基于打印电子的ChiplessRFID的3D定位方法
基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种基于打印电子技术的无芯片（Chipless)RFID的3D定位方法，主 要应用于室内物品之间的定位技术，属于无线通信及室内定位技术领域。
【背景技术】：
[0002] 打印电子技术具有高效、快速和便捷等优势，可以广泛用于各类电子产品的打印 上，例如二极管、M0S管及微波器件和各种电路的打印上，因此将打印电子技术的应用于 RFID的设计和加工上具有很好的应用价值和商业前景。
[0003] RFID(射频标签）在万物互联中一直被提至很高的位置，被认为是万物互联的基 础之一，因此过去的几年中在学术圈和企业界被广泛的研宄，也被寄予厚望。然而多年过 去，RFID在我们日常生活中用的却不是很多，恰恰相反，简单的条形码和二维码在人们生活 中却是无处不在，包括图书馆书籍、火车票，各种商品标签等等，无所不包。
[0004] 当研宄者在反思为何作用距离远、效率高的RFID无法取代条形码和二维码时候， 发现成本是最主要因素，一个普通的RFID成本为近1美金，而条形码和二维码成本几乎为 零，那么在无需远距离作用和定位时候，人们更愿意花不多的力气来使用稍微麻烦的条形 码和二维码。同时在很多大量需要使用标签的地方，例如图书馆、仓库等地方，由于RFID成 本原因导致很多原本更适合使用RFID地方不选择RFID。
[0005] 研宄者一直在寻找一种既有RFID远距离识别功能又有条形码和二维码的低成 本东西，这时，ChiplessRFID就孕育而生。ChiplessRFID是指无芯片射频标签，传统的 RFID的主要成本来源于其内部储存信息的芯片，如果可以利用射频标签本身的结构来物 理储存标签识别信息的话，那么就可以省去内部的芯片，这样就可以使得RFID的成本大大 减低。然而任何事情都不可能一下子很完美，ChiplessRFID的研宄也存在诸多难点，包 括如何将RFID成本降至条形码和二维码、如何在无源情况下实现高的信息储存量、如何实 现自身定位功能等，而目前现有ChiplessRFID基本利用PCB工艺实现，有文献（Arnaud Vena，etl，"DesignofChiplessRFIDTagsPrintedonPaperbyFlexography''，IEEE TransactionsonAntennasandPropagation，Vol. 61，No. 12，Dec. 2013)报道实现在 纸张上打印金属厚度5微米，为目前最厚的，但是文中的技术是利用无电沉积金属铜，不 是直接利用打印机直接打印；同时文献（Rubayet-E-AzimAnee，andNemaiC.Karmakar， ''ChiplessRFIDTagLocalization"IEEETrans.Microw.TheoryTechn. ,vol. 61,no. 11, pp.4008-4017，Nov. 2013)报道了最新的关于ChiplessRFID定位技术，但是这里还只涉及 到ChiplessRFID的二维定位方法。
【发明内容】
：
[0006] 为了解决【背景技术】中存在的成本问题，本发明利用打印电子技术来加工打印射频 标签，可以在满足器件的射频同时，极大的减低加工成本，同时实现便捷、快速和方便的标 签加工。利用在传统打印机上加金属纳米粉，在特定的纸张或者PET材料上打印需要的金 属结构。
[0007] 为了解决【背景技术】中存在的无芯片标签信息量储存问题，本发明利用多个 ChiplessRFID标签进行级联，实现高信息储存功能。该单个天线由两部分组成，天线单元 结构（9)和短截线（10)，其中天线单元结构（9)产生一个固定的频率，而结构（10)长度的 变化可以改变天线的相位，不改变天线单位的辐射频率。这样如果一个天线单位结构固定， 改变短截线来实现天线的相位变化，短截线长度的改变会很明显的改变天线辐射频率的相 位，利用鉴相器可以容易的捕捉到天线相位的变化，如果一个天线单元相位变化10次，3个 天线单元级联一起就可以实现1〇 3次，如果有N个天线单元，则可以实现1(^次不同信息量， 如果是N个天线单元，每个天线单元的相位变化n次，那么级联起来的天线标签可以实现Nn 次信息量。
