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关键词： 物联网   射频识别   定位   多频率连续波   相位  

摘要： 近年来,智能家居、智慧交通、智慧城市等自动化智能领域随着物联网概念的兴起以及信息技术的发展不断取得进展,与此同时人们对基于高精度定位的智能服务需求日益增大,进而对已有的定位技术提出了更多需求和挑战。目前全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)在室外宽阔地域能够取得不错的定位效果,但是在诸如高架、隧道、大型建筑群、植被繁茂地带、室内等地方,利用GNSS难以避免卫星信号弱或者信号中断导致的定位误差大或者定位中断等问题。得益于射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术在物联网中的广泛应用,基于RFID的定位技术具备广阔的市场应用前景和发展优势,得到国内外学者和各行业工作者的持续关注。本文针对基于连续波相位的RFID定位技术中存在的问题展开研究,采用跳频增加工作频点的方式实现基于多频率连续波的RFID距离估计方法,并研究了基于相位差信息的定位方法,最后研究了使用通用软件无线电外设实现激活无源电子标签、采集标签反射信息的实现过程,并基于该设备验证和分析本文所提测距、定位算法,具体内容如下:1.本文研究了基于多频率连续波(Multi-frequency Continuous Wave,MFCW)相位信息的距离估计方法和基于相位差信息的双曲面定位方法。首先,分别根据单频和双频信号中距离估计与相位、频率间隔、相位误差之间的关系,推导了基于多频率连续波信号的相位测距理论依据,并采用约束最小均方误差(Constrained Minimum Mean Square Error,CMMSE)解决相位的周期性带来的整周期数模糊问题,通过利用多个频率信号可以提高相位测距的精度和鲁棒性,之后仿真对比分析了频率带宽与频点个数对测距效果的影响情况。然后,本文基于MFCW相位差信息的距离差估计结果,采用基于双曲线的几何定位算法。根据相位信息得到距离信息的数学描述,可以将此方法运用到利用相位差得到距离差信息的处理过程,从而可以利用距离差的双曲线几何性质完成定位,对于该几何定位方法,本文采用改进处理方法,加快非线性方程求解的算法执行过程。最后通过仿真给出了距离估计算法的结果和基于相位差信息的定位结果。2.本文采用通用软件无线电外设来实现基于RFID通信协议,完成发送指定频率组合,并激活标签和对标签反射信号进行采集的基本操作,之后基于该平台完成多频率连续波信号的相位测量,并搭建定位测试场景对所提出算法的实际工作效果进行验证分析。实验验证了设备的相位采集准确性以及系统工作的可行性。实验测试结果表明,静止状态下,系统可以实现很好的测距效果。而在利用多标签实现阅读器天线定位时,大概率情况下可以实现高精度的定位结果。但是在多标签情况下,RFID通信过程中存在的标签冲突问题还需要进一步改善。

关键词： Robot sensing systems   Robots   Location awareness   Antennas   Trajectory   Mobile robots   Radiofrequency identification   RFID robot   RFID sensor fusion   RFID tag localization   robotic inventory   robot localization  

摘要： This paper describes a UHF-RFID robotic system for tagged-item inventory and localization. A mobile robot is equipped with wheeled rotary encoders and a UHF-RFID reader connected to multiple antennas. At first, the robot reconstructs its trajectory by exploiting a sensor-fusion method combining odometry data with phase data gathered by on-board antennas from an infrastructure of passive reference tags. Then, it leverages its reconstructed trajectory to localize target tags placed at unknown locations through a multi-antenna synthetic-aperture-radar (SAR) approach. A Particle Swarm Optimization is applied to speed up the position estimation. An experimental campaign conducted in an office environment is presented to verify the system features and feasibility. The performance of the proposed method for both tag localization and robot self-localization is compared with respect to the case of trajectories reconstructed only by odometry data or through a commercial Laser Range Finder mounted on the robot. Particularly, the effect of the cumulated drift of the estimated trajectory on the tag localization performance is investigated.

