CN101715639B - 利用信标来测量射频识别读取器的位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用信标来测量射频识别(RFID)读取器的位置的方法，以及一种用于该方法的RFID系统。本发明提供了一种利用信标来测量射频识别(RFID)读取器的位置的RFID系统，该系统包括：用于发射信标的多个信标设备；RFID标签，其利用射频识别来发送预存储信息；以及RFID读取器，其当RFID读取器(120)移动时从多个信标设备接收多个信标时利用所述多个信标来计算当前位置，并且利用所述射频识别从所述RFID标签接收信息。根据本发明，能够测量RFID系统中移动的RFID读取器的位置，并且由于RFID读取器的位置是考虑到传播环境的情况下而测得的，因此能够提高位置测量的准确性。

Description

利用信标来测量射频识别读取器的位置的方法
技术领域
本发明涉及一种利用信标来测量射频识别(RFID)读取器的位置的方法，以及一种用于该方法的RFID系统。更具体地说，本发明涉及一种按照如下方式在RFID系统中用于轻松准确地测量移动的射频识别(RFID)读取器的位置的位置测量方法，以及该RFID系统，即，该RFID系统包括多个信标设备，该多个信标设备被安装在预定的位置并且发射包括与信标设备自身位置相关的参考位置信息以及信号强度-距离(signal-intensity-to-distance)信息的信标，并且RFID读取器从至少三个信标设备接收信标，通过利用信标中包含的信号强度-距离信息来识别距各自信标设备的相对距离，并且通过三角测量法来计算该RFID读取器自身的位置。
背景技术
基于位置的技术是获取与处于特定位置的对象(人或事物)的物理、地理和逻辑位置相关的信息，并且根据获取的信息恰当地做出反应的技术。传统的定位方法包括通过测量对象间的距离差、对象间的角度差或对象间的方位角差来确定位置的三角测量法、利用从特定有利位置浏览的场景的场景分析法、以及通过逼近特定位置来查找对象的接近法。
最近，随着无线通信技术的发展，射频识别(RFID)系统作为新的无线网络技术受到关注，并且已经被广泛应用。需要开发一种利用RFID系统来测量室内或室外位置的技术，并且这种技术可以被用于各种目的，例如借助RFID在无法到达的地区收集数据，将收集的数据发送给用户等。
同时，传统意义上来说，存在各种位置测量技术，包括利用全球定位系统(GPS)的位置测量技术、利用射频信号的接收信号强度指示(RSSI)的位置测量技术、利用局域无线通信的位置测量技术等。
利用GPS的位置测量技术是通过测量GPS卫星发射的载波信号的相位(即，通过绝对定位)或通过追踪载波信号的编码(即通过相对定位)来测量到达绕地球轨道运行的GPS卫星的距离的技术。由于利用GPS的位置测量技术具有很广的信号覆盖，并且能够通过固定的卫星稳定地提供服务，因此目前使用最广泛。然而，利用GPS的位置测量技术的缺点在于精度低，并且在GPS卫星信号无法到达的盲区(shadow area)或室内无法提供该服务。
利用移动通信的位置测量技术是利用已经被构造的移动通信系统、通过三角测量法获得关于移动终端的地理位置相关信息的技术。利用移动通信的位置测量技术包括通过终端服务小区的基站和相邻基站间的合作来查找终端位置的基于网络的方案、具有GPS接收器的终端独立于基站向网络发送位置信息的基于终端的方案、以及两个方案结合的混合方案。这些技术不需要独立的基础设施，并且与GPS相似，具有很广的服务覆盖范围，因此被广泛地用作宏定位技术。然而，这些技术的缺点在于仅能在基站周围的蜂窝半径内以及无线电波可以被接收到的城市内使用，并且由于传播特性、多路径、以及信号衰减引起的衍射导致室内的准确性降低。
由于很广的服务覆盖范围，利用卫星通信或移动通信的位置知晓技术适用于室外环境，但是在盲区或室内该位置知晓技术存在限制。因此，近来，正积极地进行研究以实现利用各种通信技术(诸如漫射红外、超声波、射频(RF)、超宽带(UWB)、以及射频识别)的定位方法。
发明内容
技术方案
这些技术中的大多数利用超声波传输速率的差异来测量位置、或通过根据经测量RF信号的信号强度(即，RSSI)获得的信号衰减而测量信号传输距离来计算位置。在利用RSSI的情况，由于RF信号的属性根据环境改变，因此存在准确测量位置较为困难和误差率高的缺点。在利用超声波的情况，存在由于声波特性而导致超声波对方向敏感以及设备沉重的缺点。
因此，考虑到以上提到的问题提出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种以如下方式轻松准确地测量射频识别(RFID)系统中移动的RFID读取器的位置的位置测量方法以及相应的RFID系统，即，RFID系统包括：多个信标设备，该多个信标设备被安装在预定的位置并且发射信标，这些信标包括与信标设备自身参考位置相关的参考位置信息以及信号强度-距离信息，并且RFID读取器从至少三个信标设备接收信标，利用信标中包括的信号强度-距离信息来识别距各自信标设备的相对距离，并且通过三角测量法计算该RFID读取器自身的位置。
为了达到上述提及的目的，提供了一种利用信标来测量射频识别(RFID)读取器的位置的RFID系统，该系统包括：用于发射信标的多个信标设备；RFID标签，其利用射频识别来发送预存储信息；以及RFID读取器，其在该RFID读取器(120)的移动过程中从所述多个信标设备接收到多个信标时利用所述多个信标来计算当前位置，并且利用所述射频识别从所述RFID标签接收所述信息。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过射频识别(RFID)系统中的RFID读取器来计算当前位置的方法，该RFID系统包括RFID标签、RFID读取器、以及多个信标设备，该方法包括以下步骤：(a)从所述多个信标设备接收多个信标；(b)通过分析所述多个信标来计算距所述多个信标设备的相对距离；以及(c)通过分析所述多个信标来识别所述多个信标设备的参考位置，并且利用所述多个信标设备的参考位置和距所述多个信标设备的所述相对距离来计算所述位置。
