CN104899617A - 基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法 - Google Patents

Abstract

基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法属于无线通信和物联网领域。该技术包括Chipless RFID打印、高信息含量的Chipless RFID设计、Chipless RFID的3D定位方法。设计高信息容量的Chipless RFID标签结构，并利用研制的纳米银颗粒试剂作为打印的墨水，实现在纸张或者PET材料上打印所需要的器件，利用至少3个读写器天线读取天线至标签结构的距离，建立对应的数学模型，估算标签所在的位置信息。利用打印电子技术实现的Chipless RFID及3D定位技术具有，a)标签加工简单方便，b)Chipless RFID标签信息量储存高，c)本发明借鉴传统的定位技术和文献“Chipless RFID Tag Localization”的方法，提出了Chipless RFID的定位方法，可以实现无芯片RFID定位问题。

Description

基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法

技术领域：

本发明涉及一种基于打印电子技术的无芯片(Chipless)RFID的3D定位方法，主要应用于室内物品之间的定位技术，属于无线通信及室内定位技术领域。

背景技术：

打印电子技术具有高效、快速和便捷等优势，可以广泛用于各类电子产品的打印上，例如二极管、MOS管及微波器件和各种电路的打印上，因此将打印电子技术的应用于RFID的设计和加工上具有很好的应用价值和商业前景。

RFID(射频标签)在万物互联中一直被提至很高的位置，被认为是万物互联的基础之一，因此过去的几年中在学术圈和企业界被广泛的研究，也被寄予厚望。然而多年过去，RFID在我们日常生活中用的却不是很多，恰恰相反，简单的条形码和二维码在人们生活中却是无处不在，包括图书馆书籍、火车票，各种商品标签等等，无所不包。

当研究者在反思为何作用距离远、效率高的RFID无法取代条形码和二维码时候，发现成本是最主要因素，一个普通的RFID成本为近1美金，而条形码和二维码成本几乎为零，那么在无需远距离作用和定位时候，人们更愿意花不多的力气来使用稍微麻烦的条形码和二维码。同时在很多大量需要使用标签的地方，例如图书馆、仓库等地方，由于RFID成本原因导致很多原本更适合使用RFID地方不选择RFID。

研究者一直在寻找一种既有RFID远距离识别功能又有条形码和二维码的低成本东西，这时，Chipless RFID就孕育而生。Chipless RFID是指无芯片射频标签，传统的RFID的主要成本来源于其内部储存信息的芯片，如果可以利用射频标签本身的结构来物理储存标签识别信息的话，那么就可以省去内部的芯片，这样就可以使得RFID的成本大大减低。然而任何事情都不可能一下子很完美，Chipless RFID的研究也存在诸多难点，包括如何将RFID成本降至条形码和二维码、如何在无源情况下实现高的信息储存量、如何实现自身定位功能等，而目前现有Chipless RFID基本利用PCB工艺实现，有文献(Arnaud Vena，etl，“Design of ChiplessRFID Tags Printed on Paper by Flexography”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Vol.61，No.12，Dec.2013)报道实现在纸张上打印金属厚度5微米，为目前最厚的，但是文中的技术是利用无电沉积金属铜，不是直接利用打印机直接打印；同时文献(Rubayet-E-AzimAnee，and Nemai C.Karmakar，“Chipless RFID Tag Localization”IEEE Trans.Microw.TheoryTechn.，vol.61，no.11，pp.4008-4017，Nov.2013)报道了最新的关于Chipless RFID定位技术，但是这里还只涉及到Chipless RFID的二维定位方法。

发明内容：

为了解决背景技术中存在的成本问题，本发明利用打印电子技术来加工打印射频标签，可以在满足器件的射频同时，极大的减低加工成本，同时实现便捷、快速和方便的标签加工。利用在传统打印机上加金属纳米粉，在特定的纸张或者PET材料上打印需要的金属结构。

为了解决背景技术中存在的无芯片标签信息量储存问题，本发明利用多个ChiplessRFID标签进行级联，实现高信息储存功能。该单个天线由两部分组成，天线单元结构(9)和短截线(10)，其中天线单元结构(9)产生一个固定的频率，而结构(10)长度的变化可以改变天线的相位，不改变天线单位的辐射频率。这样如果一个天线单位结构固定，改变短截线来实现天线的相位变化，短截线长度的改变会很明显的改变天线辐射频率的相位，利用鉴相器可以容易的捕捉到天线相位的变化，如果一个天线单元相位变化10次，3个天线单元级联一起就可以实现10³次，如果有N个天线单元，则可以实现10^N次不同信息量，如果是N个天线单元，每个天线单元的相位变化n次，那么级联起来的天线标签可以实现Nn次信息量。

