CN101349745A - 一种采用区域划分算法的无线射频定位方法 - Google Patents

Abstract

一种采用区域划分算法的无线射频定位方法，包括步骤：将阅读器放置于待监测区域边界；参考标签以矩形网格形式分布于室内待监测区域；当带有射频标签的待测对象置于待监测区域时，各个阅读器通过各自的天线检测各射频标签的电磁波，将测量得到的参考标签和待测对象标签的射频信号强度值(简称RSSI值)传至上位机；上位机比较各参考标签与待测对象标签的RSSI绝对差值来确定待测对象附近的四个最近参考标签，初步确定待测对象的有效定位区域；再通过区域划分算法将最近参考标签所围的有效定位区域缩小至原来的1/8；最后根据不同参考标签之间的残差加权算法，求出待测对象的位置。本发明提出的定位方法，具有功耗低、定位精度高的优点。

Description

一种采用区域划分算法的无线射频定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线射频定位的方法，特别涉及一种在室内精确定位领域，采用区域划分算法的无线射频精确定位方法。

背景技术

无线定位技术是通过特定算法对接收到的电磁波的某些参数进行处理，以此来推断待测对象的位置。测量参数包括测试信号的传输时间、幅度、相位、达到角度和信号强度等。目前，随着无线技术、移动计算装置和和互联网的不断发展，室内定位服务系统越来越引起人们的注意。常用的室内无线定位技术有：

(1)室内GPS定位技术：GPS是目前应用最为广泛的定位技术。但是，当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，其定位精度很低，定位速度也相对较慢，而且定位器终端的成本较高。

(2)蜂窝定位技术：GSM、CDMA等蜂窝网络均支持定位技术，但非视距传播、多径效应和多址干扰等因素降低了其定位精度，且涉及用户的隐私问题，使其推广受到了一定限制。

(3)红外技术：基于散红外技术的有源标签可以用于室内定位，但是它要求待测对象必须与红外线阅读器成一条直线，并且定位距离太近，因而实际应用的意义不大。

(4)基于无线局域网的定位技术：在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获得的待测对象的相关信息，并结合基站的拓扑结构，综合分析，从而确定物体的具体位置。应用此类技术的系统容易建立，但是测量精度差强人意，有待进一步提高。

(5)超声波技术：目前成功运用此技术确实可以取得较高的定位精度，但是需要大量的基础设施支持，成本昂贵，无法大面积推广。

与上述定位系统相比，射频识别标签RFID技术具有非视距和非接触的优点。它能以非凡的速度工作，较大的传输范围以及高性价比也是RFID的优势所在。

射频识别，又称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，简称RFID，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，可工作于各种恶劣环境。RFID最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术的进步，RFID应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID技术已广泛应用于医疗监护，监狱犯人管理、大型设备固定资产管理、高速公路收费系统、航空物流识别等诸多领域。

随着芯片技术和生产工艺的不断发展，标签成本的降低、读写距离的提高、存储容量的增大、处理时间的缩短将成为可能，RFID产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。

基本的RFID系统由三部分组成：

1.RFID标签。RFID标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码。标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。RFID标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式和被动式两种。主动式标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源标签；被动式标签不带电池，又称为无源标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。被动式标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。其中主动式标签通常具有更远的通信距离，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式标签具有价格便宜的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。

RFID标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同类型的天线。一个RFID标签通常包含一个或多个天线。RFID标签和阅读器工作时所使用的频率称为RFID工作频率。目前RFID使用的频率跨越低频、高频、超高频、微波等多个频段。RFID频率的选择影响信号传输的距离、速度等，同时还受到各国法律法规限制。

2.RFID阅读器。RFID阅读器的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。根据应用不同，阅读器可以是手持式或固定式。当前阅读器成本较高，且大多只能在单一频率点工作。未来阅读器的价格将大幅降低，并且支持多个频率点，能自动识别不同频率的标签信息。

3.天线。天线用于在标签和读取器间传递射频信号。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

在RFID的应用中，出于功耗方面的考虑，电子标签不能成为定位的主动方，所以采用基于网络的方法，即需要在固定位置上部署射频信号的接收装置，而由这些装置采集附着在待测对象上的电子标签发出的信息，然后通过无线/有线网络将信息发往控制中心作进一步的处理。