[0008] 为了解决【背景技术】中ChiplessRFID标签自身三维定位方法，本发明借鉴传统的 定位技术和文献"ChiplessRFIDTagLocalization"的方法，提出了ChiplessRFID的定 位方法。在空间内等角度布置N个点，组成一个圆，并在各个点上放置一个读取信息的读写 器，通过读写器发射信号，被ChiplessRFID标签接收并反射回读写器，读出电磁波在这个 过程的时间差，并由此计算出读写器与标签之间的距离，利用3个以上在不同位置角度的 读写器，可以获得3个方程式，可以计算出标签所在的位置，包括距离，水平方位角，垂直方 位角。
[0009] 技术方案：
[0010] 基于打印电子的ChiplessRFID定位系统中的标签是利用在喷墨打印墨水里加 纳米银颗粒，纳米银颗粒的尺寸大小为10 = 20纳米，利用湿化学方法实现，并在墨水中占 30 %的体积比。利用该墨水可以直接打印出需要的金属标签结构。
[0011] ChiplessRFID标签设计为3个微带天线级联的形式，为了获得不同频率点，每个 天线的大小尺寸不一样，当天线结构尺寸确定后，利用天线结构中的微带短截线（10)来实 现天线相位的调整，微带短截线长度的变化，对天线的谐振频率不会产生任何影响。这里短 截线（10)长度从〇mm变化到12mm，则相位变化了 100度，如果使用的鉴相器的精度是10度 的话，那么可以产生1〇3种不同的信息量，如果鉴相器的精度是1度的话，则可以产生10 1(1种 信息量。
[0012] ChiolessRFID定位方法是，首先读写器天线与标签的距离是由延迟信号时间计 算出来，读写器天线发射出去的信号到达标签再从标签发射到读写器天线上，这一延迟时 间可以由仪器读出，那么计算出来的距离可以表示如下形式，
[0013] rj= 11Xc/2 (1)
[0014] 这里巧表示读写器天线到标签之间的距离，tt表示延迟的时间，c表示光速。标 签的计算位置是由三个读写器决定的，一旦标签和读写器之间的距离确定后，标签的位置 就可以被计算出来。标签与读写器天线之间的位置关系可以用下面的公式表示，
[0015] (rtsin0tcos<}& gt;t-Rcos<}>j) 2+ (rtsin0tsin<}>t-Rsin<i>j) 2=rt2~(rtcos<}> t)2
[0016] (2)
[0017] 该公式中ivR和奶是已知的，而参数rt，0t和奶是需要计算的，这里的rt表示中 心圆点到标签的距离，R表示读写器天线所在的参考圆半径，tt表示信号从读写器天线到标 签的时间，这里需要最少的是3个读写器天线，可以由此组成3个表达式，如下，
[0019] 这里巧表示读写器天线1与读写器天线2之间的距离，r2表示读写器天线2与读 写器天线3之间的距离，
[0020]扩展并重新整理公式（3)，可以获得以下的表达式，
[0022] 表达式（4)可以进一步写成如下的矩阵形式，
[0024]从表达式⑴和（4)，可以计算出rt，0肩A，从而这里标签的位置可以获得。
【附图说明】：
[0025] 图1是ChiplessRFID系统示意图，包括读写器，发射和接收信号的天线，射频标 签等结构，
[0026] 图2是chiplessRFID系统3D定位示意图，包括3个读写器天线，1个射频标签，
[0027]图3是射频标签结构图，即单个微带天线结构示意图，包括天线结构（9)和微带短 截线结构（10)，
[0028]图4是级联的射频标签图，为3个级联的微带天线结构，
[0029] 图5是级联标签的回波损耗射频响应图，
[0030] 图6是单个天线标签在0mm，6mm，12mm的对应相位图。
【具体实施方式】：
[0031] 这里设计标签的谐振频率为4. 5GHz，其中尺寸：结构（1)为42. 5mm，结构（2)为 43. 5mm，结构（4)为 2. 2mm，结构（5)为 21mm，结构（6)为lmm〇
[0032] 这里定义巾$ 〇度，巾2为120度，0 3为240度，0 " 0 2, 0 3为90度。根据表 达式⑴，距离r可以由延迟时间计算出来。当R确定，r1，r2和r3可以由表达式⑴获得， 而标签的角度位置信息可以由表达式（3)获得。