为了解决背景技术中Chipless RFID标签自身三维定位方法，本发明借鉴传统的定位技术和文献“Chipless RFID Tag Localization”的方法，提出了Chipless RFID的定位方法。在空间内等角度布置N个点，组成一个圆，并在各个点上放置一个读取信息的读写器，通过读写器发射信号，被Chipless RFID标签接收并反射回读写器，读出电磁波在这个过程的时间差，并由此计算出读写器与标签之间的距离，利用3个以上在不同位置角度的读写器，可以获得3个方程式，可以计算出标签所在的位置，包括距离，水平方位角，垂直方位角。

技术方案：

基于打印电子的Chipless RFID定位系统中的标签是利用在喷墨打印墨水里加纳米银颗粒，纳米银颗粒的尺寸大小为10＝20纳米，利用湿化学方法实现，并在墨水中占30％的体积比。利用该墨水可以直接打印出需要的金属标签结构。

Chipless RFID标签设计为3个微带天线级联的形式，为了获得不同频率点，每个天线的大小尺寸不一样，当天线结构尺寸确定后，利用天线结构中的微带短截线(10)来实现天线相位的调整，微带短截线长度的变化，对天线的谐振频率不会产生任何影响。这里短截线(10)长度从0mm变化到12mm，则相位变化了100度，如果使用的鉴相器的精度是10度的话，那么可以产生10³种不同的信息量，如果鉴相器的精度是1度的话，则可以产生10¹⁰种信息量。

Chioless RFID定位方法是，首先读写器天线与标签的距离是由延迟信号时间计算出来，读写器天线发射出去的信号到达标签再从标签发射到读写器天线上，这一延迟时间可以由仪器读出，那么计算出来的距离可以表示如下形式，

r_i＝t_t×c/2    (1)

这里r_i表示读写器天线到标签之间的距离，t_t表示延迟的时间，c表示光速。标签的计算位置是由三个读写器决定的，一旦标签和读写器之间的距离确定后，标签的位置就可以被计算出来。标签与读写器天线之间的位置关系可以用下面的公式表示，

(r_tsinθ_tcosφ_t-Rcosφ_i)²+(r_tsinθ_tsinφ_t-Rsinφ_i)²＝r_i2-(r_tcosφ_t)²

(2)

该公式中r_i，R和是已知的，而参数r_t，θ_t和是需要计算的，这里的r_t表示中心圆点到标签的距离，R表示读写器天线所在的参考圆半径，t_t表示信号从读写器天线到标签的时间，这里需要最少的是3个读写器天线，可以由此组成3个表达式，如下，

$\left\{\begin{array}{c}{(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t-R\cos {\mathrm{\φ}}_1)}^2+{(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t-R\sin {\mathrm{\φ}}_1)}^2=r_1^2-{\left(r_t\cos {\mathrm{\φ}}_t\right)}^2\\ {(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t-R\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2{}^{}+{(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t-R\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2=r_2^2-{\left(r_t\cos {\mathrm{\φ}}_t\right)}^2\\ {(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t-R\cos {\mathrm{\φ}}_3)}^2{}^{}+{(r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t-R\sin {\mathrm{\φ}}_3)}^2=r_3^2-{\left(r_t\cos {\mathrm{\φ}}_t\right)}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

这里r₁表示读写器天线1与读写器天线2之间的距离，r₂表示读写器天线2与读写器天线3之间的距离，

扩展并重新整理公式(3)，可以获得以下的表达式，

$\left\{\begin{array}{c}(\cos {\mathrm{\φ}}_2-\cos {\mathrm{\φ}}_1)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t+(\sin {\mathrm{\φ}}_2-\sin {\mathrm{\φ}}_1)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t=\frac{1}{2R}(r_1^2-r_2^2)\\ (\cos {\mathrm{\φ}}_3-\cos {\mathrm{\φ}}_1)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t+(\sin {\mathrm{\φ}}_3-\sin {\mathrm{\φ}}_1)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t=\frac{1}{2R}(r_1^2-r_3^2)\\ (\cos {\mathrm{\φ}}_2-\cos {\mathrm{\φ}}_3)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t+(\sin {\mathrm{\φ}}_2-\sin {\mathrm{\φ}}_3)r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t=\frac{1}{2R}(r_3^2-r_2^2)\end{array}\right.---\left(4\right)$

