ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探索与观察 基于旋转天线的Ｒ ＦＩ Ｄ定位算法和仿真分析 哈尔滨第三中学鲍天翼 【摘要】ＲＦＩＤ是室内定位的首选技术。通过分析ＲＦＩＤ阅读器的实际模型，给出了ＲＦＩＤ等信号强度的椭圆表达式，提 出通过旋转ＲＦＩＤ旋转天线进行标签定位的思路，给出了连续旋转天线定位法和双位置天线定位法两种旋转天线定位方 法。在Ｍａｔｌａｂ中建立了ＲＦＩＤ信号的仿真模型，对两种定位方法进行了数学仿真，结果表明连续旋转天线定位可达到３ｏ 的精度，双位置天线定位可以达到０．０６ｍ。 【关键词】ＲＦＩＤ；定位算法；旋转天线 ０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，是物联网的关键基础技术［１】。基于ＲＦ１Ｄ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ）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不需要供电、能够长期工作、可浸水使用等。 当前的ＲＳＳＩ定位使用了理想ＲＦＩＤ阅读器模型，认为 阅读范围为以阅读器为圆心的圆形，但根据ＲＦＩＤ天线辐 射及电磁场辐射理论，实际阅读器的阅读范围一般是椭 圆，因此理想ＲＦＩＤ阅读器模型下的结果并不准确。本文 在实际ＲＦＩＤ阅读器模型的基础上，给出一种采用旋转天 线的新型ＲＦＩＤ定位方法。 １ ＲＦＩＤ阅读器模型 １．１ ＲＦＩＤ阅读器的理论模型 理想ＲＦＩＤ阅读器模型认为ＲＳＳＩ为以阅读器为圆心的 圆形，采用对数路径损耗模型，假设无线发射机和接收 机的天线增益均为１，则对数路径损耗模型： （ ）＝ＰＬ（ａｏ）＋ｌｏ，，ｌｇ（ａ／ｄｏ）＋ｘｏ （１） 式中，ＰＬｅａ）为经过距离ｄ后的路径损耗；ＰＬ（ａｏ）为经 过单位距离后的路径损耗； 为单位距离； 为均值为０ 的随机数并服从高斯分布；，ｚ是信号衰减因子。 接收端收到的信号强度为： ＲＳＳＩ （ｄ）＝Ｂ＋Ｇｒ—ＰＬ（ａｒ） （２） 实际测量中测距模型可以进一步简化为： ＲＳＳＩ：一ｌＯｎｌｓｄ一 （３） 由上式可知，在测得ＲＳＳＩ后，可以推算出标签在阅 读器为圆心、半径为ｄ的圆上，可以用三边测量法确定出 标签位置。实际应用中发现该方法精度很差。 １．２ ＲＦＩＤ阅读器的实际模型 很多人在试验中发现ＲＦ１Ｄ功率等值线不是一个圆。 李再煜［６Ｊ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，通过实验验证其轨迹是一个近似的椭圆。 ·６８·电子ｔ｜｜界 意大利罗马大学的Ｇ．Ｍａｒｒｏｃｃｏ等人的理论研究表 明，ＲＦＩＤ阅读器的边界可以用一个椭圆描述［４１ ｓ］： ＋乓＋ａ ‘ ：ａ， （４） ｚ 其中： ＝字库，ａ￣ｊ：ａｚ 上式表明，椭球的轴长与ＲＦＩＤ系统的参数有关，如 发射功率、标签的灵敏度、和阅读器天线的半功率波束 宽度等。可以得到， ，／口，是阅读器天线半功率波束宽度 的函数，在天线不变的条件下，口 ：口， 可以认为是一 个常数。 可以认为，ＲＦＩＤ阅读器获得的等信号强度线是一个 椭圆，对一个二维情况可以写作： （ｘ－ａ＝ｙ＋ ——：１ ｒｓ、 ， 其中的口，，与测量的信号强度ＲＳＳＩ相关，ＲＦＩＤ的信号 强度ＲＳＳＩ在椭圆长轴上与距离ａ．，有很好的单调特性，由 ＲＳＳＩ可以用公式３计算得到椭圆长轴口，。对于固定的ＲＦＩＤ 天线，ａＪａ，可以作为一个常数处理。 ２旋转天线定位计算方法 由于ＲＦＩＤ的信号强度具有椭圆特性，所得到的信号 强度和天线角度有关，因此如果引入天线角度这一个新 变量，可以更加准确的确定标签的位置。 从ＲＦＩＤ的信号椭圆特性可以得到如下推论： （１）在ＲＦ１Ｄ天线旋转过程中，标签的信号强度在变 化，标签与天线夹角为０ｏ时ＲＦＩＤ的信号强度达到最大值。 （２）天线处于两个角度下的ＲＦＩＤ信号强度可以确定 一个标签的位置。 （３）由于ＲＦＩＤ阅读器边界的椭圆特性，每个角度 下阅读器能够读到的标签范围不同，在边界区域的标签 能被探测的天线角度变化较小。 