基于RFID的定位技术研究*

刘 行，刘 榕，文 猛

(1.解放军理工大学,江苏 南京 210007；2. 中国电子系统工程公司研究所,北京 100141)

基于RFID的定位技术研究*

刘 行1，刘 榕2，文 猛1

(1.解放军理工大学,江苏 南京 210007；2. 中国电子系统工程公司研究所,北京 100141)

射频识别技术RFID，利用无线电讯号通过非接触式双向通信进行信息交换，从而达到对目标身份的识取和物件路径的追踪，且其具有技术成熟、低成本、高精度等优点。描述RFID定位技术，对目前比较流行的算法以及相应的改进算法进行对比分析，指出目前还存在的一些问题。结论：相较于其他的几种无线定位技术（WiFi定位技术、蓝牙定位技术等），RFID定位技术的优势相当明显；但是，无论是经典的定位算法，还是基于基本理论改进的算法，应用在具体场景中时，精确度均存在较大差别，需视实际环境决定所应用的定位算法。

RFID；定位算法；询问器；应答器

0 引 言

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）可以通过射频信号对特定目标进行识取，交换相关的信息数据。这一过程不需要系统与目标之间建立机械或者光学的接触。RFID技术因其高精度、低成本等优点受到人们青睐，应用范围非常广泛。从物流管理到资产追踪，从防伪识别到公共安全管理，从生产线自动化到车辆管理，RFID技术越来越受到业内相关人士的重视。当前，新的定位算法不断被提出，经典的定位算法不断被改进，定位精度越来越高。

1 RFID系统组成原理

1.1 RFID系统组成

从结构上讲，RFID只有两个基本的器件，即询问器和应答器。两者都是由芯片、天线以及耦合元件组成的。一套典型的相对完善的射频识别系统[1]至少由可编程数据的电子标签、读写器、天线三部分组成。其中，可以实现智能读写以及拥有加密通信能力的标签即射频卡，是通过耦合元件以及芯片组成的；可以通过调制的RF通道向标签读取或者写入信息的读写器是由无线收发模块、控制模块和接口电路组成；天线的作用是在标签和读取器间传递射频信号，进行电磁波和电流信号间的转换，即将自身接收到的电磁波转为电流信号或将电流信号换成电磁波发射出去。此外，有些系统可以使用阅读器的RS232或者RS485接口与外部终端连接，实现信息传输。组成模式如图1所示。

图1 RFID系统组成示意图

1.2 RFID系统工作原理

在现实的应用场合中，将按照要求编程好的电子标签附着在需要进行识别的物体表面。阅读器会通过天线发送出射频信号，形成一定范围的磁场。标签进入到该范围后，会有感应电流产生。此时，它可以利用此能量将自身的编码等信息发送出去。读写器会对这些信息进行读取、解码，然后传送至电脑终端进行相关处理，进而实现自动识别物体的功能。RFID系统的信息传递方向如图2所示。

图2 RFID系统的信息传递

2 RFID定位技术

2.1 RFID定位技术基本原理

一台可以实现检测位置的装置、一套完整的定位算法以及一台具有显示功能的终端，构成了一个基本的无线定位系统[2]。RFID定位就是基于该系统的基本组成实现的，具有非常简单的基础原理。整套系统中，仅有进行位置检测的装置功能复杂。它的作用主要是从预先设定好的参考标签处接收无线射频信号。该参考标签的位置坐标是提前已知的，将接收到的射频信号转换成RSS、TOA等定位算法所需要的格式后，将得到的这些有用信息与预先已知位置的参考标签坐标组成定位矩阵。定位算法再利用概率运算、信号处理等运算手段处理得到的定位矩阵，最终比较准确地得到目标所在的位置。最后，由显示系统转换成适当的格式，如将物理形式转换成符号形式，最终显示给终端。

2.2 定位算法

定位算法是RFID技术中重点关注的对象之一。通过分析了解不同的定位算法所基于的基本原理，比较不同算法的优劣，同时针对其算法的短板进行改进，让之后的定位系统稳定性更高，精度更加准确，从而使得整个应用系统的生命周期得以延长。

2.2.1 基于三角测量的定位算法

该定位方法一般通过对距离进行测量或者针对到达角度进行测量来实现。测量距离，顾名思义，即直接通过手段量取读写器的天线到标签的距离。而对于到达角度进行测量，得到的是读写器的天线与标签间的相对方向。表1是基于三角测量定位的几种算法的比较。

2.2.2 基于场景分析的定位

定位机制的一般步骤：先对具体的场景信息进行收集、归纳，后将设备检测到的目标信息与预先收集得到的场景信息进行匹配，之后根据概率运算等手段对目标进行定位处理。当前，应用最广泛的方法主要有参考标签法和指纹定位法。

