RFID (radio frequency identification) 技术即射频识别技术, 是一种识别主体和被识别目标无需建立机械或光学接触, 利用电磁波通过空间耦合进行通信的技术[1]。RFID定位技术是RFID系统的关键技术, 其利用了RFID技术可以进行无线通信的特点, 识别主体可以对被识别目标传递的信息进行处理, 通过分析和计算, 从而确定被识别目标的位置, 达到定位的目的[2-3]。
随着社会的发展, 无线通信业务增长迅猛, 人们对于定位的需求急剧增加[4], 全球定位系统和我国的北斗卫星导航系统早已应用于军事领域和人们的生产当中, 给人们的生活带来了极大的方便, 极大地提高了工作效率。与此同时, 人们对定位服务的要求也越来越高。卫星定位系统存在着一个严重的缺陷, 就是在建筑物内无法实现定位, RFID定位技术刚好可以弥补这个缺陷, 与卫星定位技术形成互补, 解决定位的“最后1米”问题[5-6]。
传统的RFID系统是由阅读器、电子标签和应用软件系统组成的, 应用软件系统将收集的数据进行处理以便为人们所使用[7], RFID定位技术就是在此基础上发展而来的。通常阅读器的位置是固定的, 阅读器的识别范围是一个圆形的区域, 如果有标签进入识别区域, 就将阅读器的位置认为是这个标签的位置, 这是一种近似估计的方法, 即通常所说的邻近法。但是随着RFID技术的发展, 出现了有源电子标签, 阅读器与电子标签之间的通信距离越来越长, 这就导致传统的RFID定位技术的定位精度越来越差。此外, 由于阅读器是固定安置的, 其通过外部电源供电, 而电子标签通常依附在可移动的物体上, 无法通过外部电源供电。传统的RFID识别系统需要有源电子标签不断地向阅读器发送信息, 从而导致标签的功耗过大, 这极大地影响着RFID定位技术的推广。因此, RFID定位技术中亟待解决的技术难点是提高定位精度和降低电子标签的功耗。
针对以上问题, 本文提出了一种125 kHz+2.4 GHz的双频组合定位方案, 即采用一低频信号和一高频信号相互配合来实现对电子标签的实时定位。双频组合中的125 kHz低频信号为触发信号, 与传统的RFID定位系统相比, 电子标签的位置不再是阅读器的位置, 而是触发器的位置, 触发信号的范围可以调节得很小, 这样便提高了定位系统的定位精度。平时电子标签只检测触发信号的有无, 处在低功耗的运行状态, 当电子标签被触发信号触发后才开启工作模式, 向阅读器发送信息, 这样一来便极大地降低了电子标签的功耗。此外, 由于2.4 GHz信号本身的电磁波特性, 它的波长比较短, 穿透能力较强[8], 所以适合应用于室内定位。设计中将阅读器和触发器进行分离, 一个阅读器可以对应覆盖范围内所有的触发器和电子标签, 触发器的布置可以视具体环境而定, 从而可以提高系统布置的灵活度, 降低铺设成本。
1 系统相关理论 1.1 RFID防碰撞算法ALOHA算法是RFID技术中常用的防碰撞算法, 它是基本的时分多址的应用, 是基于标签控制的算法[9], 即当电子标签进入阅读器信号的覆盖范围时, 电子标签就不断地向阅读器发送自身信息, 直到阅读器能正确识别该标签为止。时隙ALOHA算法是在ALOHA算法的基础上进行改进而得到的, 本文采用的就是时隙ALOHA算法。这种算法要求标签能够产生随机数, 其目的是使得电子标签能够随机在一个时隙里向阅读器发送数据[10-11]。通常有2种产生随机数的方法：一种是利用rand和srand函数来实现, 是通过程序来控制的；另一种是通过控制芯片来产生, 这就要求控制芯片具有产生随机数的硬件资源。
ALOHA算法的特点是：标签向阅读器发送的自身信息是随机的, 并且不同的标签之间没有通信, 当阅读器识别的标签数量较少时, 标签之间不会发生碰撞, 通信效果较好[12]。但是当标签的数量逐渐增加到一个临界值时, 阅读器读取标签的成功率便会迅速下降。
在ALOHA算法中, 设某一电子标签开始向某一阅读器发送数据的时刻为t0, 发送数据所用的时间为T, 则当t0-T < t0 < t0+T时, 如果有另外一个电子标签也向该阅读器发送自身数据, 就会发生碰撞。由概率理论可知, n个标签在t时间段内向阅读器发送数据的概率为：
| $ P\left( n \right) = \frac{{{{\left( {\lambda t} \right)}^n}{e^{-\lambda t}}}}{{n!}} $ | (1) |
式 (1) 中λ是阅读器每秒内收到的标签信号的次数。
则T时间段内阅读器接收标签信号的平均次数G为：
| $ G = \lambda T $ | (2) |
式 (2) 中的G通常被称为输入负载, 在2T时间内电子标签之间不产生碰撞的概率为：
| $ P\left( 0 \right) = {e^{-2\lambda T}} = {e^{-2G}} $ | (3) |
所以2T时间内阅读器的吞吐率S为：
