CN103049772B - 基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法 - Google Patents
基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法。其系统由中央控制器、路由器、无线路由器、多合一电子标签读写器、天线和无源标签组成；其方法的操作步骤是：1）天线阵列布局、2）人员进出管理、3）定位跟踪算法和4）定位跟踪显示。采用本发明，能够在室内实现对人、动物、物体等动态目标的定位跟踪，可工作于恶劣的环境中，为实现基于位置的服务奠定基础。本发明其系统结构简单、成本低廉；其方法操作简便、性能优异，适合于大规模室内定位跟踪的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内定位跟踪系统和方法，特别是一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法。
背景技术
随着无线网络、计算技术以及物联网技术的不断发展，人们对泛在服务的需求日益增大，在建设智慧城市的过程中，构建高精度位置服务平台是重要课题之一。可见，基于位置的服务越来越重要。基于位置的服务就是基于地理位置数据开展的服务，所以定位技术是其关键。
目前定位系统依据定位环境可分为室外定位和室内定位两种，室外定位主要有全球定位系统（GPS，Global Positioning System）和蜂窝无线定位（Cellular wirelesslocation）。其中GPS是应用比较成功的定位技术，其良好的定位精度解决了很多军事和民用的实际问题。
随着人们对室内定位信息的需求与日俱增，机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、军事训练基地等都需要准确的室内定位信息，对可用空间和库存物资实现高效的管理。室内定位的研究逐渐出现并成为热点。但是由于室内环境的特殊性——有严重的室内遮挡及非视距噪声的干扰，GPS无法有效感测卫星信号进而无法准确定位。所以一般而言，室内定位和跟踪是无法利用GPS和蜂窝无线定位来实现的。因此许多高校和研究机构开始了针对室内定位技术的研究。
目前室内定位技术主要有辅助GPS（A-GPS，Assisted GPS）定位技术、蓝牙定位技术、射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术、红外定位技术、超宽带（UWB，Ultra Wideband）定位技术、超声波定位技术、无线局域网（WLAN，Wireless Local AreaNetworks）定位技术等。
A-GPS定位技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。这就决定了A-GPS定位技术使用范围的局限性。
蓝牙定位技术是一种短距离、低功耗的无线传输技术。该技术适合室内短距离定位，优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影响，缺点是蓝牙器件和设备价格昂贵。
红外定位技术是红外定位系统中红外线标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。该技术具有相对较高的室内定位精度，但是红外线不能穿过障碍物，仅能视距传播。当标识放在口袋里或者有墙壁及其它遮挡时就不能正常工作，因此需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。
UWB定位技术中超宽带信号凭借自身的特性，应用在室内定位系统中，能够使系统在功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性等方面得到大幅度提升，满足人们对室内定位的新要求。但是UWB技术本身还不成熟，有很多技术理论问题有待研究，并且没有实际可使用的设备。
超声波定位技术一般使用超声波的传播时间测量技术来获得目标的位置信息。其优点在于整体定位精度高，但当它遇到反射、透射、绕射等多径效应的影响时，定位精度明显降低。另外，超声波定位系统的构建需要大量硬件设施的投入，高成本也使得很多用户不能使用超声波定位系统。
WLAN定位技术中通过WLAN环境下的接收信号强度定位能充分利用现有的无线网络设施，不需要额外的角度测量或时间同步，既降低了成本又扩大了应用范围。但在大部分实际应用中，使用该技术的室内定位系统，其总体定位精度并没有预计的好。
RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣的环境中。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。另外标签体积小、成本低，因此采用待定位目标携带无源标签的方法，适合于大规模室内定位跟踪的场合。
因此，针对目前室内定位各种技术的优缺点，本发明提出一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法，非视距、免接触、高速识别由待定位跟踪目标携带的无源标签，实现对人、物体等动态目标的定位跟踪，可用于物体的识别、物流等领域。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种实用的基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法。其定位跟踪系统结构简单、成本低廉；其定位跟踪方法操作简便、性能优异，适用于大规模室内定位跟踪的场合。
