近場(chǎng)天線和信號(hào)強(qiáng)度的RFID標(biāo)簽定位應(yīng)用

賈俊峰，葉連杰，李 藝

（1.北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100039；2.北京航天愛威電子技術(shù)有限公司，北京 100039）

0 引 言

無線射頻識(shí)別即射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification, RFID），是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，可通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對(duì)記錄媒體（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的[1-2]。

在無線通信系統(tǒng)中，能夠?qū)l(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置被稱為天線。

RSSI（Received Signal Strength Indicator, RSSI）是接收信號(hào)的強(qiáng)度指示[3]，它的實(shí)現(xiàn)在反向通道基帶接收濾波器之后進(jìn)行。

1 RFID天線及定位模型

1.1 RFID天線

根據(jù)RFID天線的應(yīng)用場(chǎng)景，大致可以分為近場(chǎng)天線和遠(yuǎn)場(chǎng)天線[4]。遠(yuǎn)場(chǎng)天線的應(yīng)用范圍較廣，具備普遍適用性；近場(chǎng)天線由于其原理特點(diǎn)，適用于傳送帶等近距離掃描的場(chǎng)景。

根據(jù)天線的設(shè)計(jì)原理，可以分為抗金屬天線、分布式天線、圓極化天線、彎折線天線等。根據(jù)天線制作工藝，可以分為線圈天線、印制天線等。RFID天線種類如圖1所示。

圖1 RFID天線

不同的天線有其自身的特點(diǎn)，應(yīng)用過程中需要明確天線的作用，選定天線的設(shè)計(jì)原則，關(guān)注天線的性能參數(shù)。

1.2 標(biāo)簽定位模型

RFID的定位即確定RFID標(biāo)簽的距離和位置。確定位置的算法模型所依賴的數(shù)據(jù)類型主要有TOA（到達(dá)時(shí)間）、TDOA（到達(dá)時(shí)間差）、AOA（到達(dá)角）和RSSI（信號(hào)強(qiáng)度）算法[5-6]。

TOA的定位原理：先獲得從發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)目標(biāo)物體后再返回發(fā)射機(jī)的時(shí)間。由于所發(fā)射信號(hào)的傳播速度是確定的，根據(jù)速度位移公式S=VT即可計(jì)算出發(fā)射機(jī)與目標(biāo)物體之間的距離，獲取目標(biāo)物體的位置信息。

如圖2所示，在二維平面上定位目標(biāo)物體的具體位置時(shí)，需要3個(gè)傳感器或發(fā)射器獲取數(shù)據(jù)，假設(shè)A，B，C三點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為(x1, y1)，(x2, y2)，(x3, y3)，目標(biāo)物體的位置坐標(biāo)假設(shè)為(x, y)，且目標(biāo)物體距離A，B，C三點(diǎn)的距離分別為a，b，c，由此可形成一組定位方程組，求解即可得到目標(biāo)物體的坐標(biāo)。TOA定位算法不僅依賴多個(gè)發(fā)射器，同時(shí)需要發(fā)射器具有非常精細(xì)的時(shí)鐘，否則距離數(shù)據(jù)無法作為參考值進(jìn)行計(jì)算，這是TOA定位算法的劣勢(shì)。

TDOA即到達(dá)時(shí)間差定位算法，原理：在不同測(cè)量點(diǎn)同步發(fā)射信號(hào)，通過計(jì)算不同發(fā)射信號(hào)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)物體的距離差獲取目標(biāo)物體的位置?；趫D2的位置坐標(biāo)假設(shè)，根據(jù)TDOA算法得到以下方程：

圖2 TOA三角測(cè)距模型

利用R1表示A測(cè)量點(diǎn)和C測(cè)量點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)的距離差值，B、C兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的差值用R2表示，得到：

求解上述方程組，得到目標(biāo)物體的坐標(biāo)。

AOA即到達(dá)角定位算法，基于陣列天線進(jìn)行計(jì)算，此定位算法依賴陣列天線2個(gè)不同方向反射回的信號(hào)，其交叉點(diǎn)即為目標(biāo)物體位置坐標(biāo)，定位原理如圖3所示。