为此给出两种旋转天线定位标签位置的方法。 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探索与观察 ２．１连续旋转天线定位法 记录标签随着天线角度变化下的信号强度变化，得 到标签信号强度最大的角度和信号强度值，．。使用公式３ 可以得到标签与天线的直线距离ｄ，则标签位置为： ｘ＝ｄｓｉｎ，ｙ＝ｄｅｏｓ （６） 连续旋转天线定位法算法简单，可靠性高，但它需 要天线连续旋转下读取标签信号强度，计算量较大，对 数据处理的要求较高。 ２．２双位置天线定位法 考虑更简单的方法进行定位，读取两个位置天线的 天线信号强度，进行方程求解，获得标签位置。具体方 法如下：在天线角度为０。下测量标签的ＲＳＳＩ值得到长轴 ｒ，，然后转动ＲＦＩＤ天线到，测量标签的ＲＳＳＩ值得到椭圆 长轴 ，可以通过公式推导得到标签的位置。 对倾角０ｏ的情况，其方程为： ｘ －ｒｌｘ＋ｅ ｙ ＝ｏ （７） 对倾角的情况，其方程为： Ｘ２（ｃｏｓ２ ＋ ｓｉｎ ａ）＋２ｘｙ（ｅ －１）ｓｉｎ ａｃｏｓ￣一ｘｒ２ ｃｏｓａ ｒ０、 ＋ｖ，ｓｉｎ ＋ ２（ｓｉｎ ＋口 ＣＯＳ２（Ｚ）＝０ Ｌ６ 式中： ｅ： 联立上面的方程求得交点坐标 ，ｙ）ＥＰ为标签所在的 位置。 ０ｏ下和角度下确定标签位置的范围有一定局限，并 且不具备对称性，因此进一步也可以在两个任意角度、 下联立方程求解标签位置。 双位置天线定位法需要求解一个四次方程，其参数 相对复杂，可以直接使用解析解，也可以使用数值方法 求解。 ３仿真 在Ｍａｔｌａｂ里面对两种ＲＦＩＤ定位方法进行仿真，使用 式（３）给出距离ｄ和ＲＳＳＩ之间的关系，假设所得到的ＲＳＳＩ 有８ｄＢ的高斯噪声。 ３．１连续旋转天线定位法仿真 在连续旋转天线下，仿真得到的标签的ＲＳＳＩ值如图 １所示，对其进行你和得到一个二次方程，求二次方程的 最大值点即为标签所在的角度。由于存在噪声，求得到 标签角度与实际值有差，经过大量的计算，可以得到仿 真情况下角度估计偏差在３。以内。 ３．２双位置天线定位法仿真 固定天线在０。和４５￣两个角度，对同一个标签进行多 次测量，由于测量结果有噪声，估计得到的标签位置有 变化。当标签在（１．５６，０．７９）时多次测量计算得到的标 签位置如图２所示，其中 轴位置的分布特性可以得到所 测量的数值在±０．０６ｍ之内。 ｉ．Ｉ ～ 价 Ｉｌｎ Ｉ＿ … ： Ｉ ｎ 搽 ＿ ＿ 恃 ● ＿ ： ：葺辇＝ ｙ ｉ Ｉ ： ： １ ； ； 位置角度（。） 图１ ＲＳＳＩ值随天线旋转下的变化 Ｏ舯５ 矗Ｂ１ ０舯５ Ｏ－８ ’ ￡ ０。瑚 ｎ７９ Ｏ＿瑚 ｎ７８ Ｉ糖 ＇５ ＇．５２ ＇斟 ＇髑 ＇＿髓 ＇６ ｘ（ｍＪ 图２双位置天线定位法仿真结果 ４结论 在已有ＲＦＩＤ天线特性研究基础上，分析了ＲＦＩＤ标签信 号强度的椭圆形等值线表达形式，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和 双位置天线定位法两种旋转天线定位方法。仿真表明这两 种方法具有良好的定位精度，可以用于物体的精确定位。 参考文献 ［１］Ｒｅｚａ Ａ Ｗ，Ｇｅｏｋ Ｔ Ｋ，Ｄｉｍｙａｔｉ Ｋ．Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｖｉａ ｓｑｕａｒｅ ｇｒｉｄ ｏｆ ＲＦＩＤ ｒｅａｄｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｆｕｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１ １，６１（１）：２２７—２５０． ［２］孟庆斌，韩杰，张红宾等．基于ＲｓｓＩ测距修正的有源 ＲＦＩＤ￣内定位系统【『】．南开大学学报：自然科学版，２０１３（２）： ３７－４２． ［３】谢蒙娜，王玫，刘争红．一种功率可调￣ＲＦＩＤ室内动态 定位方法Ⅱ］．广西师范大学学报：自然科学版，２０１５（２）：４９－５５． 毫子ｔｌ｜Ｉ● ·６９·