为达上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统和方法，可在室内实现对待定位跟踪目标的定位跟踪，其天线阵列布局具有可扩展性，便于扩大定位跟踪规模。其系统是由中央控制器、路由器、无线路由器、多合一电子标签读写器、天线和无源标签组成，其特征在于：所述中央控制器以有线方式与路由器或无线路由器连接通信；所述多合一电子标签读写器以有线方式与路由器连接通信或以无线方式与无线路由器进行通信，并以有线方式与天线连接，以无线方式与无源标签进行通信。
上述多合一电子标签读写器共有n台，根据系统规模，n的大小可变化。
上述天线共有根，m与多合一电子标签读写器的“多”相对应，即如果是四合一电子标签读写器，则m为4。
上述多合一电子标签读写器4.1与天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m相连接，多合一电子标签读写器4.2与天线5.2.1、5.2.2、…、5.2.m相连接，依此类推，多合一电子标签读写器4.n与天线5.n.1、5.n.2、…、5.n.m相连接。
上述无源标签共有k个，分别由不同的待定位跟踪目标携带，根据待定位跟踪目标的数量，k的大小可变化。
一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统的室内定位跟踪方法，其特征在于其方法包括如下操作步骤：1）天线阵列布局、2）人员进出管理、3）定位跟踪算法和4）定位跟踪显示。
上述步骤1）天线阵列布局为室内布局和门口布局：室内布局：采用不交叠的菱形布局或“井”字型布局，具有可扩展性，一方面减少了读写器的天线数量，防止读写器不同天线之间的碰撞，另一方面可对目标进行跟踪；采用不交叠的菱形布局，目标所携带的无源标签在天线覆盖区域内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签先在天线覆盖区域7.1.2内，后在天线覆盖区域7.1.3内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域；采用不交叠的“井”字型布局，目标所携带的无源标签在天线覆盖区域内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签先在天线覆盖区域7.2.2内，后在天线覆盖区域7.2.3内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域；门口布局：在房间门口内外两侧分别有天线覆盖区域7.3.2和天线覆盖区域7.3.1，用于人员进出管理。
上述步骤2）人员进出管理：用来判断进出房间门口人员的来去方向，判断依据是根据人员携带的无源标签在天线覆盖区域7.3.1和天线覆盖区域7.3.2出现的先后顺序；具体步骤是：如果人员携带的无源标签先在天线覆盖区域7.3.1内后在天线覆盖区域7.3.2内，则判断该人员是进入房间，就记录该人员信息——姓名、标签号，存入数据库中；如果人员携带的无源标签先在天线覆盖区域7.3.2内后在天线覆盖区域7.3.1内，则判断该人员是走出房间，就从数据库中删除该人员信息。
上述步骤3）定位跟踪算法：由定位跟踪离线部分和定位跟踪在线部分组成。
上述定位跟踪离线部分具体步骤：首先在定位区域内放置参考无源标签，然后设置参考点并测量各参考点在设定时间内的读到次数，最后将所测读到次数存入到参考数据库内。
上述定位跟踪在线部分具体步骤：首先中央控制器按照设定的时间间隔轮询天线，记录天线号及其读到的无源标签编号。如果定时时间到，就记录读到无源标签的次数，求该次数与参考数据库中对应天线号的各个参考点的读到次数之间的欧式距离。接着将所求欧式距离降序排列，找出欧式距离最小的参考点坐标，将该坐标按最小欧式距离加权得到当前坐标。如果当前坐标与历史坐标的差值小于设定的阈值，就将当前坐标作为最终坐标；如果当前坐标与历史坐标的差值大于或等于设定的阈值，就以历史坐标代替当前坐标得最终坐标。
上述步骤4）定位跟踪显示：由中央控制器将定位跟踪算法得到的结果在用户交互界面上显示出来，并将该数据通过无线方式发送给手机终端，在手机终端的界面上显示出来。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优点：一方面本发明采用的是RFID技术，该技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣的环境。所采用的无源标签体积小、成本低，因此采用目标携带无源标签的定位方法，适合于大规模室内定位跟踪的场合。另一方面，读写器天线阵列布局采用不交叠的菱形布局或“井”字型布局，具有可扩展性。既减少了读写器的天线数量，防止读写器不同天线之间的碰撞，又可对目标进行跟踪。本发明其系统结构简单、成本低廉；其方法操作简便、性能优异，适合于大规模室内定位跟踪的场合。
附图说明
图1是本发明一个实施例的系统结构框图。
图2是图1示例的实现基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法操作程序框图。
图3是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的天线阵列菱形布局图。
图4是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的天线阵列“井”字型布局图。
图5是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的门口天线布局图。
图6是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的人员进出管理实施流程图。
图7是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的定位跟踪算法离线部分实施流程图。
图8是图1示例的实现基于无源射频识别技术室内定位跟踪的定位跟踪算法在线部分实施流程图。
具体实施方式