| $ S = GP\left( 0 \right) = G{e^{-2\lambda T}} = G{e^{-2G}} $ | (4) |
与ALOHA算法相比, 时隙ALOHA算法能大大提高标签的识别成功率和阅读器的吞吐率, 这种算法不仅要求标签能够产生随机数, 而且还要求电子标签与阅读器之间有同步的时钟, 在同步的时钟下, 标签和阅读器就有相同的时隙[13]。ALOHA算法中的一段时间在时隙ALOHA算法中被分割成若干个时隙, 电子标签利用产生的随机数在一个随机的时隙内向阅读器发送信息。电子标签在发送信息之前, 会检测信道是处在空闲状态还是占用状态：如果是空闲状态, 则直接发送；如果是占用状态, 则再次在产生的随机时隙里检测信道状态和发送信息, 直到信息被阅读器成功接收为止。
当碰撞周期由原来的2T变为T时, 由公式 (4) 可知, 时隙ALOHA算法中阅读器的吞吐率为：
| $ S = G{e^{-\lambda T}} = G{e^{-G}} $ | (5) |
对比式 (4) 和式 (5) 可知, 时隙ALOHA算法的最大吞吐率是ALOHA算法的eG倍, 能极大提高RFID定位系统的性能。
1.2 双频组合定位方案双频组合定位系统的定位原理如图 1所示.
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| 图 1 双频组合定位系统定位原理 Fig.1 Positioning principle of dual frequency combined positioning system |
图 1中半径为r2的圆形区域是125 kHz低频触发信号的覆盖范围, 触发信号不是一直存在的, 而是按照一定的时间间隔定期产生。当电子标签在覆盖范围外时, 处在低功耗运行模式；当电子标签进入覆盖区域时, 标签检测到触发信号从而被唤醒, 将触发器和自身的信息进行整合并发送给阅读器。阅读器将收到的信息进行处理, 通过485总线传递给上位机, 人们在上位机上可以看到触发器和标签的信息。触发器的位置近似为标签的位置, 由于触发器的位置是已知的, 从而达到了定位的目的。
与传统的单频RFID定位系统相比, 双频组合定位系统有低功耗、高精度和低成本等优势[14]。
1.3 触发信号生成原理触发器发出的是125 kHz低频信号, 信号覆盖的范围是一个圆形的区域, 当2个区域存在重叠部分时, 对于标签而言就会产生识别盲区, 所以重叠的区域信号必须抵消, 触发信号的精准与否直接影响着定位系统的性能。125 kHz信号的产生方式主要有软件模拟定时器同步和硬件生成定时器同步, 但是这2种方法可能会出现信号同步不准确的问题, 为了解决这个问题, 本文采用硬件生成硬件同步方式。125 kHz信号由微控制器产生, 然后接反相器, 通过反相器输出2路相位相反的触发信号。相比于前2种设计方法, 硬件生成硬件同步方式占用的资源少, 并且能够实现精准的同步, 编程也更为简单。其原理如图 2所示。
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| 图 2 硬件同步原理 Fig.2 Hardware synchronization principle |
在RFID定位系统中, 阅读器的主要作用是接收电子标签发送来的信息并进行处理, 此外还具有与上位机通信等功能, 其功能框图如图 3所示。
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| 图 3 阅读器功能框图 Fig.3 Reader function block diagram |
阅读器的微控制器采用的是NORDIC公司型号为nRF51822的2.4 GHz低功耗芯片, 其内部集成有可编程外设互联事件系统和正交电源管理系统, 内核为ARM Cortex-M0[15]。由于nRF51822内部集成了频率为2.4 GHz的射频收发资源, 则无需在芯片外部重新设计射频收发电路, 从而极大地降低了系统设计的复杂度, 提高了系统的稳定性。
射频衰减电路是阅读器整体电路的重要组成部分, 其功能是对接收到的射频信号的功率进行调节, 使信号的功率范围在电路系统可承受的功率范围之内, 避免因射频输入信号功率过大将电路中的器件损毁。此外, 射频衰减器还有一个重要的功能就是调节阅读器的识别距离。实现方式是通过主控芯片检测外部可调滑变的电压值, 对检测到的值进行处理, 从而去配置射频衰减器的衰减量。衰减量越小, 阅读器与电子标签的通信距离越长；衰减量越大, 阅读器与电子标签的通信距离越短。射频衰减器电路如图 4所示。
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| 图 4 射频衰减器电路 Fig.4 RF attenuator circuit |
