学位论文,硕士毕业论文

中山大学

硕士学位论文

基于射频识别（RFID）技术室内定位系统研究

姓名：张健翀

申请学位级别：硕士

专业：无线电物理

指导教师：黄以华

20100603

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦＩＤ）技术室内定位系统的

研究

专业：无线电物理

硕士生：张健种

指导老师：黄以华副教授

摘要

随着移动计算和嵌入式系统的高速发展，人们对位置感知的兴趣日趋浓厚，因此定位服务系统也受到越来越多的关注。全球定位系统（ＧＰＳ）是目前应用最为广泛的定位系统。然而，在室内等用户无法与轨道卫星保持视距的场合，ＧＰＳ系统定位精度不高，甚至失效。为了提高室内定位的精度，人们采用了红外线定位、超声波定位、无线局域网定位、射频识别（ＲＦＩＤ）定位等技术。与其他技术相比，射频识别技术具有非接触、非视距、传输范围大和性价比高等优点。ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统是最典型的基于ＲＦＩＤ技术的室内定位系统。它创造性地引入了参考标签的概念，是将有源ＲＦＩＤ技术应用到室内定位当中并搭建起完整系统、取得较好定位精度的首次尝试。此外，由于应用了大量的参考标签，ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统不需要使用大量昂贵的ＲＦＩＤ读写器，从而使ＲＦＩＤ技术成为室内定位一种有成本效益的解决方案。

在ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统中，待定位目标最终会被定位于由最近邻居构成的多边形内，因此，参考标签的布局会对定位算法的精度产生不可忽视的影响。同时，通过实验，我们发现ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统所使用的最近邻居算法中，最近邻居参考标签并不总像参考标签网格布局那样形成矩形。因此，我们对参考标签的网格布局进行了探索性的研究，提出了三角形网格布局并比较其与矩形网格布局的性能。仿真及实验结果显示，在没有应用其他数据处理手段的情况下，采用三角形网格布局的定位精度比采用矩形网格布局提高了９．１％～１６．７％。此外，本文还将介绍采用虚拟参考标签的ＶＩＲＥ室内定位系统。ＶＩＲＥ系统

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦＩＤ）技术室内定位系统的研究

在不增加额外硬件设备下，能获得比ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统更高的定位精度。然而，在室内环境中，标签的信号强度值与标签与读写器的距离之间呈现复杂的曲线关系，ＶＩＲＥ系统采用的线性插值并不能很好适应室内的电磁环境。本文采用拉格朗日插值算法取代线性插值算法估计虚拟参考标签的信号强度值。然而结果显示，基于拉格朗日插值的定位算法误差比基于线性插值的定位算法高１７．７％。

最后，本文还提出一种新的室内三维空间的定位算法。新算法找出信号强度值在待定位标签信号强度值某个邻域内的所有参考标签，以这些参考标签的平均距离去估计待定位标签与读写器的距离。仿真结果表明，所提出的新算法具有较好的定位精度。关键词：射频识别；室内定位；信号强度；定位算法

学位论文,硕士毕业论文

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＩｎｄｏｏｒＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

ＢａｓｅｄｏｎＲＦＩＤ

Ｍａｊｏｒ：

Ｎａｍｅ：ＲａｄｉｏＰｈｙｓｉｃｓＪｉａｎ ｃｈｏｎｇＺｈａｎｇ一●－‘一●

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆｅｓｓｏｒＹｉ—ｈｕａＨｕａｎｇ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｇｒｏｗｉｎｇｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅａｍｏｎｇｍｏｂｉｌｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｐａｒｋｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆｌｏｃａｔｉｏｎ—ａｗａｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｌｏｃａｔｉｏｎ—ａｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｂｅｉｎｇｐａｉｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏ．ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）ｉｓ

ｏｒｔｈｅｍｏｓｔｗｅｌｌ—ｋｎｏｗｎｌｏｃａｔｉｏｎａｓｅｒｖｉｃｅｉｎｕｓｅｔｏｄａｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ＧＰＳｉｓｉｎｖａｌｉｄ

ｕｓｅｒｓｈａｖｉｎｇｐｏｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｎｔｈｅｐｌａｃｅｗｈｅｒｅｃａｎｎｏｔｍａｉｎｔａｉｎＬｉｎｅｏｆＳｉｇｈｔ（ＬＯＳ）、）Ｉ，ｉｔｌｌｔｈｅｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｍａｎｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｅｓｓｕｃｈ

ＬＡＮｓａｓｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄ，Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，ＷｉｒｅｌｅｓｓａｎｄＲＦＩＤｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ

