RFID原理与应用 教师:朱华贵 2015年04月22日 18970866755.

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1 RFID原理与应用 教师:朱华贵 2015年04月22日

2 第8章 RFID系统的关键技术 ---定位技术
朱华贵 2015年04月22日

3 主要内容 一、教学引入 二、 RFID定位技术概述 三、 RFID无线定位方法 四、基于测距的定位技术-三边定位和多边定位

4 一、教学引入 讨论与分析 1、定位技术的基本原理是什么？ 2、请简单说明有哪些定位技术？ RFID定位赛鸽位置案例 医院定位示意图
人员医院定位示意图

5 二、 RFID定位技术概述 RFID定位技术
定位管理被认为是无线射频识别技术(RFID)的一个重要发展方向，RFID技术在实现定位管理系统的灵活性、可维护性和可扩展性方面具有巨大的潜力。基于RFID的定位管理系统必须能够根据不同应用的需求进行快速部署,并且能够快速有效地生成位置信息。 RFID定位技术

6 二、 RFID定位技术概述 常见的定位技术 随着各个领域中对定位管理要求的显著突出，定位技术的研究也日趋成熟，其中GPS、Wi-Fi和RFID技术较为成熟。主要定位技术进行分析和比较： （1）GPS卫星定位技术 GPS是美国从20世纪70年代开始研制的系统，于1994年建成。GPS是一套具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。

7 二、 RFID定位技术概述 常见的定位技术 ①GPS卫星定位技术的原理 从整体上说，GPS主要由三大部分组成：空间部分、控制部分、用户部分。
空间部分由卫星星座构成。系统由24颗位于高空的卫星群提供信息。各个卫星以55°等角均匀地分布在6个轨道面上，并以11小时58分的时间周期环绕地球运转。在每一颗卫星上都载有位置及时间信号。 客户端的GPS设备，在地球上任何地方都可以接收到至少5颗卫星的信号。 控制部分由地面卫星控制中心进行管理。 用户部分则追踪所有的GPS卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间，GARMIN GPS即属于此部份。 ②GPS卫星定位技术的精度与应用分析 目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，虽然GPS定位系统发展的比较成熟，在民用领域中的应用也越来越广泛。但由于GPS定位原理的限制,GPS接收器至少要从3个卫星上获取信号，然后根据信号画出三角坐标。在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，这时候GPS的接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。

8 二、 RFID定位技术概述 常见的定位技术 （2）Wi-Fi定位技术 ①Wi-Fi定位技术的原理
Wi-Fi网络会像GPS卫星一样发出信号。Wi-Fi设备先是搜索信号，之后通过以前就识别出来的连接或者一系列可用连接来接驳到Wi-Fi网络。这个搜索过程和GPS接收器搜索卫星信号并无区别。不过，装有Wi-Fi设备的电脑搜索的是地面上的Wi-Fi无线网络的信号。 ②Wi-Fi定位技术的精度 在室外，由于接入点不普及，以及接入点位置不明确，定位精度不理想。在室内，采用各种定位方式，对环境因素的适应性不同，一般可以达到3米到15米不等。 ③Wi-Fi定位技术的应用分析 虽然比起GPS定位技术，Wi-Fi定位技术有一定的优势，这些优势在场馆建筑内的定位实现中更为明显。但Wi-Fi定位技术也有其局限性。由于AP所发送的无线信号的工作频率为2.4GHz，很容易受到环境因素的影响，无线信号会被环境中的一些元素所消减。因此，这些因素对于Wi-Fi定位精度有不可估计的影响。

9 二、 RFID定位技术概述 常见的定位技术 （3） RFID定位技术
无源标签的定位原理：在使用无源标签进行定位的时候，常常使用辅助标签来提高定位的精度。辅助标签的部署和使用如图7-21所示

10 二、 RFID定位技术概述 （3） RFID定位技术
根据场所的具体情况，按需要均匀的部署辅助标签和读写器。一般可以通过两种途径来表示辅助标签离读写器的距离远近。 第一种方法是使用可以通过调节能量层来调节读写距离的读写器，每一个辅助标签在何能量层上被读写器读取到，这一能量层数据就表示出这个辅助标签离读写器的距离的远近。能量层数据越小，辅助标签离读写器越近；能量层数据越大，辅助标签离读写器越远。 第二种方法是根据读写器发送信号至读取到标签信息之间的延迟来表示辅助标签离读写器的距离的远近。延迟时间越短，辅助标签离读写器的距离越近；延迟时间越长，辅助标签离读写器的距离越远。