触发器产生的是125 kHz低频信号, 当电子标签进入低频触发信号的覆盖范围时, 其由低功耗状态转变为正常工作状态, 向阅读器发送整合的信息。触发器的功能框图如图 5所示。
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| 图 5 触发器功能框图 Fig.5 Trigger function block diagram |
设计中在供电电源与发射电路之间加入了数字电压调节电路, 通过MCU控制发射电路的供电电压, 从而达到用程序控制触发距离的目的。
当触发信号的覆盖范围产生重叠的区域时, 要求重叠区域内的信号相互抵消从而避免电子标签被2个不同地址的触发器同时触发。125 kHz反相位构造电路的功能就是将微控制器输出的125 kHz信号转变为相位相反的2路信号。其电路原理图如图 6所示。
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| 图 6 125 kHz反相位构造电路 Fig.6 125 kHz inverse phase structural circuit |
图 6中型号为SN74LVC1G04DBVR和SN74LVC-2G04DBVR的芯片分别是TI公司的低功耗单路非门和双路非门, 工作电压范围为1.65~5.5 V；当供电电压为5 V时, 最大驱动电流可达32 mA, 相位延迟最大为3.7 ns, 与频率为125 kHz的信号相比, 相位延迟极小, 不影响系统工作。微控制器产生的125 kHz信号输入到U17的第2引脚, 从第4引脚输出, 输出信号与输入信号相位相差180°；单路非门的输出再连接双路非门的输入即U18的第1引脚, 输出第6引脚再接至第2路非门的输入, 这样便产生2路相位相反的125 kHz信号。
2.3 电子标签电路设计电子标签的电路设计较为复杂, 其内部的天线在空间中的姿态是随机的, 但是必须要保证自身随时能够被触发器唤醒, 并且还要与阅读器进行通信, 将整合的信息发送给阅读器, 所以需要稳定的电路来保证极高的触发率和被读取率。此外, 由于电子标签是依附在移动的物体上, 所以还要考虑到电子标签的体积、重量以及便携性。电子标签功能框图如图 7所示。
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| 图 7 电子标签功能框图 Fig.7 Active tag function block diagram |
为了减小电子标签的体积, 图 7中MCU采用的是NORDIC公司32引脚的QFN封装芯片nRF24LE1[16]。125 kHz触发电路的功能是保证电子标签能及时地被触发信号唤醒, 电子标签被唤醒后将触发器地址和自身信息发送给阅读器。低频触发电路如图 8所示。
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| 图 8 125 kHz触发电路 Fig.8 125 kHz trigger circuit |
图 8电路中最主要的部分是AMS公司的低频唤醒接收器AS3933, 其内部拥有三通道的低功耗硬件ASK接收资源, 能够组成一个三维的接收天线阵, 其中X轴、Y轴和Z轴三个方向各有1根天线, 这个结构极大提高了电子标签唤醒成功率, 削弱了电子标签空间姿态的随机性对接收性能的影响[17]。AS3933可匹配载波的频率范围为15~150 kHz, 唤醒距离可以通过程序进行控制, 并且能够对其内部电容器的值进行配置从而对天线进行调谐, 确保电子标签能够准确匹配到载波频率。
在数据的设计中, 将1 bit的时间定为366 μs, 这个时间约为125 kHz低频触发信号周期的46倍。唤醒信号数据格式如表 1所示。
| 名称 | 时长/μs | 数据 |
| 突发载波 | 2 500 | 125 kHz载波 |
| 分隔位 | 366 | 1 bit-0 |
| 前导码 | 3 660 | 10 bit-1010101010 |
| 模式 | 5 856 | 16 bit-1001 1001 0110 0110 |
| 数据 | 7 320 | 12 bit数据, 8 bit校验 |
在125 kHz低频触发信号的重叠区域, 要求触发信号相互抵消以避免电子标签同时被2个触发器触发。获取重叠区域的2路相位相反的信号波形如图 9所示。
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| 图 9 反相的波形 Fig.9 Opposite phase waveforms |
从图 9中可以看出, 重叠区域的2路波形相位相反、幅度相等, 达到了预期效果。
125 kHz低频触发信号的1 bit时间宽度对触发距离有着直接的影响, 通过大量的测试, 最终得到的最佳时间宽度为366 μs, 测量结果如图 10所示。
