輻射效率較低，可以有效地將天線的輻射能量控制在近距離范圍內(nèi)。PCB天線的分布為單PCB板上分布雙天線，如圖2中位置3所示敷銅部分，并采用引出雙饋點(diǎn)的方式，雙饋點(diǎn)如圖2中位置4所示。天線的雙饋點(diǎn)分別通過(guò)饋線連接到RFID讀頭，RFID讀頭啟動(dòng)工作時(shí)，分別使能饋點(diǎn)1和饋點(diǎn)2，生成的兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)在空間分布上互相彌補(bǔ)。通過(guò)這種π型結(jié)構(gòu)可以使場(chǎng)強(qiáng)范圍在三維空間內(nèi)均勻分布，距離范圍完全可控，有效避免了單饋點(diǎn)天線引起的盲區(qū)弱區(qū)問(wèn)題?；谠撎炀€陣列，無(wú)源RFID讀頭讀取到的標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度分布均勻，避免漏讀和相鄰區(qū)域天線陣列之間的明顯串讀。

圖2 近場(chǎng)天線結(jié)構(gòu)

1.2 仿真結(jié)果

10 mm處天線仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙饋點(diǎn)方式的場(chǎng)強(qiáng)分布圖

圖3中紅色表示場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域范圍，藍(lán)色表示場(chǎng)強(qiáng)最弱的區(qū)域范圍。從單饋點(diǎn)方式的場(chǎng)強(qiáng)分布可以看出，藍(lán)色區(qū)域和綠色區(qū)域具有明顯的界限，表明近場(chǎng)天線的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍是可控的，相比較于單饋點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)分布情況，雙饋點(diǎn)的方式明顯增加了場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的分布范圍，同時(shí)改善了場(chǎng)強(qiáng)分布均勻度。圖中的綠色顏色深淺變化細(xì)微，表示場(chǎng)強(qiáng)分布均勻，整體上場(chǎng)強(qiáng)偏強(qiáng)的范圍在中心區(qū)域，對(duì)周?chē)鷽](méi)有明顯影響。

2 定位算法設(shè)計(jì)

根據(jù)RFID多標(biāo)簽數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)定位算法，其核心影響因子為天線陣列表。表中每根天線獲取的標(biāo)簽RSSI信號(hào)強(qiáng)度值、讀取次數(shù)。通過(guò)三個(gè)影響因子建立三維立體空間模型，通過(guò)權(quán)重最優(yōu)的邏輯算法輸出最優(yōu)的定位值，避免因相鄰天線串讀引起的定位位置發(fā)生偏移。該算法結(jié)合所設(shè)計(jì)的天線與環(huán)境形成的場(chǎng)強(qiáng)分布，可以精確實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的定位。

2.1 天線陣列定位算法

天線陣列定位算法描述為逐一使能天線陣列中的每一根天線，獲取每根天線讀取的標(biāo)簽信息。由于RFID技術(shù)的特性，同一個(gè)標(biāo)簽可以被一定范圍內(nèi)的多根天線讀到，而距離該標(biāo)簽最近的天線為標(biāo)簽的真實(shí)位置。通過(guò)定位算法可以準(zhǔn)確得出每一個(gè)標(biāo)簽距離最近的天線位置，天線位置在空間對(duì)應(yīng)具體的位置，從而完成對(duì)標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。

定位算法邏輯圖如圖4所示。定位算法步驟如下：

圖4 定位算法邏輯

（1）導(dǎo)入天線陣列列表，根據(jù)天線陣列列表生成三維立體空間模型，即天線陣列中的每一根天線對(duì)應(yīng)某一個(gè)空間區(qū)域，天線陣列以饋點(diǎn)為單位，因此同一塊天線PCB板上的雙饋點(diǎn)天線為2根天線。

（2）導(dǎo)入天線陣列中每一根天線讀取到的所有標(biāo)簽信息，并轉(zhuǎn)換生成每個(gè)標(biāo)簽被天線陣列中的哪些天線讀到、所讀到的RSSI信號(hào)值、讀取到的次數(shù)等信息列表，并以RSSI信號(hào)值進(jìn)行優(yōu)劣排序，生成標(biāo)簽信息排序表。如：標(biāo)簽Tag1被Antx，Anty，Antz三根天線讀到，根據(jù)RSSI值排序后，得到其RSSI平均值分別為RSSIx，RSSIy，RSSIz，次數(shù)分別為 Cntx，Cnty，Cntz。

（3）依次以單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行定位計(jì)算，根據(jù)上述信息表建立算法模型，通過(guò)比較最優(yōu)的RSSI值的次數(shù)和空間位置是否均屬于最優(yōu)位置，如果是則輸出該位置為標(biāo)簽所在的定位結(jié)果；如果否，根據(jù)3個(gè)影響因子的權(quán)重排序，結(jié)合空間模型中的點(diǎn)位，輸出最優(yōu)的天線號(hào)作為精確位置，從而輸出定位結(jié)果。

