引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，縮寫(xiě)RFID），射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

　　目前RFID定位主要采用LANDARC及其衍生的方法。目前定義RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和超高頻的頻率范圍內(nèi)的符合不同標(biāo)準(zhǔn)的不同的產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID產(chǎn)品會(huì)有不同的特性。較常采用的方法是在一個(gè)二維平面上，每隔1～2 m擺放一個(gè)參考標(biāo)簽，而且需要4個(gè)以上的遠(yuǎn)距RFID讀取器，硬件成本較高。本文提出另一種方法，在二維平面上只需使用4個(gè)參考標(biāo)簽及2個(gè)遠(yuǎn)距RFID讀取器。

　　1 研究方法

　　1.1 一維定位

　　如圖1所示，4個(gè)電子標(biāo)簽#1～#4擺放位置固定。假設(shè)參考標(biāo)簽#1～#4與讀取器的距離分別為rx1，rx2，rx3，rx4，讀取器接收到電子標(biāo)簽#1～#4的信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）分別為Sx1，Sx2，Sx3，Sx4。RFID讀取器所接收到源自某一電子標(biāo)簽的總功率Ptotal可表示為：

　　式中：Perr為除了反射因素以外所造成的誤差；Ptr為電子標(biāo)簽所發(fā)射的瞬間功率；Gt，Gr為電子標(biāo)簽及讀取器的天線增益；λ為射頻信號(hào)波長(zhǎng)。

　　由于信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)RSSI隨著功率遞增而遞增，由式（1）可假設(shè)：

　　但是，實(shí)際測(cè)量中，很難知道Ptr，Ptotal，Pref，Perr這些參數(shù)值。為了實(shí)時(shí)測(cè)量rx的值，可由預(yù)先得知的（rx1，Sx1），（rx2，Sx2），（rx3，Sx3）及（rx4，Sx4）四組數(shù)據(jù)，以多項(xiàng)式來(lái)近似式（2）中的f（sx）函數(shù)。假設(shè)：

　　由式（5）、（6）可求得系數(shù)a0，a1，a2，a3。

　　實(shí)際定位可分為下列步驟：

　?。?）由圖1中位置固定的電子標(biāo)簽，可以得出（rx1，Sx1），（rx2，Sx2），（rx3，Sx3）及（rx4，Sx4）四組數(shù)據(jù)。

　?。?）由式（5）、（6）及這四組數(shù)據(jù)可算出多項(xiàng)式的系數(shù)a0，a1，a2，a3。

　　（3）遠(yuǎn)距讀取器所讀取的RSSI值是介于0～256的整數(shù)值。可用sx值（0

　　1.2 二維定位

　　在一維定位的基礎(chǔ)上，可繼續(xù)推導(dǎo)出二維定位的情況。就圖2示意圖而言，使用二個(gè)遠(yuǎn)距RFID讀取器（X，Y）及電子標(biāo)簽#1～#4。假設(shè)待定位電子標(biāo)簽與遠(yuǎn)距讀取器（X，Y）的距離（rX，rY）與RSSI值（sX，sY）的關(guān)系由式（7）～（10）描述。

　　由于圖2中遠(yuǎn)距讀取器（X，Y）之間的距離固定而且已知，根據(jù)式（7）～（10）可知二維平面上待定位電子標(biāo)簽的位置。根據(jù)此中位置方法，待定位電子標(biāo)簽的位置也可能是圖2中水平軸以下的位置，如虛線所示。為了分辨出圖2中待定位電子標(biāo)簽的水平軸上下兩個(gè)不同位置，可擺設(shè)另一讀取器。由于讀取器所讀到水平軸上電子標(biāo)簽的RSSI值可區(qū)分出來(lái)。