ａｓｎｏ、Ⅳｉｔｌｌｏｔｈｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｓｅｖｅｒａｌａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈｃｏｎｔａｃｔ，

ｎｏｎ－ｌｉｎｅ—ｏｆ－ｓｉｇｈｔｎａｔｕｒｅ，ｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｎｇｅａｎｄｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ．ＴｈｅＬＡＮＤＭＡＲＣａｐｐｒｏａｃｈ，ｗｈｉｃｈｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓ，ｉｓｔｈｅｍｏｓｔｔｙｐｉｃａｌｉｎｄｏｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＲＦＩＤ．ＩｔｗａｓａｌｓｏｔｈｅｆｉｒｓｔａｔｔｅｍｐｔｕｓｉｎｇａｃｔｉｖｅＲＦＩＤｆｏｒｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ、衍ｔｌｌｇｒａｔｉｆｙｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，、航ｔｌｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓａｄｏｐｔｅｄ，ｔｈｅＬＡＮＤＭＡＲＣｓｙｓｔｅｍｄｏｅｓｎｏｔｎｅｅｄａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆＲＦＩＤｒｅａｄｅｒｓｗｈｉｃｈａｒｅｅｘｐｅｎｓｉｖｅａｎｄｍａｋｅｓＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｏｒｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇ．

ＩｎｔｈｅＬＡＮＤＭＡＲＣａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｅ

ｏｎｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓｗｉｌｌｈａｖｅａｎｏｎ－ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅｅｆｆｅｃｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｂｅｃａｕｓｅｔｈｅ．１１１．

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦＩＤ）技术室内定位系统的研究

ｗｉｌｌｅｖｅｎｔｕａｌｌｙｂｅｌｏｃａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｏｌｙｇｏｎｆｏｒｍｂｙｔｈｅｎｅａｒｅｓｔ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｅｆｉｎｄｔｈａｔｉｎｔｈｅ

ａｌｌｔｒａｃｋｉｎｇｏｂｊｅｃｔｎｅｉｇｈｂｏｒｓ．ＩｎｏｕｒＬＡＮＤＭＡＲＣａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｅａ４－ｎｅａｒｅｓｔｎｅｉｇｈｂｏｒｓｓｏｍｅｔｉｍｅｓｂｕｉｌｄｕｐｉｓｏｓｃｅｌｅｓｔｒｉａｎｇｌｅ，ｂｕｔｎｏｔ

ｏｕｒｒｅｃｔａｎｇｌｅｏｎａｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓａｒｅｏｒｇａｎｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｉｓｈａｓｔｒｉｇｇｅｒｅｄｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅ

ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓｔｒｉａｎｇｕｌａｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｉｎａｎｄｃｏｍｐａｒｅｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、航ｔｌｌｔｈｅｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｕｓｅｄ

ｃａｎＬＡＮＤＭＡＲＣ．Ｒｅｓｕｌｔｓ

ｂｙｓｈｏｗｔｈａｔｗｅｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ１６．７％ｏｖｅｒｕｓｉｎｇｔｒｉａｎｇｕｌａｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｆｒｏｍ９．１％ｔｏｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．

Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅＶＩＲＥｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈａｐｐｌｉｅｓｖｉｒｔｕａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓａｎｄｇｅｔｓｈｉｇｈｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｔｈａｎＬＡＮＤＭＡＲＣｗｉｔｈｏｕｔｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇａｄｄｉｔｉｏｎａｌｈａｒｄｗａｒｅ，ｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＢｕｔｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｓｅｄｉｎＶＩＲＥｓｙｓｔｅｍｄｏｅｓｎｏｔａｄａｐｔｔｈｅｉｎｄｏｏｒｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｅｌｌｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｒｅｉｓｃｏｍｐｌｅｘｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＲＳＳＩｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔａｇａｎｄｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔａｇａｎｄｒｅａｄｅｒ．ＩｎＯｕｒａｐｐｒｏａｃｈ，ｗｅｕｓｅｔｈｅＬａｇｒａｎｇｅＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎＰｏｌｙｎｏｍｉａｌｉｎｓｔｅａｄｏｆｌｉｎｅａｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅＲＳＳＩｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｖｉｒｔｕａｌ

ｓｈｏｗｔｈａｔｌｏｃａｔｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ＇ｏｕｒｒｅｓｕｌｔｓｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅ

ｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄ

ｏｎ０１＂１Ｌａｇｒａｎｇｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｉｓ１７．７％ｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｎｅｂａｓｅｄｌｉｎｅａｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｗｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅ．ＴｈｅｎｅｗａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｉｎｄｏｕｔａｌｌｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔａｇｓｗｈｏｓｅＲＳＳＩｖａｌｕｅｌｉｅｓｗｉｔｈｉｎｓｏｍｅｎｅｉｇｈｂｏｕｒｈｏｏｄｏｆｔｈｅＲＳＳＩｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｔａｇ，ａｎｄｔｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｒｅａｄｅｒｓａｎｄｔｈｅｍｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｃｋｉｎｇｔａｇａｎｄｒｅａｄｅｒｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ、析ｔｌｌｇｏｏｄｌｏｃａｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｒｅｓｈｏｗｎｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；Ｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎ；ＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ；ＬｏｃａｔｉｏｎＡｌｇｏｆｉｔｈｍ－ＩＶ．

学位论文,硕士毕业论文

论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：琳１建习ｉ牛

日期：２０ｔｏ年乡月２日

学位论文使用授权声明

本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名：私｛建ｊｆ５Ｉ中

日期：乃ｆｐ年舌月２日导师躲瑙－哆笋Ｅｔ期：和，口年‘月２Ｅｌ

学位论文,硕士毕业论文

第１章引言

无线技术、移动计算和Ｉｎｔｅｍｅｔ应用的不断增长，引起了人们对位置敏感系统的兴趣。同时，很多应用都需要得到目标的室外甚至是室内的物理位置，使得定位服务系统受到了越来越多的关注【ｎ。因此，定位技术的研究成为了最近学术界的一个热点。近年来，很多系统致力于解决自动位置感知的问题。各种定位系统正被广泛应用于生产、生活的各个领域。这些系统将自动化技术引向一个新的层次，那就是自动目标定位检测。本章阐述课题的研究背景及研究意义，然后概述射频识别的基本原理以及课题国内外的研究现状，最后给出了本论文的主要工作以及内容安排。

１．１课题的研究背景及意义

射频识别技术（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ），是２０世纪９０年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过交变磁场或电磁场耦合实现信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。ＲＦＩＤ标签实现了无接触操作，具有体积小，容量大，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，可重复使用，抗污染能力和耐久性强等特点。并且，ＲＦＩＤ标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，并使用了防碰撞技术，可支持多个目标的快速读写、多目标识别、移动识别、非可视识别、实时定位及长期跟踪管理。上世纪九十年代以来，ＲＦＩＤ技术得到了飞速的发展。由于应用ＲＦＩＤ技术可大幅提高管理与运作效率，降低成本，因此经济发达国家和地区将其应用于很多领域，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。目前，ＲＦＩＤ技术在物流和供应管理、生产制造和装配、文档追踪、图书馆管理、动物身份标识、航空行李处理、邮件包裹处理、运动计时、门禁控制及电子门票、道路自动收费等方面得到了广泛的应用。自从２００３年沃尔玛超市规定其供应商使用ＲＦＩＤ标签开始，ＲＦＩＤ的商业化发展真正迈出了一大步。而在２００６年德国世界杯和２００８年北京奥运会等世界性体育比赛中，ＲＦＩＤ技术也做出了很大的贡献。虽然ＲＦＩＤ拥有着美好的应用前景和广阔的市场空间，但其在中国的应用尚

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（Ｉ强ＩＤ）技术室内定位系统的研究

处于培育阶段。近年来，我国已初步开展了ＲＦＩＤ相关技术的研发及产业化工作，并在部分领域开始应用，但相对来说应用基础薄弱，缺乏核心技术，应用分散，不具备规模优势。目前，我国的ＲＦＩＤ技术还缺乏具有重大示范效应的典型应用，影响了ＲＦＩＤ的推广，加上终端用户对ＲＦＩＤ技术所能带来的效益理解不够深，使研究、制造、生产ＲＦＩＤ标签及读写器的企业和机构虽然热情很高，但终端用户如物流业、制造业仍在观望和等待。随着相关技术的不断完善和成熟，我国的ＲＦＩＤ产业将成为一个新兴的高科技技术产业群，成为国民经济的新增长点。因此，研究ＲＦＩＤ技术，发展ＲＦＩＤ产业对提高我国社会信息化水平，促进经济可持续发展，提高人民生活质量，增强公共安全等方面将会产生深远的影响。