关键词： Indoor Positioning Algorithm   Intelligent Bookshelf   Library   RFID Technology  

摘要： In order to provide readers with the location information of books quickly and accurately, simplify the book borrowing process, and improve the borrowing efficiency, RFID technology is introduced into the library. In this paper, based on the overall architecture of RFID library intelligent bookshelf system, through the indoor positioning algorithm, from the actual needs of the intelligent bookshelf system for book positioning, the RFID indoor positioning algorithm is selected. The simulation and performance analysis of the experimental data show that the average positioning error is the smallest when the number of nearest neighbor tags is 8, and the average positioning error of 100 times is 0.0239m. This method has a very high application value and provides a useful reference solution for the development of current book positioning systems and intelligent shelf systems.

关键词： 物联网   感知能力   下一代RFID标签   UHF Gen2协议   感知控制协议  

摘要： RFID标签凭借其低功耗、低成本、易部署的优势,在物流管理、智能交通、医疗健康、动物养殖等领域有着广泛的应用,成为了发展最为迅速的物联网应用之一。经过多年的产业发展,实际RFID系统不再满足于识别和追踪物品,更是对RFID标签具备环境感知能力提出了需求,从而进一步扩展RFID系统应用范围。当前RFID感知标签的设计主要基于传统的嵌入式架构,采用处理器模块来实现传感器访问和数据处理,主要存在两个问题。其一,处理器的计算功耗远超标签的供电能力,导致标签通信距离短、性能不佳;其二,传统嵌入式开发难以应对物联网种类繁多的应用需求,定制化开发导致标签成本高昂,失去了低成本的商业优势。本文设想,下一代RFID标签应当有如下特点:第一,同时具备识别能力和感知能力;第二,能够便捷地为不同的传感器定制,以适应不同的应用需求;第三,拥有接近传统RFID标签的性能和价格。为此,本文提出了通用感知标签:移除传统架构中的处理器模块,将对传感器的总线控制上浮至RFID网关,从而简化RFID标签设计,让现有的商用阅读器能够直接控制传感器。而要实现上述设计将面临如下三大挑战。第一,射频信号如何转化为传感器可识别的总线信号。为此,本文在无处理器的条件下,采用二级积分判别器实现了射频信号到总线信号的转换,并实现了协议状态机用以将总线信号中控制传感器的指令输入到传感器。第二,如何利用RFID协议进行网关与传感器之间的高效数据交互。为此,本文提出了一种基于UHF Gen2协议的高效数据传输方案,与传统的方式相比,下行传输效率提升了93.6%,上行传输效率提升了54.5%。第三,如何控制基于RFID协议的通用感知标签,并赋予其独特的功能。为此,本文提出了一种运行在Gen2协议上层的感知控制协议,为标签提供了用于标签发现、存储控制、感知控制等功能。通过实验与分析,标签原型在无源和有源状态下,通信距离分别可达3.6米和18米;标签原型与传统RFID标签在相同环境下被发现的概率几乎一致;标签整体平均功耗约361.15微瓦,远低于传统嵌入式架构的毫瓦级功耗。

