基于RFID的智能家居用戶識別定位技術分析

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心的智能家居發(fā)展勢頭十分迅猛。智能家居可以定義為一個系統(tǒng),它可將先進的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和各種遙感和自動化技術有機地結合在一起,通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加智能、舒適、節(jié)能。在智能家居系統(tǒng)中，所有的家電以及傳感器都通過互聯(lián)網(wǎng)連接到一起，可以隨時進行信息交換和遠程控制。家里的主人通過手機或者項鏈等隨身物品就可以開門，走到哪個房間，燈光會自動開啟，空調也會自動調節(jié)到合適的溫度。坐到沙發(fā)上，電視就會自動開啟；而站到穿衣鏡前,鏡子會自動顯示您要穿的衣服并與您的鏡像進行合成……。這一切原本只在科幻電影中出現(xiàn)，卻因為物聯(lián)網(wǎng)技術和智能家居系統(tǒng)變成了現(xiàn)實。而實現(xiàn)這一切的一個關鍵技術就是對用戶的識別與定位，就是射頻識別(RFID)技術。

1  RFID技術簡介

射頻識別(RFID)作為一種全新的非接觸自動識別技術，在上世紀就已開始逐漸進入應用領域。RFID正被廣泛用于采購分配、商業(yè)貿易、生產(chǎn)制造、物流、防盜、軍事用途以及移動支付等圖1所示是RFID技術的基本模型。 

此模型中的閱讀器可通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號。當射頻標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時，就會產(chǎn)生感應電流，從而使射頻標簽獲得能量被激活。射頻標簽將自身編碼等信息通過卡內置的發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標簽發(fā)送來的載波信號后，經(jīng)天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器會對接收的信號進行解調和解碼,然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理，主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算來判斷該卡的合法性，并針對不同的設定做出相應的處理和控制，最后發(fā)出指令信號以控制執(zhí)行機構動作。

2  RFID定位技術

2.1  基于電磁波到達角的定位

電磁波在空間中的傳播是有一定方向性的，對于采用定向天線的閱讀器系統(tǒng)，通過測量電磁波的到達角度,理論上可以實現(xiàn)空間位置的推定。通常測量電磁波到達角度要求閱讀器具有天線陣列，而常見的RFID閱讀器天線系統(tǒng)并非陣列形式，因此，該方法在RFID定位中尚無成功案例。

但是,基于角度測量的定位技術在蜂窩網(wǎng)無線定位中的應用已較為成熟，因此，可以蜂窩網(wǎng)無線定位為例對該定位原理進行分析。其中涉及的基站(Base Station,BS)和移動臺(Mobile Station,MS)可類比于RFID閱讀器和標簽。

圖2所示是基于到達角度進行定位的原理示意圖。圖中的MS回波信號到達兩個帶有天線陣列的基站BaseStation1和BaseStation2后，通過天線陣列的測量與計算，可以得到圖2中兩個到達角度a和原由幾何知識可知，在基站位置和到達角度可知的情況下,就可方便地求出MS的位置坐標，從而實現(xiàn)用兩個基站對移動臺的定位。顯然，該定位系統(tǒng)算法求解較為容易,僅需要2個基站即可實現(xiàn)定位，但是，由于對測量角度的硬件要求較高,故其多應用于蜂窩網(wǎng)無線定位和軍事領域，一般的RFID系統(tǒng)則很難滿足。

2.2  基于電磁波到達時間的定位

電磁波在自由空間中的傳播速度C為3X10⁸m/s,如果可以得到閱讀器到標簽的傳播時間，則通過時間計算傳播距離，并最終實現(xiàn)理論上的定位。對于某一待定位標簽，最多利用三臺RFID閱讀器設備就可以實現(xiàn)對目標的定位。圖3所示是基于到達時間的定位原理圖。

設標簽到三個閱讀器的傳播時間分別為t₁、t₂、t₃，則標簽到三個閱讀器的直線傳播距離為C_t1、C_t2、C_t3,由幾何原理,待定位標簽應同時在以三個閱讀器為圓心，以C_t1、C_t2、C_t3為半徑的圓周上，求取這三個圓的唯一交點就其定位解，其求解方程為：

