一種基于RFID的圖書管理系統(tǒng)

魏慧

(青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖書館, 青海 西寧 810000)

0 引言

RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域扮演著重要角色[1-3],特別是在倉庫管理，圖書館管理等需要大規(guī)模對物品進行管理的行業(yè)。RFID技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠幫助人們更加便捷地管理所需物品，如在圖書館中快速定位某本書的位置；發(fā)現(xiàn)錯誤擺放的書籍等。該技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⑷藗儚姆彪s的勞動中解放出來。然而，目前所有的RFID及其他類似技術(shù)都在定位精確度方面存在不足，因此最近的研究工作利用了許多不同的技術(shù)來提高RFID標簽定位的準確性[4-6]。迄今為止，對室內(nèi)定位精度的根本挑戰(zhàn)是來自附近物體的多徑反射。本研究介紹一種基于機器人的RFID定位系統(tǒng)MobiTag的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以在圖書館中大面積漫游，確定RFID標簽對象的空間位置，而無須繁瑣地構(gòu)建無線地圖。MobiTag的機器人將RFID閱讀器沿直線移動很小的距離，每隔幾厘米讀取一次讀數(shù)，并形成一個模擬的合成孔徑雷達系統(tǒng)。最終實現(xiàn)對空間中的標簽進行定位。

1 全息圖譜技術(shù)的原理

全息圖譜技術(shù)的基本思想是將由多個雷達單元測量的回波剖面與在每個可能位置生成的參考回波剖面進行關(guān)聯(lián)[7-9]。如果目標實際位置在測量位置時，則相關(guān)性達到最大值。相反，如果對目標位置存在判斷錯誤，則相關(guān)性將很低。一共兩個步驟，第一步是在每個可能的位置測量和存儲反射信號；第二步包括全息圖譜生成和標簽定位。如圖1所示。

圖1 全息圖譜原理示意圖

圖1中，使用點的二維圖像網(wǎng)格來描述標記的可能位置。從網(wǎng)格位置格位置gi,j反彈然后到達天線位置Ak的信號，如式(1)。

sr(Ak,gi,j)=ar(Ak,gi,j)ejθr(Ak,gi,j)

(1)

其中，ar(Ak,gi,j)和θr(Ak,gi,j)分別是后射信號的振幅和相位。如果讀取器天線移動到M個已知位置，可以計算網(wǎng)格位置gi,j的M個信號。這些M個信號一起構(gòu)成網(wǎng)格位置gi,j的參考剖面并被存儲。

接下來使用反向相關(guān)濾波器來關(guān)聯(lián)兩個信號以產(chǎn)生全息圖譜。設(shè)st(Ak)為標簽的后向散射信號，由天線Ak接收。逆相關(guān)濾波器使用，如式(2)。

C(st(Ak),sr(Ak,gi,j))=ejθr(Ak)·e-jθr(Ak,gi,j)

(2)

將st(Ak)與參考信號sr(Ak,gi,j)相關(guān)。

其中，θt(Ak)是天線Ak接收到的相位讀數(shù)，可以直接從RFID閱讀器中獲取。對于每個網(wǎng)格位置，然后對所有M個天線進行上述相關(guān)操作，并最終進行總結(jié)。然后計算全息圖譜中網(wǎng)格位置gi,j的像素值I(gi,j)，如式(3)。

(3)

其中，F(xiàn)表示適當?shù)臍w一化因子。如果像素位置是實際標簽位置并且沒有多徑，則接收信號的相位測量應(yīng)等于參考信號的相位測量，并且所得相關(guān)系數(shù)最大化。相反，如果標簽不在網(wǎng)格gi,j中，則復(fù)雜信號將被用隨機相位相加，這將導(dǎo)致相消干涉，從而導(dǎo)致I(gi,j)的值較小。為了確定標簽的位置，對全息圖譜上的每個網(wǎng)格都進行了假設(shè)檢驗。在沒有多路徑的情況下，產(chǎn)生最高I(gi,j)值的網(wǎng)格應(yīng)該是標簽的真實位置。

2 MobiTag原理

2.1 多頻全息圖譜

在實際應(yīng)用中，輪式機器人面臨的挑戰(zhàn)在于知道其移動時的精確天線位置。如果這些機器人位置估計不準確，將采集到的信號相加會在真實位置造成破壞性干擾，進一步降低標簽定位精度。為了減小這種不利影響，在此提出了一種基于多頻的全息圖譜技術(shù)。其基本思想是通過改變RFID查詢的信道，充分發(fā)揮RFID設(shè)備的信道跳變能力。因此，新反向相關(guān)濾波器的表示，如式(4)。