近几年来，无线通信系统正以惊人的速度成长着。无线技术已经进入了通信、工业、医疗、消费应用、物流运输以及公共安全等领域，其发展与人民的日常生活息息相关。目前，自组织无线传感器网络能提供跟踪、导航等内容的信息服务。而无线网络的发展，使得用户能广泛地获得无线信息接入，从而对无线网络中的准确定位包括室外定位和室内定位提出了更高的要求【２】，［３１。

ＲＦＩＤ定位被称为“定位新星”，该技术是继ＧＰＳ定位技术后兴起的一个重要定位技术。该领域是除手机定位技术外，普通民众值得关注的一个重要领域。ＲＦＩＤ定位系统具有自组织性，无需卫星或者手机网络的配合，其精确度在于ＲＦＩＤ设备如读写器、标签的分布，而应用无线射频读写器及标签，用户可以根据自身实际需要，在自己布置的特定区域进行定位。因此，ＲＦＩＤ定位系统对于只需在特定区域进行定位的用户，如在超市、图书馆、医疗部门以及生产管理等需要定位、监控以及导航的场合，都具有应用重大的价值。根据调查，仅２００５年一年，全球使用ＲＦＩＤ定位技术的企业就比前一年增长了３倍之多。从医疗部ｆ－ＪＮＮ造业，在需要实时数据以及运输中需要定位的地方，都已经出现了ＲＦＩＤ定位系统的身影。例如在英国，一些医院应用ＲＦＩＤ定位系统对医疗器械设备进行定位和追踪，有效降低了医疗器械设备失窃的可能性；丰田汽车公司在汽车物流供应链建立了ＲＦＩＤ定位系统，该系统既降低了人工成本，也使工作流程自动化，提高了整个流程的工作效率。因此，ＲＦＩＤ技术在定位尤其是室内定位领域，具有广阔的应用前景。

学位论文,硕士毕业论文

１．２射频识别技术概述

１．２．１射频识别基本原理及系统结构

ＲＦＩＤ是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并从目标对象中获取相关数据，识别工作无须人工干预，有作用距离远和非视距等优点，可工作于各种恶劣环境。作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，射频识别技术已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一。

完整的ＲＦＩＤ系统由读写器（Ｒｅａｄｅｒ）、电子标签（Ｔａｇ）和数据管理系统三部分组成。读写器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。根据使用的结构和技术不同，读写器可以是读或读／写装置，是ＲＦＩＤ系统信息控制和处理中心。在ＲＦＩＤ系统工作时，由读写器在一个区域内发送射频能量形成电磁场，区域的大小取决于发射功率。在读写器覆盖区域内的标签被触发，发送存储在其中的数据，或根据读写器的指令修改存储在其中的数据，并能通过接口与计算机网络进行通信。读写器的基本构成通常包括：

（１）收发天线：发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息。

（２）频率产生器：产生系统的工作频率。

（３）锁相环（ＰＬＬ）：产生所需的载波信号。

（４）调制电路：把发送至标签的信号加载到载波并由射频电路送出。

（５）微处理器：产生要发送往标签的信号，同时对标签返回的信号进行译码，并把译码所得的数据回传给应用程序，若是加密的系统还需要进行解密操作。

（６）存储器：存储用户程序和数据。

（７）解调电路：解调标签返回的信号，并交给微处理器处理。

（８）外设接口：与计算机进行通信。

根据标签的供电形式，电子标签分为有源电子标签（ＡｃｔｉｖｅＴａｇ）和无源电子标签（ＰａｓｓｉｖｅＴａｇ）。有源电子标签也叫主动标签，标签内装有电池，使用标签内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米，但其价格较高。而且因为自带电池，有源标签体积较大，无法做成薄卡的形式，还需要定期更换电池。无源电子标签也叫被动标签，标签不含电池，利用读写器发射的电磁场能量作为

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦＩＤ）技术室内定位系统的研究

自己的能量【４】。无源标签体积小、重量轻、成本低，但发射距离受限制，一般只有几十厘米，而且需要有较大的读写器发射功率。

比较有源标签与无源标签的特点，在读写距离方面，有源标签有内置电池供电，因此其读写距离相对无源标签较远；在使用寿命方面，无源标签一般可做到免维护，具有极长的使用寿命，而有源标签的内置电池不能长久使用，能量耗尽后需要更换，因此寿命相对较短。但随着硬件技术的发展，目前有源标签的寿命也可以做到很长，一些低功耗的有源标签寿命可达１０年以上；在工作频率方面，有源标签的频率比无源标签高；而相比有源标签，无源标签在识别速度方面会略有限制；在尺寸大小和成本方面，因为无源标签不含电池，因此体积较有源标签小，价格也较便宜。根据各自的特点，有源标签在定位、追踪等应用上较有优势；而无源标签更能适应物流、票证防伪对低成本及小尺寸的要求。

