CN101604021B - 一种无线射频识别系统的定位方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通讯技术领域，具体公开了一种无线射频识别系统的定位方法与装置。系统的射频识别读写器发送经过伪随机序列调制的载波。该调制载波的调制深度较小，不影响标签的正常工作。读写器检测标签返回调制信号的同时，恢复出伪随机序列。读写器将恢复的伪随机序列与发送的伪随机序列进行相关，即可得到信号TOA，经过计算得到标签离读写器的距离。通过一个或者多个参考标签校准，消除信号处理延迟和系统误差，提高定位精度。多个读写器可以得到多个距离，以各个读写器为圆心，对应距离为半径作圆，各圆的交点即为待测标签的估计位置。本发明定位的精度高，受环境的影响小。
Description
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种无线射频识别(RFID)系统的定位方法与装置。
背景技术
随着射频识别(Radio Frequency Identification)技术的广泛应用，人们对RFID实时数据的需求正在快速增长，因此迫切需要一种能提供实时数据和位置信息的RFID系统，这就促成了RFID实时定位系统的研究与发展。
但是在RFID系统中，为了降低成本，标签不可能做得很复杂，因此不可能像GPS定位系统一样发送和接收复杂的调制信号。为了实现对RFID标签的跟踪和定位，只能改进现有的读写器来达到这一目标。实时性和定位精度的双重要求使得这一工作非常具有挑战性。
目前，RFID实时定位系统采用的技术包括基于测距(Range-Based)的定位和无须测距(Range-Free)的定位两种。基于测距的定位技术通过测量读写器到标签的距离和角度信息，使用三边测量(trilateration)、三角测量(triangulation)或最大似然估计(multilateration)定位法计算节点位置；无须测距定位技术不需要测量距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息来决定标签是否处于某一区域内，因此成本较低，实施部署简单；但其应用范围和定位精度非常有限。现有的应用包括车辆的定位和井下矿工定位等。
基于测距的定位常用的技术包括接收信号强度检测RSSI(Received Signal strengthIndicator)和基于信号传输延迟TOA(也称为到达时间，time of arrival)两种。前者定位精度不高，而且受天气和环境影响较大；后者精度较高，几乎不受天气和环境影响，具有较大的应用前景。怎样在不改变现有标签的基础上检测标签的TOA信息并提高定位精度是后者需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于信号传输延迟TOA的无线射频识别系统的定位方法和装置。
本发明在不改变现有标签的基础上，仅通过改进RFID读写器来达到对标签的跟踪和定位，而且定位的精度高，受环境的影响小。
本发明提出的无线射频识别系统的定位方法，具体步骤如下：
将多个射频识别读写器安置于需要定位的区域，保证识别范围覆盖整个待测区域；
读写器发送激励信号，与标签建立通讯；
读写器发送调制深度较小的伪随机序列调制波，标签调制接收到的信号并将其反向散射出去；
读写器检测标签返回调制信号的同时，恢复出伪随机序列；
读写器将恢复的伪随机序列与发送的伪随机序列进行相关，即可得到信号TOA；
通过检测特定校准距离下参考标签的TOA得到信号处理延迟和系统误差，从待测标签的TOA中减去该系统误差，计算得到待测标签与读写器的距离；
多个读写器测得多个距离；以各个读写器为圆心，对应距离为半径作圆，得到各圆的交点，各圆的交点即为待测标签的估计位置。
本发明中，无线射频识别系统适用的工作频率可以是416MHz～450MHz，或者是860MHz～960MHz，或者是2.40GHz～2.52GHz；读写器先发送基带信号，与标签建立正常通讯；等待标签返回命令的时候读写器发送伪随机序列调制波；读写器发送伪随机序列调制波调制深度较小，标签无法识别，并将其当作未调制的载波进行反向散射；发送和接收的伪随机序列通过相关技术得到TOA信息；多个读写器发送的伪随机序列可以相同，也可以不同。
本发明提出的无线射频识别系统的定位装置，包括：
基带信号产生模块，用于产生基带信号，激励标签，并与之建立正常通讯；
伪随机序列产生模块，用于产生伪随机序列；
调制模块，用于调制基带信号和伪随机序列，并能改变调制深度；
解调模块，用于解调基带信号和伪随机序列；
