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关键词： 被动式定位   无源RFID   射频层析成像   静态反射多路径   压缩感知   快速贝叶斯匹配追踪  

摘要： 随着物联网技术的发展,许多智能感知系统正逐步走近人们的日常生活,影响着人们的生活方式。基于无源射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)的被动式定位(Device-Free Localization,DFL)作为一种无须定位目标佩戴无线设备和主动参与定位过程的低成本室内定位技术,在医疗监护、应急救援等应用领域具有广阔的发展前景。近年来,由于接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)信号易于获取且便于计算等特点,基于RSS的DFL系统受到了国内外学者的广泛关注。射频层析成像(Radio Tomography Imaging,RTI)是一种将无线通信链路的RSS衰减值映射到网格化的定位监控区域中,最后以灰度图像的方式展现定位的结果的DFL技术,具有实时性强、计算复杂度低等优点。然而,RTI仅利用视距(Line of Sight,LOS)路径信息来分析RSS的信道行为,忽略了实际接收信号强度中包含的多路径信息,不能有效地抵抗多径干扰。针对以上问题,本文首先搭建了一个天线阵列的场景,证明了静态反射多路径应用于被动式定位的可靠性。在此基础上,本文提出了一种基于多径增强的无训练射频层析成像多目标定位(Training-Free Multipath Enhancement,TFME-RTI)方法,通过引入空间中已知的反射器求解出了虚拟阅读器天线的位置。然后,建立了静态反射多路径应用于RTI算法的转换模型。最后,本文在两种室内场景下进行了多次实验。实验中TFME-RTI方法定位单目标的中值误差为0.33m,两个目标下的中值误差为0.42m。实验结果表明TFME-RTI方法具有较高的定位精度。基于模型的DFL系统需要事先建立准确的数学模型,但这在复杂的多径场景下通常很难实现。基于指纹法的被动式定位通过离线位置指纹库和在线匹配的机制来对抗多径与噪声干扰问题。然而,随着目标数目的增加,建立多目标指纹库通常需要消耗大量的人力成本。针对这一问题,本文提出了一种基于快速贝叶斯匹配追踪的多目标定位(Fast Bayesian Matching Pursuit based Device-Free Localization,FBMP-DFL)方法。FBMP-DFL在压缩感知(Compressed Sensing,CS)的框架下,利用单目标指纹库建立了被动式多目标定位的信号模型。并在稀疏重构阶段利用快速贝叶斯匹配追踪算法实现了多目标数目与位置的估计。实验结果表明FBMP-DFL方法可较准确地识别四个目标以下的目标数目与位置。

关键词： Authentication   Protocols   Servers   Data structures   RFID tags   Security   Information filters   Filters   Radiofrequency identification   Computational modeling   Product codes   Batch authentication   bloom filter   cuckoo filter   RFID  

摘要： Businesses are slowly replacing Universal Product Code (barcodes used for tracking items) with radio-frequency identification (RFID). Unlike a barcode, RFID tag does not need to be within the line of sight of the reader, and can be interrogated from up to hundreds of meters from the reader in the case of active tag. Some readers are designed to read multiple RFID tags concurrently, which is useful in, e.g., warehouses. We address the problem of efficient methods for simultaneous authentication of multiple RFID tags - batch tag authentication. We provide a general design to build a provable secure batch tag authentication protocol from a single-tag authentication scheme using some aggregation function. Our main goal is to build a computationally-efficient batch tag authentication method that provides a reasonable level of anonymity in a model with an untrusted RFID reader. We provide an efficiency analysis of a protocol where the Bloom filter is used as the aggregation function together with a brief comparison with alternative data structures.

关键词： RFID tags   Protocols   Passive RFID tags   Costs   Antennas   Sensors   Backscatter   Barcodes   carbon nanotube loaded chipless RFID tags   chipless RFID sensor   radar cross section   time-domain reflectometry  

摘要： The present era of digitization is looking forward to updating the manual system with automation. The chipless Radio Frequency Identification (RFID), a well-known wireless technology, eliminates the hurdle of human intervention and comes into the Automatic Identification (Auto-ID) technology market. Although the low cost of optical barcodes dominates them for many years, their restricted read distance, reduced information storing capacity, and significant manual involvement in their operation call out the need for an alternative. The conventional RFID overcomes all the above-mentioned shortcomings of an optical barcode. But the cost of the RFID is an important problem. This article reviews chipless RFID which benefits over existing Auto-ID technologies. An overview of the basic RFID system, categories of RFID tags, and a comparison of chipless and chipped RFID tags are outlined. Understanding the relevance of chipless RFID in the future, the classes of chipless RFID tags, the challenges that come across in designing a chipless RFID, the principle of operation of a backscattering chipless tag, and design parameters like Radar Cross Section (RCS) are discussed. This article throws light on RFID tag printing, data capturing techniques of chipless RFID, certain materials used for tag manufacturing, chipless RFID-based sensors, potential applications, followed by current challenges and future directions of chipless RFID tags.