（1）参考标签法[7-8]。参考标签法主要是利用对比目标标签与参考标签的RSS的方法实现定位。参考标签在各读写器上的RSS是已知的，将它们组成向量的形式后，检测目标标签在各读写器上的RSS，计算参考标签和目标标签间的欧式距离，从中选取k个最小的欧氏距离，并认定其相对应的这k个参考标签为最近邻参考标签。之后，根据欧氏距离的大小求得各参考标签的不同权重，并计算目标标签的坐标。

相比于三角测量的定位算法，参考标签定位法定位精度更精确、可靠性更高。但是，该方法的实现要求预先安放好数量足够多的参考标签，使得原本目标标签数量就比较多的环境中，标签的排布太过密集。对于标签数量较多的系统而言，标签天线间存在的耦合现象以及标签对其他标签信号传播路径产生的影响，会对RSS产生很大的干扰，从而影响定位。

表1 基于三角测量定位的几种算法的比较

（2）指纹定位法[9-10]。指纹定位法也称数据库相关定位，它的基本原理和上述的参考标签定位法的定位原理类似，故可以看作是参考标签法的延伸。因为实际应用中参考标签的数量不能无限制增加，考虑到信号的多径传播对周边的传播环境有很大的依赖性，从而表现出非常强的特殊性，因此对于不同的位置，其信道的多径结构各不相同且肯定唯一。系统终端所发射出的无线电波经过多次反射和折射后，会产生特定模式的多径信号，而其模式与周边的传播环境密切相关，这样就可以将信号的多径特征认为是该位置的“指纹”。若我们在所需定位的区域内，采集各参考节点的信号特征参数RSS，那么我们就可以预先测量这个参考节点的RSS，记录下来作为一个指纹。定位时，只需将目标标签的RSS与先前建立的指纹库进行比对，就能够较为准确地得出目标所在的位置。

指纹定位法的实施有两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段的主要任务是将定位区域内的各参考节点的信号特征参数进行采集，并记录下来形成指纹库。在线阶段，即实时定位阶段，当目标标签运动到某一位置的时候，利用接收机测量接收信号相对应的参数发送给中央处理器，中央处理器通过匹配算法与数据库中的指纹数据进行比较匹配，进而得到目标的所在位置。

该算法虽然减少了参考标签的数量，提高了定位精度，但它前期的工作量比较大，且只适用于环境变化不大的场合，具有一定的局限性。

2.2.3 邻近算法定位[11]

基于RFID阅读器的读写范围来确定目标标签和阅读器的相对位置，是邻近算法定位的基本原理。阅读器对标签有一个固定的读写范围，当标签进入这个范围时，阅读器感知到标签的信息；相对地，当标签离开该范围时，阅读器则感知不到标签。因此，在定位区域内布置多台阅读器，利用标签与多台阅读器的读写范围情况，可以利用阅读器的编号计算标签的大概位置。目前，由于阅读器的读写范围是可控的，因此调整阅读器的范围可以控制算法的定位准确性。例如，将阅读器的读写范围设置的越小，定位的精度越高。在二维场景中，使用邻近算法进行定位，可以使得定位的精度达到0.5 m，同时还可以达到接近100%的准确度。

该算法是上述算法中最易实现、最简单、实际场景中应用最广的定位算法。它最大的优点就是定位准确度高。

2.3 RFID定位技术的优势

定位系统的评价指标一般有定位精确度、系统应用的成本、定位使用的形式、技术应用成熟度、系统的安全性能、无线信号使用频率、硬件的可拓展性、程序的容错性等。表2即为这些年来比较热门的几种无线技术之间的比较分析。

由表2可知，RFID技术的成本最低，技术最成熟，其定位系统对于无线电信号频率的选择范围广泛。经常被使用的有频率为13.56 MHz的低频无源RFID；高频的有源RFID，所使用的频率有433 MHz、916 MHz、2.4 GHz等。而且随着RFID定位系统的应用越来越广泛，研究越来越深入，对定位算法的改进越来越多，定位精度、准确度越来越高。RFID依靠其所选用的频率和天线特有的性质，可以达到几十米的距离通信。而对于使用高频的有源RFID，其通信的距离可以达到百米。此外，射频信号的抗干扰能力特别强，环境适应性较好。所以，综上所述，当前会优先考虑使用RFID技术来实现对定位精度要求较高的定位系统设计[12]。

表2 几种无线技术定位系统评价指标比较

3 结 语

本文在简叙射频识别定位系统组成和基本原理的基础上，重点对射频识别定位技术的研究进行了系统整理，总结了目前比较流行的射频识别定位技术的定位算法，对不同算法的优劣进行了说明比较。同时，通过与其他几种应用比较广泛的无线定位系统相比较，突出体现了使用射频识别进行定位的优势。RFID定位技术具有很强的发展潜力，但是涉及到实际应用环境时，要考虑一些相关的环境因素，根据不同场合对标签、标签的频率做出恰当的选取。同时，在之前的研究应用中，常常仅使用一种定位算法。但是，考虑到实际的应用需求，仅使用一种单调的算法通常不能达到预期的效果，这时就需要考虑使用多种算法。一般会选取能够相互互补、相互配合的算法来解决问题。当使用多种算法联合定位时，需充分考虑使用不同算法定位时出现结果不同的冲突问题以及因算法不同、定位形式不同时形式间的变换问题。这些都是以后研究的重点。