(4)

其中，F(xiàn)′表示適當?shù)臍w一化因子。在這個等式中，N是用于RFID查詢的信道數(shù)；st(Ak,fl)表示天線Ak接收的l-th信道上的信號。傳統(tǒng)全息圖譜和本研究的多頻全息圖譜技術(shù)的基本原理，如圖2所示。

(a) 傳統(tǒng)全息圖譜生成方法

(b) 多頻全息圖譜生成方法

使用不同載波頻率上接收到的信號生成的全息圖譜的五張圖片，如圖3所示。

(a) 1 frequency

在一個載波頻率上的相位讀取產(chǎn)生的全息圖譜中出現(xiàn)多個旁瓣(Sidelobe)，這使得標簽的真實位置(Truelocation)不清楚。當使用來自4、8和12個頻率的相位數(shù)據(jù)時，標簽被錯誤地定位在這些旁瓣上的可能性顯著降低。這是因為在單個位置但超過N個不同頻率的發(fā)射與在N個不同位置但超過一個頻率的發(fā)射信號具有相似的效果。隨著使用更多的通道，精度也會提高。同時還觀察到，隨著進一步添加信道，定位精度提高的幅度減小。

2.2 多徑抑制

從標簽返回的無線信號沿所有徑向發(fā)射，反射到附近的墻壁、桌子和其他物體上，導(dǎo)致多徑傳播。RFID閱讀器報告的相位測量是信號在所有傳播路徑上的疊加，不一定只是直接路徑。因此，在普遍的多徑情況下，全息圖譜技術(shù)所獲得的定位精度將顯著降低。

基于空間中多徑變化的強度[10]，MobiTag多徑抑制算法的基本思想是檢測并找到多徑普遍存在的閱讀器位置，并排除這些位置的相位讀數(shù)以生成全息圖譜。由于在低多徑的閱讀器位置，RFID閱讀器的相位測量值對應(yīng)于僅沿直線路徑傳播的信號。因此，當MobiTag改變載波頻率時，相位測量的變化是恒定的。相反，如果無線信號在給定的閱讀器位置存在嚴重的多徑，則相位測量應(yīng)該是對應(yīng)于許多傳播路徑的相位值的疊加，因此當改變載波頻率時，相位測量值會不規(guī)則地改變。

在本研究中，通過一個微觀基準來驗證這一觀察結(jié)果。本研究設(shè)計了一個RFID閱讀器，可以跳過16個載波頻率。閱讀器放在離標簽一米遠的地方。在一個低和多路徑場景中執(zhí)行這個微基準測試。選擇兩個標簽并繪制它們的相位序列，如圖4所示。

在低多徑情況下，對于這兩個標簽，相位序列在每個載波頻率內(nèi)保持穩(wěn)定值，并且在從一個載波頻率跳到另一個載波頻率時線性變化。相比之下，在常見的多徑情況下，這兩個標簽的相位序列變化不規(guī)則。具體地說，由于人體運動引起的動態(tài)多徑效應(yīng)，相位值會突然跳變，而在信道跳變過程中，由于來自所有路徑的相位疊加，相位值會非線性變化。

(a) 低多徑

2.3 算法實現(xiàn)

(5)

在這個方程中，如果所有的相位差值都是相似的，ek將接近1。否則，ek將接近于零。接下來進一步定義了以下加權(quán)函數(shù)和新的逆相關(guān)濾波器，如式(6)。

(6)

其中，M是讀取器位置的數(shù)目。這個加權(quán)函數(shù)的解釋是直截了當?shù)模何恢胟處的相位差熵越高，表明普遍存在多徑的可能性越低，因此在該位置報告的相位測量對于最終全息圖譜的生成應(yīng)該具有更高的權(quán)重。

無MobiTag多徑抑制和有MobiTag多徑抑制的全息圖譜，如圖5所示。

采用多徑抑制算法時，旁瓣明顯減弱。此外，多徑抑制后主瓣的波束寬度縮小到3 cm。

3 實驗與評估

3.1 實驗環(huán)境部署

MobiTag的硬件由兩部分組成：RFID通信模塊和運動控制器。所用設(shè)備均為商用設(shè)備。RFID閱讀器為ImpinJ Speedway R420，兩個定向天線和一組無源RFID標簽組成射頻通信模塊。R420閱讀器在UHF頻段920.625-924.375MHz工作，編程可跳過16個頻道。天線具有9dBi增益、70°仰角和方位角波束寬度。