[0033] a)当R半径选择1米时，
[0034] 可以测试到ri，1~2和r3分别为1. 4米，1. 4米和1. 4米，通过估算可以得出0 ,为 0度，巾AX，即标签位于该球面顶端点，
[0035] 当测试到1~2和r3分别为1. 6米，1. 6米和1. 6米，通过估算可以得出0t为30 度，巾A120度，
[0036] 当测试到iv1~2和r3分别为1. 56米，1. 2米和1. 2米，通过估算可以得出0 ,为27 度，300 度，
[0037] b)当R半径选择0. 6米时，
[0038] 当测试到ri，rdPr3分别为0.7米，1米和0.4米，通过估算可以得出0 ,为46度， <^为1〇2度，
[0039] 当测试到1'1，1'2和1' 3分别为1米，〇.8米和〇.5米，通过估算可以得出01为38度， 巾力193度，
[0040] 当测试到r2和;r3分别为0. 5米，1. 1米和0. 6米，通过估算可以得出0t为30 度，巾76度，
[0041]c)当R半径选择0? 4米时，
[0042] 当测试到iv1~2和r3分别为0. 2米，0. 6米和0. 65米，通过估算可以得出0 ,为30 度，326 度，
[0043] 当测试到iv1~2和r3分别为0.5米，0.5米和0.7米，通过估算可以得出0 ,为26 度，300 度，
[0044] 当测试到1~2和r3分别为0.7米，0.5米和0.3米，通过估算可以得出0t为43 度，220 度，
[0045] 上述仅为几个例子，若想测试不同位置标签信息，可以通过测试读写器和标签之 间的距离，利用至少3个读写器天线就可以计算出标签所对应的位置信息。
【主权项】
1. 基于打印电子的ChiplessRFID(无芯片射频身份识别）三维定位技术，包括 ChiplessRFID的结构设计，ChiplessRFID标签的打印和定位方法，其特征在于Chipless RFID标签结构由微带天线结构（9)和微带短截线结构（10)组成，微带短截线（10)长度不 影响微带天线（9)的谐振频率，微带短截线（10)长度可以调整，用于改变天线（9)的相位； 多个标签级联用于实现高容量的标签信息编码。2. 根据权利要求1所述的基于打印电子的ChiplessRFID三维定位技术，其特征在于 ChiplessRFID标签结构是利用印刷技术如喷墨打印机打印上去的，印刷墨水是由导电墨 水如纳米银颗粒调制而成的。3. 根据权利要求1所述的基于打印电子的ChiplessRFID三维定位技术，其特征在于 基于至少3个读写器天线，利用计算天线与标签之间的距离，并利用标签坐标点、天线坐标 点及读写器天线所在圆的中心点，建立关系式；由至少三个不同位置的读写器天线构成至 少三个距离关系式，三个关系式子，可以求出三个变量，三个变量即标签到天线所在的圆点 距离、标签所在的平面方位角度、标签所在的垂直面角度。
【专利摘要】基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法属于无线通信和物联网领域。该技术包括Chipless RFID打印、高信息含量的Chipless RFID设计、Chipless RFID的3D定位方法。设计高信息容量的Chipless RFID标签结构，并利用研制的纳米银颗粒试剂作为打印的墨水，实现在纸张或者PET材料上打印所需要的器件，利用至少3个读写器天线读取天线至标签结构的距离，建立对应的数学模型，估算标签所在的位置信息。利用打印电子技术实现的Chipless RFID及3D定位技术具有，a)标签加工简单方便，b)Chipless RFID标签信息量储存高，c)本发明借鉴传统的定位技术和文献“Chipless RFID Tag Localization”的方法，提出了Chipless RFID的定位方法，可以实现无芯片RFID定位问题。
【IPC分类】G06K19/06, G06K17/00
【公开号】CN104899617
【申请号】CN201510196764
【发明人】杨军, 张乃柏
【申请人】杨军, 张乃柏
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月24日