圖3 AOA定位原理

RSSI即接收信號(hào)的強(qiáng)度指示，根據(jù)讀寫器的功率損耗，按照公式即可計(jì)算出空間中任意一點(diǎn)的功率值：

式中：Pri表示第i個(gè)讀寫器的功率；Pt表示標(biāo)簽發(fā)送的額定功率；Gt和Gri分別表示標(biāo)簽天線和讀寫器天線的增益。

2 近場(chǎng)天線及RSSI在標(biāo)簽定位中的應(yīng)用

本文采用的標(biāo)簽和近場(chǎng)天線測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。利用近場(chǎng)天線，結(jié)合RSSI對(duì)標(biāo)簽定位進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證及應(yīng)用。利用近場(chǎng)天線對(duì)多個(gè)6C標(biāo)簽進(jìn)行盤點(diǎn)，獲取RSSI數(shù)值進(jìn)行定位計(jì)算，確定RFID標(biāo)簽與近場(chǎng)天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系與標(biāo)簽的位置。

圖4 測(cè)試環(huán)境示意圖

2.1 天線設(shè)計(jì)

近場(chǎng)天線采用PIFA天線形式（可減小天線尺寸）。PIFA天線采用RF-4為介質(zhì)，4層板設(shè)計(jì)，第3層正面為輻射陣子，陣子寬為W，長(zhǎng)為L(zhǎng)，饋電點(diǎn)由PCB第4層通過過孔通向第1層陣子，短路點(diǎn)由第3層通過過孔通向第1層陣子[7-8]，如圖5所示。

圖5 近場(chǎng)天線圖

通過HFSS仿真優(yōu)化參數(shù)，確定尺寸W=5 mm，L=30 mm，天線輻射方向如圖6所示。

圖6 天線輻射方向圖

圖6中，天線最大增益為-13.7 dBi，半功率夾角為110°，滿足天線近場(chǎng)以及小型化的要求。

2.2 讀寫器配置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)標(biāo)簽的定位，針對(duì)RFID讀寫器進(jìn)行了額外的算法配置。根據(jù)所使用近場(chǎng)標(biāo)簽的類型特點(diǎn)，考慮標(biāo)簽所在環(huán)境為封閉式金屬柜體內(nèi)部，存在信號(hào)反射等情況，故縮短盤點(diǎn)周期，并采用固定的頻點(diǎn)設(shè)置[9]。為減少信號(hào)反射造成的標(biāo)簽串讀現(xiàn)象，降低讀寫器發(fā)射功率，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了合適的功率值。調(diào)整標(biāo)簽響應(yīng)概率值，使其根據(jù)所配置的Q值調(diào)整標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)間，減少多標(biāo)簽碰撞帶來的數(shù)據(jù)沖突問題，提升標(biāo)簽盤點(diǎn)效率。讀寫器配置見表1所列。

表1 讀寫器配置

不同的配置參數(shù)能夠盤點(diǎn)的標(biāo)簽數(shù)量有所差異，根據(jù)使用場(chǎng)景要求，單次盤點(diǎn)過程中，盤點(diǎn)的標(biāo)簽越集中，參數(shù)配置越合理。

2.3 RSSI定位

從本文的應(yīng)用場(chǎng)景可以看出，測(cè)試方式為單個(gè)讀寫器利用多個(gè)近場(chǎng)天線對(duì)多個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行盤點(diǎn)操作，如何確定各天線與標(biāo)簽的位置關(guān)系是RSSI定位需要解決的關(guān)鍵問題。

讀寫器位置固定，標(biāo)簽位置遠(yuǎn)近不同。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，受限于障礙物、吸波材料、多徑效應(yīng)等因素的影響，理想的RSSI定位公式并不一定適用，本文采用基于傳播的簡(jiǎn)化距離損耗模型來估算標(biāo)簽位置。射頻信號(hào)傳播示意如圖7所示。

