Какую точность может дать использование RFID в задаче определения местоположения?

Question

[Gudsaf]

Интересный для меня вопрос, думаю для сообщества на тостере он не столь сложен.

Пусть есть задача - определить точное местоположение объекта в пространстве на расстоянии 30 см. Решить эту задачу можно посредством любой из популярных технологий: берем три разнесенных антенны и исходя из скорости распространения сигнала определяем расстояние от точки распространения, до собственно каждой антенны - получаем вектор. Использовать для решения задачи можно много что, но мне вот интересен RFID.

Простые примеры с полей:

• машины на стоянке (приехали ли и на какой площадке стоят),
  
• группа объектов в корзине или в ящиках (тетради, ручки, ключи),
  
• *место для твоей фантазии*
  

Насколько точно можно (порядок: метры, сантиметры, миллиметры,...) используя RFID определить местоположение метки? Вообще может уже используют RFID в подобных задачах (было бы круто посмотреть на примеры)?
Я почитывал про технологию, и вот мне например интересен диапазон волн FCC (902-928 MHz) или же ETSI (866-868 MHz), UPD2: однако минимальная дистанция чтения метки для него, исходя из статьи - метр, что не подходит, по этому рассматриваются варианты с другой частотой, пока не ясно какой.

UPD1. Да, главное - метки пассивные, активные, это батюшка, мне кажется чай моветон.

Answer 1

[Dimonchik]

метры
в системах в магазинах давно уже

по-моему, до двух метров + пересечение периметра (ну это легко)

Comments

[Gudsaf]

много, нужен порядок миллиметров и ниже - надеюсь что-то еще подскажут в комментариях к вопросу другие люди, а пока сам поищу за бугром

[Dimonchik]

при миллиметрах, скорее всего, сварятся и отвалятся яйца

[pi314]

Gudsaf, Вопрос много раз размусоливали, в т.ч. и на Тостере - лень повторяться. Если кратко, то никакую, которая бы работало надежно. Триангуляцией - вообще никакую. И причина этого в физике, а не в конкретной технологии.

[Gudsaf]

pi314, хм, значит я плохо ищу - в моем понимании получить сигнал на три приемника и сравнить время за которое эти сигналы шли - задача простая, что не верно в моих предположениях? шум?

dimonchik2013, тут стоит уточнить, я в теме вопроса сейчас поправлю, дистанция работы не более 60 см в диаметре - не думаю что там нужно такое прям излучение, что оно будет варить яйца, либо опять же, как сказано выше - что-то наверное не так в моих предположениях.

[pi314]

Gudsaf, Скорость света (она же, скорость распространения поля) ~300 000км/с, длина волны для 868МГц ~36см. Даже если отвлечься от того, что для "радиуса действия" в 60см это может быть только антенна ближнего поля... т.е. еще даже не до конца отделившаяся от антенны волна, и задуматься, например, над тем, на каком процессоре нужно бы было считать time-of-flight для скорости света, чтоб получить хоть какие-то значимые результаты... Вы же, наверное, хотите еще и в реальном времени? Это уже не говоря о том, что на этих частотах огромное количество отражений от всего металлического, которые (отражения), как известно, разворачивают фазу на 180°. Надеюсь, уже достаточно информации для размышления над тем, почему это не лучшая идея ))
А чисто физически, единственное, что можно бы было использовать, это разница фазы. И такие решения действительно есть... но и они, в силу указанных выше причин, а также того, что радио-протокол RFID принципиально заточен под совсем иной сценарий, работают ненадежно и, скорее всего, не понравятся Вам своей ценой ))

[Gudsaf]

pi314, таким комментарием только еще больше заинтересовали))

• антена ближнего поля, что в ней такого? nfc работает на большей длине волны и нормально же
  
• процессор, логично, но там всего четыре высокоуровневые операции - опросить приемник, рассчитать расстояние, произвести математику над векторами, записать/передать дальше, тут возможно играть с частотой опроса тех же меток, придя к какому-то компромиссу - пусть они за период опроса переместятся на 4 мм, не критично.
  
