CN207051935U - 一种无源rfid定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无源RFID定位装置，包括待定位RFID标签、定位设备和设置在目标区域的至少3个RFID读写器；所述RFID读写器包括主控器、存储器、可以实现至少3个频段的调频电路、收发机、射频天线、通讯端口和GPS定位器，所述存储器、调频电路、收发机、GPS定位器和通讯端口分别连接所述主控器，所述射频天线连接所述收发机，所述RFID读写器通过通讯端口与定位设备连接；所述定位设备包括相位差测量电路和与相位差测量电路连接的单片机。本实用新型精度高，成本低。

Description

一种无源RFID定位装置

技术领域

本实用新型涉及RFID技术领域，尤其涉及一种无源RFID定位装置。

背景技术

随着无线技术、移动计算工具的快速发展，人们对位置信息和定位服务有了越来越多的需求，对定位信息的要求也是越来越细致准确。但是室外定位技术，类似于GPS之类的应用渐渐不能满足应用的需求，室内定位技术受到越来越多人的关注。通过RFID实现室内定位成了人们的一个研究方向。

RFID又称射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术。定位管理被认为是无线射频识别技术(RFID)的一个重要发展方向，RFID技术在实现定位管理系统的灵活性、可维护性和可扩展性方面具有巨大的潜力。基于RFID的定位管理系统必须能够根据不同应用的需求进行快速部署,并且能够快速有效地生成位置信息。RFID标签具有体积小、读写范围广、寿命长、抗干扰能力强等特点，可支持快速读写、移动识别、多目标识别、唯一表示等。与GPS等成熟的定位技术相比，RFID更适合应用于室内定位。

目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，虽然GPS定位系统发展的比较成熟，在民用领域中的应用也越来越广泛。但由于GPS定位原理的限制,GPS接收器至少要从3个卫星上获取信号，然后根据信号画出三角坐标。在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，这时候GPS的接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。在室内有需求的情况下，还是需要新型定位技术，以满足更加精准的室内要求。

目前，RFID定位可以有以下三个方法，但都存在各种缺陷而不能实用化：

方法一：强度法

通过获得发射机发射的信号到达目标再返回发射机的接受信号强度RSSI,由接受信号强度得出标签到阅读器的距离。图1是利用接受信号强度测距的示意图。接受信号强度Pr由公式(1)决定。Pt是标签的发射功率，Gt是标签天线增益，Gr是读写器天线增益。根据公式(1)，在读写器发射功率一定，标签天线增益及读写器天线增益已知的情况下，通过测试接受信号强度Pr可以推导出标签到读写器天线的距离。

若有三个以上的读写器天线，然后根据三边定位法或多边定位法解出目标标签的位置。但是，这个方法存在的问题是接受信号强度可靠性及重复性太差，这是由几个因素决定的：不同标签的灵敏度都不一样；接受信号强度会由不同传播路径的信号构成，差异性很大；测量噪声很大等等。由于这些困难，强度法进行室内定位难以实用化。

方法二：飞行世间法(TOA)

飞行世间法通过获得发射机发射的信号到达目标再返回发射机的时间,由传播时间得出标签到阅读器的距离。然后根据三边定位法或多边定位法解出目标标签的位置。

TOA定位算法是基于TOA圆周方程，通过圆与圆之间交线的不同组合，构造出不同的定位方程。从几何模型上分析，如果移动台s到基站i的信号在视距情况下传播，测得的距离为Di，移动台一定位于以基站i为圆心，Di为半径的圆周上，当有3个基站坐标时，TOA的测量方程为：

式中，(xi，yi)为第i个基站的坐标，(xs，ys)为移动台s的坐标。

其几何图形如图2所示。但是，该算法要求标签和阅读器要同步,其次环境的复杂性会导致多径效应并降低系统的定位精度；同时时间法对时间测量精度要求很高，目前一般超高频RFID读写器很难达到要求。

方法三：角度法Angle of Arrival(AOA)

角度法(AOA-Angle of Arrival)的定位方法是每一个阅读器都安装天线阵列，阅读器通过阵列天线测出从标签到2个以上阅读器的传输路径的到达方向(电波的入射角)来获得位置信息。通常标签处于天线阵元的远区场，因此可近似地将标签的来波波前看作是平面波，则间隔位置为d的相邻阵元所接收到的来自同一标签的到达角为θ。如图3所示，相位差为

其中λ表示空中传播的无线信号的波长。根据前面测量不同阵元接收信号的相差，可得到来波信号的到达角θ。根据两个阅读器接收到同一个标签Tag信号的到达角信息，可以利用几何知识计算出标签的位置。如图4所示，阅读器Reader1、Reader2测得的无线电波的到达角为1、2，标签位于分别经过阅读器Reader1、Reader2且以tan(1)、tan(2)为斜率的直线交点处。但是，超高频RFID的天线方向性不是很好，而且难以客服不同路径、阴影等影响，因此其实用化也很难。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种无源RFID定位装置，可以实现精准定位物品的具体位置，并与互联网、通讯技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪和信息共享。