基带信号检测模块，用于检测标签返回的基带信号；
伪随机信号检测模块，用于检测接收的伪随机序列；
校准延迟模块，用于校准信号处理延迟和系统误差；
相关与TOA检测模块，将接收的伪随机序列与校准后的伪随机序列进行相关处理；
距离计算与位置估计模块，根据相关得到的TOA信息计算距离和估计标签位置。
图1所示是根据本发明的无线射频识别定位系统的示意图。读写器首先通过基带产生模块101产生协议要求的基带信号，通过调制模块103将基带信号调制到射频，然后通过读写器天线104发送出去。标签检测并解调该信号，完成标签的启动和激励。之后读写器通过伪随机序列产生模块102产生伪随机序列，经过调制模块103和读写器天线104后发射。通过调整调制模块103，使调制深度达到最优化：即标签不能检测到该调制信号，而读写器可以检测到。标签105将接收到的信号调制后反向散射回去。读写器天线104接收标签105反射回来的信号并送入解调模块106解调，解调的数据分别送入基带检测模块107和伪随机序列检测模块108。发送的伪随机序列经过校准延迟模块109进行延迟校准后和检测到的伪随机序列一起送入相关与TOA检测模块110进行伪随机序列的相关和TOA检测，得到的TOA信息送入距离计算与位置估算模块111进行标签位置的估算，最后送入后台处理机进行处理。
延迟校准模块109的作用是消除系统误差和信号发送和接收的处理延迟，该信息需要通过以下校准步骤来获得：将参考标签(与待测标签型号相同)置于特定的校准距离，比如与读写器直线距离6米远处。将延迟校准模块109的数据归0，然后通过以上的方法来检测参考标签的TOA信息ttotal。由于参考标签的距离为6米，对应的信号传输时间td通过距离除以光速得到。从ttotal中减去该传输时间td，即可得到单次测量的信号发送和接收的处理延迟等系统误差ts’。通过多次测量求平均值的方法可以得到平均的系统误差ts。将平均后的系统误差ts存入延迟校准模块109中，以后检测的TOA都通过减去该系统误差来进行校准。如果环境发生改变，或者将天线进行移动，或者改变发射接收电缆的长度等都需要重新进行校准来消除系统误差。
为了不干扰标签的正常通讯，读写器只能发送调制深度较小的AM(幅度调制)信号。标签灵敏度较低，不能识别该AM信号，从而将其当作普通未调制信号进行调制和反向散射。而读写器灵敏度可以做到很高，因此能在检测标签返回信号的同时恢复出其中的伪随机序列，并将其与发送的伪随机序列相关，从而得到与距离对应的TOA信息。
通过一个或者多个参考标签校准，消除信号处理延迟和系统误差，提高定位精度。校准的步骤为：将参考标签置于特定的校准距离(如：6米远)，读写器检测参考标签处于该距离下的TOA，从中减去校准距离对应的传输延迟，结果即为信号处理延迟和系统误差。通过多次测量提高系统误差的校准精度。此系统误差存储下来，以后的距离计算都以此为参考进行校准。环境改变、天线位置的移动以及电缆长度的变化等需要重新进行校准并更新存储器中的数据。
多个读写器可以得到多个距离；以各个读写器为圆心，对应距离为半径作圆，各圆的交点即为待测标签的估计位置。当读写器多于3个时，交点不只一个，可以采用适当的算法来优化估计位置。
本发明中，读写器天线可以是单天线、双天线或者是天线阵列；标签可以为无源标签，也可以为半有源标签或者有源标签。
根据本发明设计的射频识别定位方法和装置，能实时定位处于其有效场区内的射频识别标签。通过适当的算法还可以进行标签的查找与跟踪等。
附图说明
图1是根据本发明的无线射频识别定位系统的示意图；
图2是本发明的系统正常工作下流程图；
图3是多个读写器进行标签定位的原理图；
具体实施方式
图1所示是根据本发明的无线射频识别定位系统的示意图。读写器首先通过基带产生模块101产生协议要求的基带信号，通过调制模块103将基带信号调制到射频，然后通过读写器天线104发送出去。标签105检测并解调该信号，完成标签的启动和激励。之后读写器通过伪随机序列产生模块102产生伪随机序列，经过调制模块103和读写器天线104后发射。通过调整调制模块103，使调制深度达到最优化：即标签不能检测到该调制信号，而读写器可以检测到。标签105将接收到的信号调制后反向散射回去。读写器天线104接收标签105反射回来的信号并送入解调模块106解调，解调的数据分别送入基带检测模块107和伪随机序列检测模块108。发送的伪随机序列经过校准延迟模块109进行延迟校准后和检测到的伪随机序列一起送入相关与TOA检测模块110，进行伪随机序列的相关和TOA检测，得到的TOA信息送入距离计算与位置估算模块111进行标签位置的估算，最后送入后台处理机进行处理。