圖7 射頻信號(hào)傳播示意圖

讀寫器工作時(shí)，根據(jù)觸發(fā)條件選定特定的天線對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行盤點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)時(shí)獲取該天線盤點(diǎn)的全部epc和RSSI數(shù)據(jù)，并對(duì)epc進(jìn)行分類匯總，同時(shí)對(duì)RSSI進(jìn)行排序。根據(jù)信號(hào)損耗隨距離呈現(xiàn)對(duì)數(shù)衰減的特點(diǎn)，選取RSSI數(shù)值最大的epc作為距離盤點(diǎn)天線最近位置的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)該次工作天線與標(biāo)簽位置的綁定關(guān)系，并確定天線與標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)管線，實(shí)現(xiàn)天線與標(biāo)簽的一對(duì)一綁定。

3 標(biāo)簽定位的影響因素及改進(jìn)措施

近場(chǎng)天線與遠(yuǎn)場(chǎng)天線的應(yīng)用環(huán)境區(qū)別較大，目前近場(chǎng)天線的應(yīng)用仍然具有較大的改進(jìn)空間，具體措施主要體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 空間結(jié)構(gòu)反射

RFID是通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，受空間結(jié)構(gòu)反射或散射的影響較大，而近場(chǎng)天線恰恰是在環(huán)境受限的場(chǎng)景中應(yīng)用。

讀寫器頻點(diǎn)不同，在近場(chǎng)環(huán)境中所產(chǎn)生的折射、反射現(xiàn)象都有所區(qū)別。RFID信號(hào)通過結(jié)構(gòu)外框，其他天線或障礙物后進(jìn)行折射、反射，形成多條信號(hào)路徑到達(dá)標(biāo)簽位置，這是RFID信號(hào)的多徑效應(yīng)，是RFID信號(hào)的典型傳播特性之一。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮射頻信號(hào)多徑效應(yīng)對(duì)標(biāo)簽定位造成的影響。

3.2 天線設(shè)計(jì)

近場(chǎng)天線的性能指標(biāo)對(duì)標(biāo)簽盤點(diǎn)的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。本文所采用的近場(chǎng)天線設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)。后續(xù)應(yīng)用中，不僅可以嘗試變換天線的設(shè)計(jì)形狀，改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)，還可以考慮在近場(chǎng)天線的設(shè)計(jì)上克服或降低外界材質(zhì)，尤其是金屬障礙物對(duì)天線性能造成的影響。近場(chǎng)天線的尺寸面積和排列緊密度也具備提升空間，使得單位面積內(nèi)各天線可以盤點(diǎn)的標(biāo)簽數(shù)量有效增加。

3.3 標(biāo)簽選型

RFID系統(tǒng)由讀寫器、天線和標(biāo)簽構(gòu)成。系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定的運(yùn)行，離不開每個(gè)設(shè)備、器件的良好配合。排除空間結(jié)構(gòu)、天線側(cè)的影響，合適種類的標(biāo)簽也是影響定位的因素之一。針對(duì)近場(chǎng)天線的性能要求，需要對(duì)多種標(biāo)簽進(jìn)行大量測(cè)試，包括近場(chǎng)標(biāo)簽、遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)簽和近遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)簽[10]。測(cè)試不同標(biāo)簽的表現(xiàn)效果，確定合適的標(biāo)簽型號(hào)。

4 結(jié) 語

本文通過設(shè)計(jì)近場(chǎng)天線對(duì)單個(gè)讀寫器盤點(diǎn)多個(gè)標(biāo)簽并定位的技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，通過驗(yàn)證，確定了讀寫器的盤點(diǎn)參數(shù)配置和位置定位模型，對(duì)近場(chǎng)天線的位置確定取得了良好的效果。同時(shí)，針對(duì)近場(chǎng)天線應(yīng)用的各環(huán)節(jié)提出了改進(jìn)措施，能夠進(jìn)一步降低標(biāo)簽漏讀、串讀概率，大幅提升盤點(diǎn)效率和準(zhǔn)確率。