　　2 二維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，服務(wù)器執(zhí)行RFID定位程序，同時(shí)開(kāi)啟Socket通信端口，等待接收來(lái)自客戶端的一維定位數(shù)據(jù)。當(dāng)Serv-er端本身得到一維定位數(shù)據(jù)，也接收到Client的一維定位數(shù)據(jù)后，再將定結(jié)果顯示在顯示屏上。客戶端使用嵌入式系統(tǒng)（XSCALE架構(gòu)PXA-270），主要外圍裝置有隨身碟、控制面板、RFID讀取器、IP分配器。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，掛載隨身碟將指定的數(shù)據(jù)夾加載到內(nèi)存，并執(zhí)行設(shè)定的Shell文件，RFID定位程序執(zhí)行后，開(kāi)啟通信端口并啟動(dòng)RFID模塊，當(dāng)RFID定位程序得到一維定位數(shù)據(jù)后，通過(guò)局域網(wǎng)傳送至Server端。

　　其實(shí)RFID技術(shù)首先在低頻得到廣泛的應(yīng)用和推廣。該頻率主要是通過(guò)電感耦合的方式進(jìn)行工作， 也就是在讀寫(xiě)器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器耦合作用。通過(guò)讀寫(xiě)器交變場(chǎng)的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)的電壓被整流，可作供電電壓使用。 磁場(chǎng)區(qū)域能夠很好的被定義，但是場(chǎng)強(qiáng)下降的太快。

　　進(jìn)行RFID定位系統(tǒng)前，讀取器與參考標(biāo)簽必須擺放在固定位置。服務(wù)器端主程序啟動(dòng)先讀取set.txt文件，以便預(yù)先得知參考標(biāo)簽的卡號(hào)以及服務(wù)器與參考標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)距離。接著，嵌入式系統(tǒng)發(fā)送命令至讀取器，以便讀取參考電子標(biāo)簽的RSSI值，將所收到的RSSI值儲(chǔ)存至各個(gè)參考標(biāo)簽專用的陣列里。當(dāng)多次讀取到參考標(biāo)簽的RSSI值以后，根據(jù)變異數(shù)剔除不合理的RSSI，并且保留合理的RSSI做平均，再將參考標(biāo)簽RSSI值根據(jù)式（7）～（10）使用查表法求得參考標(biāo)簽與讀卡器的距離。上述的程序只需做1次即可，以達(dá)到誤差校正的目的。而后執(zhí)行發(fā)送命令給讀卡器，并接收待定位標(biāo)簽的卡號(hào)及RSSI值。

　　客戶端執(zhí)行動(dòng)作與服務(wù)器端相似，差別在于，執(zhí)行子程序時(shí)，主程序判斷標(biāo)志位是否為1，若條件成立，將一維定位距離顯示在XSCALE-270的顯示屏上，由Socket端口將客戶端一維距離數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器端。

　　3 測(cè)試結(jié)果

　　整體系統(tǒng)功能測(cè)試在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，因空間限制，定位的距離實(shí)驗(yàn)（X，Y）坐標(biāo)為（3 m，2 m）及（6m，4m）兩組，服務(wù)器為原點(diǎn)（0，0）。每一個(gè)參考標(biāo)簽讀取10組RSSI值做變異數(shù)計(jì)算距離參數(shù)，定位標(biāo)簽讀取5組RSSI值做變異數(shù)再代入RSSI值求得一維估算距離。如圖4所示。

　　由圖4可觀察到定位坐標(biāo)在1～30 s內(nèi)，（X，Y）坐標(biāo)變化浮動(dòng)大。根據(jù)電波本身的特性，知道電子標(biāo)簽在固定位置不動(dòng)，但RSSI值卻會(huì)有飄移的現(xiàn)象產(chǎn)生。根據(jù)此現(xiàn)象，在求得定位數(shù)據(jù)時(shí)，需增加讀取參考標(biāo)簽RSSI值的次數(shù)，以求得更的定位數(shù)據(jù)。

　　增加讀取參考標(biāo)簽RSSI值的次數(shù)為50后，定位的距離實(shí)驗(yàn)（X，Y）坐標(biāo)為（7 m，5 m）時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性都有了較大程度的改善，證明這種解決方法有效。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文在一維定位的基礎(chǔ)上，提出RFID二維定位技術(shù)，在二維平面上只需使用4個(gè)參考標(biāo)簽及2個(gè)遠(yuǎn)距RFID讀取器即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。并設(shè)計(jì)了室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出二維定位的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性都有了較大程度的改善，在降低RFID定位成本的基礎(chǔ)上提高了定位的性能。