MobiTag的軟件是用Java語言實現(xiàn)的，運行在配備英特爾i5處理器和4GB RAM的筆記本電腦上。它通過低級讀取器協(xié)議(Low-level Reader Protocol，LLRP)收集相位數(shù)據(jù)。

在本研究中進行了實地實驗，以測量MobiTag在現(xiàn)實環(huán)境中兩個不同位置的端到端性能。兩個位置的平面圖，如圖6所示。

圖6 位置示意圖

在第一個位置，多個對象被放置在RFID標記的對象周圍，以便生成多路徑的流行環(huán)境。在第二個位置，將RFID標記的對象移動到一個相對開放的空間，在那里只有墻壁和桌子產(chǎn)生少量的多路徑。這兩個場景的快照，如圖7所示。

(a) MobiTag示意圖

在每個場景中，本研究在20本書的書脊上貼上無源RFID標簽。

3.2 結(jié)果評估

在本研究中把Tagoram[11]和STPP[12]，與MobiTag進行了對比。首先展示了每種算法在圖書排序中的表現(xiàn)。把閱讀器天線放在離書架一米遠的地方，進行四組實驗來測量實驗中的差異。在每組中，重復(fù)實驗五次，總共有100本書。成功率，如表1所示。

表1 不同算法在圖書排序中的表現(xiàn)

從表中可知，MobiTag以84%的最低成功率確定了正確的圖書順序。相比之下，STPP和Tagoram的成功率分別高達52%和74%。這清楚地表明MobiTag比這些方案獲得了更高的排序精度。然后將研究每種算法如何在不精確到一本書的情況下對書籍進行排序，如表2所示。

表2 3種算法對書籍的排序結(jié)果

由表2可知，在STPP中沒有顯著的精度改進。Tagoram的性能從平均72%略微提高到平均90%，而MobiTag在四個測試組中幾乎達到了100%的準確性。

為了更好地理解MobiTag算法在圖書排序方面優(yōu)于其他兩種算法的原因，在此分析了這三種算法的定位精度。如圖8所示。

圖8 三種方法的CDF示意圖

圖8顯示了MobiTag、Tagoram和STPP中誤差距離的累積分布函數(shù)(CDF)。STPP的中間誤差距離為8.6 cm，第90個百分點為11.2 cm。STPP的最大誤差為14.2 cm。這種較大的誤差來源于室內(nèi)熱噪聲和嚴重的多徑效應(yīng)。Tagoram優(yōu)于STPP。在嚴重的多徑環(huán)境中，它的平均誤差為5.6 cm，第90個百分點為6.8 cm。最大誤差距離為7.6 cm。Tagoram比STPP具有更高的準確度，因為它基于更穩(wěn)健的定位方案。但是，由于以下原因，它未能達到與文獻[11]中先前報告的結(jié)果相當?shù)木取嶒灜h(huán)境中的桌子和書本等反射器會造成復(fù)雜的多徑環(huán)境，破壞位置和相位讀數(shù)之間的相關(guān)性。Tagoram沒有明確處理多徑效應(yīng)引起的相位漂移。因此，在室內(nèi)多徑反射普遍且強的情況下，它會遇到一些實際問題。

MobiTag的平均誤差為3.4 cm，分別比STPP和Tagoram高2.5倍和1.6倍。第90百分位誤差為4.8厘米，最大誤差為5.6厘米。這種改進是由于MobiTag能夠處理多徑效應(yīng)帶來的失真。與Tagoram相比，MobiTag通過使用多個頻率來創(chuàng)建更多的虛擬天線。這些虛擬天線的全息圖組合增強了真實位置，消除了假陽性位置。結(jié)合標簽排序精度結(jié)果，可以看出，2.2cm的定位精度增益在應(yīng)用于圖書排序時會產(chǎn)生顯著的排序精度增益。

4 總結(jié)

本文介紹了一種自動輪式機器人閱讀器MobiTag的設(shè)計、實現(xiàn)和評估，該閱讀器可以對圖書館進行自動化巡回管理，可以對圖書館的圖書進行自動化的擺放，查找，定位。MobiTag提高了前沿的RFID定位系統(tǒng)檢測和減小多徑效應(yīng)的能力。MobiTag完全建立在商用RFID設(shè)備上，具有易于操作的特性?；诂F(xiàn)實環(huán)境的實驗表明，在存在多徑的情況下，MobiTag可以實現(xiàn)86%的精度。