本发明的优先实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统，由中央控制器1，路由器2，无线路由器3，多合一电子标签读写器4.1、4.2、…、4.n，天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m和无源标签6.1、6.2、…、6.k组成，其特征在于：所述中央控制器1以有线方式与路由器2或无线路由器3连接通信；所述多合一电子标签读写器4.1、4.2、…、4.n以有线方式与路由器2连接通信或以无线方式与无线路由器3进行通信，并以有线方式与天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m连接，以无线方式与无源标签6.1、6.2、…、6.k进行通信。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：
上述多合一电子标签读写器4.1、4.2、…、4.n共有n台，根据系统规模，n的大小可变化。
上述天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m共有根，m与多合一电子标签读写器4.1、4.2、…、4.n的“多”相对应，即如果是四合一电子标签读写器4.1、4.2、…、4.n，则m为4。
上述多合一电子标签读写器4.1与天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m相连接，多合一电子标签读写器4.2与天线5.2.1、5.2.2、…、5.2.m相连接，依次类推，多合一电子标签读写器4.n与天线5.n.1、5.n.2、…、5.n.m相连接。
上述无源标签6.1、6.2、…、6.k共有k个，分别由不同的待定位跟踪目标携带，根据待定位跟踪目标的数量，k的大小可变化。
实施例三：
参见图2，本基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法采用上述系统进行定位跟踪，其特征在于操作步骤为：1）天线阵列布局、2）人员进出管理、3）定位跟踪算法和4）定位跟踪显示。
实施例四：本实施例与实施例三基本相同，特别之处是：
参见图3、图4和图5，上述步骤1）天线阵列布局分为室内布局和门口布局；室内布局：采用不交叠的菱形布局或“井”字型布局，具有可扩展性，一方面减少了读写器的天线数量，防止读写器不同天线之间的碰撞，另一方面可对目标进行跟踪；采用不交叠的菱形布局，目标所携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k在天线覆盖区域7.1.1、7.1.2、7.1.3内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k先在天线覆盖区域7.1.2内，后在天线覆盖区域7.1.3内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域7.1.4；采用不交叠的“井”字型布局，目标所携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k在天线覆盖区域7.2.1、7.2.2、7.2.3内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k先在天线覆盖区域7.2.2内，后在天线覆盖区域7.2.3内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域7.2.4；门口布局：在房间门口内外两侧分别有天线覆盖区域7.3.2和天线覆盖区域7.3.1，用于步骤2）人员进出管理。
参见图6，上述步骤2）人员进出管理：用来判断进出房间门口人员的来去方向，判断依据是根据人员携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k在天线覆盖区域7.3.1和天线覆盖区域7.3.2出现的先后顺序；具体步骤：如果人员携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k先在天线覆盖区域7.3.1内后在天线覆盖区域7.3.2内，则判断该人员是进入房间，就记录该人员信息——姓名、标签号，存入数据库中；如果人员携带的无源标签6.1、6.2、…、6.k先在天线覆盖区域7.3.2内后在天线覆盖区域7.3.1内，则判断该人员是走出房间，就从数据库中删除该人员信息。
上述步骤3）定位跟踪算法由定位跟踪离线部分和定位跟踪在线部分组成。
参见图7，上述步骤定位跟踪离线部分具体步骤：首先在定位区域内放置参考无源标签，然后设置参考点并测量各参考点在设定时间内的读到次数，最后将所测读到次数存入到参考数据库内。
参见图8，上述步骤定位跟踪在线部分具体步骤：首先中央控制器1按照设定的时间间隔轮询天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m，记录天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m号及其读到的无源标签6.1、6.2、…、6.k编号。如果定时时间到，就记录读到无源标签6.1、6.2、…、6.k的次数，求该次数与参考数据库中对应天线5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m号的各个参考点的读到次数之间的欧式距离。接着将所求欧式距离降序排列，找出欧式距离最小的参考点坐标，将该坐标按最小欧式距离加权得到当前坐标。如果当前坐标与历史坐标的差值小于设定的阈值，就将当前坐标作为最终坐标；如果当前坐标与历史坐标的差值大于或等于设定的阈值，就以历史坐标代替当前坐标得最终坐标。
上述步骤4）定位跟踪显示是由中央控制器1将步骤3）定位跟踪算法得到的结果在用户交互界面上显示出来，并将该数据通过无线方式发送给手机终端，在手机终端的界面上显示出来。