关键词： 射频识别   抗金属   耐高温   标签天线  

摘要： 随着经济的发展,我国承压设备的数量和规模逐年递增,为了解决随之而来的设备安全问题,国家要求设备出厂前要在特检人员的监督下通过耐压试验,并引入射频识别(RFID)标签对耐压试验数据进行存储。但是,市面上的抗金属标签一般存在体积大,受环境影响大等问题,因此,设计适用于承压设备耐压试验的RFID标签是必要的,该标签需要耐高温及抗金属的性能。本文的主要研究内容如下:(1)针对承压设备耐压试验过程中高温高湿环境抑制RFID标签性能的现象,提出了一种介质埋藏铭牌标签的结构。通过电磁学理论研究,分析了标签天线性能受埋藏介质影响的情况,得出温度变化导致材料介电常数容差的细微改变从而引起薄基片微带天线工作频率改变的结论,基于此结论以及其他设计需求,进行了埋藏介质的选择以及铭牌标签结构的确定。(2)设计了一款基于微带天线的RFID抗金属标签天线。针对矩形微带天线尺寸大的问题,在标签天线中引入嵌入式和弯折线结构。针对平面式标签天线输入电阻小的现象,对缝隙天线原理进行研究,得到缝隙结构具有较高电阻的结论。并在天线结构中引入对称的L型缝隙,实现了阻抗匹配。该天线在金属表面工作频率为924MHz,增益为-8.52d Bi,具有正面的半全向辐射特性,符合设计要求,并实验证明了该天线的抗金属性能,但此性能容易受金属边缘效应的影响。(3)针对上一部分标签天线的性能受金属边缘效应影响的问题,对电容耦合馈电和直接馈电的微带天线的传输线模型进行对比分析,得出电容耦合馈电结构可以有效降低环境对标签天线阻抗影响的结论。结合微带天线辐射片中部的虚拟地特性对传统电容耦合的微带天线结构进行改进,同时引入匹配开路线和矩形缝隙,消除了微带天线的短路结构,使得该天线具有平面结构以及良好的金属环境适应性。该天线在金属表面工作频率为922MHz,增益为-4.36d Bi,通过实验验证了该天线在不同大小的金属平面上使用仍能保持较好的性能。

关键词： 超高频(UHF)   射频识别(RFID)   标签天线   抗金属   双面使用  

摘要： 超高频射频识别（UHF RFID）技术具有读取性能稳定、识别距离远等优点,是一种应用广泛的识别技术。标签天线是UHF RFID系统中的关键部件之一,其性能的好坏将决定RFID系统读取性能的优劣。传统标签天线若处于金属环境中,会受到金属的影响无法正常使用,当前研究的具有抗金属性能的标签天线均对标签天线的摆放有着一定要求,只有固定一面贴近金属时才能够抗金属使用。本论文主要致力于研究双面抗金属UHF RFID标签天线,主要研究内容如下: 1.设计了一种偶极子结构抗金属RFID标签天线,在距金属环境一定距离处可实现双面使用。该标签天线由偶极子天线变形而来,整体采用了对称式设计,由辐射臂、小环回路以及小环内用于调节阻抗的贴片构成。标签天线总体尺寸为40×30×0.8mm3,-10d B带宽为720-1010MHz。经过实测,该标签天线自由空间中最远可读距离为12m,在距离金属背景平面3mm处最远可读距离为7.2m,可以实现双面使用的性能。 2.设计了一种PIFA结构双面抗金属RFID标签天线,适合应用于厢式货车的物流管理。该标签天线使用一块折叠金属面作为天线的辐射面、短路墙和地面,标签芯片位于侧面FR4介质基板上,通过微带线与天线相连接。标签芯片的另外两端口与识别锁相连,通过金属棒控制其通断,达到识别标签不同状态的效果。标签天线的金属辐射体为正反双面完全对称且带有凹槽的金属面,双面完全对称结构保证了标签在翻转使用过程中双面的抗金属性能无差别。标签天线总体尺寸为45×40×5mm3,-10d B带宽为770-1280MHz。自由空间中最远读取距离为11.4m,金属背景环境中最远读取距离为10.6m。 3.设计了一种折叠结构双面抗金属超高频RFID标签天线。该标签由三层金属贴片和两层泡棉基板组成,标签芯片搭载在中间层的金属贴片上。中间层的贴片采用曲流结构、调谐贴片等设计方法,通过调整它们的尺寸能够有效实现阻抗匹配。外层金属贴片起到了隔绝外部金属环境的作用,当标签的任意一面接触到背景金属时都能够正常工作。标签天线总体尺寸为52×13×2mm3,-10d B带宽为840-960MHz。经过实测,该标签在金属环境中最远可读取距离为8.9m,可以实现双面使用的功能。

