基于UHF RFID技术的室内定位系统设计

选取两个频率相近的载波f1和f2，载波初始相位为φ1,b和φ2,b，阅读器接收信号时载波最终相位分别为φ1,e和φ2,e。对于载波f1，相位变化值为△φ1=(φ1,e-φ1,b)，对于载波f2，相位变化值为△φ2=(φ2,e-φ2,b);则在相位差测距法中，距离d为：

d=(△φ11-△φ2)·c/[4π(f1-f2)] (3)

图2左侧为Impinj R420读写器，通过其获取相位信息。R420核心射频芯片为Indy R2000，为R1000的升级版，不仅支持EPCglobal标准和ISO18000—6标准，而且可以配置其他协议。R2000采用64引脚9 mm2 QFN封装，在功耗和接收灵敏度方面比R1000有所提高。芯片内部结构如图4所示。

数字核心选择好载频点后，输出信号，经过DAC和频率选择滤波器，形成I/Q两路信号。与载波相混后两路信号叠加，再经功放发送出去。当芯片接收到信号时，与载波相加，过低噪放大器后与发送信号相混，通过频率选择滤波器和频选放大器获取基带信号，通过ADC将信号送至数字核心。

虽然Indy R2000的底层射频协议(LLRP)中包含载波相位的提取，但其自带的软件并不读取这一部分信息，因此，需要借助Impinj公司的二次开发包OctaneSDK来获得载波相位值。

3 UHF RFID标签系统定位部分

通过系统测距部分，获得了标签到阅读器天线之间的距离，将通过线性化最小二乘法和加权残差法求出标签位置。

3. 1 线性化最小二乘法

假设定位环境有N个位置已知天线Xn(xn，yn)，i=1，2，…，N，位置未知的标签为P(x，y)。阅读器对天线进行测量，共有N个测量方程，en为测量误差：

3.2 加权残差定位方法

在测量过程中，会出现部分测量数据不准确的问题，并造成整体定位误差较大。引入加权残差方法，通过对测量方程增加权值，将较大误差的处理转换成权值的选择，最终完成标签定位。定义标签坐标P的残差平方和为：

4 系统测试结果

选择一块3 m×3 m的正方形区域，如图5所示。天线使用Larid公司右相圆极化远场天线S9028PCR，最大增益为9 dBic，回波损耗为18 dB。将4组天线放置在4个顶点，每组天线上有2个天线，分别连接到Indy R1000开发板和R420上，标签随机放置在正方形区域内，设置阅读器发送信号功率为30 dBm，载频点为920.63 MHz和924.38 MHz，使得信号载波在这两个频点上不断变换。打开软件，开始进行测试。随机在测量区域内选取4个位置放置UHF RFID标签，通过四周的天线与阅读器进行通信。

在足够长的一段通信过程中，如图6所示，通过软件获取这段时间内阅读器接收到的最大的RSSI值和相位值变化的平均值，经过处理计算，得到标签坐标。

我们定义系统的均方根误差(RMSE)来衡量系统定位精度。RMSE的定义式如下所示：

(x0，y0)为标签的真实坐标。表1显示了分别用不同的测距数据得到的定位误差。

结语

本文通过对UHF RFID标签通信过程中相位和能量的提取，完成了室内定位系统。可以看出在小环境中，使用相位法进行定位比传统的使用能量法进行定位精度要提高很多。但是在复杂室内环境下，相位法定位会受到很大的影响，在后续工作中，可以在定位算法上改进，来弥补由于测距不准产生的误差对最终定位产生的影响。