Phase-based RFID localization platform

Abstract

RFID technology has many professional applications, for example, in the fields of manufacturing, logistics, transportation, and the health sector. Cost-effective identification of people and objects has become an essential part of manufacturing processes. Since the identification process of RFID tags provides more situation-specific data than just a bare identification number, one may exploit this data to estimate the location of tagged people and objects.For localization applications, the UHF RFID technology is an appealing technology. Although not providing the localization accuracy of UWB systems, it offers reasonable accurcy at much lower implementation costs. As UHF RFID tags are compact, only cost a few cents, and do not require batteries due to being powered from the reader, those tags are considered an optimum choice for applications with millions of tags or with disposable tags.Several localization techniques for UHF RFID tags are known, e.g., phase-based, RSSI-based, or AoA-based. As the vast majority of algorithms do not consider the tags' movement as a parameter, the localization accuracy is inferior to expensive UWB systems. In order to gain comparable performance, one needs to put much more research in advanced algorithms, e.g., by considering a tag's possible movement trajectory.For creating a high accuracy localization system in pharmaceutical clean rooms, this thesis focuses on developing a measurement platform to acquire the tags' phase information by multiple reader antennas. The measurement platform is the basis for obtaining precisely timestamped RFID tag measurements, which will be subsequently used in further development of algorithms with probabilistic machine learning.For the platform, I used a commercially available RFID reader from Kathrein Solutions GmbH with additionally added hardware to make reading on up to 16 antennas possible. This hardware also provides more accurate timing information than the RFID reader itself, which is essential for precise localization of moving tags.

Die RFID Technologie hat viele industrielle Anwendungen, z.B. in den Bereichen Fertigung, Logistik, Transport und Gesundheitswesen. Die kosteneffiziente Identifizierung von Personen und Objekten ist zu einem wesentlichen Bestandteil von Fertigungsprozessen geworden. Da der Identifizierungsprozess von RFID-Tags mehr situationsspezifische Daten als nur eine bloße Identifikationsnummer liefert, kann man diese Daten nutzen, um die Position der getaggten Personen und Objekten zu bestimmen. Für Lokalisierungsanwendungen stellen UHF RFID Systeme eine vielversprechende Technologie dar. Sie bieten zwar nicht die Lokalisierungsgenauigkeit von UWB Systemen, erzielen aber eine brauchbare Genauigkeit bei wesentlich geringeren Herstellungskosten. UHF RFID Tags haben eine kompakte Bauweise, sind um wenige Cent herzustellen und benötigen keine Batterien, da sie vom RFID Lesegerät drahtlos mit Leistung versorgt werden. Somit gelten diese Tags als optimale Wahl für Anwendungen mit Millionen von Tags oder Einwegtags.Im UHF RFID Bereich sind verschiedene Lokalisierungsverfahren bekannt, wie z.B. phasenbasierte, RSSI-basierte oder AoA-basierte Lokalisierung. Da die Mehrheit der existierenden Algorithmen die Bewegung der Tags nicht als Parameter berücksichtigt, ist die Lokalisierungsgenauigkeit von UHF RFID Systeme jener den teureren UWB-Systemen unterlegen. Um eine vergleichbare Leistung zu erzielen, muss man dabei viel mehr Forschung in fortschrittlichere Algorithmen investieren, z.B. durch Berücksichtigung der möglichen Bewegungstrajektorien der Tags.Um ein präzises Lokalisierungssystem in pharmazeutischen Reinräumen zu schaffen, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung einer Messplattform zur Erfassung der Phaseninformation der Tags durch mehrere Antennen. Die Messplattform ist die Grundlage für die Aufnahme präziser, mit hochgenauen Zeitinformationen versehener RFID Tag Messungen, die anschließend für die weitere Entwicklung von Algorithmen mit probabilistischem maschinellem Lernen verwendet werden sollen. Für die Plattform habe ich ein kommerzielles RFID-Lesegerät der Firma Kathrein Solutions GmbH mit zusätzlicher Hardware erweitert, um die Messung an bis zu 16 Antennen zu ermöglichen. Diese Hardware liefert auch deutlich genauere Zeitinformationen als das RFID-Lesegerät selbst, was für die präzise Lokalisierung von bewegten Tags notwendig ist.