关键词： Laser ranging   radio frequency identification (RFID) tag   humidity control   tag performance   reading distance   compensation mechanism  

摘要： Radio frequency identification (RFID) system is susceptible to multiple factors in practical applications such as temperature and metal. Meanwhile, the problems of the effect of humidity on UHF RFID system's performance keep springing up. In this paper, in order to measure RFID system's reading performance, the reading distance of RFID tag is used as an evaluation criterion and the effect of humidity on the dynamic identifying property of the ultra high frequency (UHF) RFID testing platform is emphasized. This paper proposes the theory of the effect of humidity on the reading distance of RFID tags, and obtains some valuable simulation results. A humidity control system is designed to adjust the humidity of the RFID system. The laser ranging sensor is used to measure the reading distance of tags under different humidity. The relationship between the reading distance of the tag and the humidity is established. Comparing experimental data with theoretical simulation results, the results show that the correlation coefficient is 94.06%, and the experimental results are in good agreement with the theory;moreover, the corresponding humidity compensation mechanism is derived to obtain the reading distance of the tag at the same reference humidity. Overall, the paper provides an effective method for selecting and evaluating UHF RFID tags under different humidity.

关键词： 射频识别   标签碰撞   汉明权重   动态环境   库存管理  

摘要： 无线射频识别作为一项新兴的自动识别技术,具有存储容量大、支持多目标识别、安全性高的优势,被广泛地应用在仓储物流、交通领域和零售领域等不同方面。但是,多标签碰撞问题会降低RFID系统的可靠性,增加时延,导致阅读器无法准确地读取标签信息。因此设计一种有效的防碰撞算法解决RFID系统中的多标签碰撞问题,对于RFID技术在密集标签环境中的应用具有重要意义。本论文围绕不同应用场景中的确定型防碰撞算法进行了改进,并详细介绍了RFID技术在库存管理系统中的实施方案,主要研究内容包括:(1)针对查询树算法存在空闲时隙多、系统效率低的问题,提出了一种基于汉明权重分组的自适应查询树算法(HAQT)。利用汉明权重分组的方法优化空闲时隙,并根据传输数据的碰撞位特征,自适应地选择不同的查询机制,实现了标签前缀的准确预测。实验结果表明,HAQT算法能够减少查询过程中产生的空闲时隙,在消耗的总时隙数目、吞吐量和通信复杂度方面均优于对比算法,吞吐量最高可以达到0.60。(2)考虑动态环境中的多标签碰撞问题,提出了一种基于连续时隙分组的查询树算法(GSQT)。通过对已读标签进行时隙分组、时隙调整、设计返回序列和构建标签集等操作,实现了已读标签的快速读取。实验结果表明,GSQT算法在总标签数量、已读标签数量、离开标签数量和新加入标签数量变化的时候以及发生捕获效应的时候,性能均优于对比算法,尤其在处理已读标签的过程中具有明显优势。(3)通过分析库存管理系统的发展现状和需求,设计了一种基于RFID技术的库存管理系统实施方案。该方案从整体架构、功能模块、数据库和上位机四个方面详细地描述了库存管理系统的基本原理,并对该系统的上位机功能进行了测试。

关键词： 频射识别技术   自干扰信号抑制   读写器射频前端   FPGA   载波对消  

摘要： 以光散射为基础的射频识别(RFID)技术凭借无线的方式实现对目标物的非接触式自动识别。其中,无源超高频(UHF RFID)系统应用于货物搬运、城市交通管理、学校教育、工业管理等智能信息系统中,已经成为物联网技术发展中RFID技术的主流。在UHF RFID中,发射端发射信号通过环形器或者定向耦合器到达接收端时,隔离度不够和天线的回波损耗等原因会使接收端产生自干扰信号。UHF RFID系统提高性能的关键在于抑制自干扰信号。通过控制UHF RFID读写器链路上产生的自干扰信号强度,进而提高读写器接收机灵敏度。本文针对UHF RFID读写器射频自干扰信号抑制进行了进一步研究。根据超高频射频识别系统中射频端载波泄露信号存在自干扰现象,自主设计一种基于FPGA的射频联合基带的自干扰信号消除方法,并对其抑制能力进行了理论剖析和仿真试验。本文的主要内容和工作如下:第一:简要概括了超高频射频识别系统的基本技术原理,对UHF RFID系统性能进行详细介绍,并分析阐述了UHF RFID前端电路通信中自干扰信号的形成原理和射频自干扰信号抑制过程,最后分析了在接收过程中自干扰信号产生的影响。第二:论文对自干扰信号的自适应载波对消算法和解调算法进行设计。主要是对LMS算法和RLS算法对自干扰信号抑制度的对比分析。论文还研究并实现一种基于CORDIC算法的解调器。它不仅能解调I、Q信号的幅度和相位信息,还可以在数控振荡器中产生正弦波信号。算法在MATLAB上进行实现。第三:论文采用一种UHF RFID读写器射频与基带联合抑制自干扰信号的方法,根据自干扰信号和参考信号之间的关联,提出并设计了一种采用基于欧式距离的自适应滤波器优化LMS抑制算法。算法在FPGA内部实现,比传统LMS算法相比提高了20d B的抑制效果。并在UHF RFID系统射频端设计了一个数控无源矢量调制器,其优点是不引入额外的噪声。该射频联合基带对消方法能够让基带端和射频端的抑制技术相结合,更有效地抑制自干扰信号。论文搭建FPGA模块和硬件平台,通过仿真测试和实验测得对自干扰信号产生36.65d B的抑制比,与传统对消方法相比提高10d B左右的抑制比,证明本文设计的基于FPGA射频联合抑制自干扰信号方法能够有效解决超高频射频识别系统的自干扰信号问题。