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种基于打印电子技术的无芯片（Chipless)RFID的3D定位方法，主 要应用于室内物品之间的定位技术，属于无线通信及室内定位技术领域。
【背景技术】：
[0002] 打印电子技术具有高效、快速和便捷等优势，可以广泛用于各类电子产品的打印 上，例如二极管、M0S管及微波器件和各种电路的打印上，因此将打印电子技术的应用于 RFID的设计和加工上具有很好的应用价值和商业前景。
[0003] RFID(射频标签）在万物互联中一直被提至很高的位置，被认为是万物互联的基 础之一，因此过去的几年中在学术圈和企业界被广泛的研宄，也被寄予厚望。然而多年过 去，RFID在我们日常生活中用的却不是很多，恰恰相反，简单的条形码和二维码在人们生活 中却是无处不在，包括图书馆书籍、火车票，各种商品标签等等，无所不包。
[0004] 当研宄者在反思为何作用距离远、效率高的RFID无法取代条形码和二维码时候， 发现成本是最主要因素，一个普通的RFID成本为近1美金，而条形码和二维码成本几乎为 零，那么在无需远距离作用和定位时候，人们更愿意花不多的力气来使用稍微麻烦的条形 码和二维码。同时在很多大量需要使用标签的地方，例如图书馆、仓库等地方，由于RFID成 本原因导致很多原本更适合使用RFID地方不选择RFID。
[0005] 研宄者一直在寻找一种既有RFID远距离识别功能又有条形码和二维码的低成 本东西，这时，ChiplessRFID就孕育而生。ChiplessRFID是指无芯片射频标签，传统的 RFID的主要成本来源于其内部储存信息的芯片，如果可以利用射频标签本身的结构来物 理储存标签识别信息的话，那么就可以省去内部的芯片，这样就可以使得RFID的成本大大 减低。然而任何事情都不可能一下子很完美，ChiplessRFID的研宄也存在诸多难点，包 括如何将RFID成本降至条形码和二维码、如何在无源情况下实现高的信息储存量、如何实 现自身定位功能等，而目前现有ChiplessRFID基本利用PCB工艺实现，有文献（Arnaud Vena，etl，"DesignofChiplessRFIDTagsPrintedonPaperbyFlexography''，IEEE TransactionsonAntennasandPropagation，Vol. 61，No. 12，Dec. 2013)报道实现在 纸张上打印金属厚度5微米，为目前最厚的，但是文中的技术是利用无电沉积金属铜，不 是直接利用打印机直接打印；同时文献（Rubayet-E-AzimAnee，andNemaiC.Karmakar， ''ChiplessRFIDTagLocalization"IEEETrans.Microw.TheoryTechn. ,vol. 61,no. 11, pp.4008-4017，Nov. 2013)报道了最新的关于ChiplessRFID定位技术，但是这里还只涉及 到ChiplessRFID的二维定位方法。
【发明内容】
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[0006] 为了解决【背景技术】中存在的成本问题，本发明利用打印电子技术来加工打印射频 标签，可以在满足器件的射频同时，极大的减低加工成本，同时实现便捷、快速和方便的标 签加工。利用在传统打印机上加金属纳米粉，在特定的纸张或者PET材料上打印需要的金 属结构。
[0007] 为了解决【背景技术】中存在的无芯片标签信息量储存问题，本发明利用多个 ChiplessRFID标签进行级联，实现高信息储存功能。该单个天线由两部分组成，天线单元 结构（9)和短截线（10)，其中天线单元结构（9)产生一个固定的频率，而结构（10)长度的 变化可以改变天线的相位，不改变天线单位的辐射频率。这样如果一个天线单位结构固定， 改变短截线来实现天线的相位变化，短截线长度的改变会很明显的改变天线辐射频率的相 位，利用鉴相器可以容易的捕捉到天线相位的变化，如果一个天线单元相位变化10次，3个 天线单元级联一起就可以实现1〇 3次，如果有N个天线单元，则可以实现1(^次不同信息量， 如果是N个天线单元，每个天线单元的相位变化n次，那么级联起来的天线标签可以实现Nn 次信息量。
