Можно ли использовать UHF RFID для высокоточного позиционирования?
Позвольте мне сначала дать вам ответ. UHF RFID может использоваться для высокоточного позиционирования, но точность составляет около 1 метра.
UHF RFID используется как решение для позиционирования. Основным устройством является считыватель, использующий фазированную антенную решетку. Принцип фазированной антенной решетки подробно описан в книге Ган Цюаня «Продукты и приложения технологии UHF RFID для Интернета вещей». Мы процитируем соответствующее содержание.
Принцип работы фазированной антенной решетки
Фазовая антенна, также известная как фазированная антенная решетка, относится к антенне, которая изменяет форму диаграммы направленности путем управления фазой подачи излучающего блока в антенной решетке. Управление фазой может изменить направление максимального значения диаграммы направленности антенны для достижения цели сканирования луча. Можно просто понять, что традиционная антенна имеет только одну фиксированную диаграмму направленности, в то время как антенная решетка может иметь несколько диаграмм направленности в разных направлениях. Когда фазированная антенная решетка используется в сверхвысокой частоте RFID-система, одна антенна может быть преобразована в несколько антенн в разных направлениях. На следующем рисунке показана диаграмма излучения шлюза с фазированной антенной решеткой. Исходная ось излучения главного лепестка антенны θ=0°. После регулировки фазы указанного блока излучения в антенной решетке ось излучения главного лепестка отклонится, и максимальное отклонение может составить 45°. По сравнению с традиционным решением, покрытие шлюза с фазированной решеткой с использованием решения, показанного на рисунке ниже, значительно увеличилось. Исходный угол излучения 3 дБ составлял 30°, а теперь он стал 120°.
Диаграмма излучения шлюза фазированной антенной решетки
Конкретную работу шлюза с фазированной решеткой можно понять как превращение однопортового считывателя в многопортовый считыватель (сколько комбинаций фаз соответствуют скольким портам). Исходный однопортовый считыватель может подключаться только к одной антенне, и диапазон излучения фиксирован, в то время как многопортовый считыватель может подключаться ко многим антеннам, и каждая антенна имеет разный диапазон излучения. Этот многопортовый считыватель может выбирать область для сканирования в соответствии с потребностями и запускать соответствующий порт для передачи сигнала через соответствующую антенну для покрытия указанной области.
Функция позиционирования фазированной антенной решетки
Относительно функции позиционирования УВЧ RFID-считывателиВозьмем в качестве примера два распространенных на рынке шлюза с фазированной решеткой: xSpan и xArray компании Impinj.
xArray — это квадратный фазированный шлюз. Когда xArray подвешен на крыше, его зона покрытия представляет собой круг с 8 секторами и 52 областями излучения. Его можно просто понимать как считыватель с 52 портами, подключенный к 52 антеннам с различными областями излучения.
Диаграмма направленности луча xArray
xSpan — это прямоугольный шлюз с фазированной решеткой. Шлюз xSpan можно рассматривать как упрощенную версию xArray. Когда xSpan подвешен на крыше, область, которую он охватывает, представляет собой прямоугольник с общим количеством 13 зон излучения. Его можно просто понимать как считыватель с 13 портами, подключенный к антеннам в 13 различных зонах излучения.
xSpan диаграмма направленности луча
В реальной среде области излучения соседних номеров перекрывают друг друга. Когда один и тот же тег идентифицируется в нескольких пронумерованных областях излучения, конкретное местоположение тега может быть вычислено по размеру RSSI. Процесс расчета заключается в преобразовании разницы RSSI в разницу расстояний, а затем реализации его через алгоритм многоточечного позиционирования. Конечно, тег, скорее всего, попадет в область излучения с наибольшим значением RSSI.
Самая большая функция шлюза фазированной решетки — позиционирование, оценка местоположения и движения объекта. На следующем рисунке показано движение метки, которое могут отслеживать xSpan и xArray. Среди них xSpan может отслеживать движение метки только в одном направлении оси, тогда как xArray может отслеживать движение метки в нескольких разных направлениях.
Отслеживание направления шлюза с фазированной решеткой
Для обеспечения отслеживания объектов в реальном времени необходимо обеспечить достаточную скорость переключения антенн. Даже если переключение составляет 50 мс каждый раз, сканирование всех областей излучения xArray занимает 2,5 с. Поэтому при применении отслеживания объектов следует гарантировать количество меток в поле. Если требуется высокоточное отслеживание, количество меток не должно превышать 20; если необходимо достичь высокоскоростного отслеживания, количество меток не должно превышать 50.
В реальных тестах есть определенные ошибки из-за различных причин. Измеренные данные в идеальной среде без окклюзии и отражения: есть вероятность ошибки 85% в пределах 1,5 метров. Ошибка будет больше в сложных условиях, особенно в розничных магазинах с отражениями от полок и стен, а также высотой укладки и размещения меток, что будет иметь большое влияние на точность теста. Однако, по сравнению с традиционными технологиями, использование шлюзов с фазированной решеткой значительно повышает точность и удобство позиционирования и поиска объектов.
Оптимизация точности позиционирования исследовательской группой Шанхайского университета Цзяотун в основном отражена на уровне алгоритма. В их решении им сначала необходимо считать фазовую информацию сигнала отражения метки через антенную решетку считывателя таких производителей, как Impinj, а затем оптимизировать алгоритм позиционирования на основе фазовой информации.
Точность позиционирования на уровне сантиметра, о которой сообщалось в новостях ранее, является эффектом, достигнутым в относительно идеальных условиях. Для достижения такой точности требуется множество специфических условий. Если это происходит в общей среде, то на основе оптимизации алгоритма это является крупным прорывом в повышении точности позиционирования решения позиционирования UHF RFID с примерно 1 метра до дециметрового уровня.
Какие сценарии подходят для высокоточного позиционирования UHF RFID
Точность позиционирования UHF RFID составляет около 1 м, что также относится к категории высокоточных технологий позиционирования. В настоящее время беспроводная технология позиционирования с лучшей точностью позиционирования на рынке — это UWB, которая может достигать точности позиционирования на уровне сантиметра в идеальной среде, но в реальных приложениях она, скорее всего, будет на уровне дециметра; в то время как точность позиционирования Bluetooth AoA составляет всего лишь метровый уровень, а точность технологии позиционирования Bluetooth следующего поколения «Channel Sounding» также составляет около 1 м, поэтому точность позиционирования UHF RFID неплохая.