• отражения, разворачивающие фазу - поле действия 60 см, а если быть верным то шаровый сектор - конус с радиусом не более 20 см, т.е. получаем уже вместо 60 см 30 см, все это опрашивается по циклам, через TDM
  
• разница фаз - я тупой, можно подробнее?
  
• UPD1: да, по каким-то причинам частота выбранная ранее в вопросе не подходит, исходя из указанной там же статьи, по этому можно учитывать другую частоту
  

[pi314]

Gudsaf, Ох, чую по вопросам, что мне сейчас придется конспективно излагать университетские курсы физики, электро- и радиотехники и антенностроения, а это - килограммы и килограммы заумных книжек )) Так что, все непонятные слова гуглите самостоятельно и разбирайтесь. Конкретно по вопросам:

- RFID-технологии различаются не только, и не столько частотой, но и, прежде всего, принципом связи интерогатора с меткой. В случае с NFC это индуктивная связь с нагрузочной модуляцией несущей. Означает, по сути, что их антенны, это две катушки, как в трансформаторе: поднесли друг к другу, магнитные потоки зацепились - есть связь. По законам физики, действующим в части Вселенной вокруг планеты Земля, это эффективно работает на расстоянии до нескольких сантиметров. В EPC-Gen2 - это настоящая радиосвязь с детектированием backscatter (отраженного антенной пассивной метки сигнала). Там совсем другие антенны - patch с круговой поляризацией или резонансная камера на интеррогаторе и разнообразные вариации электрически укороченного диполя в метке. Это работает на расстоянии до десятков метров, но в том, как именно работает, есть много подводных камней.

Далее... электромагнитная волна становится таковой (т.е. ЭМ-излучением, а не реактивным "зацеплением" одной антенны за другую) на расстоянии от антенны от λ/2π до 2λ. Ближним полем называется ближайшая к излучающей антенне часть этого пространства (подробности), т.е. именно та, в которой в вашем сценарии должно происходить все действо. Для связи на таких расстояниях "обычные" антенны не очень эффективны и в таких случаях используют специальные. Особенного в них только то, что они специально сконструированны для таких режимов работы ))

Далее... выбор частот, принципов работы и протоколов в этих технологиях обоснован необходимой скоростью передачи данных и конкретными сценариями использования. Определение положения в пространстве в эти сценарии никаким боком не входило - вот почему попытки запилить на их базе (а также, на базе Wi-Fi, Bluetooth и пр.) эти сценарии попадают в разряд забивания гвоздей отверткой, т.е. сделать нечто-примерно-кое-как работающее можно, а сделать что-то пригодное для использования нельзя. Да, и NFC и RFID не просто нормально, но и вполне даже хорошо работают для того, для чего предназначены, но никогда не будут даже приемлемо работать для определения положения в пространстве))

- То, что в абстрактной теории выглядит просто, на конкретной практике оказывается несколько сложнее )) Тупо "замерить время" распространения сигнала никак не получится, ни прямо (т.к. время распространения сигналов в схеме даже на один такт процессора будет в разы, если не на порядки больше того, которое нужно измерять), ни косвенно (т.к. у меток нет высокоточных синхронизированных часов, как, например, у спутников GPS). Так что, облом красивой теории наступит прямо в пункте "рассчитать расстояние" - рассчитать просто, но точность рассчета будет на порядки хуже необходимой. На всякий случай, чтоб два раза не вставать: по RSSI (уровню сигнала, или, точнее, SNR - соотношению сигнал/шум) тоже не получится - ни с необходимой, ни даже с хоть как-то приемлемой точностью, т.к. он зависит не только от реального расстояния между антеннами, но и от их взаимной ориентации в пространстве. Ну, а все эти чисто принципиальные проблемы вдобавок еще усугубляются и шумами-помехами-рефлексиями-интерференциями, характерными для этих частот.