[0008] 为了解决【背景技术】中ChiplessRFID标签自身三维定位方法，本发明借鉴传统的 定位技术和文献"ChiplessRFIDTagLocalization"的方法，提出了ChiplessRFID的定 位方法。在空间内等角度布置N个点，组成一个圆，并在各个点上放置一个读取信息的读写 器，通过读写器发射信号，被ChiplessRFID标签接收并反射回读写器，读出电磁波在这个 过程的时间差，并由此计算出读写器与标签之间的距离，利用3个以上在不同位置角度的 读写器，可以获得3个方程式，可以计算出标签所在的位置，包括距离，水平方位角，垂直方 位角。
[0009] 技术方案：
[0010] 基于打印电子的ChiplessRFID定位系统中的标签是利用在喷墨打印墨水里加 纳米银颗粒，纳米银颗粒的尺寸大小为10 = 20纳米，利用湿化学方法实现，并在墨水中占 30 %的体积比。利用该墨水可以直接打印出需要的金属标签结构。
[0011] ChiplessRFID标签设计为3个微带天线级联的形式，为了获得不同频率点，每个 天线的大小尺寸不一样，当天线结构尺寸确定后，利用天线结构中的微带短截线（10)来实 现天线相位的调整，微带短截线长度的变化，对天线的谐振频率不会产生任何影响。这里短 截线（10)长度从〇mm变化到12mm，则相位变化了 100度，如果使用的鉴相器的精度是10度 的话，那么可以产生1〇3种不同的信息量，如果鉴相器的精度是1度的话，则可以产生10 1(1种 信息量。
[0012] ChiolessRFID定位方法是，首先读写器天线与标签的距离是由延迟信号时间计 算出来，读写器天线发射出去的信号到达标签再从标签发射到读写器天线上，这一延迟时 间可以由仪器读出，那么计算出来的距离可以表示如下形式，
[0013] rj= 11Xc/2 (1)
[0014] 这里巧表示读写器天线到标签之间的距离，tt表示延迟的时间，c表示光速。标 签的计算位置是由三个读写器决定的，一旦标签和读写器之间的距离确定后，标签的位置 就可以被计算出来。标签与读写器天线之间的位置关系可以用下面的公式表示，
[0015] (rtsin0tcos<}& gt;t-Rcos<}>j) 2+ (rtsin0tsin<}>t-Rsin<i>j) 2=rt2~(rtcos<}> t)2
[0016] (2)
[0017] 该公式中ivR和奶是已知的，而参数rt，0t和奶是需要计算的，这里的rt表示中 心圆点到标签的距离，R表示读写器天线所在的参考圆半径，tt表示信号从读写器天线到标 签的时间，这里需要最少的是3个读写器天线，可以由此组成3个表达式，如下，
[0019] 这里巧表示读写器天线1与读写器天线2之间的距离，r2表示读写器天线2与读 写器天线3之间的距离，
[0020]扩展并重新整理公式（3)，可以获得以下的表达式，
[0022] 表达式（4)可以进一步写成如下的矩阵形式，
[0024]从表达式⑴和（4)，可以计算出rt，0肩A，从而这里标签的位置可以获得。
【附图说明】：
[0025] 图1是ChiplessRFID系统示意图，包括读写器，发射和接收信号的天线，射频标 签等结构，
[0026] 图2是chiplessRFID系统3D定位示意图，包括3个读写器天线，1个射频标签，
[0027]图3是射频标签结构图，即单个微带天线结构示意图，包括天线结构（9)和微带短 截线结构（10)，
[0028]图4是级联的射频标签图，为3个级联的微带天线结构，
[0029] 图5是级联标签的回波损耗射频响应图，
[0030] 图6是单个天线标签在0mm，6mm，12mm的对应相位图。
【具体实施方式】：
[0031] 这里设计标签的谐振频率为4. 5GHz，其中尺寸：结构（1)为42. 5mm，结构（2)为 43. 5mm，结构（4)为 2. 2mm，结构（5)为 21mm，结构（6)为lmm〇
[0032] 这里定义巾$ 〇度，巾2为120度，0 3为240度，0 " 0 2, 0 3为90度。根据表 达式⑴，距离r可以由延迟时间计算出来。当R确定，r1，r2和r3可以由表达式⑴获得， 而标签的角度位置信息可以由表达式（3)获得。