表达式(4)可以进一步写成如下的矩阵形式，

$\left[\begin{array}{cc}(\cos {\mathrm{\φ}}_2-\cos {\mathrm{\φ}}_1)& (\sin {\mathrm{\φ}}_2-\sin {\mathrm{\φ}}_1)\\ (\cos {\mathrm{\φ}}_3-\cos {\mathrm{\φ}}_1)& (\sin {\mathrm{\φ}}_3-\sin {\mathrm{\φ}}_1)\\ (\cos {\mathrm{\φ}}_2-\cos {\mathrm{\φ}}_3)& (\sin {\mathrm{\φ}}_2-\sin {\mathrm{\φ}}_3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t\\ r_t\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\φ}}_t\end{array}\right]=\frac{1}{2R}\left[\begin{array}{c}(r_1^2-r_2^2)\\ (r_1^2-r_3^2)\\ (r_3^2-r_2^2)\end{array}\right]---\left(5\right)$

从表达式(1)和(4)，可以计算出r_t，θ_t和从而这里标签的位置可以获得。

附图说明：

图1是Chipless RFID系统示意图，包括读写器，发射和接收信号的天线，射频标签等结构，

图2是chipless RFID系统3D定位示意图，包括3个读写器天线，1个射频标签，

图3是射频标签结构图，即单个微带天线结构示意图，包括天线结构(9)和微带短截线结构(10)，

图4是级联的射频标签图，为3个级联的微带天线结构，

图5是级联标签的回波损耗射频响应图，

图6是单个天线标签在0mm，6mm，12mm的对应相位图。

具体实施方式：

这里设计标签的谐振频率为4.5GHz，其中尺寸：结构(1)为42.5mm，结构(2)为43.5mm，结构(4)为2.2mm，结构(5)为21mm，结构(6)为1mm。

这里定义φ₁为0度，φ₂为120度，θ₃为240度，θ₁，θ₂，θ₃为90度。根据表达式(1)，距离r可以由延迟时间计算出来。当R确定，r₁，r₂和r₃可以由表达式(1)获得，而标签的角度位置信息可以由表达式(3)获得。

a)当R半径选择1米时，

可以测试到r₁，r₂和r₃分别为1.4米，1.4米和1.4米，通过估算可以得出θ_t为0度，φ_t为X，即标签位于该球面顶端点，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为1.6米，1.6米和1.6米，通过估算可以得出θ_t为30度，φ_t为120度，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为1.56米，1.2米和1.2米，通过估算可以得出θ_t为27度，φ_t为300度，

b)当R半径选择0.6米时，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为0.7米，1米和0.4米，通过估算可以得出θ_t为46度，φ_t为102度，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为1米，0.8米和0.5米，通过估算可以得出θ_t为38度，φ_t为193度，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为0.5米，1.1米和0.6米，通过估算可以得出θ_t为30度，φ_t为76度，

c)当R半径选择0.4米时，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为0.2米，0.6米和0.65米，通过估算可以得出θ_t为30度，φ_t为326度，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为0.5米，0.5米和0.7米，通过估算可以得出θ_t为26度，φ_t为300度，

当测试到r₁，r₂和r₃分别为0.7米，0.5米和0.3米，通过估算可以得出θ_t为43度，φ_t为220度，

上述仅为几个例子，若想测试不同位置标签信息，可以通过测试读写器和标签之间的距离，利用至少3个读写器天线就可以计算出标签所对应的位置信息。

Claims (3)

1.基于打印电子的Chipless RFID(无芯片射频身份识别)三维定位技术，包括Chipless RFID的结构设计，Chipless RFID标签的打印和定位方法，其特征在于Chipless RFID标签结构由微带天线结构(9)和微带短截线结构(10)组成，微带短截线(10)长度不影响微带天线(9)的谐振频率，微带短截线(10)长度可以调整，用于改变天线(9)的相位；多个标签级联用于实现高容量的标签信息编码。

2.根据权利要求1所述的基于打印电子的Chipless RFID三维定位技术，其特征在于Chipless RFID标签结构是利用印刷技术如喷墨打印机打印上去的，印刷墨水是由导电墨水如纳米银颗粒调制而成的。

3.根据权利要求1所述的基于打印电子的Chipless RFID三维定位技术，其特征在于基于至少3个读写器天线，利用计算天线与标签之间的距离，并利用标签坐标点、天线坐标点及读写器天线所在圆的中心点，建立关系式；由至少三个不同位置的读写器天线构成至少三个距离关系式，三个关系式子，可以求出三个变量，三个变量即标签到天线所在的圆点距离、标签所在的平面方位角度、标签所在的垂直面角度。