CN101089654A

CN101089654A - 基于相位差测距的rfid无线定位方法

Info

Publication number: CN101089654A
Application number: CN 200710058162
Authority: CN
Inventors: 刘开华; 黄翔东; 于洁潇; 王兆华; 闫格
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: CN101089654B

Abstract

本发明属于无线定位领域，涉及一种基于相位差测距的RFID无线定位方法：将射频标签缚在待测目标处，将至少两个阅读器分别置于其周围1米至10米内的位置，每个阅读器各自的位置以及相互之间的距离已知，使各个阅读器通过各自的天线发射电磁波，各自发射的电磁波被所述射频标签反射后又分别被各自的阅读器所接收，通过测量每个阅读器所发射的电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差，确定射频标签分别与每个阅读器之间的距离，再根据阅读器与射频标签之间的几何关系，求出射频标签的位置。本发明提供的无线定位方法，具有能耗低、成本较低，定位精度高的优点。

Description

基于相位差测距的RFID无线定位方法

技术领域

本发明属于无线定位领域，特别涉及利用RFID(射频识别标签)进行精确定位的应用领域。

背景技术

无线定位技术是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，并以此为基础，根据特定的算法以判断出被测物体的位置。测量参数一般包括测试信号的传输时间、幅度、相位和到达角等，定位精度则取决于测量的方法。目前，无线通信技术的成熟和发展，带动了新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。因此，无线定位技术的种类越来越繁多，应用也越来越广泛。常用的无线定位技术有：

(1)基于卫星通信的全球定位***(GPS)：GPS***是由24颗高度为两万公里的卫星组成，他们以六个不同的运行轨道运行，可向全球用户提供三维位置信息。但是GPS***在室内或建筑物密集区其性能和可用性都表现出急剧地下降，其定位速度也相对较慢，且实行部署上也比较昂贵。

(2)蜂窝定位技术：GSM、CDMA等蜂窝网络均支持定位技术，但非视距(NLOS)传播、多径效应和多址干扰等因素降低了其定位精度，且涉及用户的隐私问题，使其推广受到一定的限制。

(3)红外技术：AT&T Cambridge研究室研制的基于红外技术的有源标签可以用于室内物体的定位，但是它要求物体必须和红外线阅读器成一条直线，且定位距离太近，因而限制了其继续发展。

(4)基于无线局域网的定位***：在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获得的待定位物体的相关信息(时间和强度)，并结合基站所组成的拓扑结构，综合分析，从而确定物体的具***置。这类***可以利用现有的无线局域网设备，仅需要增加相应的信息分析服务器以完成定位信息的分析，但测量精度有待进一步提高。

(5)超声波技术：Cricket Location Support System和Active Bat location system是目前成功使用的两个***，它们都利用了类似蝙蝠定位的原理，可以很高精度定位。但是这类***的成本太高，无法大面积推广。

除上述技术外，围绕微雷达技术，WiFi和UWB技术的研究也在进行中，但同时兼顾定位精度高和***价格低的定位方案只有RFID。

射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是20世纪90年代开始兴起自动识别技术的一种，即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷，可工作于各种恶劣环境下，能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。

目前RFID技术处于迅速上升的时期，该技术被业界公认为是本世纪最有前途应用技术之一。尤其是随着射频识别技术理论的不断丰富和完善，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。

最基本的RFID***由三部分组成：

1.标签(Tag，即射频卡)：

由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

从工作频率上来说，分为低频、中高频、超高频和微波。

从识别距离上来说，分为密耦合(0~1cm)、遥耦合(0~1m)和远距离***(＞1m)。

从能量供应上来说，射频标签分为有源和无源两种。无源射频标签，其自身没有电源。因此，无源射频标签工作用的所有能量必须从阅读器发出的电磁场中取得。与此相反，有源的射频标签包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部或部分能量。

从工作方式上来说，分为RTF和TTF两种方式，RTF(Reader Talk First)方式即阅读器先发言方式，只有当电子标签接收到特殊命令才发送数据。而TTF(Tag Talk First)方式为标签先发言方式，一旦射频卡进入阅读器的能量场即主动发送自身ID号。