[0033] a)当R半径选择1米时，
[0034] 可以测试到ri，1~2和r3分别为1. 4米，1. 4米和1. 4米，通过估算可以得出0 ,为 0度，巾AX，即标签位于该球面顶端点，
[0035] 当测试到1~2和r3分别为1. 6米，1. 6米和1. 6米，通过估算可以得出0t为30 度，巾A120度，
[0036] 当测试到iv1~2和r3分别为1. 56米，1. 2米和1. 2米，通过估算可以得出0 ,为27 度，300 度，
[0037] b)当R半径选择0. 6米时，
[0038] 当测试到ri，rdPr3分别为0.7米，1米和0.4米，通过估算可以得出0 ,为46度， <^为1〇2度，
[0039] 当测试到1'1，1'2和1' 3分别为1米，〇.8米和〇.5米，通过估算可以得出01为38度， 巾力193度，
[0040] 当测试到r2和;r3分别为0. 5米，1. 1米和0. 6米，通过估算可以得出0t为30 度，巾76度，
[0041]c)当R半径选择0? 4米时，
[0042] 当测试到iv1~2和r3分别为0. 2米，0. 6米和0. 65米，通过估算可以得出0 ,为30 度，326 度，
[0043] 当测试到iv1~2和r3分别为0.5米，0.5米和0.7米，通过估算可以得出0 ,为26 度，300 度，
[0044] 当测试到1~2和r3分别为0.7米，0.5米和0.3米，通过估算可以得出0t为43 度，220 度，
[0045] 上述仅为几个例子，若想测试不同位置标签信息，可以通过测试读写器和标签之 间的距离，利用至少3个读写器天线就可以计算出标签所对应的位置信息。
【主权项】
1. 基于打印电子的ChiplessRFID(无芯片射频身份识别）三维定位技术，包括 ChiplessRFID的结构设计，ChiplessRFID标签的打印和定位方法，其特征在于Chipless RFID标签结构由微带天线结构（9)和微带短截线结构（10)组成，微带短截线（10)长度不 影响微带天线（9)的谐振频率，微带短截线（10)长度可以调整，用于改变天线（9)的相位； 多个标签级联用于实现高容量的标签信息编码。2. 根据权利要求1所述的基于打印电子的ChiplessRFID三维定位技术，其特征在于 ChiplessRFID标签结构是利用印刷技术如喷墨打印机打印上去的，印刷墨水是由导电墨 水如纳米银颗粒调制而成的。3. 根据权利要求1所述的基于打印电子的ChiplessRFID三维定位技术，其特征在于 基于至少3个读写器天线，利用计算天线与标签之间的距离，并利用标签坐标点、天线坐标 点及读写器天线所在圆的中心点，建立关系式；由至少三个不同位置的读写器天线构成至 少三个距离关系式，三个关系式子，可以求出三个变量，三个变量即标签到天线所在的圆点 距离、标签所在的平面方位角度、标签所在的垂直面角度。
【专利摘要】基于打印电子的Chipless RFID的3D定位方法属于无线通信和物联网领域。该技术包括Chipless RFID打印、高信息含量的Chipless RFID设计、Chipless RFID的3D定位方法。设计高信息容量的Chipless RFID标签结构，并利用研制的纳米银颗粒试剂作为打印的墨水，实现在纸张或者PET材料上打印所需要的器件，利用至少3个读写器天线读取天线至标签结构的距离，建立对应的数学模型，估算标签所在的位置信息。利用打印电子技术实现的Chipless RFID及3D定位技术具有，a)标签加工简单方便，b)Chipless RFID标签信息量储存高，c)本发明借鉴传统的定位技术和文献“Chipless RFID Tag Localization”的方法，提出了Chipless RFID的定位方法，可以实现无芯片RFID定位问题。
【IPC分类】G06K19/06, G06K17/00
【公开号】CN104899617
【申请号】CN201510196764
【发明人】杨军, 张乃柏
【申请人】杨军, 张乃柏
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月24日
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