11 图7-22定位方式：a.定数回报 b.主动搜索 c.指位器
二、 RFID定位技术概述 （3） RFID定位技术 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下三种： 第一种方式是标签定时回报方式：可以在电子标签设定定时回报，将识别号码定时传回读写器。 图7-22定位方式：a.定数回报 b.主动搜索 c.指位器

12 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下三种：
二、 RFID定位技术概述 （3） RFID定位技术 有源标签的定位原理：有源标签与读写器的工作方式有以下三种： 第二种方式是读写器主动搜索方式：利用读写器主动去搜寻覆盖范围内的电子标签。如图7-22b所示，上图中紫色区域为读写器的读取范围，当携带标签的人员进入该区域，读写器就可以获得该人员的标签信息，人员的位置信息就被记录下来。一般，这种定位方式的定位精度是由读写器的读取范围来决定的。当需要调整定位精度的时候，可以通过多个读写器协同工作，然后根据一定的算法，获得人员的位置信息。

13 三、 RFID定位方法 工作在UHF频段的RFID系统可以借鉴比较成熟的无线定位方法。与传统的无线定位方法一样，按照定位方式的不同，RFID定位方法可分为三大类:时间信息定位(TOA和TDOA)、信号强度信息定位(RSSI)和到达角度定位(AOA)。

14 三、 RFID定位方法 1.利用到达时间信息的定位方法
在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分为到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)。 (1)TOA定位方法 由于己知电磁波在自由空间的传播速度c(3×l08m/s)，若阅读器测得电磁波从标签到阅读器的传播时间△tl、△t2、△t3，则标签到各阅读器的距离即为Ri=c△ti(i=1，2，3)。且系统已知阅读器的位置坐标(xi，yi)，根据几何原理，标签一定位于以阅读器i所在位置为圆心，Ri为半径的圆周上，即标签位置(x0，y0)与阅读器位置(xi，yi)之间满足如下关系:

15 联立方程式就可以求出标签的位置坐标(x0，y0)。
三、 RFID定位方法 1.利用到达时间信息的定位方法 联立方程式就可以求出标签的位置坐标(x0，y0)。 图7-23基于TOA定位

16 三、 RFID定位方法 1.利用到达时间信息的定位方法
在这种定位方法中，阅读器利用测量标签发射的无线电波的到达时间来进行定位。按照定位原理的不同可以分为到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)。 (2)TDOA定位方法 阅读器Reader1、Reader2与标签之间的距离差可以通过测量得出，即通过测组从两个阅读器同时发出的信号到达目标标签的时间差t21来确定。R21=c.t21其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据几何原理，在己知阅读器BS1、BS2和标签之间的距离差时，标签必定位于以两阅读器Reader1和Reader2为焦点、与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线对上。当同时知道阅读器Reader1、Reader3与标签的距离差R31=c.t31时，可以得到另一组以两阅读器Reader1和Reader3为焦点、与该两个焦点距离差为R31的双曲线对上，如图7-24.

17 三、 RFID定位方法 1.利用到达时间信息的定位方法 图7-24 TDOA双曲线定位方法

18 三、 RFID定位方法 2.利用到达场强信息定位方法
根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路。如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据Friis传输理论空间任一点的接收功率或场强(功率正比于场强的平方)仅与距离有关。自由空间传播模型为:

19 三、 RFID定位方法 2.利用到达场强信息定位方法
根据电磁波传播理论，考虑标签到阅读器的上行链路。如果标签在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则根据Friis传输理论空间任一点的接收功率或场强(功率正比于场强的平方)仅与距离有关。自由空间传播模型为: 其中，Pt表示标签的发射功率，表示第i个阅读器接收到的功率，λ表示电磁波的波长，Gt，分别表示标签及第i个阅读器天线的增益，Di是标签到第i个阅读器的距离。在实际系统中，由于Pt，λ，Gt，都是已知的，而只又可以测量得到，因此可以根据(7.16)式计算出标签到阅读器距离Di。

20 三、 RFID定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 图7-25基于场强的定位方法
上图中三个阅读器Reader1、Reader2、Reader3的位置坐标均已知，通过测量标签到达阅读器的电波功率可以由式(7.16)计算出三个阅读器到标签的距离D1、D2、D3。这样标签的位置就在分别以三个阅读器为圆心，D1、D2、D3为半径的圆的交点处。