按照封装方式分为只读卡(RO)、可读写卡(RW)和一次写入多次读出卡(WORW)。

2.阅读器：

读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。有些***还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主***)连接，进行数据交换。同时借鉴了移动通讯多种先进的技术，例如空分多址，频分多址和码分多址等，已经成功实现了多标签同时识别技术，解决了***读取多个电子标签的防冲突问题。

天线：在标签和读取器间传递射频信号。

***的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置天线发送出去；***接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主***进行相关处理；主***根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

上述定位技术可以划分为两大类：基于移动设备的方法和基于网络的方法。前者主要是由移动设备根据当前和以前与它通信的参考基站信息，计算出自身的位置，其最典型的应用是在GPS***中；而后者是网络根据其参考基站和移动设备通信的信息，结合网络的拓扑结构计算出移动设备的位置，实现定位。在RFID应用中，出于功耗方面的考虑，电子标签不能成为定位的主动方，所以基本上都采用基于网络的方法，既需要在固定位置上部署射频信号的接收装置，而由这些装置采集附着在人或物体上电子标签发出的信息，然后通过有线网络将信息发往控制中心作进一步的处理。现有的三种RFID定位方案分别为：

1、SpotON

SpotON***是RFID定位方案的典型代表。与ad-hoc定位相似，SpotON***的目标是定位相互关联的无线设备。该***基于信号强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行定位。SpotON***采用网络分布是硬件基础结构，***中不设置中央控制单元，用信号强弱表征标签之间的几何距离。但是，完整的SpotON***到目前为止还没有建成。

2.PinPoint

3D-iD pinpoint是一种商业化的定位***。与SpotON相似，3D-iD采用无线局域网技术进行定位。Pinpoint使用射频环形时间来进行测距，与Active Bat相似，该***也会在已知的位置部属天线阵来多边测量，并通过射频将信号发送至不同天线以追踪物体的位置。装有电池的控制器负责接收数据，并计算出射频信号，已确定物体的正确位置。***定位精度最高可达1到3米，而且可调性很强，主要用于医院和居家等室内环境中。不足之处在于***投资较大。

3.LANDMARC

基于无线射频信号强度的LANDMARC通过引入位置固定的参考定位标签，并根据不同标签之间的残差加权算法，可以提高定位精度。LANDMARC稳定、受环境变化的影响较小、然而目前此***只能提供二维的室内定位。

但这三种方法均基于RSSI技术，即采用射频信号强度数据作为定位依据，容易受到各种干扰的影响，测量精度不高，且均采用有源标签，使***具有较高成本。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提出一种测量精度高、成本低的无源RFID定位方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种基于相位差测距的RFID无线定位方法，将射频标签缚在待测目标处，将至少两个阅读器分别置于其周围1米至10米内的位置，每个阅读器各自的位置以及相互之间的距离已知，使各个阅读器通过各自的天线发射电磁波，各自发射的电磁波被所述射频标签反射后又分别被各自的阅读器所接收，通过测量每个阅读器所发射的电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差，确定射频标签分别与每个阅读器之间的距离，再根据阅读器与射频标签之间的几何关系，求出射频标签的位置。

上述的基于相位差测距的RFID无线定位方法中，阅读器的个数可以为两个，根据根据阅读器与射频标签之间的三角形几何关系，求出射频标签的位置；阅读器的个数可以为三个，三个阅读器和射频标签构成空间四边形，根据三个阅读器与射频标签之间的空间四边形几何关系，求出射频标签的空间位置。

可以采用全相位快速傅立叶变换谱分析方法确定电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差。采用全相位快速傅立叶变换谱分析方法确定电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差的方法可以包括下列步骤：

(1)同时同频对所发射的电磁波和所接收的电磁波进行采样，获得发射采样序列和接收采样序列；

(2)利用长度为2N-1个的卷积窗对发射采样序列进行加窗，再将距离为N个采样间隔的数据两两叠加形成N个数据，最后对这N个数据进行快速傅立叶变换，输出N个复数，这N个复数的幅值形成N根谱线，获取其中的峰值谱线的相位值，称其为发射相位值；

