Kann UHF-RFID zur hochpräzisen Positionsbestimmung eingesetzt werden?
Lassen Sie mich Ihnen zunächst die Antwort geben. UHF-RFID kann zur hochpräzisen Positionierung verwendet werden, die Genauigkeit liegt jedoch bei etwa 1 Meter.
UHF-RFID wird als Positionierungslösung verwendet. Das Kerngerät ist der Leser mit einer Phased-Array-Antenne. Das Prinzip der Phased-Array-Antenne wird ausführlich in Gan Quans Buch „UHF-RFID-Technologieprodukte und -anwendungen für das Internet der Dinge“ beschrieben. Wir werden den relevanten Inhalt zitieren.
Prinzip der Phased-Array-Antenne
Eine Phasenarray-Antenne, auch als Phased-Array-Antenne bekannt, ist eine Antenne, die die Form des Richtmusters ändert, indem sie die Einspeisephase der Strahlungseinheit in der Array-Antenne steuert. Durch Steuern der Phase kann die Richtung des Maximalwerts des Richtmusters der Antenne geändert werden, um den Zweck der Strahlabtastung zu erreichen. Es lässt sich einfach verstehen, dass die herkömmliche Antenne nur ein festes Strahlungsmuster hat, während die Array-Antenne mehrere Strahlungsmuster in verschiedene Richtungen haben kann. Wenn eine Phased-Array-Antenne in einem Ultrahochfrequenzbereich verwendet wird RFID-System, eine Antenne kann in mehrere Antennen in verschiedene Richtungen umgewandelt werden. Die folgende Abbildung zeigt das Strahlungsdiagramm eines Gateways mit einer Phased-Array-Antenne. Die ursprüngliche Strahlungsachse der Hauptkeule der Antenne ist θ = 0°. Nachdem die Phase der angegebenen Strahlungseinheit in der Array-Antenne angepasst wurde, wird die Strahlungsachse der Hauptkeule abgelenkt und die maximale Ablenkung kann 45° betragen. Im Vergleich zur herkömmlichen Lösung wurde die Abdeckung des Phased-Array-Gateways mit der in der folgenden Abbildung gezeigten Lösung erheblich erhöht. Der ursprüngliche 3dB-Strahlungswinkel betrug 30° und beträgt jetzt 120°.
Strahlungsdiagramm des Phased-Array-Antennen-Gateways
Der spezifische Betrieb des Phased-Array-Gateways kann so verstanden werden, dass ein Single-Port-Reader zu einem Multi-Port-Reader wird (wie viele Phasenkombinationen entsprechen wie vielen Ports). Der ursprüngliche Single-Port-Reader kann nur an eine Antenne angeschlossen werden und die Strahlungsreichweite ist festgelegt, während der Multi-Port-Reader an viele Antennen angeschlossen werden kann und jede Antenne eine andere Strahlungsreichweite hat. Dieser Multi-Port-Reader kann den zu scannenden Bereich je nach Bedarf auswählen und den entsprechenden Port starten, um das Signal über die entsprechende Antenne zu übertragen und den angegebenen Bereich abzudecken.
Positionierungsfunktion für Phased-Array-Antennen
Zur Ortungsfunktion von UHF RFID-LesegeräteNehmen wir als Beispiele zwei gängige Phased-Array-Gateways auf dem Markt: xSpan und xArray von Impinj.
xArray ist ein quadratisches Phased-Array-Gateway. Wenn das xArray auf dem Dach aufgehängt wird, ist sein Abdeckungsbereich ein Kreis mit insgesamt 8 Sektoren und 52 Strahlungsbereichen. Es kann einfach als 52-Port-Lesegerät verstanden werden, das mit 52 Antennen mit unterschiedlichen Strahlungsbereichen verbunden ist.
xArray-Strahlmuster
xSpan ist ein rechteckiges Phased-Array-Gateway. Das xSpan-Gateway kann als vereinfachte Version des xArray betrachtet werden. Wenn xSpan auf dem Dach aufgehängt wird, ist die von ihm abgedeckte Fläche ein Rechteck mit insgesamt 13 Strahlungsbereichen. Vereinfacht kann man es als 13-Port-Lesegerät verstehen, das mit Antennen in 13 verschiedenen Strahlungsbereichen verbunden ist.
xSpan-Strahlmuster
In der tatsächlichen Umgebung überlappen sich die Strahlungsbereiche benachbarter Nummern. Wenn dasselbe Tag in mehreren nummerierten Strahlungsbereichen identifiziert wird, kann der genaue Standort des Tags anhand der RSSI-Größe berechnet werden. Der Berechnungsprozess besteht darin, die RSSI-Differenz in die Distanzdifferenz umzuwandeln und diese dann durch den Mehrpunkt-Positionierungsalgorithmus umzusetzen. Natürlich liegt das Tag wahrscheinlich im Strahlungsbereich mit dem größten RSSI-Wert.