关键词： 射频识别   定位寻仓   无线标尺   卸料小车   自动布料  

摘要： 针对工业配料人工操作劳动强度大、生产效率低、安全性可靠性差等问题,提出了一种基于射频识别(radio frequency identification, RFID)定位的卸料小车自动寻仓布料系统,包括读码器、定位标尺、料位计、料位采集器、PLC控制器、通信单元等。使用无源标签设计定位标尺,RFID输出功率自适应调整,用信号强度值检测方法提高定位精度,定位数据和料位数据采集通过无线通信传输,通过PLC编程控制实现自动寻仓布料功能。系统已在冶金项目实际应用,在完全满足生产要求的基础上减少了人员配置,提高配料生产效率约30%。

关键词： 纸基无芯片RFID湿度传感器   氧化石墨烯介电常数   灵敏度   编码可靠性  

摘要： 作为射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术的一种应用,无芯片RFID湿度传感器可以在多种场景无接触、实时检测环境湿度。纸基底具有成本低、可吸湿、等优点,适合用于无芯片RFID湿度传感器。由于纸基介电损耗高,且自身吸湿能力有限,纸基RFID湿度传感器存在着品质因数差且灵敏度低的问题。本文以提高纸基无芯片RFID湿度传感器性能为研究目标,从敏感材料选择及介电常数测试,传感器结构设计、基底选择,传感器湿敏测试等方面展开研究,研究内容包括以下部分:研究氧化石墨烯(GO,Graphene Oxide)湿敏材料射频下介电常数随湿度变化的规律。利用HFSS射频仿真软件设计了工作频率为2.45GHz,基于微带线谐振结构的介电常数检测谐振器。通过实验测试了30%RH～99%RH湿度条件下,加载质量浓度分别为1%、2%、5%的GO湿敏薄膜对谐振特性的影响,与仿真结果对比,提取出三种浓度的GO薄膜在2.45GHz下介电常数的实部与虚部随环境湿度变化的数据,为后续无芯片RFID湿度传感器湿敏材料的优化提供依据。设计了一种高灵敏度的基于GO的纸基湿度传感器,利用HFSS对谐振器结构进行设计及优化,获得了谐振频率在2.45GHz具有较高品质因数的圆形电感-叉指电容结构的纸基湿度传感器。利用上述获得的GO射频介电常数,对纸基及GO纸基传感器的感湿性能进行仿真。分别制作并测试了以A4、柯达、双面铜版纸为基底的纯纸基传感器的谐振特性及湿敏特性,研究纸基类型对传感器性能的影响。选择谐振特性最好,灵敏度最高的双面铜版纸为基底,制作加载1%、2%、5%GO敏感薄膜的湿度传感器,对三种传感器的灵敏度等指标进行测试,结果表明吸湿性能良好的纸基底与GO湿敏材料协同作用,可明显提高传感器灵敏度,5%GO传感器灵敏度达到4.34MHz/%RH。为了拓宽GO在湿度传感器领域的应用情景,设计了一种兼具8bit编码功能和感湿功能的纸基无芯片RFID湿度传感标签。利用椭圆环谐振器的极化特性,使用HFSS设计出了基于嵌套的椭圆环结构的纸基无芯片RFID湿度传感标签,通过在两个电场极化方向仿真其不同码字和湿敏特性,验证其具有编码可靠性及较好的灵敏度。

关键词： RFID   sources of interference   logistics processes   automotive industry  

摘要： RFID (Radio Frequency Identification) is used in complex production and logistics processes in the automotive industry. One of the biggest challenges with RFID installations is the bad performance, especially the low read rates. One reason for the low read rates are sources of interference. In order to reduce sources of interference in RFID installations, these and possible solutions must first be known. Therefore, in this paper a literature review was conducted to identify the known sources of interference and proposed solutions for RFID installations in the automotive sector. These were divided into the four categories RFID components, electrical signals, physical environment and environmental influences. In addition, this paper presents a procedure for reducing sources of interference in RFID installations. With this information, a company can build up know-how and support the reduction of interference sources in RFID installations, which in turn increases the read rate.