(3)利用长度为2N-1个的卷积窗对与发射采样序列同时同频的接收采样序列进行加窗，再将距离为N个采样间隔的数据两两叠加形成N个数据，最后对这N个数据进行快速傅立叶变换，输出N个复数，这N个复数的幅值形成N根谱线，获取其中的峰值谱线的相位值，称其为接收相位值；

(4)根据步骤(2)和步骤(3)所获得的发射相位值和接收相位值，确定电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差。

本发明的基于相位差测距的RFID无线定位方法，对所测量的接收相位最好按照下列方法予以补偿：根据射频标签内部电路结构和参数，求取其传递函数，利用传递函数推导其相位跃变量，并根据所推导的相位跃变量对接收相位给予补偿。

本发明的实质性特点是：利用无源RFID***，并采用新型的基于全相位FFT的相位测量法测出发送信号与反射信号的相位差，从而计算出被测物体的所在位置，达到定位目的。

本发明采用的是相位式测距原理进行定位，与现有文献基于能级划分的方案不同。现有的能级方案需采用设置多个参考Tag(标签)，而且最终得到的定位效果仅仅是能判定目标所在的是哪块区域。本方案无需采用多个参考Tag，而且采用的是无源Tag，采用本发明的定位方法，能耗低而且成本较低，而且本发明采用基于相位差的测距方法进行定位计算，定位精度相比现有技术要高得多。

附图说明

图1本发明的RFID无线定位原理图；

图2发射相位和接收相位的波形位置图；

图3全相位FFT谱分析流程图(N＝4)；

图4定位计算图解。

具体实施方式

本发明的RFID无线定位原理如图1所示。

假设Tag被缚在待检测目标物体上，为确定射频标签(Tag)位置，将两个阅读器(Reader1和reader2读卡器)R₁、R₂分别置于其周围位置，而R₁、R₂的距离S₀为已知，为确定目标Tag的准确位置，需测出Reader1和reader2读卡器R₁、R₂与Tag的距离S₁、S₂。

在RFID***中，若使得阅读器的信号发射频率处于超高频段(860MHz～960MHz)，则这时标签与阅读器之间的耦合方式为电磁反向散射耦合方式，即Reader和Tag之间以电磁波的形式相互间传送，电磁波是以光速传播的，因而只要能测得电磁波往返于两者的传输时间，就可准确地确定其距离。

为测出其距离(如图1所示的R₁与Tag间的距离S₁)，需测出超高频段发射波的发射相位_s、接收相位_R，继而算出电磁波往返于两者之间的相位差Δ＝_s-_R，这就涉及到以下几个问题：

(1)标签Tag能否完全反射其入射电磁波的问题，及相位跃变问题。

(2)如何准确测出其发射相位_s、接收相位_R的问题。

(3)获知阅读器和标签卡距离后的定位计算问题。

(4)识别不同的Reader和Tag的防冲突问题。

下面就上述的几个方面问题对本发明的技术方案和原理做详细说明。

1.标签Tag对入射电磁波的反射问题

阅读器和标签的相互作用是：当工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内(相应的射频识别***阅读距离一般大于1米，最大可达10米左右)，阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将无源标签唤醒。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。

标签被激活后，根据卡内的0、1识别数据(为低速比特流)，以一定频率(其比特率约为几十kHz左右)控制标签发射天线的阻抗，使其处于“匹配”或“失配”状态(如可令1比特对应匹配状态，0比特对应失配状态)。根据传输线理论，当处于匹配状态时，电磁波能量被标签吸收，而当处于失配状态时，电磁波能量被反射回去。

显然，为实现相位测距，需要将标签天线工作于失配状态。这是不难实现的，这是因为，只要将卡内的ID比特信息的前一部分比特数据全部设为0，则天线失配。另外，从时间充裕度考虑，由于比特流的速率为几十kHz，其周期远比阅读器的发射信号大得多，以标签比特率R_b＝30kHz，阅读器发射频率fr＝900MHz计算，则在一个比特周期内，电磁波可在阅读器和标签间的往返次数可达30000次，在这样宽的一个时间段内，有充足时间进行发射相位和接收相位的数据计算。