21 三、 RFID定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。 (1)经验定位
采用经验定位时物体定位的全过程分为两个阶段:数据收集阶段和数据处理阶段。 第一个阶段是离线状态阶段，即数据收集阶段。在系统覆盖的范围内取一些关键的位置作为参考点PN(N是参考点的总数)，然后把移动终端摆在这些位置确定的参考点上，系统中的三个阅读器分别接受到移动终端的发来的信号强度s1、s2、s3，三个阅读器接受到的信号强度和移动终端当前的所在的参考点的位置信息一并发往后台数据库。数据库为给参考点建立这样的数据记录(s1，s2，s3，Pn)n从1取到N。可以看出这个过程是个学习积累经验的过程，参考点的数目和位置的选取会直接影响到物体定位的精度。 第二阶段是数据处理阶段，即实时的物体定位过程。当移动终端处在某个位置时，系统中的三个阅读器将测得RF信号强度(s1，s2，s3)和当前时间t作为时间戳一起送往数据库，这个时间戳用于对移动的物体进行实时的追踪。数据库将送来的(s1，s2，s3)依次与每条记录(S1，S2，S3，Pn)做R=sqrt((S1-s1)*(S1-s1)+(S2-s2)*(S2-s2)+(S3-s3)*(S3-s3))，找出R值最小的K条记录，这k位置的均值就是估算出来的物体位置。

22 三、 RFID定位方法 2.利用到达场强信息定位方法 (2)信号传播模型定位
根据到达场强信息定位的方法有两种:经验定位和信号传播模型定位。 (2)信号传播模型定位 信号传播模型定位的目的是减少定位对经验数据的依赖。结合具体的应用环境在Rayleigh衰减模型、Rician分布模型等中选取一个或者设计一个新的信号传播模型，利用合适的信号传播模型为参考位置计算出理论上的信号强度。实时的定位过程与经验定位相似，不同之处是R值是由接受信号强度和按传播模型算得强度来计算的。虽然信号传播的定位精度不如经验定位，但是不需要经验定位在离线阶段做的大量测量工作。

23 三、 RFID定位方法 3.利用到达角信息定位方法(AOA)
到达角(AOA-Angle of Arrival)定位方法是每一个阅读器都安装天线阵列，阅读器通过阵列天线测出从标签到2个以上阅读器的传输路径的到达方向(电波的入射角)来获得位置信息。 图7-26接收信号到达角的确定

24 三、 RFID定位方法 3.利用到达角信息定位方法(AOA)
其中λ表示空中传播的无线信号的波长。根据前面测量不同阵元接收信号的相差，可得到来波信号的到达角θ。根据两个阅读器接收到同一个标签Tag信号的到达角信息，可以利用几何知识计算出标签的位置。如图7-27所示，阅读器Reader1、Reader2测得的无线电波的到达角为1、2，标签位于分别经过阅读器Reader1、Reader2且以tan(1)、tan(2)为斜率的直线交点处。 图7-27 AOA定位方法

25 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位
信号强度（RSS ） 通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离 根据信道模型求解距离： 信道的时变特性： 信道由于受到多径衰减（Multi-path Fading） 非视距阻挡（Non-of-Sight Blockage）的影响

26 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位
多边定位Multilateration 多次测量方程的个数大于变量的个数 估计方法： 最小二乘（LS，Least Square） 极大似然（MLE, Maximum Likelihood Estimation） 最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error）

27 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位
三边定位Trilateration（多边定位特例） 多次测量方程的个数等于变量的个数 需要考虑无解的情况，求最优近似解

28 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位
信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF） TOA TDOA RTOF

29 四. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位
接收信号相位（PDOA） 通过测相位差，求出信号往返的传播时间，计算出往返距离 其中，fc是信号频率，λ是信号的波长，φ是发送信号和反射信号的相位差。由上式可知d的范围是[0, λ]。不同的距离如果相差λ倍，则测量获得的相位相同。

30 四. 基于测距的定位技术-接收信号角度定位 利用角度关系定位 已知一个顶点和夹角的射线确定一点 已知三点和三个夹角确定一点

31 五. 定位相关的其它技术-测距方式对精度的影响
Radio（VHF、UWB、CDMA、光、红外光） 一米的壁垒：更高的精度非常困难