- По остальным трем вопросам разом, чтоб развеять сомнения: т.к. расстояние от источника сигнала до трех принимающих антенн разное, один и тот же сигнал будет "принят" ими с некоторой разницей во времени, т.е. со сдвигом по фазе. Т.к. в нашем распоряжении еще нет секундомеров, работающих со сверхсветовыми скоростями, эта разница фазы - единственная реальная возможность вычислить расстояние, по которому потом триангулировать. Однако, плохая новость тут в том, что для ее определения нужна соответствующая схемотехника приемника, а т.к. (см. выше) технология для этого сценария не затачивалась, разработчики распространенных чипов приемников этим не заморачивались. И очень правильно поступали, ибо, для того, чтоб добиться хоть каких-то результатов на этих частотах (порядка метров), им пришлось бы сделать чипы стоимостью с автомобиль среднего класса. И такие действительно есть, но их ставят не в смартфоны-бытовуху, а в лабораторное оборудование, цены на которое начинаются с десятков штук евро.

Попутно: всяческие RTLS на базе Bluetooth, Wi-Fi, iBeacon-ов и иже с ними, которые дают хоть какие-то результаты (реально, порядка метров... в дни, когда расположение звезд благоприятно сочетается с фазой Луны), основаны не столько на принципе триангуляции, сколько на том, что в помещениях развернута целая сеть датчиков.

И, наконец, мораль всей истории - для заявленного сценария, где речь идет о сантиметрах, нужны:
- либо совершенно иные частоты, а именно, ультразвук (УЗИ, ассистенты парковки автомобилей), или СВЧ (локаторы автоматических дверей)
- либо совершенно иные принципы, вроде сканирования (3D сканнеры) или оптического распознавания образов / построения карт глубины (системы управления беспилотных автомобилей / Kinect)

[Gudsaf]

pi314, крутой ответ, буду писать по мере переваривания))

электромагнитная волна становится таковой на расстоянии от антенны от λ/2π до 2λ.

т.е. в идеале, если предположить что имеется какая-то слепая зона, пусть она радиусом порядка 5 см, что эквивалентно 0.05м, то длина волны должна быть от 0.31м (λ = 2*0.05*π = 0.31м ) до 0.025м (λ = 0.05/2 = 0.025м ), что соответствует частотам примерно от 1гГц до 12 гГц, тогда надо переезжать на свч, те же 2.45 гГц или 5гГц. Одно мне не понятно, почему разброс такой: от λ/2π до 2λ? кстати оно же и подтверждается вашей моралью))

нет высокоточных синхронизированных часов

если это пассивная метка, то в таком случае есть вариант делать двухэтапный замер на транспондере: время излучения сигнала -> время получения ответного сигнала - с частотой в 5гГц это наверное реально, правда вспоминая комментарий выше - яйца сварятся.

соответствующая схемотехника приемника

если таки отбросить вариант с варкой яиц, то что сие подразумевает? микросхема должна обладать какими-то особыми свойствами, какими?

ультразвук (УЗИ, ассистенты парковки автомобилей)

не знаю не знаю, но видимо это оно и есть: едем жить в америку

п.с. а за физику стыдно, зато фантазия из *опы, хоть отбавляй))

[pi314]

Gudsaf,

какая-то слепая зона

Она не слепая, скорее, наоборот, перенасыщенная энергией... и от этого там процессы распространения радиоволн еще не такие, как от начала дальнего поля и до бесконечности. Это как шланг для полива огорода: у самого распылителя происходит черти-что, а дальше - ровный поток капелек, движущихся равноускоренно, как в школьном учебнике физики. Ближнее поле - это как раз та зона, где с волнами происходит черти-что ))

почему разброс такой

Ближнее-дальнее - это достаточно условная классификация, вытекающая из законов физики. Конкретные расстояния зависят от размеров и типа антенны, и еще миллиона факторов, вплоть до состава краски (не шутка!)... Суть классификации в том, что, чем ближнем к антенне, тем больше преобладают реактивные процессы, потом они ослабевают и постепенно начинают преобладать процессы, свойственные для излучения, потом ("для верности") переходная зона, но после 2λ "гарантированно" можно пользоваться расчетами "как для электромагнитного поля". Если к этому еще учесть, что, на самом деле, нет никакой одной конкретной частоты, а есть бесконечное множество гармонических колебаний, то можно понять, что в физике потому и говорят о законах, а не о конкретных рецептах, что с их помощью можно только уверенно сказать, что можно ожидать, а чего точно ожидать нельзя, ну, и примерно рассчитать. А уж конкретная практическая радиотехника выше 1ГГц - это, вообще, смесь науки и шаманства... там только измерения и "доводка напильником по вкусу", в смысле, до работоспособности)) Но это совершенно не страшно, если с помощью законов можно уверенно сказать, что для этого применения такая частота не подходит в принципе - ничего не придется делать ))