关键词： 结构健康监测   HFSS   空腔模型   USRP   裂纹检测   裂纹预测  

摘要： 随着世界科技水平的不断提高和人工智能化的发展,使得航空航天设备和大型基础设施的使用寿命和安全性系数有了更高的行业标准。出于安全性和经济性的考虑,对此类结构进行定期的结构健康监测和维护是很有必要的。金属结构体长期运作会使得结构体萌生金属裂纹,降低整个结构体的安全性系数,从而增加大型安全事故发生的可能性。对金属裂纹进行检测,裂纹的长度、宽度、相对位置和倾斜角度信息同样重要。目前对于金属裂纹检测方式效率过低,裂纹信息检测不全面,因此本文设计了基于RFID(Radio Frequency Identification)无芯片裂纹传感器、裂纹检测系统和金属裂纹预测的算法。本文对基于RFID无芯片裂纹传感器的研究分为RFID无芯片裂纹传感器设计、裂纹检测系统设计和金属裂纹预测算法三个部分。本文主要工作有以下三个方面:第一是基于RFID无芯片裂纹传感器的设计部分。本文设计了三款裂纹传感器,分别是以FR4为介质基板的矩形微带天线、以Rogers5880为介质基板的矩形微带天线和分层式矩形微带天线(上基板为FR4介质基板,下基板为Rogers5880介质基板),用于结构健康监测领域。三款矩形微带天线的两个工作频率都相差较大,便于后续裂纹检测实验观测,并且三个矩形微带天线都有着较大的回波损耗。对于金属裂纹的长度、宽度、相对位置和倾斜角度,三款矩形微带天线都能很好地监测裂纹变化情况。第二是裂纹检测系统部分。本文设计了基于USRP(Universal Software Radio Peripheral)的裂纹检测系统和基于便携式VNA(Vector Network Analyzer)的裂纹检测系统。本文将通过HFSS电磁仿真软件设计好的三款矩形微带天线进行实物加工,并根据金属裂纹的分布情况,对铝板进行不同裂纹的加工处理。分别使用VNA、USRP和便携装VNA连接矩形微带天线进行金属裂纹检测实验,并对比了三个裂纹检测系统的实验数据。第三是金属裂纹预测算法部分。提出了一种预测由任意裂纹引起的谐振频率偏移的算法。基本思想是首先计算裂纹的切割效应强度,然后根据裂纹传感器的谐振频率偏移与裂纹的切割效益强度的关系,得到不同裂纹的分布情况。该部分基于对矩形微带天线的空腔模型分析法,找到金属裂纹影响矩形微带天线表面电流的分布情况,最后根据表面电流的分布情况分析得出裂纹预测算法。裂纹长度、宽度、相对位置和倾斜角度的变化都对结构健康监测产生着重要的影响。本文提出了三款新型双频矩形微带天线,三款矩形天线分别在馈电模式TM(Transverse Magnetic)01和TM10谐振,并且在馈电模式TM01和TM10产生谐振频率f01和f10。裂纹变化会引起谐振频率f01和f10发生相应的偏移,分析谐振频率的偏移情况来达到检测裂纹变化的目的。首先讨论了双频矩形微带天线的工作原理,对该天线的空腔模型进行了详细的分析,并介绍了HFSS电磁仿真软件进行的裂纹仿真实验。接下来制作出三款矩形微带天线实物、加工了金属裂纹和设计了三款裂纹检测系统,并进行了裂纹检测实验,分析处理裂纹实验数据,得出三款矩形微带天线都能很全面地监测裂纹变化情况。最后提出了裂纹预测算法,通过裂纹预测算法可以预测裂纹的变化趋势。