另外，在电磁波进入Tag，再从Tag反射出，在此阶段波形相位是否会发生跃变、以及相位跃变的程度也是需考虑的问题。可以确定的是，此相位跃变大小是固定的，并且完全是由Tag的内部电路参数所决定的，从而可以在准确获取Tag内部电路结构和参数后，通过求取其传递函数，推到得其相位跃变量来实现。在实际相位计算时，需要将此相位跃变量给予补偿。

2.如何测量发射相位_s、接收相位_R的问题。

2.1相位差与测距关系，及其相位差测量的转换

发射相位和接收相位的波形位置图如图2所示。假设发射波的初始相位处于如图2的A₁处，而接收信号的相位处于图2的B₁处，则这两点的相位差即为发射频率f_r对时间的积分而产生，即

令光速为c，电磁波往返所用的时间为Δt，从而阅读器和标签卡的距离S₁为：

图2显示出了与A₁点相隔N个采样间隔(图2中假设N＝12)的A₂样点，以及与B₁点相隔N个采样间隔(图2中假设N＝12)的B₂样点，由于波形等间隔采样，且波形的频率恒定，则下式成立：

式(3)说明，发射信号相位和接收信号相位差的测量问题，可转为与发射信号相位点和接收信号相位点相隔同样采样间隔数的相位差测量问题。

2.2具体的相位测量方法

本发明采用全相位FFT(快速傅立叶变换)法进行相位测量：

图3是全相位FFT(all-phase FFT，简称apFFT)谱分析的信号处理流程，方法如下：用长度为2N-1个的卷积窗对采样序列进行加窗，再将距离为N个采样间隔的数据两两叠加形成N个数据，最后对这N个数据进行FFT即得apFFT的结果。显然，FFT输出为N个复数，因而包含丰富的相位信息，这N个复数的幅值就形成N根谱线，其中峰值谱线上的相位值即为图3输入样点中x(0)的理论相位值。可看出，apFFT测相法较简单，无需任何附加的相位校正措施，计算量小，而且实验证明其测相精度非常高。从而，只要获得某样点前后共2N-1个数据，借助apFFT即可准确地测出其相位值。另外可发现，只需对1路采样序列进行全相位FFT，所测出的相位即是输入样点x(0)的绝对相位，也就是说，不需要一路同频且相位已知的波形进行比较而得，从而采用全相位FFT测相法可省去阅读器的参考波形的发生电路。

结合图2和图3可看出，若用apFFT法直接测A₁处的相位是不可能的，因为A₁是发射波形的起始点，之前的样点数据获取不到，但是离A₁间隔N个数据的A₂的相位却可很容易地通过apFFT测得，同理，接收样点B₁的相位也可类似地借助求取B₂的相位而得。因而apFFT相位差时对样点的时刻要求是很宽松的。

类似地，待波形进入稳态后，A₂和B₂的相位差也可往后错开相同的时间间隔数而得。但是需注意的是，必须保证A₂和B₂的采样是同时发生的。这并不难做到，因为发射波形的采样和接收波形的采样过程并不在不同的器件上发生，而是在同一个阅读器的A/D器件内进行。

3定位计算及其精度分析

(1)定位计算

用同样的相位测距法可测出Reader2和Tag之间的距离S₂，而Reader1和Reader2之间的距离S₀是已知的，而三角形的三条边的位置都已知，即可通过求解三角形的几何关系求出标签Tag的位置，建立如图4所示的直角坐标系：

在获知S₀、S₁、S₂的大小后，显然有：

\cos θ_{2} = \frac{{s_{1}}^{2} + {s_{0}}^{2} - {s_{2}}^{2}}{2 s_{1} s_{0}}

于是，标签Tag坐标(x₀，y₀)可确定为：

X₀＝S₁·cosθ₂，y₀＝s₁·sinθ₂

同理，若要确定Tag的三维位置，则还需计算一z₀坐标，这时仅需再增加一阅读器Reader3，用全相位FFT法测出Reader3与Tag的距离即可。此外，这里列举的实施例一个是采用两个阅读器对Tag的平面位置进行，一个是采用三个阅读器对Tag的三维位置进行定位。实际应用中，为了获得更为精确的数据信息，还可以在Tag周围多放置几个阅读器，利用更多的信息对测量结果进行补偿。

