近场天线和信号强度的RFID标签定位应用

贾俊峰，叶连杰，李 艺

（1.北京计算机技术及应用研究所，北京 100039；2.北京航天爱威电子技术有限公司，北京 100039）

0 引 言

无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID），是自动识别技术的一种，可通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的[1-2]。

在无线通信系统中，能够将发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置被称为天线。

RSSI（Received Signal Strength Indicator, RSSI）是接收信号的强度指示[3]，它的实现在反向通道基带接收滤波器之后进行。

1 RFID天线及定位模型

1.1 RFID天线

根据RFID天线的应用场景，大致可以分为近场天线和远场天线[4]。远场天线的应用范围较广，具备普遍适用性；近场天线由于其原理特点，适用于传送带等近距离扫描的场景。

根据天线的设计原理，可以分为抗金属天线、分布式天线、圆极化天线、弯折线天线等。根据天线制作工艺，可以分为线圈天线、印制天线等。RFID天线种类如图1所示。

图1 RFID天线

不同的天线有其自身的特点，应用过程中需要明确天线的作用，选定天线的设计原则，关注天线的性能参数。

1.2 标签定位模型

RFID的定位即确定RFID标签的距离和位置。确定位置的算法模型所依赖的数据类型主要有TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角）和RSSI（信号强度）算法[5-6]。

TOA的定位原理：先获得从发射机发射的信号到达目标物体后再返回发射机的时间。由于所发射信号的传播速度是确定的，根据速度位移公式S=VT即可计算出发射机与目标物体之间的距离，获取目标物体的位置信息。

如图2所示，在二维平面上定位目标物体的具体位置时，需要3个传感器或发射器获取数据，假设A，B，C三点的位置坐标分别为(x1, y1)，(x2, y2)，(x3, y3)，目标物体的位置坐标假设为(x, y)，且目标物体距离A，B，C三点的距离分别为a，b，c，由此可形成一组定位方程组，求解即可得到目标物体的坐标。TOA定位算法不仅依赖多个发射器，同时需要发射器具有非常精细的时钟，否则距离数据无法作为参考值进行计算，这是TOA定位算法的劣势。

TDOA即到达时间差定位算法，原理：在不同测量点同步发射信号，通过计算不同发射信号节点到达目标物体的距离差获取目标物体的位置。基于图2的位置坐标假设，根据TDOA算法得到以下方程：

图2 TOA三角测距模型

利用R1表示A测量点和C测量点到达目标的距离差值，B、C两个测量点之间的差值用R2表示，得到：

求解上述方程组，得到目标物体的坐标。

AOA即到达角定位算法，基于阵列天线进行计算，此定位算法依赖阵列天线2个不同方向反射回的信号，其交叉点即为目标物体位置坐标，定位原理如图3所示。

图3 AOA定位原理

RSSI即接收信号的强度指示，根据读写器的功率损耗，按照公式即可计算出空间中任意一点的功率值：

式中：Pri表示第i个读写器的功率；Pt表示标签发送的额定功率；Gt和Gri分别表示标签天线和读写器天线的增益。

2 近场天线及RSSI在标签定位中的应用

本文采用的标签和近场天线测试场景如图4所示。利用近场天线，结合RSSI对标签定位进行测试验证及应用。利用近场天线对多个6C标签进行盘点，获取RSSI数值进行定位计算，确定RFID标签与近场天线的对应关系与标签的位置。

图4 测试环境示意图

2.1 天线设计

近场天线采用PIFA天线形式（可减小天线尺寸）。PIFA天线采用RF-4为介质，4层板设计，第3层正面为辐射阵子，阵子宽为W，长为L，馈电点由PCB第4层通过过孔通向第1层阵子，短路点由第3层通过过孔通向第1层阵子[7-8]，如图5所示。

图5 近场天线图

通过HFSS仿真优化参数，确定尺寸W=5 mm，L=30 mm，天线辐射方向如图6所示。

图6 天线辐射方向图

图6中，天线最大增益为-13.7 dBi，半功率夹角为110°，满足天线近场以及小型化的要求。

2.2 读写器配置

为实现对近场标签的定位，针对RFID读写器进行了额外的算法配置。根据所使用近场标签的类型特点，考虑标签所在环境为封闭式金属柜体内部，存在信号反射等情况，故缩短盘点周期，并采用固定的频点设置[9]。为减少信号反射造成的标签串读现象，降低读写器发射功率，通过大量实验数据确定了合适的功率值。调整标签响应概率值，使其根据所配置的Q值调整标签响应时间，减少多标签碰撞带来的数据冲突问题，提升标签盘点效率。读写器配置见表1所列。

表1 读写器配置

不同的配置参数能够盘点的标签数量有所差异，根据使用场景要求，单次盘点过程中，盘点的标签越集中，参数配置越合理。

2.3 RSSI定位

从本文的应用场景可以看出，测试方式为单个读写器利用多个近场天线对多个RFID标签进行盘点操作，如何确定各天线与标签的位置关系是RSSI定位需要解决的关键问题。

读写器位置固定，标签位置远近不同。实际应用环境中，受限于障碍物、吸波材料、多径效应等因素的影响，理想的RSSI定位公式并不一定适用，本文采用基于传播的简化距离损耗模型来估算标签位置。射频信号传播示意如图7所示。

图7 射频信号传播示意图

读写器工作时，根据触发条件选定特定的天线对标签进行盘点动作，实时获取该天线盘点的全部epc和RSSI数据，并对epc进行分类汇总，同时对RSSI进行排序。根据信号损耗随距离呈现对数衰减的特点，选取RSSI数值最大的epc作为距离盘点天线最近位置的标签，实现该次工作天线与标签位置的绑定关系，并确定天线与标签的对应管线，实现天线与标签的一对一绑定。

3 标签定位的影响因素及改进措施

近场天线与远场天线的应用环境区别较大，目前近场天线的应用仍然具有较大的改进空间，具体措施主要体现在以下几方面。

3.1 空间结构反射

RFID是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信的技术，受空间结构反射或散射的影响较大，而近场天线恰恰是在环境受限的场景中应用。

读写器频点不同，在近场环境中所产生的折射、反射现象都有所区别。RFID信号通过结构外框，其他天线或障碍物后进行折射、反射，形成多条信号路径到达标签位置，这是RFID信号的多径效应，是RFID信号的典型传播特性之一。因此在结构设计时需考虑射频信号多径效应对标签定位造成的影响。

3.2 天线设计

近场天线的性能指标对标签盘点的准确性起到至关重要的作用。本文所采用的近场天线设计为方形结构。后续应用中，不仅可以尝试变换天线的设计形状，改进设计参数，还可以考虑在近场天线的设计上克服或降低外界材质，尤其是金属障碍物对天线性能造成的影响。近场天线的尺寸面积和排列紧密度也具备提升空间，使得单位面积内各天线可以盘点的标签数量有效增加。

3.3 标签选型

RFID系统由读写器、天线和标签构成。系统能够正常、稳定的运行，离不开每个设备、器件的良好配合。排除空间结构、天线侧的影响，合适种类的标签也是影响定位的因素之一。针对近场天线的性能要求，需要对多种标签进行大量测试，包括近场标签、远场标签和近远场标签[10]。测试不同标签的表现效果，确定合适的标签型号。

4 结 语

本文通过设计近场天线对单个读写器盘点多个标签并定位的技术进行了测试，通过验证，确定了读写器的盘点参数配置和位置定位模型，对近场天线的位置确定取得了良好的效果。同时，针对近场天线应用的各环节提出了改进措施，能够进一步降低标签漏读、串读概率，大幅提升盘点效率和准确率。