Die wichtigste Funktion des Phased-Array-Gateways ist die Positionierung, also die Beurteilung der Position und Bewegung des Objekts. Die folgende Abbildung zeigt die Tag-Bewegung, die von xSpan und xArray verfolgt werden kann. Dabei kann xSpan die Tag-Bewegung nur in einer Achsenrichtung verfolgen, während xArray Tags verfolgen kann, die sich in mehrere verschiedene Richtungen bewegen.
Richtungsverfolgung für Phased-Array-Gateways
Um die Echtzeitverfolgung von Objekten zu gewährleisten, muss sichergestellt werden, dass die Antennenschaltgeschwindigkeit schnell genug ist. Selbst wenn die Umschaltung jedes Mal 50 ms beträgt, dauert es 2,5 s, um alle Strahlungsbereiche des xArray zu scannen. Daher muss bei der Anwendung der Objektverfolgung die Anzahl der Tags im Feld garantiert sein. Wenn eine hochpräzise Verfolgung erforderlich ist, sollte die Anzahl der Tags 20 nicht überschreiten; wenn eine Hochgeschwindigkeitsverfolgung erreicht werden soll, sollte die Anzahl der Tags 50 nicht überschreiten.
Bei tatsächlichen Tests treten aus verschiedenen Gründen bestimmte Fehler auf. Die Messdaten in einer idealen Umgebung ohne Okklusion und Reflexion lauten: Innerhalb von 1,5 Metern liegt ein Wahrscheinlichkeitsfehler von 85% vor. In komplexen Umgebungen ist der Fehler größer, insbesondere in Einzelhandelsgeschäften mit Regal- und Wandreflexionen sowie der Stapel- und Platzierungshöhe der Etiketten, was einen großen Einfluss auf die Testgenauigkeit hat. Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien verbessert die Verwendung von Phased-Array-Gateways jedoch die Genauigkeit und den Komfort bei der Objektpositionierung und -suche erheblich.
Die Optimierung der Positionierungsgenauigkeit durch das Forschungsteam der Shanghai Jiaotong University spiegelt sich hauptsächlich auf der Algorithmusebene wider. In ihrer Lösung müssen sie zunächst die Phaseninformationen des Tag-Reflexionssignals über die Lesearrayantenne von Herstellern wie Impinj lesen und dann den Positionierungsalgorithmus basierend auf den Phaseninformationen optimieren.
Die in den vorherigen Nachrichten berichtete Ortungsgenauigkeit im Zentimeterbereich ist der Effekt, der unter relativ idealen Bedingungen erreicht wird. Um eine solche Genauigkeit zu erreichen, sind viele spezifische Bedingungen erforderlich. In einer allgemeinen Umgebung ist es basierend auf der Optimierung des Algorithmus ein großer Durchbruch, die Ortungsgenauigkeit der UHF-RFID-Ortungslösung von etwa 1 Meter auf Dezimeterebene zu verbessern.
Welche Szenarien eignen sich für die hochpräzise Positionierung mit UHF-RFID?
Die Ortungsgenauigkeit von UHF-RFID beträgt etwa 1 m und gehört damit ebenfalls zur Kategorie der hochpräzisen Ortungstechnologie. Die derzeit beste Ortungsgenauigkeit auf dem Markt ist UWB. In idealen Umgebungen kann damit eine Ortungsgenauigkeit im Zentimeterbereich erreicht werden, in tatsächlichen Anwendungen liegt sie jedoch wahrscheinlich im Dezimeterbereich. Die Ortungsgenauigkeit von Bluetooth AoA liegt dagegen nur im Meterbereich und die Genauigkeit der Bluetooth-Ortungstechnologie der nächsten Generation „Channel Sounding“ beträgt ebenfalls etwa 1 m. Die Ortungsgenauigkeit von UHF-RFID ist also nicht schlecht.