因此，在无线定位领域中，提高RFID定位技术的精度与可靠性，降低定位系统的成本是现有技术中有待解决的问题。

发明内容

本发明需解决的问题是提供一种新型的无线射频定位方法的技术，基于该技术，定位信息的精度与可靠性能有效地提高，系统的功耗也能进一步降低。

根据上述需解决的问题设计了一种采用区域划分算法的无线射频定位方法，实施步骤为：

(1)将阅读器放置于待监测区域边界；

(2)参考标签以矩形网格形式分布于室内待监测区域，阅读器和参考标签各自的位置以及相互之间的距离已知；

(3)当带有射频标签的待测对象置于待监测区域时，阅读器通过自身的天线检测射频标签发出的电磁波，将测量得到的参考标签和待测对象标签的射频信号强度值传至上位机；

(4)上位机比较各参考标签与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值以确定待测对象附近的四个最近参考标签，初步确定待测对象的有效定位区域；

(5)通过区域划分算法将最近参考标签所围的有效定位区域缩小成由(a)、(o)、(e)三点围成的面积为原定位区域面积1/8的三角形范围内；

(6)计算(o)、(e)两点坐标及射频强度值，根据射频强度值进一步计算出(o)、(e)两点与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值；

(7)综合(a)、(o)、(e)三点的数据利用残差加权算法，求出待测对象的位置坐标。

本发明有三个主要优势：

(1)与现有技术相比，系统定位精度显著提高。一旦最近参考标签被选定后，传统方案只是通过最近参考标签的位置和它们的权重因子来简单的计算出待测对象的坐标；本方案则通过区域划分算法将最近参考标签所围的有效定位区域缩小至原来的1/8，有效的提高了定位精度；

(2)可以较容易地适应环境的动态性。因为参考标签和待测对象处于同一环境中，所以许多引起识别范围的变化的环境因素可以被抵消，因此，在基于参考标签的识别范围内，我们可以动态的实时更新关于查找的参考信息；

(3)待测对象是通过最近参考标签来实现定位，因此定位的精确性依赖于参考标签的摆放布局。与现有定位技术相比，本方案需要更少的参考标签，却可以达到更好的精度。

附图说明

图1是本发明定位系统硬件布局示意图；

图2是本发明实施例流程示意图；

图3为判断算法示意图(1)；

图4为判断算法示意图(2)。

具体实施方式

本发明的主旨是设计一个技术方案以使利用无线射频识别技术进行室内精确定位时，能有效提高测量的精度和可靠性。下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明方法的技术特征及优点进行更深入的诠释。

本发明的定位方法的硬件布局如图1所示，参照图1的硬件布局，以4个阅读器、16个参考标签和6个待测对象标签，阅读器设定在连续工作模式下的实施例加以说明，具体的交互流程如图2所示：

(步骤1)将4个阅读器放置于待监测区域边界；

(步骤2)将16个射频标签作为参考标签以矩形网格形式分布于室内待监测区域，每个阅读器和参考标签各自的位置以及相互之间的距离已知；

(步骤3)当带有射频标签的待测对象置于待监测区域时，各个阅读器通过各自的天线接收各射频标签主动发出的电磁波，将测量得到的参考标签和待测对象标签的射频信号强度值通过传输控制协议和网际协议传至上位机，所述上位机为电脑处理器；

(步骤4)上位机比较各参考标签与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值以确定待测对象附近的四个最近参考标签，初步确定待测对象的有效定位区域。

定义待测对象标签的信号强度矢量为 $\stackrel{\→}{S}=(S_1,S_2,S_3,S_4),$ 其中S_i表示待测对象标签在阅读器i上的RSSI值，i∈(1，4)。对于参考标签，定义相应的信号强度矢量 $\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}=({\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_3,{\mathrm{\θ}}_4),$ 其中θ_i表示参考标签在阅读器i上的RSSI值，i∈(1，4)。

对于每个待测对象标签p，p∈(1，6)，定义：

$E_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-S_i)}^2},$ j∈(1，6)

通过E值来表示参考标签和待测对象标签之间信号距离关系，E越小表示参考标签和待测对象标签相隔越近。

有16个参考标签，因此待定位标签有E矢量：

$\stackrel{\→}{E}=(E_1,E_2,...,E_{16})$

由于这些E值仅用来反应标签之间的关系，因此，我们可以从中选择4个拥有较小E值的参考标签，即将距离待测对象标签较近的参考标签的坐标作为定位参考坐标，初步确定待测标签的有效定位区域。