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| 图 10 1 bit宽度 Fig.10 The width of 1 bit |
当电子标签进入触发信号的覆盖范围时, 就会将触发器的地址发送给阅读器, 如果将2个触发器设置为同一个地址, 捕获的波形就会完全相同, 图 11为互为反相的2路信号。
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| 图 11 2路信号对比 Fig.11 Comparison of two channel signals |
触发器是RFID定位系统的重要组成部分, 分析以上的波形数据可知触发器的性能能够满足系统需求。
3.2 阅读器性能测试RFID定位系统中阅读器与电子标签的通信距离决定着实际应用中需要布置的阅读器的数量, 是阅读器设计指标中最为重要的, 通信距离越长, 系统铺设成本越低.通信距离实际测试示意图如图 12所示。
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| 图 12 通信距离测试 Fig.12 The test of communication distance |
由于RFID定位系统需要应用在室内, 所以阅读器与电子标签的通信距离测试必须考虑到有障碍物的情况。在空旷的区域, 固定好阅读器, 将电子标签设置为工作状态, 一直向阅读器发送信息, 让测试人员携带标签逐渐远离阅读器, 找到阅读器无法接收标签信息的临界点。经过反复测试, 阅读器在与电子标签之间无障碍物的情况下最大的稳定通信距离为120 m；当标签与阅读器之间加入障碍物时, 稳定读取距离大于80 m。测试环境不同, 测试结果会有少许差异。
此外, 当阅读器的读卡范围内同时存在多个电子标签时, 每个标签与阅读器的通信均需耗费一定的时间, 阅读器读取标签的速率是评价阅读器性能的一个重要指标。经过反复测试, 阅读器每秒能稳定读取的标签数量大于67个。
3.3 触发器性能测试RFID定位系统的定位精度取决于触发器的信号覆盖范围, 设计中触发距离是可以人为配置的, 以适应不同的应用场合, 触发距离越小, 定位精度越高。触发距离的测试示意图如图 13所示。
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| 图 13 触发距离测试 Fig.13 Trigger distance test |
图 13中, 半径为r2的圆形区域即触发信号的覆盖范围, 测试过程中需要将阅读器和标签进行配合, 设计中将触发器产生触发信号的时间间隔设置为150 ms。测试时, 将标签设置为低功耗工作状态, 测试人员携带标签从离触发器较远的位置不断接近触发器, 找到标签被唤醒从而向阅读器发送信息的临界点, 此时标签与触发器的距离即触发距离, 测试时也需要考虑到触发器与标签之间存在障碍物的情况。经过反复测试, 触发距离最小为1 m, 最大为5.2 m, 当标签与触发器之间存在障碍物时的稳定触发距离大于4 m。
电子标签从被唤醒到发送的信息首次被阅读器成功接收的时间间隔定义为触发灵敏度, 触发灵敏度是评价触发系统的重要指标, 灵敏度越高的触发系统, 时间间隔越短。经过反复测试, 当电子标签与触发器的距离小于4 m时, 触发系统的灵敏度小于触发信号的时间间隔150 ms；当距离大于4 m而小于5.2 m时, 灵敏度大于150 ms, 略微下降。
3.4 电子标签功耗测试考虑到成本和便携性, 电子标签通常采用纽扣电池供电, 有些电子标签需要有防水的功能, 结构复杂, 当电池电量耗尽时只能更换, 更换难度大。一般情况下, 电子标签的使用寿命取决于标签的功耗。
本设计中电子标签同样采用纽扣电池供电, 当标签处于低功耗运行模式时待机电流为11 μA, 标签被唤醒向阅读器发送信号的工作电流为326 μA, 经计算待机时间约为2 a (年), 测试结果如图 14所示。
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| 图 14 电流测试结果 Fig.14 Current test result |
RFID定位技术作为室外定位技术的补充, 广泛应用于各种定位场合。本文针对传统RFID定位技术中定位精度差和标签功耗高的问题, 提出了基于125 kHz低频触发信号的双频组合定位方案, 设计了一种2.4 GHz高精度RFID区域定位系统, 对系统中的算法、设计方案和原理作了详细的分析, 对各个模块的功能和电路设计作了介绍, 并给出了各个组成部分的测试结果。最终结果显示, 可调节触发距离的触发机制将定位精度大大提高, 低频唤醒机制极大地降低了电子标签的功耗, 系统各项指标均达到了预期, 为高精度RFID定位技术的进一步推广奠定了基础。
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