作为物联网的一大支柱技术，RFID技术在全球内受到了广泛关注，各个国家与公司均投入了大量资源对其进行研发。作为技术的重要组成部分，定位技术势必会受到人们的关注。

[1] 甄岩,李祥珍.RFID技术的研究与应用[J].数字通信,2011,38(01):32-35. ZHEN Yan,LI Xiang-zhen.Research and Application of RFID Technology[J].Digital Communicati on,2011,38(01):32-35.

[2] Pahlavan K,Li X,Makela J P.Indoor Geolocation Science and Technology[J].IEEE Commun. Mag.,2002,40 (02):112-118.

[3] 王一乐.基于RFID的室内定位方法研究与应用[D].西安:西安理工大学,2010.WANG Yi-le.Research and Application of Indoor Positioning Method based on RFID[D].Xi'an:Xi'an University of Technology,2010.

[4] Joho D,Plagemann C,Burgard W.Modeling RFID Sign Strength and Tag Detection for Localization and Mapping[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation,Kobe,Japan,2009,25(06):3160-3165.

[5] 朱娟,周尚伟,马启平.基于RFID的室内定位算法[J].微计算机信息,2009(23):160-162. ZHU Juan,ZHOU Shang-wei,MA Qi-ping.Indoor Localization Algorithm based on RFID[J].Micro Computer Information,2009(23):160-162.

[6] 吴浩权.基于RFID的室内无线定位技术研究[J].电声技术,2013,37(03):76-78. WU Hao-quan.RFID Indoor Wireless Positioning Technology Research based on RFID[J].Electro Acoustic Technology,2013,37(03):76-78.

[7] Ni L M,Yunhao Liu,Yiu Cho Lau,et al.LANDMARC:Indoor Location Sensing Using Active RFID[C]//Pervasive Computing and Communications.Proceedings of the first IEEE International Conference,2003:407-415.

[8] Kyuwon Han,Sung Ho Cho.Advanced LANDMARC with Adaptive K-nearest Algorithm for RFID Location System[C].Beijing:Network Infrastructure and Digital Content,2010:595-598.

[9] 黄保虎,刘冉,张华等.基于不同重采样算法的RFID指纹定位[J].计算机应用,2013,33(02):595-599. HUANG Bao-hu,LIU Ran,ZHANG Hua,et al.RFID Fingerprint Location based on Different Resampling Algorithms [J].Computer Applicati-ons,2013,33 (02):595-599.

[10] VORST P,KOCH A,ZELL A.Efficient Self-adjusting Similarity Based Location Fingerprinting With Passive UHF RFID[C].Proc of the IEEE International Conference on RFID Technologies and Applications,2011.

[11] Liu H,H.Darabi,Banerjee P,et al.Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems[J]. IEEE Transaction on Systems,Man,and Cybernetics,2007,37(06):1067-1077.

[12] Kim S H,Park H,Bang H C,et al.An Indoor Location Tracking based on Mobile RFID for Smart Exhibition Service[J].Journal of Computer Virology and Hacking Techniques,2014,10(02):89-96.

刘 行（1991—），女，硕士，工程师，主要研究方向为无线通信；

刘 榕（1960—），男，硕士，教授，主要研究方向为无线通信；

文 猛（1988—），男，硕士，工程师，主要研究方向为装备军事学。

Positioning Technology based on RFID

LIU Xing1, LIU Rong2, WEN Meng1
(1.PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Institute of China Electronic System Engineering Corporation,Beijing 100141,China)

RFID(Radio Frequency Identification Technology), uses radio signals to exchange information through non-contact two-way communication, so as to achieve the target identity tracking and identifying objects take the path. RFID technology is of maturity, low cost and high accuracy. RFID positioning technology is described, the current popular algorithms and corresponding improved algorithms are compared and analyzed, and some problems are also pointed out. Conclusion: Compared with several other wireless location technology (WiFi positioning technology, positioning technology Bluetooth, etc.), the advantages of RFID positioning technology is fairly obvious; but whether it is the classic location algorithm, or based on the basic theory of the improved algorithm used in concrete scenario, the accuracy will be very different, depending on the localization algorithm practical environmental decision applications.

RFID;location algorithm;transponder;transponder

TN925

A

1002-0802(2016)-07-0880-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.017

2016-03-10;

2016-06-11 Received date:2016-03-10;Revised date:2016-06-11