导言
近些年，物联网的鼓起为咱们的日子带来了极大的便当。运用部分网络或互联网等通讯技能把传感器、操控器、机器、人员和物品等经过新的办法连在一起，完结信息化、远程管理操控和智能化的网络。现阶段物联网的运用大多在室内，而物体方位感知作为物联网中很重要的组成部分之一，却无法经过传统的卫星和蜂窝定位来获取。无源超高频RFID室内定位作为室内无线定位技能之一，正得到快速开展，但是，RFID标签定位仍然存在许多问题亟需处理。
在传统的无线传感器网络中，依据测距的定位办法首要依靠的丈量参数包括时刻、能量和视点，但是关于RFID体系，带宽的约束使其无法运用时刻法和视点法，运用能量法得到的测距成果精度太差。考虑到RFID体系的特色，其信号的发送载波是一个单频信号，能够经过提取载波相位来获取相位改变差，由此获取间隔信息。本文经过对Impinj R420读写器设备进行二次开发获取载波相位，并运用依据Impinj的Indy R1000开发板获取能量信息，将相位法和能量法得到的间隔别离运用到定位上，经过算法优化终究进行定位，并证明了相位法测距定位在室内小环境定位中的优越性。
1 体系全体结构
UHF RFID室内定位体系经过获取间隔丈量信息来定位待测物体坐标，故体系首要分为两部分：测距部分和定位部分。间隔信息的获取首要涉及到两个参数：RFID信号传输进程中的能量衰减和载波信号相位的改变值。其间能量信息经过R1000开发板来取得，相位信息经过Impinj R420读写器来取得。将取得的参数信号传入PC，经过定位算法来承认RFID标签的方位。整个定位体系结构如图1所示。
2 UHF RFID标签体系测距部分
RFID标签是产品电子代码(EPC)的物理载体，附着于可盯梢的物品上，可全球流转，并对其进行辨认和读写。ISO18000—6协议对UHF RFID通讯作出了具体的规则，咱们运用中国大陆UHF RFID的作业频段920～ 925MHz进行标签定位试验。
2.1 UHF RFID作业原理
读卡器和标签的通讯是依据ITF(Interrogator Talk First，阅览器先讲话)机制的，即依据读写器的指令与读写器的答复之间替换发送的半双工机制。读卡器和标签完好的通讯进程如下：读卡器首先向标签发送一个Query指令，解调出该指令的标签随即进入承认状况，此刻标签将向读卡器反向反射一个16位的随机数RN16，读卡器将发送包括相同RN16的ACK信号给标签，若标签接纳到的ACK信号包括的RN16信息与之前发送的RN16信息相同，则标签转入承认状况，并反向散射PC+EPC+CRC16信息给读卡器。在通讯进程中提取能量和相位的改变值进行测距。
2.2 能量法测距原理及硬件结构
经过传达途径损耗，接纳端接纳到的信号功率PRX(dBm)，能够经过信号传输公式得到：
其间，PTX是阅览器发射功率;Greader和Gtag别离是阅览器和标签的天线增益;Lsys是体系内部电路损耗，在读写器发送信号时，发送功率能够人为设置，Lsys。能够经过反馈线接上衰减器将信号输入频谱仪，调查衰减状况。当信号经过标签反射时，读写器接纳反射信号并测出PRX，这样就能够核算出途径损耗LP(d)，依据Friss公式便能够核算出信号传达途径。
能量信息首要经过依据射频芯片Indy R1000开发板丈量得到，如图2右侧所示，R1000运用EPCglobal超高频榜首级(Class 1)第二代规范和ISO18000—6规范，传输调制形式有DSB、SSB、PR—ASK三种，作业频率为840～960 MHz。R1000选用了56引脚8 mm2QFN封装格局，集成了大约100个元件，担任传送、调制、接纳、处理这些来自EPC Gen2电子标签的无线电通讯信息。
R1000内包括了一个动力扩大器，使得它能够在近间隔或许2 m内对标签进行编码和阅览，如果有外接动力扩大器，则运用R1000的读写规模能够到达10 m以上。在开发板中，R1000和独自的MCU衔接，MCU将R1000数字信息处理器发生的原始数据转换成EPC或许ISO18000—6格局的代码。