关键词： RFID多标签网络   光电技术   图像预处理   三维坐标定位   回归分析  

摘要： 在物联网(Internet of Things,IOT)技术不断发展的背景下,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)被广泛应用于物流、医疗等领域,是目前在自动化和物联网感知层的一项关键技术,也是当今时代最前沿的技术之一。RFID系统主要由读写器、RFID标签、数据处理系统构成,其中RFID标签因为其随物体移动,应用环境多变复杂,极其容易受到外界干扰,所以针对RFID标签性能的优化备受关注。而大部分学者对此都选择从标签本身入手,即利用新材料或者新工艺来实现RFID标签性能的提高。然而,在超高频段(UHF)以上频段,由于存在大量标签同时识别的应用场景,多标签网络性能受很多因素影响,学术界对它的研究还不很深入,开展这些研究以提升多标签网络性能,确保RFID在物联网系统中的可靠稳定应用,将是该技术发展的关键。本研究主要针对RFID多标签几何分布优化中的多标签网络定位和性能分析过程,提出了基于图像去噪和角点检测的RFID多标签网络定位方法,并利用峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)和结构相似性(structural similarity,SSIM)评价图像去噪效果,同时还依据平均绝对误差和平均相对误差评估了多标签网络的定位精度。同时通过灰狼-支持向量机(gray wolf-support vector machines,GWO-SVM)算法进行回归分析得到了RFID多标签网络几何分布与RFID多标签网络性能的关系,本研究对RFID多标签网络定位以及几何分布寻优有着重要意义。 本文的主要研究内容和创新工作如下: 1.设计并构建了RFID标签性能动态测试平台。平台主要由RFID多标签网络、RFID图像采集系统、最远识读距离测量系统和RFID多标签三维坐标定位系统组成。通过RFID图像采集系统采集现实中随机排布的RFID多标签网络分布信息,采集的图像经过去噪处理后再通过RFID多标签三维坐标定位系统准确定位其中各个坐标的像素坐标,最后利用几何光学相似性原理将坐标的像素坐标转化为实际坐标。通过上述实验步骤,本研究将多组RFID多标签网络精确转化为坐标数据组并得到其对应的最远识读距离。 2.提出了基于相空间重构和奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)的RFID去噪算法和基于改进核函数系数寻优过程的快速非局部均值(Non-Local Means,NLM)RFID去噪算法,通过对比两种算法与其他算法对不同RFID多标签图像的去噪效果,验证了本文算法的有效性。同时对NLM去噪算法的运行速度也进行了优化。 3.提出了一种基于三维坐标定位的RIFD多标签网络回归分析方法。利用Harris角点算法得到图像角点,对角点进行筛选后得到预设原点和RFID标签四角的像素坐标,依据像元关系得到标签的实际坐标。通过定位110组不同分布的RFID多标签网络,分别计算各类多标签网络中每个标签x、y、z坐标的平均绝对误差和相对误差,证明了算法具有较高的RFID多标签网络定位精度;并利用GWO-SVM算法对RFID多标签网络几何分布与RFID多标签网络标签最远识读距离的关系进行了回归分析。 本文以RFID多标签网络定位为研究课题,通过系统设计、算法优化和实验分析,验证了通过图像采集与基于去噪和角点检测的预处理技术定位RFID多标签实际三维网络坐标、利用坐标数据分析RFID多标签几何分布与其性能之间关系的可行性,对精确获取RFID多标签网络几何分布、探索几何分布对RFID多标签网络性能影响的研究具有重要的理论和实用意义。

关键词： Chipless radio-frequency identification (RFID)   local sensitivity analysis   measurement uncertainty   Monte Carlo analysis   Chipless radio-frequency identification (RFID)   local sensitivity analysis   measurement uncertainty   Monte Carlo analysis  

摘要： Measurement and response decoding is an ongoing challenge in the chipless radio-frequency identification (RFID) field. Measurement uncertainties, including tag/reader misalignment, S-parameter error, and clutter, can cause response distortions, such as magnitude changes and resonant frequency shifts, that can lead to the improper assignment of a binary code or sensing parameter (i.e., decoding). This work aims to use local sensitivity analysis and Monte Carlo simulation to fully characterize the effects of misalignment, response parameter measurement error (e.g., VNA S-parameter error), and clutter on chipless RFID responses that are measured in the near-field with a monostatic setup. From this type of comprehensive characterization, conclusions are drawn about the identification (ID) and sensing capabilities of the tags. While the effect of misalignment-based uncertainty was examined in Part I, here in Part II, S-11 uncertainty and clutter-based uncertainty are examined both individually and in combination with misalignment-based uncertainty. An example, demonstrating the application of the proposed tag performance assessment framework is also provided.