基于旋转天线的RFID室内定位算法及试验研究

【关键词】RFID 定位算法 旋转天线

1 引言

室内定位技术是一项有很广阔前景和研究意义的技术，是物联网和智能家居的关键基础技术。基于RFID（Radio Frequency Identification）技术的定位方法具有非接触、低成本、部署简单、高精度等优点，逐渐成为首选的室内定位技术，尤其无源RFID具有不需要供电、可长期工作、能浸水使用等优势，因而得到越来越广泛的应用 。

RFID室内定位算法大致可归类为场景分析法和距离估计法两种。LANDMARC系统是一种常用的基于场景分析的定位方法，系统结构简单但成本高、定位精度差。基于距离估计的定位方法主要有依据信号到达时间TOA（Time of Arrival）的定位技术、依据信号到达时间差TDOA（Time Difference of Arrival）的定位技术、依据信号到达角度AOA（Angle of arrival）的定位技术和依据信号强度RSSI的定位技术等，其中依据信号强度RSSI的定位方法应用广泛。在诸多RSSI的定位算法中，三边测量法、双曲线测量法和最小二乘法是较为常用和基本的定位算法。

本文在实际RFID阅读器模型的基础上，提出一种采用旋转天线的新型RFID定位方法，给出了算法编写程序，并对该定位方法进行了试验研究。

2 旋转天线定位算法

许多研究试验发现RFID功率等值线不是一个圆。意大利罗马大学G. Marrocco等人的理论研究表明，RFID阅读器的边界适合于用一个椭圆方程来描述。李再煜的研究发现，实际情形下受天线和硬件PCB 布线等其他因素的影响，功率等值线所构成的曲线并不是一个圆，通过试验验证其轨迹是一个近似的椭圆。

试验测试发现，RFID信号在天线相对角度为0时RSSI强度最高，相对角度为0时的信号强度与距离之间的关系可以用对数路径损耗模型（1）表示。

式中，PL（d）为经过距离d后的路径损耗；PL（d0）为经过单位距离后的路径损耗；d0为单位距离；X0为均值为0的随机数并服从高斯分布；n是信号衰减因子。

实际测量中测距模型可以进一步简化为：

式中，A为高斯分布的噪声。

随着角度的增加RSSI强度逐渐降低，如图1所示。如果记录下标签随着天线角度变化下的信号强度变化，通过数据处理可以得到当前标签距离信号强度最大处的角度和当前信号强度值RSSI。

使用公式可以得到标签与天线的直线距离d，则标签位置为：

x=dsinα，y=dcosα （3）

3 RFID天线特性试验

3.1 试验系统硬件介绍

依据试验原理图，开发板通过一个USB口连接到计算机上，在计算机上安装驱动程序可以虚拟出RS232口。系统试验中采用了玖锐科技的JRM20X0高频模块开发板和JR4050W 3dBI天线.该开发板通过RS232通讯接口可以控制读写RFID标签，并能提供RSSI值。试验中天线通过步进电机驱动旋转，标签位置不变，计算机连续采集标签的RSSI值。步进电机512步走完一圈360°，为了测试方便，每次控制步进电机旋转90°。

3.2 数据采集方法介绍

向JRM20X0开发板的RS232接口发送命令帧，然后读取通知帧就可以获得所需数据。

在Matlab中打开RS232端口，发送多次读标签的指令，然后读取返回的数据，判断返回数据有效后保存这个数据。下面为一个matlab读取100次标签数据的演示例子。

%第二个字节为2是成功读到数据的标识

由于读到的RFID标签RSSI值有一定的随机性，需要多次进行读取，取其平均值为测量值。

在步进电机控制天线旋转过程中，部分角度无法读取到标签数据，因此试验中在每个角度下读取标签20次，仅保存读到的有效数据，舍弃其中没有有效测量数据的角度测量结果。

3.3 直线距离下RSSI与距离之间的关系

标签的信号强度RSSI在标签与天线之间的角度为0°时与距离有良好的线性关系，通过试验可以获得这个关系。通过前述试验系统，在每个标签位置下读取100次数据做平均，消除RSSI的随机量后作为RSSI的真值。

对试验中的天线和标签，其信号强度和标签距离的关系数据如表1所示。

对以上数据进行拟合得到RSSI与距离的关系如下关系式：

d = -52.79RSSI-2903.74

以此公式估计RSSI值对应的标签位置，所得到的距离估计误差如表1所示，最大的估计误差为29.71mm，定位精度较高。

4 旋转天线定位试验

用matlab编程控制步进电机转动角度，RFID天线安装在步进电机上其角度随着步进电机转动而转动。

步进电机转动一步，对RFID测量20次，分析测量的结果，舍弃没有RSSI值的无效数据。如此反复进行，对于标签在（550mm，0mm） 位置时，所测的标签RSSI值与天线角度的关系如图2所示，其中的点位测量值。对这些数据进行拟合，拟合为一个二次方程，其表示为红色的线。这个二次方程具有最大值，最大值点即为标签所在的位置。对于这次测量，得到的标签到天线的距离d=567mm，角度为=-2.06°，计算得到坐标为（566mm，-20mm），与实际位置差20mm。

对更多的标签位置进行测量， 测量结果误差基本都在50mm之内，具有较高的测量精度。

应当指出的是，本方法对试验数据进行拟合后得到RFID标签到天线的距离和相对角度，由于RSSI值得噪声较大，每次测量的结果都有一定差距，误差控制并不特别有效。

5 结论

在已有RFID天线特性研究基础上，分析了RFID标签信号强度的等值线表达形式，提出通过旋转天线来进行RFID标签定位的方法，给出了连续旋转天线定位法，建立了使用步进电机驱动的旋转天线定位系统，试验表明该方法具有良好的定位精度，可以用于物体的精确定位。

针对旋转天线方法，如果能够设计一个波束稍窄的高性能天线，可以更加有效的测量得到标签的位置。