2.3 相位法测距原理及硬件结构
关于相位信息的丈量，信号传达的间隔与相位改变的公式为：
d=(φ·c)/(2πf) (2)
相位获取进程如图3所示。因为运用的RFID频段作业在900 MHz频段上，信号在载波相位一个2π周期改变内所传达的间隔很短。在实践丈量时，无法知道相位改变了多少个周期，这样就会发生相位含糊问题，因而运用相位差测距法。
选取两个频率附近的载波f1和f2，载波初始相位为φ1,b和φ2,b，阅览器接纳信号时载波终究相位别离为φ1,e和φ2,e。关于载波f1，相位改变值为△φ1=(φ1,e-φ1,b)，关于载波f2，相位改变值为△φ2=(φ2,e-φ2,b);则在相位差测距法中，间隔d为：
d=(△φ11-△φ2)·c/[4π(f1-f2)] (3)
图2左边为Impinj R420读写器，经过其获取相位信息。R420中心射频芯片为Indy R2000，为R1000的升级版，不只支撑EPCglobal规范和ISO18000—6规范，并且能够装备其他协议。R2000选用64引脚9 mm2 QFN封装，在功耗和接纳灵敏度方面比R1000有所进步。芯片内部结构如图4所示。
数字中心挑选好载频点后，输出信号，经过DAC和频率挑选滤波器，构成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。当芯片接纳到信号时，与载波相加，过低噪放大器后与发送信号相混，经过频率挑选滤波器和频选放大器获取基带信号，经过ADC将信号送至数字中心。
尽管Indy R2000的底层射频协议(LLRP)中包括载波相位的提取，但其自带的软件并不读取这一部分信息，因而，需求凭借Impinj公司的二次开发包OctaneSDK来取得载波相位值。
3 UHF RFID标签体系定位部分
经过体系测距部分，取得了标报到阅览器天线之间的间隔，将经过线性化最小二乘法和加权残差法求出标签方位。
3. 1 线性化最小二乘法
假定定位环境有N个方位已知天线Xn(xn，yn)，i=1，2，…，N，方位不知道的标签为P(x，y)。阅览器对天线进行丈量，共有N个丈量方程，en为丈量差错：
3.2 加权残差定位办法
在丈量进程中，会呈现部分丈量数据不精确的问题，并形成全体定位差错较大。引进加权残差办法，经过对丈量方程增加权值，将较大差错的处理转换成权值的挑选，终究完结标签定位。界说标签坐标P的残差平方和为：
4 体系测验成果
挑选一块3 m×3 m的正方形区域，如图5所示。天线运用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个极点，每组天线上有2个天线，别离衔接到Indy R1000开发板和R420上，标签随机放置在正方形区域内，设置阅览器发送信号功率为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改换。翻开软件，开端进行测验。随机在丈量区域内选取4个方位放置UHF RFID标签，经过四周的天线与阅览器进行通讯。
在满足长的一段通讯进程中，如图6所示，经过软件获取这段时刻内阅览器接纳到的最大的RSSI值和相位值改变的平均值，经过处理核算，得到标签坐标。
咱们界说体系的均方根差错(RMSE)来衡量体系定位精度。RMSE的界说式如下所示：
(x0，y0)为标签的实在坐标。表1显现了别离用不同的测距数据得到的定位差错。
结语
本文经过对UHF RFID标签通讯进程中相位和能量的提取，完结了室内定位体系。能够看出在小环境中，运用相位法进行定位比传统的运用能量法进行定位精度要进步许多。但是在杂乱室内环境下，相位法定位会遭到很大的影响，在后续作业中，能够在定位算法上改善，来补偿因为测距禁绝发生的差错对终究定位发生的影响。