电子标签的基本构成通常包括：

（１）收发天线：接收来自读写器的信号，并把所要求的数据送回给读写器。（２）ＡＣ／ＤＣ电路：利用读写器发射的电磁场能量，经大电容把能量存储下来，再经稳压电路输出为其他电路提供稳定的电源。

（３）解调电路：从接收的信号中去除载波，解调出原信号。

（４）逻辑控制电路：对来自读写器的信号进行译码，并依读写器的要求回发信号。

（５）存储器：作为系统运作及存放识别数据的位置。

（６）调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给读写器【５。。

１．２．２ＲＦＩＤ技术的发展历程

ＲＦＩＤ在历史上的首次应用可追溯到第二次世界大战期间。当时ＲＦＩＤ技术被英国空军用于识别自家与敌军的飞机。到了２０世纪７０年代末期，美国政府将ＲＦＩＤ技术转为民用。ＲＦＩＤ技术最先在商业上应用是在牲畜身上。到了２０世纪８０年代，ＲＦＩＤ技术已经被广泛应用于从门禁管制到物流管理等的各个领域，欧美的几家公司也开始着手生产射频标签。１９９０年，ＲＦＩＤ技术在美国的公路自动收费系统得到了广泛应用。装有射频标签的汽车经过收费站时可按正常速度通

学位论文,硕士毕业论文

过，固定在收费站的读写器识别车辆后自动从账户上收费。２０世纪９０年代末，随着ＲＦＩＤ应用的不断扩大，为保证不同ＲＦＩＤ设备和系统的相互兼容，人们开始认识到建立一个统一的ＲＦＩＤ技术标准的重要性，并最终由ＵＣＣ（北美统一码协会）和ＥＡＮ（欧洲商品编码协会）共同发起组建了专门负责制定ＲＦＩＤ标准的机构ＥＰＣｇｌｏｂａｌ（全球电子产品码协会）【６】。

２１世纪初，ＲＦＩＤ标准已经初步形成。２００３年，世界零售业巨头沃尔玛公司宣布，将采用ＲＦＩＤ技术追踪其供应链系统中的商品。这一重大举动揭开了ＲＦＩＤ在开放系统中运用的序幕。若按十年期划分，ＲＦＩＤ技术的发展大致情况如表１．１所示。

表１－！ＲＦＩＤ技术发展时间表【６】

１９４０＂－＇１９５０年雷达的改进和应用催生了ＲＦＩＤ技术，１９４８年奠定了ＲＦＩＤ技术的理

论基础。

１９５１－－＇１９６０年

１９６１＂－－１９７０年

１９７１＂－－１９８０年早期ＲＦＩＤ技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。ＲＦＩＤ技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。ＲＦＩＤ技术与产品研发处于一个大发展时期，各种ＲＦＩＤ技术测试得

到加速。出现了一些最早的ＲＦＩＤ应用。

１９８１＂１９９０年

１９９１～２０００年ＲＦＩＤ技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。ＲＦＩＤ技术标准化问题日趋得到重视，ＲＦＩＤ产品得到广泛采用，ＲＦＩＤ