本实用新型所述的无源RFID定位装置包括待定位RFID标签、定位设备和设置在目标区域的至少3个RFID读写器；所述RFID读写器包括主控器、存储器、可以实现至少3个频段的调频电路、收发机、射频天线、通讯端口和GPS定位器，所述存储器、调频电路、收发机、GPS定位器和通讯端口分别连接所述主控器，所述射频天线连接所述收发机，所述RFID读写器通过通讯端口与定位设备连接；所述定位设备包括相位差测量电路和与相位差测量电路连接的单片机。所述定位设备包括无线传输模块，通过无线传输模块与计算机连接。所述定位设备也可以是包括计算机接口，通过计算机接口与计算机连接。所述RFID标签具体包括数字电路、存储器、收发机和天线，所述数字电路、存储器和收发机两两相互连接，所述天线连接所述收发机。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：本实用新型可以实现精确定位，且成本较低，精确度可以从传统的米级提高到厘米级。

附图说明

图1是利用接受信号强度测距的示意图；

图2是基站TOA几何模型示意图；

图3是角度法的角度示意图；

图4是角度法的模型示意图；

图5是本实用新型所适用的系统模型图；

图6是本实用新型提供的无源RFID定位装置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的系统模型如图5所示，结构图如图6所示，包括待定位RFID标签、定位设备和设置在目标区域的至少3个RFID读写器；RFID读写器包括主控器、存储器、可以实现至少3个频段的调频电路、收发机、射频天线、通讯端口和GPS定位器，存储器、调频电路、收发机、GPS定位器和通讯端口分别连接主控器，射频天线连接收发机，RFID读写器通过通讯端口与定位设备连接；定位设备包括相位差测量电路和与相位差测量电路连接的单片机。所述定位设备包括无线传输模块，通过无线传输模块与计算机连接。所述定位设备也可以是包括计算机接口，通过计算机接口与计算机连接。实现联网。所述RFID标签具体包括数字电路、存储器、收发机和天线，所述数字电路、存储器和收发机两两相互连接，所述天线连接所述收发机。

本实用新型的工作过程为：

(1)在目标区域放置n个RFID读写器，n≥3。

(2)各RFID读写器采用调频电路间隔的以频率f₁、f₂、f₃发出射频信号，其中，f₁、f₂、f₃∈[860MHz,920MHz],|f₂-f₁|＝1MHz，|f₃-f₂|＞30MHz。

(3)待定位RFID标签进入到各RFID读写器射频信号范围时被激活，并以接收到的射频信号频率为自身频率发送信号至各RFID读写器。即以频率为f₁、f₂、f₃发射信号。

(4)各RFID读写器将接收到的频率为f₁、f₂、f₃的信号传送至定位设备。

(5)定位设备通过相位差电路获取各RFID读写器接收到的信号对应的相位分别表示RFID读写器i接收到的频率为f₁、f₂、f₃的信号的相位，得到相位差

(6)单片机根据相位的差计算得到RFID读写器i与待定位RFID标签的粗略估算距离d_ic为

式中，c表示光速，

该公式的推导过程为：

Δt表示RFID读写器i接收两个信号的时间间隔。

d_ic是粗侧，|f₂-f₁|＝1MHz，因此d_ic为小于150米的一个数值，在相位测量精度为3度的情况下，可以得到粗侧d_ic的精度为1.25米。

(7)单片机根据相位的差以及粗略估算距离d_ic计算得到RFID读写器i与待定位RFID标签的精确估算距离d_i为

式中，m为波数值，具体为满足|d_i-d_ic|＜1.25m的整数。式中第二项为精确测量。若相位测量精度为3度，可以得知测量d_i精度可到2-3厘米。

(8)单片机根据各RFID读写器与待定位RFID标签的估算距离集合{d_i|i＝1,2,...,n}和GPS定位器得到的各RFID读写器的三维坐标，采用三角几何关系，求解到待定位RFID标签的三维坐标，实现定位。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种无源RFID定位装置，其特征在于：包括待定位RFID标签、定位设备和设置在目标区域的至少3个RFID读写器；

所述RFID读写器包括主控器、存储器、可以实现至少3个频段的调频电路、收发机、射频天线、通讯端口和GPS定位器，所述存储器、调频电路、收发机、GPS定位器和通讯端口分别连接所述主控器，所述射频天线连接所述收发机，所述RFID读写器通过通讯端口与定位设备连接；

所述定位设备包括相位差测量电路和与相位差测量电路连接的单片机。

2.根据权利要求1所述的无源RFID定位装置，其特征在于：所述RFID标签具体包括数字电路、存储器、收发机和天线，所述数字电路、存储器和收发机两两相互连接，所述天线连接所述收发机。

3.根据权利要求1所述的无源RFID定位装置，其特征在于：所述定位设备包括无线传输模块，通过无线传输模块与计算机连接。

4.根据权利要求1所述的无源RFID定位装置，其特征在于：所述定位设备包括计算机接口，通过计算机接口与计算机连接。