есть вариант делать двухэтапный замер на транспондере

Такого варианта нет в силу многих причин. Делать замер на транспондере ничуть не проще, чем на передатчике - там те же законы физики, да, к тому же, маленькая тактовая частота и мало энергии. Пассивный транспондер питается от энергии электромагнитного поля и его чип должен быть экономным, дешевым и надежным. Он даже не генерирует свою несущую - просто шунтирует антенну, от чего она то хуже, то лучше рефлектирует это самое поле. Но принципиальная проблема даже не в этом, а в том, что что-нибудь измерить, означает, сравнить это что-то с чем-то известным. А транспондеру известно еще меньше, чем передатчику. И в радиопротоколе там тоже нет ничего константного по времени, к чему можно бы было привязаться, т.к. он предназначен для быстрого распознавания множества транспондеров с разрешением коллизий, и там есть тайминг, принципиально основанный на случайных числах. Повторяю, эта технология разрабатывалась для другого, и для этого ну просто никак, в смысле совсем не пригодна))

микросхема должна обладать какими-то особыми свойствами, какими?

Ее ВЧ-тракт должен быть построен так, чтоб принимать сигнал одновременно с нескольких антенн и определять разницу в фазе. А все распространенные микросхемы "имеют внутри" один вход/выход, которые просто очень быстро переключаются между несколькими физически подключенными антеннами (мультиплексор). Она там внутри тоже определяет разницу в фазе, но не от разных антенн, а между своим сигналом и ответом транспондера (это следует из протокола), так что воспользоваться этим для измерения расстояния никак не получится. Но выражение "очень быстро" не должно Вас вводить в заблуждение - речь не о волнах или битах радиопротокола, по которым можно бы было определить разницу в фазе, а о временнЫх слотах, за которые микросхема успевает полноценно пообщаться с дюжиной транспондеров. Если хотите узнать подробности, читайте описание протокола на официальном сайте GS1, но предупреждаю, что там все весьма заковыристо ))

это оно и есть

Очень похоже, только Soli, это не ультразвук, а, как и предполагалось, СВЧ - обычный радар на 60 ГГц. Обратите внимание, что Гугл не слепил его на базе какой-нибудь более-менее подходящей технологии, а именно таки разработал специализированный чип ))

[Gudsaf]

Ближнее поле - это как раз та зона, где с волнами происходит черти-что ))

Понятно. Ну, на частотах выше 2.4 ГГц уже не как по условиям задачи не окажешься в ближнем поле исходя из длины волны. Да, там я прогорел, с низкими частотами..

Про транспондер: такого варианта нет в силу многих причин.

Прошу извинить, я там был не прав, написал про одно, а думал про другое, то есть про передатчик, а не про метку - мысль была предатчиком делать двухэтапный замер

Ее ВЧ-тракт должен быть построен так, чтоб принимать сигнал одновременно с нескольких антенн и определять разницу в фазе. А все распространенные микросхемы "имеют внутри" один вход/выход, которые просто очень быстро переключаются между несколькими физически подключенными антеннами (мультиплексор).

Разве не решается отдельным МК на каждую антенну, три slave-МК параллельно снимают данные с тракта, и последовательно по шине передают информацию на master-МК. Черт с ним, три дополнительные антенны, это не так и много!

только Soli, это не ультразвук, а, как и предполагалось, СВЧ - обычный радар на 60 ГГц

Так ведь эти частоты, они не стандартизированны, да и 60ГГц - там-то точно яйца в крутую будут!