产品逐渐成为人们生活中的一部分。

２００１年至今ＲＦＩＤ标准化问题日趋为人们所重视。ＲＦＩＤ产品种类更加丰富，有源

电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成

本不断降低，应用行业不断扩大，ＲＦＩＤ技术的理论得到丰富和完善。

特别是世界头号零售商沃尔玛公司宣布大范围使用ＲＦＩＤ和美国军方

宣布军需物品均使用ＲＦＩＤ来进行识别与跟踪，极大地推动了ＲＦＩＤ

的研究与应用。

１．２．３ＲＦＩＤ技术发展和应用现状ＲＦＩＤ技术在国外的发展较早也较快。从全球范围来看，美国在标准的建立、

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（Ｉ强ＩＤ）技术室内定位系统的研究

相关软硬件技术的开发、应用领域等方面走在了世界的前列。ＴＩ、Ｉｎｔｅｌ等公司目前都在ＲＦＩＤ领域投入巨资进行芯片开发；ＩＢＭ、Ｍｉｃｒｏｓｏｔｔ和ＨＰ等公司也在积极开发相应的软件及系统来支持ＲＦＩＤ的应用。目前，美国的交通、车辆管理、生产线控制、仓储及物流管理、身份识别等领域已经广泛应用ＲＦＩＤ技术。欧洲的ＲＦＩＤ标准追随美国ＥＰＣｇｌｏｂａｌ主导的标准。Ｐｈｉｌｉｐｓ、ＳＴ微电子正积极开发廉价ＲＦＩＤ芯片；Ｃｈｅｃｋｐｏｉｎｔ及Ｎｏｋｉａ公司在开发支持多系统的ＲＦＩＤ识别系统。在ＲＦＩＤ应用方面，欧洲也与美国基本处于同一阶段。日本虽然提出了ＵＩＤ标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有较长的路要走。而韩国则主要通过政府对ＲＦＩＤ产业的高度重视，运用国家的发展计划，联合企业的力量来推动ＲＦＩＤ技术的发展１６］。目前，低频近距离ＲＦＩＤ系统主要集中在１２５ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ：而高频远距离ＲＦＩＤ系统则主要集中在ＵＨＦ频段（９０２ＭＨｚ－－－９２８ＭＨｚ）９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ及ＳＨＦ频段的５．８ＧＨｚ。其中，ＵＨＦ频段的ＲＦＩＤ系统在北美得到了很快的发展；而欧洲的应用则以有源２．４５ＧＨｚ系统为主。

我国在ＲＦＩＤ技术的研究领域也卓有成就。比较典型的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了拥有自主知识产权的远距离自动识别系统。此外，据ＩＤＴｅｃｈＥｘ统计，２００７年中国成为全球最大的ＲＦＩＤ市场。市场增长的主动力是处于高峰期的中国第二代身份证。可见，我国推动ＲＦＩＤ在证件防伪方面的应用做出了不少贡献。目前，我国ＲＦＩＤ在门禁监控、票证防伪、电子支付等领域已经形成了成熟的应用模式，但这些领域的应用多集中于低高频段。而在特高频和超高频段，大规模应用还处于起步阶段，技术水平还远没有达到成熟的地步。与国外的应用相比，特高频段和超高频段的应用是中国ＲＦＩＤ产业的最薄弱环节。近年来，我国政府已经加大了对ＲＦＩＤ产业，尤其在特高频段的支持。因此，我国特高频段ＲＦＩＤ技术的应用有望迎来新的发展高潮。

１．２．４ＲＦＩＤ标准体系１６Ｉ

ＲＦＩＤ领域存在三个标准体系，分别为ＩＳＯ／ＩＥＣ标准体系、ＥＰＣｇｌｏｂａｌ标准体系和ＵＩＤ标准体系。１．ＩＳＯ／ＩＥＣ标准体系

学位论文,硕士毕业论文

ＩＳＯａＥＣ标准体系可以分为四大类：技术标准、数据内容与编码标准、性能与一致性标准和应用标准。ＩＳＯａＥＣ技术标准包括ＩＳＯａＥＣｌ８０００（空中接口参数）、ＩＳＯａＥＣｌ０５３６（密耦合非接触集成电路卡）、ＩＳＯ／ＩＥＣｌ５６９３（疏耦合非接触集成电路卡）和ＩＳＯ／ＩＥＣｌ４４４３（近耦合非接触集成电路卡）。技术标准主要规定了ＩＣ卡的有关技术特性、技术参数和技术规范等，是专门针对ＩＣ卡制定的技术标准。ＩＳＯｆｉＥＣ数据结构标准主要包括ＩＳＯ／ＩＥＣｌ５４２４（数据载体∥胯征标识符）、ＩＳＯｄＥＣｌ５４１８（Ｂ悄／ＵＣＣ应用标识符）、ＩＳＯ／ＩＥＣｌ５９６１（数据协议／应用接口）、ＩＳＯｆｌＥＣｌ５９６２（数据编码规则和逻辑存储功能协议）和ＩＳＯ／ＩＥＣｌ５９６３（射频标签的惟一标识）等标准。由于ＲＦＩＤ技术的产生、发展和应用时建立在现代电子及信息技术基础之上的，因此数据结构标准的基础来自现代电子技术和信息技术的国际标准。ＩＳＯｆｉＥＣ性能与一致性标准包括ＩＳＯ／ＩＥＣｌ０３７３（ＩＣ卡的测试方法）、ＩＳｏ／ＩＥＣｌ８０４６（ＲＦＩＤ设备性能测试方法）和ＩＳＯｆｌＥＣｌ８０４７（Ⅺ７Ｄ设备一致性测试方法）。性能与一致性标准规定了ＲＦＩＤ设备的性能指标和整机设备测试的指标，有利于ＲＦＩＤ技术的成熟与推广。ＩＳＯ／ＩＥＣ应用标准主要包括ＲＦＩＤ在动物识别、集装箱运输、交通和项目管理领域的相关标准，其作用是使ＲＦＩＤ技术在某一领域应用时遵守及符合该领域的特点ｆ６】。

