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作者:吳秉洲(2009-01-13);推薦:黃英哲,徐業良(2009-01-20)

RFID原理及定位演算法簡介

本文簡介RFID的原理與特性,以及TDOA定位演算法如何利用RFID進行定位。

1.     RFID的原理與特性

RFID(Radio Frequency Identification)無線射頻辨識是由感應器(Reader)RFID標籤(Tag)所組成的系統,將一極小的IC晶片貼附於物品上,利用射頻技術將IC內儲存之辨識資料傳遞至系統端,作為軍事、醫療、收費、生產系統、貨櫃、防竊、門禁、包裹、檔案、自動倉儲、文件管理、物品管理、入場券、門票、統計、查核、結帳、存貨控制等用途,其用途可從軍事、工業用延伸至民生消費性產品,範圍極為廣闊。

RFID運作的原理是利用感應器發射無線電波,觸動感應範圍內的RFID標籤,藉由電磁感應產生電流,供應RFID標籤上的晶片運作並發出電磁波回應感應器。以驅動能量來源區別,RFID標籤可分為主動式及被動式兩種。被動式的標籤本身沒有電池的裝置,所需電流全靠感應器的無線電波電磁感應產生,所以只有在接收到感應器發出的訊號才會被動的回應感應器;而主動式的標籤內置有電池,可以主動傳送訊號供感應器讀取,訊號傳送範圍也相對的比被動式廣。

RFID與在傳統流通業供應鏈管理扮演重要角色的商品條碼(Barcode)相較而言,RFID技術具備了數據的讀寫(Read Write)機能、小型化和多樣化的形狀、耐環境性、可重複使用、穿透性、可儲存大量資料等優點。

Ÿ         數據的讀寫(Read Write)機能

只要通過RFID Reader,即可不需接觸、直接讀取訊息至數據庫內,且可一次處理多個標籤,並可以將物流處理的狀態寫入標籤,供下一階段物流處理的讀取判斷之用。

Ÿ         容易小型化和多樣化的形狀

RFID在讀取上並不受尺寸大小與形狀之限制,不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。此外,RFID標籤更可往小型化與多樣型態發展,以應用在不同產品。

Ÿ         耐環境性

紙張一受到髒污就會看不到,但RFID對水、油和藥品等物質卻有強力的抗污性,RFID在黑暗或髒污的環境之中,也可以讀取數據。

Ÿ         可重複使用

由於RFID為電子數據,可以反覆被覆寫,因此可以回收標籤重複使用。如被動式RFID,不需要電池就可以使用,沒有維護保養的需要。

Ÿ         穿透性

RFID若被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質包覆的話,也可以進行穿透性通訊。不過如果是鐵質金屬的話,就無法進行通訊。

Ÿ         數據的記憶容量大

未來物品所需攜帶的資料量愈來愈大,對卷標所能擴充容量的需求也增加。RFID數據容量會隨著記憶規格的發展而擴大,不會受到限制。

2.     TDOA定位演算法

TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技術的基本原理是利用雙曲線的特性,雙曲線上的點到兩焦點距離之差為定值。設兩接收端(基地台)測量到的訊號源(行動台)訊號到達時間差為,則為接收端與接收端測量到的訊號傳播距離差值為:

                                                                     (1)

其中為光速,為接收端測量到的訊號傳播距離和為接收端測量到的訊號傳播距離,且在這裡假設的距離大於

根據雙曲線的原理可知:

                                   (2)

如圖1所示,若有兩組基地台進行TDOA的測量,則可得聯立雙曲線方程組:

                                 (3)

解出(x, y)即是行動台位置。

1 接收器與訊號源的相關位置圖

由此可知,TDOA多接收器無線定位系統的定位方式,亦可分為兩步驟:首先利用各種時延估測的技術,盡量精確的測得兩基地台接收到的訊號到達時間差,再將之轉換成距離,並代入雙曲線的方程式中,形成一組聯立雙曲線方程式;第二步則是利用有效且快速的運算法則求得此聯立方程組的解,此解即為行動台位置。

此方法利用RFID只需要一個感應器(行動台)和數個RFID標籤(基地台),可以減少成本又能算出位置所在,但也會因為TOA的估測誤差,而影響定位的誤差,且TDOA運算過程較其他演算法繁雜。