基于RFID的智能家居用户识别定位技术分析

近年来，以物联网技术为核心的智能家居发展势头十分迅猛。智能家居可以定义为一个系统,它可将先进的计算机技术、网络通信技术和各种遥感和自动化技术有机地结合在一起,通过统筹管理，让家居生活更加智能、舒适、节能。在智能家居系统中，所有的家电以及传感器都通过互联网连接到一起，可以随时进行信息交换和远程控制。家里的主人通过手机或者项链等随身物品就可以开门，走到哪个房间，灯光会自动开启，空调也会自动调节到合适的温度。坐到沙发上，电视就会自动开启；而站到穿衣镜前,镜子会自动显示您要穿的衣服并与您的镜像进行合成……。这一切原本只在科幻电影中出现，却因为物联网技术和智能家居系统变成了现实。而实现这一切的一个关键技术就是对用户的识别与定位，就是射频识别(RFID)技术。

1  RFID技术简介

射频识别(RFID)作为一种全新的非接触自动识别技术，在上世纪就已开始逐渐进入应用领域。RFID正被广泛用于采购分配、商业贸易、生产制造、物流、防盗、军事用途以及移动支付等图1所示是RFID技术的基本模型。 

此模型中的阅读器可通过发射天线发送一定频率的射频信号。当射频标签进入发射天线工作区域时，就会产生感应电流，从而使射频标签获得能量被激活。射频标签将自身编码等信息通过卡内置的发送天线发送出去，系统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号后，经天线调节器传送到阅读器，阅读器会对接收的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理，主系统根据逻辑运算来判断该卡的合法性，并针对不同的设定做出相应的处理和控制，最后发出指令信号以控制执行机构动作。

2  RFID定位技术

2.1  基于电磁波到达角的定位

电磁波在空间中的传播是有一定方向性的，对于采用定向天线的阅读器系统，通过测量电磁波的到达角度,理论上可以实现空间位置的推定。通常测量电磁波到达角度要求阅读器具有天线阵列，而常见的RFID阅读器天线系统并非阵列形式，因此，该方法在RFID定位中尚无成功案例。

但是,基于角度测量的定位技术在蜂窝网无线定位中的应用已较为成熟，因此，可以蜂窝网无线定位为例对该定位原理进行分析。其中涉及的基站(Base Station,BS)和移动台(Mobile Station,MS)可类比于RFID阅读器和标签。

图2所示是基于到达角度进行定位的原理示意图。图中的MS回波信号到达两个带有天线阵列的基站BaseStation1和BaseStation2后，通过天线阵列的测量与计算，可以得到图2中两个到达角度a和原由几何知识可知，在基站位置和到达角度可知的情况下,就可方便地求出MS的位置坐标，从而实现用两个基站对移动台的定位。显然，该定位系统算法求解较为容易,仅需要2个基站即可实现定位，但是，由于对测量角度的硬件要求较高,故其多应用于蜂窝网无线定位和军事领域，一般的RFID系统则很难满足。

2.2  基于电磁波到达时间的定位

电磁波在自由空间中的传播速度C为3X10⁸m/s,如果可以得到阅读器到标签的传播时间，则通过时间计算传播距离，并最终实现理论上的定位。对于某一待定位标签，最多利用三台RFID阅读器设备就可以实现对目标的定位。图3所示是基于到达时间的定位原理图。

设标签到三个阅读器的传播时间分别为t₁、t₂、t₃，则标签到三个阅读器的直线传播距离为C_t1、C_t2、C_t3,由几何原理,待定位标签应同时在以三个阅读器为圆心，以C_t1、C_t2、C_t3为半径的圆周上，求取这三个圆的唯一交点就其定位解，其求解方程为：

基于TOA的RFID定位算法较容易实现，定位解的求解时间短，电磁波传播的绝对时间值是实现定位的依据，因此，要求阅读器和标签都要有高精度的计时功能且二者时间同步。但即使如此，也不可避免的会有时间测量误差以及传播路径中的干扰因素，这些都会被c值放大到较难接受的数量级，因此，基于TOA的定位系统较难在实际中得到应用。

2.3  基于电磁波到达时间差的定位

基于TDOA的RFID定位方法的观测值也是时间，但其不同于TOA定位，它的定位依据是标签到几个不同阅读器的传播时间差。由几何原理可知，标签到两个固定位置阅读器的距离差已知，则标签应位于以阅读器位置为焦点的其中一支双曲线上,一般至少三台阅读器就可以得到唯一满足要求的双曲线交点，即标签所在位置。

图4所示是TDOA的定位原理图，设标签到达3号和1号阅读器及3号和2号阅读器的时间差分别为△t_3,1和△t_3,2,且都是后到达3号阅读器。则由时间差就可以求取距离差，从而由几何原理求取如图4所示的两支双曲线的交点，即为标签所在位置。其数学求解方程为：

基于TDOA的RFID定位以时间差作为观测量,避免了阅读器和标签计时不同步给定位带来的误差,但对系统计时精度的要求仍然较高。

2.4  基于电磁波到达功率强度的定位技术

根据电磁波传播理论，一般电磁波由阅读器到达标签的有效功率为：

可见当定位系统性能参数确定之后，标签处的功率强度大小仅与其到阅读器的距离有关。则通过对标签处RSSKReceivedSignalStrengthIndicator)值的测量，就可以得到其与阅读器的位置关系，这样，理论上可以利用至少三台阅读器来推定标签的位置。该方法类似于TOA定位，其基于强度测量的RFID定位的数学求解方程为：

式中:k为RFID硬件系统性能所决定的常数。

基于RSSI的RFID定位是以电磁波强度值为观测量来实现的，因而容易受到非视距传播干扰(NonLineofSight,NLOS)的其他干扰因素的影响，但在视距传播较好的条件下,在定位精度要求不高的应用环境中还是可以满足要求。

2.5  基于空间划分的定位

根据阅读器自身参数的不同(如工作频率、增益系数等)，阅读器系统(包括天线)具有其自身的识读范围，对该范围内的标签，阅读器可以实现正常的识读，而超出该范围，阅读器则无能为力。

根据这一特点，通过在定位空间中合理布置一定数量的阅读器系统，用不同的阅读器将定位空间划分成若干子区域，通过轮询所有阅读器，就可以判定待定位标签所在的子区域。基于空间划分的定位(Are-aDivision,basedLocalization)可以满足一般低精度的定位需求。其定位原理如图5所示，图中的Read-er代表阅读器,Tag代表RFID标签，虚线包含的范围是阅读器的识别范围。

这种定位系统实施较为容易，不需要对电磁波物理量进行测量，也基本不受非视距传播干扰的影响。但由于需要大量阅读器设备进行空间区域的划分，该系统的实施成本较高此外,该定位方法仅能体现定位目标的大致所在，定位精度一般,可满足某些精度要求不高的应用。该定位方法实施的关键是合理部署阅读器硬件系统。

3  结语

本文通过对基于RFID的智能家居用户定位技术的分析认为，基于空间划分的定位系统是比较好的选择。该系统相比其他系统而言，对硬件要求不高，可操作性强,有较强的抗干扰能力，定位精度也基本能够达到要求，具有一定的实用价值。