(2)精度分析

很显然，图4的定位精度取决于所求取的距离S₁与S₂的精度，而本方案中的S₁与S₂又是通过全相位FFT测相得到的。因而若忽略其他因素影响(如Tag对调制波的相位跃变，阅读器对发送波形和接收波形同时采样的时刻偏差等)，全相位FFT的测相精度决定了整个定位***的测相精度。

而全相位FFT(快速傅立叶变换)具有很高的测相精度的原因在于：

(a)全相位FFT作为一种新型的谱分析方法，具有非常优良的抑制谱泄漏性能，而频谱泄漏是导致FFT测相出现误差的主要原因。与传统FFT相比，在FFT的点数N一定时，可数学证明，全相位FFT频谱泄漏的分贝数(取对数运算而得)比传统FFT低1倍。

(b)噪声在图3全相位FFT的从输入2N-1个数据经处理后形成N个数据的过程中，其噪声方差会减小1/3左右，从而抑制了噪声对测相的影响，提高了测相精度。

(c)从参数估计的角度考虑，可证明，当信噪比大于10dB时，多次全相位FFT的测相方差几乎达到理论极限(克拉美-罗限)，当信噪比小于10dB时，全相位FFT的测相方差逼近克拉美-罗限。

4识别不同的Reader和Tag的防冲突问题

显然，若仅有两个阅读器对一个Tag进行电磁波往返相位测量时，也存在一个时序问题，即先令Reader1与Tag之间发生相互作用，以测得S₁；再使得Reader2与Tag之间发生相互作用，以测得S₂。就可很容易地对进行Tag定位。

考虑到会存在多个Reader进行对Tag的室内定位情况，就必须识别出不同的Reader，本专利采用“频分复用”的方法解决此问题。即在读卡器输出的信号上加一调制信号，同时，为不同读卡器分配不同频率的调制信号。由此，利用软件无线电的方法测出接收的电磁波频率，即可分辨Reader的编号。每个Reader只接收自己发射的电磁波反射回来的信号，而滤出其他Reader的信号(由于每个Reader的调制频带是确定的，因此可设计通带固定的数字滤波器来实现)，达到防碰撞的目的。

而同时也存在多个Tag同时响应同一Reader的问题，这时Reader所接收的返回波就可能是多个Tag返回波的复合叠加。可利用已有的防冲突算法即将其区分开来，使之在同一时刻仅仅对一个Tag的回波相位进行测量。确定Tag位置后，进一步解码出Tag内部的ID识别码，从而既实现Tag的位置定位，又实现Tag的身份识别。

Claims

1.一种基于相位差测距的RFID无线定位方法，将射频标签缚在待测目标处，将至少两个阅读器分别置于其周围1米至10米内的位置，每个阅读器各自的位置以及相互之间的距离已知，使各个阅读器通过各自的天线发射电磁波，各自发射的电磁波被所述射频标签反射后又分别被各自的阅读器所接收，通过测量每个阅读器所发射的电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差，确定射频标签分别与每个阅读器之间的距离，再根据阅读器与射频标签之间的几何关系，求出射频标签的位置。

2.根据权利要求1所述的基于相位差测距的RFID无线定位方法，其特征在于，所述阅读器的个数为两个，根据根据阅读器与射频标签之间的三角形几何关系，求出射频标签的位置。

3.根据权利要求1所述的基于相位差测距的RFID无线定位方法，其特征在于，所述阅读器的个数为三个，三个阅读器和射频标签构成空间四边形，根据三个阅读器与射频标签之间的空间四边形几何关系，求出所述射频标签的空间位置。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于相位差测距的RFID无线定位方法，其特征在于，采用全相位快速傅立叶变换谱分析方法确定电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差。

5.根据权利要求4所述的基于相位差测距的RFID无线定位方法，其特征在于，采用全相位快速傅立叶变换谱分析方法确定电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差的方法包括下列步骤：

6.根据权利要求1至3任意一项所述的基于相位差测距的RFID无线定位方法，其特征在于，对所测量的接收相位按照下列方法予以补偿：根据射频标签内部电路结构和参数，求取其传递函数，利用传递函数推导其相位跃变量，并根据所推导的相位跃变量对接收相位给予补偿。