定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場(chǎng)強(qiáng)分布設(shè)計(jì)，如果場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致定位偏差，從而輸出錯(cuò)誤的定位結(jié)果。例如，天線陣列中的天線AntP在附近的空間點(diǎn)位Ox中存在弱區(qū)，而天線AntQ在空間點(diǎn)位Ox中為強(qiáng)區(qū)，而空間點(diǎn)位Ox在空間上屬于AntP的范圍，空間點(diǎn)位Ox距離AntQ更遠(yuǎn)。當(dāng)標(biāo)簽Tagx位于空間點(diǎn)位Ox時(shí)，出現(xiàn)AntP天線讀到標(biāo)簽Tagx的信號(hào)強(qiáng)度和次數(shù)更優(yōu)于AntQ天線讀到的信號(hào)強(qiáng)度和次數(shù)，根據(jù)定位算法與點(diǎn)位模型，輸出了Tagx的定位結(jié)果為AntQ，導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。

2.2 單天線定位算法

單天線定位算法指的是：根據(jù)天線陣列算法得出了已有的標(biāo)簽所在的精確位置。當(dāng)觸發(fā)單根天線讀取標(biāo)簽時(shí)，如果需要增加或減少標(biāo)簽，只需根據(jù)單天線讀取的標(biāo)簽信息和原天線陣列的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，設(shè)計(jì)定位邏輯算法，得到標(biāo)簽的增減變化結(jié)果，具體描述：

（1）天線陣列中的天線號(hào)分布為Ant1，Ant2，…，Antn；

（2）天線陣列數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)定義為：

Ant1天線號(hào)的數(shù)據(jù)：Ant1-Tag1，Ant1-Tag2，…，Ant1-Tagm1；

Ant2天線號(hào)的數(shù)據(jù)：Ant2-Tag1，Ant2-Tag2，…，Ant2-Tagm2；

…………

Antn天線號(hào)的數(shù)據(jù)：Antn-Tag1，Antn-Tag2，…，Antn-Tagmn。

（3）天線陣列中的某根天線Antx的一次讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，讀取到w個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)，命名為R1，R2，…，Rw。

步驟1：判斷Ri是否在Antx信息庫(kù)中（Antx-Tag1，Antx-Tag2，…，Antx-Tagm1）。

如果Ri在Antx信息庫(kù)中，則Ri=＞狀態(tài)未改變；

如果Ri不在Antx信息庫(kù)中，則查看Ri是否在所有天線陣列數(shù)據(jù)庫(kù)（Ant1～Antn）中，如果在數(shù)據(jù)庫(kù)中，說(shuō)明Ri是串讀到的其他天線中的標(biāo)簽，Ri=＞狀態(tài)未改變；如果Ri不在整庫(kù)中，則Ri=＞新增；

從R1輪詢到Rw結(jié)束。

步驟2：提取出Antx中原數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，記錄為：Antx-Tag1，Antx-Tag2，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

依 次 在R1～R30中 查 找 Antx-Tag1，Antx-Tag2， …，Antx-Tagk，…，Antx-Tagmx；

如果在R1～R30中能找到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞狀態(tài)未改變；

如果在R1～R30中找不到Antx-Tagk，則Antx-Tagk=＞取出。

通過(guò)上述比較分析可以在單天線讀取標(biāo)簽后，準(zhǔn)確定位出新增和減少的標(biāo)簽。

進(jìn)一步地，定位算法在一定程度上依賴于天線陣列的場(chǎng)強(qiáng)分布設(shè)計(jì)，如果場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，會(huì)帶來(lái)定位發(fā)生偏差的錯(cuò)誤結(jié)果。

3 系統(tǒng)使用

將普通的近場(chǎng)天線應(yīng)用在天線陣列定位標(biāo)簽位置的場(chǎng)景中，以智能文件定位柜（長(zhǎng)×寬×高=1 000 mm×360 mm×2 000 mm）為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該智能文件柜分為5層20個(gè)區(qū)域格，每個(gè)區(qū)域格布置一塊普通的近場(chǎng)天線，共20個(gè)近場(chǎng)天線陣列，對(duì)1 000本RFID文件進(jìn)行定位結(jié)果測(cè)試，連續(xù)測(cè)試500次得到的定位結(jié)果顯示：串讀發(fā)生的概率5%以上；漏讀發(fā)生的概率在3%以上。

使用本文設(shè)計(jì)的雙饋點(diǎn)近場(chǎng)天線方式并結(jié)合定位算法對(duì)同樣的智能文件定位柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，相同空間分布內(nèi)由原來(lái)的20個(gè)近場(chǎng)天線陣列變成了40個(gè)近場(chǎng)天線陣列，對(duì)1000本RFID文件進(jìn)行定位結(jié)果測(cè)試，連續(xù)測(cè)試500次得到的定位結(jié)果顯示：串讀率低于0.1%；漏讀率低于0.5%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)RFID智能文件柜等應(yīng)用的標(biāo)簽串讀漏讀問(wèn)題，提出一種基于近場(chǎng)天線陣列結(jié)合定位算法實(shí)現(xiàn)的精確定位方法。將所述天線組形成的天線陣列用在文件定位/物品定位等應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，可嚴(yán)格控制每一個(gè)天線在本區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布的均勻度?；谠撎炀€陣列，無(wú)源RFID讀頭讀取到的標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度分布均勻，避免漏讀和相鄰區(qū)域天線陣列之間的明顯串讀。同時(shí)結(jié)合定位算法，可將本文方法應(yīng)用于基于RFID技術(shù)的多標(biāo)簽定位場(chǎng)景中。