基于TOA的RFID定位算法較容易實現(xiàn)，定位解的求解時間短，電磁波傳播的絕對時間值是實現(xiàn)定位的依據(jù)，因此，要求閱讀器和標簽都要有高精度的計時功能且二者時間同步。但即使如此，也不可避免的會有時間測量誤差以及傳播路徑中的干擾因素，這些都會被c值放大到較難接受的數(shù)量級，因此，基于TOA的定位系統(tǒng)較難在實際中得到應用。

2.3  基于電磁波到達時間差的定位

基于TDOA的RFID定位方法的觀測值也是時間，但其不同于TOA定位，它的定位依據(jù)是標簽到幾個不同閱讀器的傳播時間差。由幾何原理可知，標簽到兩個固定位置閱讀器的距離差已知，則標簽應位于以閱讀器位置為焦點的其中一支雙曲線上,一般至少三臺閱讀器就可以得到唯一滿足要求的雙曲線交點，即標簽所在位置。

圖4所示是TDOA的定位原理圖，設標簽到達3號和1號閱讀器及3號和2號閱讀器的時間差分別為△t_3,1和△t_3,2,且都是后到達3號閱讀器。則由時間差就可以求取距離差，從而由幾何原理求取如圖4所示的兩支雙曲線的交點，即為標簽所在位置。其數(shù)學求解方程為：

基于TDOA的RFID定位以時間差作為觀測量,避免了閱讀器和標簽計時不同步給定位帶來的誤差,但對系統(tǒng)計時精度的要求仍然較高。

2.4  基于電磁波到達功率強度的定位技術

根據(jù)電磁波傳播理論，一般電磁波由閱讀器到達標簽的有效功率為：

可見當定位系統(tǒng)性能參數(shù)確定之后，標簽處的功率強度大小僅與其到閱讀器的距離有關。則通過對標簽處RSSKReceivedSignalStrengthIndicator)值的測量，就可以得到其與閱讀器的位置關系，這樣，理論上可以利用至少三臺閱讀器來推定標簽的位置。該方法類似于TOA定位，其基于強度測量的RFID定位的數(shù)學求解方程為：

式中:k為RFID硬件系統(tǒng)性能所決定的常數(shù)。

基于RSSI的RFID定位是以電磁波強度值為觀測量來實現(xiàn)的，因而容易受到非視距傳播干擾(NonLineofSight,NLOS)的其他干擾因素的影響，但在視距傳播較好的條件下,在定位精度要求不高的應用環(huán)境中還是可以滿足要求。

2.5  基于空間劃分的定位

根據(jù)閱讀器自身參數(shù)的不同(如工作頻率、增益系數(shù)等)，閱讀器系統(tǒng)(包括天線)具有其自身的識讀范圍，對該范圍內的標簽，閱讀器可以實現(xiàn)正常的識讀，而超出該范圍，閱讀器則無能為力。

根據(jù)這一特點，通過在定位空間中合理布置一定數(shù)量的閱讀器系統(tǒng)，用不同的閱讀器將定位空間劃分成若干子區(qū)域，通過輪詢所有閱讀器，就可以判定待定位標簽所在的子區(qū)域。基于空間劃分的定位(Are-aDivision,basedLocalization)可以滿足一般低精度的定位需求。其定位原理如圖5所示，圖中的Read-er代表閱讀器,Tag代表RFID標簽，虛線包含的范圍是閱讀器的識別范圍。

這種定位系統(tǒng)實施較為容易，不需要對電磁波物理量進行測量，也基本不受非視距傳播干擾的影響。但由于需要大量閱讀器設備進行空間區(qū)域的劃分，該系統(tǒng)的實施成本較高此外,該定位方法僅能體現(xiàn)定位目標的大致所在，定位精度一般,可滿足某些精度要求不高的應用。該定位方法實施的關鍵是合理部署閱讀器硬件系統(tǒng)。

3  結語

本文通過對基于RFID的智能家居用戶定位技術的分析認為，基于空間劃分的定位系統(tǒng)是比較好的選擇。該系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)而言，對硬件要求不高，可操作性強,有較強的抗干擾能力，定位精度也基本能夠達到要求，具有一定的實用價值。