延迟校准模块109的作用是消除系统误差和信号发送和接收的处理延迟，该信息需要通过以下校准步骤来获得：将参考标签(与待测标签型号相同)置于特定的校准距离，比如与读写器直线距离6米远处。将延迟校准模块109的数据归0，然后通过以上的方法来检测参考标签的TOA信息ttotal。由于参考标签的距离为6米，对应的信号传输时间td通过距离除以光速得到。从TOA中减去该传输时间td，即可得到单次测量的信号发送和接收的处理延迟等系统误差ts’。通过多次测量求平均值的方法可以得到平均的系统误差ts。将平均后的系统误差ts存入延迟校准模块109中，以后检测的TOA都通过减去该系统误差来进行校准。如果环境发生改变，或者将天线进行移动，或者改变发射接收电缆的长度等都需要重新进行校准来消除系统误差。
图1为本发明无线射频识别系统的结构图示，其正常工作下流程，如图2所示。以下是该流程图的各模块的描述：
S201：读写器发送协议要求的检测指令，检测是否有标签位于有效场区；
S202：对是否检测到标签进行判定，如果检测到，则进一步发送指令与标签建立通信；如果没有检测到，则返回上一步；
S203：对是否与标签建立通信进行判定，如果建立好通信，则进行下一步；否则返回上一步；
S204：建立通信后，读写器发送调制深度较小的伪随机序列调制载波，同时检测标签的返回；
S205：标签调制并反向散射接收到的信号；
S206：读写器检测标签返回的信号，送入解调模块进行解调，检测标签返回的基带信号的同时恢复出加载在其中的伪随机序列。
S207：读写器将发送和接收的伪随机序列进行相关后得到TOA信息，并将其送入后台处理机进行处理。
读写器将检测到的距离送入后台处理机进行处理来计算出标签的位置。后台处理机得到多个距离后，可以采用圆形算法或者双曲线算法来定位待测标签。这里以圆形算法为例来进行说明，其原理图如图3所示。由于读写器的位置和坐标已知，分别以各个读写器A1、A2、A3为圆心，对应距离r1、r2、r3为半径作圆，各圆的交点即为待测标签的估计位置。实际情况下读写器可以多于3个，则每3个圆一组，每组得到一个交点，采用适当的算法通过对多个交点进行优化来估计待测标签的位置，比如构造一个最小的覆盖所有交点的圆，圆心即为优化后的位置。
最后所说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普遍技术人员应当理解，在不脱离分发明实质的情况下，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (1)
1.一种无线射频识别系统的定位装置，其特征在于包括：
基带信号产生模块，用于产生基带信号，激励标签，并与之建立正常通讯；
伪随机序列产生模块，用于产生伪随机序列；
调制模块，用于调制基带信号和伪随机序列，并能改变调制深度；
解调模块，用于解调基带信号和伪随机序列；
基带信号检测模块，用于检测标签返回的基带信号；
伪随机信号检测模块，用于检测接收的伪随机序列；
校准延迟模块，用于校准信号处理延迟和系统误差；
相关与TOA检测模块，将接收的伪随机序列与校准后的伪随机序列进行相关处理；
距离计算与位置估计模块，根据相关得到的TOA信息计算距离和估计标签位置，即通过检测特定校准距离下参考标签的TOA得到信号处理延迟和系统误差，从待测标签的TOA中减去该系统误差，计算得到待测标签与读写器的距离；多个读写器测得多个距离；以各个读写器为圆心，对应距离为半径作圆，得到各圆的交点，各圆的交点即为待测标签的估计位置；
读写器首先通过基带信号产生模块(101)产生协议要求的基带信号，通过调制模块(103)将基带信号调制到射频，然后通过读写器天线(104)发送出去；标签(105)检测并解调该信号，完成标签的启动和激励；之后读写器通过伪随机序列产生模块(102)产生伪随机序列，经过调制模块(103)和读写器天线(104)后发射；通过调整调制模块(103)，使调制深度达到最优化：即标签不能检测到该调制信号，而读写器可以检测到；标签(105)将接收到的信号调制后反向散射回去；读写器天线(104)接收标签(105)反射回来的信号并送入解调模块(106)解调，解调的数据分别送入基带检测模块(107)和伪随机序列检测模块(108)；发送的伪随机序列经过校准延迟模块(109)进行延迟校准，然后和检测到的伪随机序列一起送入相关与TOA检测模块(110)，进行伪随机序列的相关和TOA检测，得到的TOA信息送入距离计算与位置估算模块(111)进行标签位置的估算，最后送入后台处理机进行处理。
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