Claims (4)
1.一种基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法，采用的基于无源射频识别技术的室内定位跟踪系统由中央控制器（1）、有线路由器（2）或无线路由器（3）、多合一电子标签读写器（4.1、4.2、…、4.n）、天线（5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m）和无源标签（6.1、6.2、…、6.k）组成，其特征在于：所述中央控制器（1）以有线方式与有线路由器（2）或以无线方式与无线路由器（3）连接通信；所述多合一电子标签读写器（4.1、4.2、…、4.n）以有线方式与有线路由器（2）连接通信或以无线方式与无线路由器（3）进行通信，并以有线方式与天线（5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m）连接，以无线方式与无源标签（6.1、6.2、…、6.k）进行通信，该方法的操作步骤为：1）天线阵列布局、2）人员进出管理、3）定位跟踪算法和4）定位跟踪显示；
所述步骤3）定位跟踪算法由定位跟踪离线部分和定位跟踪在线部分组成；所述的定位跟踪离线部分具体步骤：首先在定位区域内放置参考无源标签，然后设置参考点并测量各参考点在设定时间内的读到次数，最后将所测读到次数存入到参考数据库内；所述的定位跟踪在线部分具体步骤：首先中央控制器（1）按照设定的时间间隔轮询天线（5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m），记录天线（5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m）号及其读到的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）编号；如果定时时间到，就记录读到无源标签（6.1、6.2、…、6.k）的次数，求读到的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）的次数与参考数据库中对应天线（5.1.1、5.1.2、…、5.1.m，5.2.1、5.2.2、…、5.2.m，…，5.n.1、5.n.2、…、5.n.m）号的各个参考点在设定时间内的读到次数之间的欧式距离；接着将所求欧式距离降序排列，找出欧式距离最小的参考点坐标，将该坐标按最小欧式距离加权得到当前坐标；如果当前坐标与历史坐标的差值小于设定的阈值，就将当前坐标作为最终坐标；如果当前坐标与历史坐标的差值大于或等于设定的阈值，就以历史坐标代替当前坐标得最终坐标。
2.根据权利要求1所述的基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法，其特征在于所述步骤1）天线阵列布局为室内布局和门口布局：室内布局：采用不交叠的菱形布局或“井”字型布局，具有可扩展性，一方面减少了读写器的天线数量，防止读写器不同天线之间的碰撞，另一方面可对目标进行跟踪；采用不交叠的菱形布局，目标所携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）在天线覆盖区域Ⅰ-1（7.1.1）、天线覆盖区域Ⅰ-2（7.1.2）和天线覆盖区域Ⅰ-3（7.1.3）内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）先在天线覆盖区域Ⅰ-2（7.1.2）内，后在天线覆盖区域Ⅰ-3（7.1.3）内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域Ⅰ-4（7.1.4）；采用不交叠的“井”字型布局，目标所携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）在天线覆盖区域Ⅱ-1（7.2.1）、天线覆盖区域Ⅱ-2（7.2.2）和天线覆盖区域Ⅱ-3（7.2.3）内可直接对目标进行定位；目标所携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）先在天线覆盖区域Ⅱ-2（7.2.2）内，后在天线覆盖区域Ⅱ-3（7.2.3）内，可对目标进行跟踪，以跟踪方式弥补空白区域Ⅱ-4（7.2.4）；门口布局：在房间门口内外两侧分别有天线覆盖区域Ⅲ-2（7.3.2）和天线覆盖区域Ⅲ-1（7.3.1），用于步骤2）人员进出管理。
3.根据权利要求1所述的基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法，其特征在于所述步骤2）人员进出管理：用来判断进出房间门口人员的来去方向，判断依据是根据人员携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）在天线覆盖区域Ⅲ-1（7.3.1）和天线覆盖区域Ⅲ-2（7.3.2）出现的先后顺序，具体步骤是：如果人员携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）先在天线覆盖区域Ⅲ-1（7.3.1）内后在天线覆盖区域Ⅲ-2（7.3.2）内，则判断该人员是进入房间，就记录该人员信息-姓名和标签号，存入数据库中；如果人员携带的无源标签（6.1、6.2、…、6.k）先在天线覆盖区域Ⅲ-2（7.3.2）内后在天线覆盖区域Ⅲ-1（7.3.1）内，则判断该人员是走出房间，就从数据库中删除该人员的人员信息。
4.根据权利要求1所述的基于无源射频识别技术的室内定位跟踪方法，其特征在于所述步骤4）定位跟踪显示：由中央控制器（1）将步骤3）定位跟踪算法得到的结果在用户交互界面上显示出来，并将该结果通过无线方式发送给手机终端，在手机终端的界面上显示出来。
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