(步骤5)通过区域划分算法将最近参考标签所围的有效定位区域缩小成由(a)、(o)、(e)三点围成的面积为原定位区域面积1/8的三角形范围内。

待测对象是通过最近参考标签来定位，因此定位的精确性依赖于参考标签的摆放布局，换句话说，因为我们只是利用最近参考标签和它们的权重因子来简单计算待测对象的位置，因此定位结果的误差范围被局限于由最近参考标签构成的有效定位区域内。如果通过一种区域划分算法有效的减小定位区域的面积，就可以达到提高定位精度的目的。

如图3所示，假设点a和点b到直线L的距离相等，并有另一点x。当ax＜bx时，点x必将落在点a和直线L之间。

同理，如图4所示，假设待测对象所缚标签被放置在由参考标签a、b、d、c构成的矩形内。通过比较待测对象所缚标签m与参考标签a、d的RSSI差值得出，参考标签a比d有更高的权重因子。按照图3理论，如果把对角线bc看作直线L，那么待测对象必定会落在Δabc中。同样的方法，可以将待测对象的有效定位区域缩小到Δaoe中，即原来定位区域的1/8。

(步骤6)计算(o)、(e)两点坐标及射频强度值，根据射频强度值进一步计算出(o)、(e)两点与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值。

待测对象的定位区域缩小至Δaoe中，通过参考标签a、b、c的位置及RSSI值计算得到点(o)、(e)处的RSSI值，即可得到各点对应的E值。

(步骤7)综合(a)、(o)、(e)三点的数据利用残差加权算法，求出待测对象的位置坐标。

待测对象标签的坐标(x，y)可以通过点(a)、(o)、(e)的E值来唯一确定，计算公式为：

$(x,y)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i(x_i,y_i)$

其中，W_i是(a)、(o)、(e)三点中每一点的权重因子，权重因子的选择是另一个设计参数。根据经验，在系统中采用下式给出权重因子：

$W_i=\frac{\frac{1}{E_i^2}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{E_i^2}}$

本领域的技术人员可以对本发明中的无线射频定位方法进行的各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1、一种采用区域划分算法的无线射频定位方法，实施步骤为：

(1)将阅读器放置于待监测区域边界；

(2)参考标签以矩形网格形式分布于室内待监测区域，阅读器和参考标签各自的位置以及相互之间的距离已知；

(3)当带有射频标签的待测对象置于待监测区域时，阅读器通过自身的天线检测射频标签发出的电磁波，将测量得到的参考标签和待测对象标签的射频信号强度值传至上位机；

(4)上位机比较参考标签与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值以确定待测对象附近的四个最近参考标签，初步确定待测对象的有效定位区域；

(5)通过区域划分算法将最近参考标签所围的有效定位区域缩小到由(a)、(o)、(e)三点围成的面积为原定位区域面积1/8的三角形范围内；

(6)计算(o)、(e)两点坐标及射频强度值，根据射频强度值进一步计算出(o)、(e)两点与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值；

(7)综合(a)、(o)、(e)三点的数据利用残差加权算法，求出待测对象的位置坐标。

2、根据权利要求1所述的采用区域划分算法的无线射频定位方法，其特征在于：所述的射频信号强度的绝对差值根据以下公式计算：

$E_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-S_i)}^2}$

其中，n为阅读器个数，S_i为待测对象标签在阅读器i上的射频信号强度值，θ_i为参考标签j在阅读器i上的射频信号强度值或计算得出的(a)、(o)、(e)三点在阅读器i上的射频信号强度值，E值可用来表征参考标签和待测对象标签之间信号距离关系，E越小表示参考标签和待测对象标签相隔越近。

3、根据权利要求2所述的采用区域划分算法的无线射频定位方法，其特征在于：所述的待测对象的位置坐标根据以下公式计算：

$(x,y)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i(x_i,y_i)$

其中，W_i是(a)、(o)、(e)三点中每一点的权重因子，在系统中采用下式给出权重因子：

$W_i=\frac{\frac{1}{E_i^2}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{E_i^2}},$

为(a)、(o)、(e)三点与待测对象标签的射频信号强度的绝对差值，(x_i，y_i)为(a)、(o)、(e)三点坐标。

4、根据权利要求1至3任意一项所述的采用区域划分算法的无线射频定位方法，其特征在于：所述的阅读器通过传输控制协议和网际协议把射频信号强度值传至上位机。

5、根据权利要求4所述的采用区域划分算法的无线射频定位方法，其特征在于：所述的射频标签可主动地向阅读器发射电磁波。

6、根据权利要求5所述的采用区域划分算法的无线射频定位方法，其特征在于：所述的上位机是电脑处理器。

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