２．ＥＰＣｇｌｏｂａｌ标准体系

ＥＰＣｇｌｏｂａｌ是由ＵＣＣ和ＥＡＮ联合发起并成立的非盈利性机构。其由ＩＢＭ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司和Ａｕｔｏ．ＩＤ实验室等进行技术研究支持。除了发布工业标准外，ＥＰＣｇｌｏｂａｌ还负责ＥＰＣｇｌｏｂａｌ号码注册管理。全球最大的零售商沃尔玛集团和英国Ｔｅｓｃｏ等１００多家欧美流通企业都是ＥＰＣｇｌｏｂａｌ的成员。ＥＰＣ系统涵盖了供应链的各个节点、各个环节和各个方面，是一个全球的大系统，具有开放性的结构体系、独立的平台、高度的互动性和灵活的可持续发展的体系等特点。在ＥＰＣ系统中，涉及到的标准包括：标签数据标准、第二代（Ｇｅｎ２）空中接口标准、读写器管理、读写器协议、数据传输协议、ＥＰＣＩＳ（电子产品代码信息服务）协议、应用水平事件功能与控制、应用程序接口（ＡＰＩ）、安全规范和事件注册等。同时，ＥＰＣｇｌｏｂａｌ还提出了供应链各方面信息共享的“物联网’’系列标准，包括ＥＰＣ中问件规范、对象名解析服务ＯＮＳ、物理标记语言ＰＭＬ（ＰｈｙｓｉｃａｌＭａｒｋｕｐ

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦｌＤ）技术室内定位系统的研究

Ｌａｎｇｕａｇｅ）等ｆ６１。

３．ＵＩＤ标准体系

ＵＩＤ标准由日本泛在识别中心负责制定。该标准对频段没有强制要求，读写器与标签都是多频段设备，能同时支持１３．５６ＭＨｚ或２．４５ＧＨｚ频段。ＵＩＤ技术体系架构由泛在识别码、泛在通信器、信息系统服务器和ｕｃｏｄｅ解析服务器等四部分组成。其关于ＲＦＩＤ标准的基本思路类似于ＥＰＣｇｌｏｂａｌ，目标也是构建一个从信息的采集到信息共享完整的标准体系。ＵＩＤ制订了具有自主知识产权的ＲＦＩＤ标准，提出了ｕｃｏｄｅ码，既与日本已有的编码体系兼容，同时也兼容国际上包括ＥＰＣｇｌｏｂａｌ编码体系在内的其它编码体系【６】。

１．３课题的国内外研究现状

最近几年，集成电路设计技术日益成熟，单片集成的规模也越来越高，原有的全球定位系统不能覆盖室内范围的问题日益引起人们的重视，人们开始致力于解决室内定位问题的研究。目前常用的室内定位技术有红外、８０２．１ｌｂ、超声波和ＲＦＩＤ技术等，这些系统各有优缺点。其中，由于具有非接触和非视距等优点，ＲＦＩＤ技术在室内定位方面已成为优选的定位技术。ＲＦＩＤ技术传输距离远，随着ＣＭＯＳ工艺的发展，成本也越来越低。因此，如何利用这一技术进行室内定位，成为国际工业界和学术界广泛关注的焦点问题。在为克服各种其他定位技术不足的研究中，人们提出了一些ＲＦＩＤ系统的定位策略。然而，这些研究大多处于算法研究阶段和初步实验阶段。

在ＲＦＩＤ室内定位理论研究方面，国外的关注相对较早。早在２０００年，华盛顿大学的ＪｅｒｆｆｅｙＨｉｇｈｔｏｗｅｒ和ＲｏｙＷａｎｔ等人就提出了ＳｐｏｔＯＮ系纠７１，该系统基于信号强度分析，提出了一种聚合算法（ＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ），该算法是一种迭代算法，通过循环的迭代运算使估计值逐步逼近真实值，最后得到一个最小误差的结果。但是该算法受步长和初始值的影响很大，而且计算量颇为巨大，无法实现实时定位，因此完整的ＳｐｏｔＯＮ系统到目前还没有建成。２００３年密歇根州立大学的ＬｉｏｎｅｌＭ．Ｎｉ提出了ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统以及基于接收信号强度值（ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｉｏｎ，ＲＳＳＩ）的定位方法【Ｉ】。该系统由有源ＲＦＩＤ