关键词： 射频识别   线圈天线   互感   Q值  

摘要： 射频识别是通过无线电波对标记物体进行识别的一项技术。基于低频(125-134.2k Hz)磁耦合链路的低频射频识别技术(Low Frequency Radio Frequency Identification,LF RFID)已经发展多年,但阅读器线圈天线和电子标签线圈之间的射频链路依然是低频射频识别系统的重要研究方向。基于近场耦合理论的低频射频识别系统通过磁耦合谐振的方式为无源电子标签(Passive Tag)芯片供能,阅读器线圈天线与标签线圈的耦合程度通过互感(Mutual Inductance)来衡量。然而当电子标签由于方向距离等偏差因素,无法从阅读器线圈天线产生的磁场中获得足够的能量时,系统将会出现许多检测盲区。因此,通过改进线圈天线以减小乃至消除检测盲区,对低频射频识别技术的发展具有重要意义。 本文主要围绕低频射频识别频段的线圈天线设计展开讨论。首先阐述了射频识别系统的基本构成、工作原理、国际协议标准,重点分析了国内外低频射频识别线圈天线的研究现状,提出了减小低频射频识别系统标签检测盲区的目标。其次介绍了低频射频识别发射线圈天线和无源电子标签的相关理论。通过分析常用矩形线圈天线磁场分布及偏差条件下的磁耦合链路,讨论了存在检测盲区的原因。通过推导偏差互感等效模型,并结合TWR(Track Width Ratio)线圈品质因数优化技术,设计了四款适用于低频射频识别系统的线圈天线。全文从理论推导,模型建立,仿真分析以及实物搭建测试等方面完成设计工作。 基于偏差互感等效模型,本文提出了优化横向偏差互感的平面双回路线圈天线和优化角度偏差互感的球形双回路线圈天线模型。以双向偏差互感模型及无源电子标签的激活过程为分析基础,以互感为评估指标,对比仿真验证平面双回路和球形双回路线圈天线相较于常用线圈天线与标签线圈之间互感的提升。当无源电子标签垂直于线圈天线横向移动时,传统线圈天线存在70%的检测盲区,而平面双回路线圈天线在此情况下将检测效果提高了约40%。之后对球形双回路线圈天线进行了标签180°绕动互感仿真分析。为了验证仿真结果,手工绕制了两款线圈天线,并采用某商业低频射频识别阅读器模块与玻璃管式无源电子标签对矩形线圈天线、平面双回路线圈天线以及球形双回路线圈天线进行了标签检测对比测试。测试结果表明,两种线圈天线均能有效提高低频射频识别系统的检测范围,减小检测盲区。 此外,基于二维偏差互感分析,本文还建立了三维空间偏差互感等效模型,并据此提出了优化三维角度偏差互感的三维正交全向线圈天线以及优化横向及角度双向偏差互感的立体四回路线圈天线模型。仿真结果表明,三维正交全向线圈天线可以激活处于线圈天线三维空间任意位置的无源电子标签,磁场稳定,互感表现良好;立体四回路线圈天线作为过门天线使用,对以任意角度穿过天线的无源电子标签均能做到有效检测。 本文以二维及三维偏差互感等效模型为核心,基于空间多方向磁耦合链路设计思想,结合TWR线圈品质因数优化方案,提出的新型适用于低频射频识别系统的线圈天线可以有效减小多种应用场景下的无源电子标签检测盲区,为未来低频射频识别技术的发展提供了新思路。