学位论文,硕士毕业论文

标签和读写器组成，针对ＲＦＩＤ标签价格低廉的特点，通过引入ＲＦＩＤ参考标签，抵消某些外界环境干扰对定位精度产生的影响，并根据参考标签与待测标签之间的信号差异，采取对定位坐标的加权算法，在降低了系统成本的同时，达到了提高定位整体准确性的目的。ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统对ＲＦＩＤ室内定位技术影响较大，目前，许多国内外此领域的研究成果，都是基于ＬＡＮＤＭＡＲＣ系统做出的改进。２００８年，印度学者ＭＡｙｏｕｂＫｈａｎ和ＶｉｄｅｅｐＫｕｍａｒＡｎｔｉｗａｌ将ＬＡＮＤＭＡＲＣ算法拓展到三维空间【８】，但其仅对仿真算法进行了三维空间的仿真，并没有搭建实际的三维空间室内定位系统。２００５年ＩＢＭ提出了ＢｌｕｅＢｏｔ系统，该系统由无源ＲＦＩＤ标签和无线局域网ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ组成，由安装有ＷｉＦｉ终端和ＲＦＩＤ读写器的机器人在室内移动，记录检测到的读写器，并对自身进行定位，监控室内资产［９１。２００８年法国学者ＭａｔｈｉｅｕＢｏｕｅｔ和ＧｕｙＰｕｊｏｌｌｅ提出了基于虚拟界标（ＶｉｒｔｕａｌＬａｎｄｍａｒｋｓ）的室内三维空间定位算法【１０１。该算法总的思想是把室内空间看成一个长宽高已知的六面体。在地面和房顶布满一定间隔的ＲＦＩＤ读写器。室内空间通过三维坐标分成很多小格子，假设小格子内放置了虚拟的参考标签，通过读写器检测到的虚拟标签的交集确定待定位目标的位置。为了提高定位精度，两位学者又在２００９年为算法加入了一个可移动的读写器…】。然而，上述算法需要用大量昂贵的ＲＦＩＤ读写器来布置系统，因此难以应用到实际中，研究工作仅停留在算法仿真阶段。目前，国内对这方面的研究主要集中在算法分析上，尚无成熟的算法提出，更缺乏完善的定位理论。国内从２００４年开始陆续有一些大学和科研单位开始对相关技术进行研究，但这些研究基本上是针对算法分析和具体应用项目，比如将现有算法用于煤矿井下人员的定位、医院室内人员跟踪及药品防伪等，还没有研究出具有良好定位精度及实时性能的ＲＦＩＤ室内定位系统。

而在ＲＦＩＤ室内定位系统应用方面，国外应用也起步较早。２００５年，在美国一些医院已有ＲＦＩＤ定位系统投入试用，对院内的病人进行定位与跟踪，改善对病人的看护，改进医院病人的流量，提高医院的医疗水平。２００６年，荷兰ＢＧＮＲＦＩＤ智能书店采用ＲＦＩＤ技术为图书进行定位，可以快速找出消费者需要的图书，提高顾客满意度从而可以提高书店的效益。目前，国内利用ＲＦＩＤ技术进行室内定位的开发应用尚处于摸索阶段，并没有研发出较为成功的ＲＦＩＤ室内定位应用系统。

学位论文,硕士毕业论文

基于射频识别（ＲＦＩＤ）技术室内定位系统的研究

１．４本文的内容安排

本文共分为六大部分。

第一部分为引言，主要介绍了课题的研究背景及研究意义，对射频识别技术进行概述，并介绍本课题国内外的研究现状。

第二部分是室内定位技术的概述。首先分别介绍各种无线室内定位技术以及在众多定位技术中ＲＦＩＤ技术的优势。接着介绍ＲＦＩＤ室内定位系统的结构、信号传输模型以及ＲＦＩＤ室内定位的基本方法。最后，指出ＲＦＩＤ室内定位精度的评价标准及影响系统定位精度的因素。

第三部分介绍了典型的基于ＲＦＩＤ技术的室内定位系统。其中对最典型的ＲＦＩＤ室内定位系统＿Ｉ，ＡＮＤＭＡＩ配系统进行重点介绍。

第四部分是对ＲＦＩＤ室内定位系统的研究探索。首先，对参考标签布局进行了分析并对其做出了探索性的改进。接着提出了基于拉格朗日插值的室内定位算法。最后提出了一种新的ＲＦＩＤ室内三维空间的定位算法。

第五部分对第四部分中提出的研究探索进行了理论的仿真及实验，并对仿真及实验的结果进行了分析。第六部分是总结和展望，总结了全文并提出了下一步研究的方向。