附图说明
图1是示意性地例示了根据本发明的一个示例性实施方式的、利用信标来测量RFID读取器的位置的射频识别(RFID)系统的构造的框图；
图2是例示了根据本发明的一个示例性实施方式的、利用信标来测量RFID读取器的位置的方法的流程图；
图3是例示了根据本发明的一个示例性实施方式的、信标设备发射信标的情形的图；
图4A和4B是根据本发明的一个示例性实施方式的、解释由RFID读取器测量当前位置的过程的示例图；以及
图5是根据本发明的一个示例性实施方式的、解释由RFID读取器测量移动速率和移动方向的过程的示例图。
具体实施方式
下面，将参考附图描述本发明的优选实施方式。首先，应当指出，在整个附图中用相同的附图标记来标识相同的要素。在下面的说明中，当可能使本发明的主题相当不清楚时，将省略对在此并入的已知功能和结构的详细描述。
图1是示意性地例示了根据本发明的一个示例性实施方式的、利用信标来测量RFID读取器的位置的射频识别(RFID)系统的构造的框图。
根据本发明的示例性实施方式，利用信标来测量RFID读取器位置的RFID系统包括第一信标设备110、第二信标设备112、第三信标设备114、RFID读取器120、以及RFID标签130。
根据本发明的一个示例性实施方式的第一到第三信标设备110、112和114被固定地安装在RFID系统中的预定位置处并且发射它们各自的信标，以使得RFID读取器120可以测量其自身的当前位置。在这种情况下，可以将信标作为各种无线信号(例如RF信号、Zigbee信号、蓝牙信号等)进行发射。
此外，根据本发明的一个示例性实施方式的第一到第三信标设备110、112和114的每一个发射一个信标，该信标包括与信标设备所在的参考位置相关的参考位置信息、以及信号强度-距离信息，该信号强度-距离信息中反映了信标设备所在的区域的环境。
为此目的，根据本发明的一个示例性实施方式的第一到第三信标设备110、112和114的每一个均包括用于发射信标的信标发射装置、存储参考位置信息和信号强度-距离信息并且存储软件的存储器、用于执行存储在存储器中软件的微处理器，其中该软件控制将多条信息包括在信标中并进行发射并且控制对应信标设备的全部操作。
在此，参考位置信息表示各信标设备所在位置的三维坐标(x轴、y轴、z轴)。信号强度-距离信息根据RFID读取器120从信标设备接收到的信标的信号强度来表示与从各信标设备的参考位置到RFID读取器120的相对距离(即，忽略方向的直线距离)相关的信息，其中在此信息中反映了信标设备所在区域的传播环境。稍后将参考图3详细描述参考位置信息和信号强度-距离信息。
同时，尽管图1示出了根据本发明的一个示例性实施方式利用信标来测量RFID读取器位置的RFID系统仅包括三个信标设备110、112、和114的情况，但是在RFID系统中可能分布四个、五个或更多个信标设备。
根据本发明的一个示例性实施方式的RFID读取器120与RFID标签130通信，并且通过通信获得存储在RFID标签130中的信息。
此外，在根据本发明的一个示例性实施方式的RFID读取器120从第一到第三信标设备110、112和114接收到信标后，该RFID读取器分析从各信标设备110、112和114接收到的信标，识别各信标设备110、112和114的参考位置信息和各信标设备110、112和114的信号强度-距离信息，并且利用该参考位置信息和信号强度-距离信息来计算该RFID读取器自身的当前位置。
在这种情况下，RFID读取器120测量从各信标设备110、112和114接收到的各信标的信号强度，通过将测量的各信标的信号强度与各相应信标设备110、112和114的信号强度-距离信息进行关联来计算与信标设备110、112和114的相对距离，并且利用距各信标设备110、112和114的相对距离和各信标设备110、112和114的参考位置信息通过三角测量法来计算当前位置。下面将参考图4A和4B详细介绍RFID读取器120通过三角测量法来计算当前位置的过程。
此外，根据本发明的一个示例性实施方式的RFID读取器120为计算当前位置而从多个信标设备中的至少三个信标设备接收信标。即，如上所述，根据本发明的一个示例性实施方式利用信标来测量RFID读取器位置的RFID系统可以包括三个或更多个信标设备。RFID读取器120为计算当前位置必须从至少三个信标设备接收信标。因此，当从四个或更多个信标设备接收信标时，RFID读取器120利用从中接收到具有相对较高信号强度的信标的三个信标设备接收的信标来计算当前位置。
此外，根据本发明的一个示例性实施方式的RFID读取器120在移动中测量其自身的位置，并且计算移动速率和移动方向。即，在测量当前位置(移动前的位置)后RFID读取器120已经移动时，RFID读取器120在移动后的位置处测量当前的位置(移动后的位置)，测量从移动前的位置到移动后的位置的移动时间，测量从移动前的位置到移动后的位置的移动距离，并且计算移动距离与移动时间的比值作为速率。此外，RFID读取器120计算从移动前的位置到移动后的位置的矢量，从而计算移动方向。稍后将参照图5详细介绍RFID读取器120计算移动速率和移动方向的方法。
图2是例示了根据本发明的一个示例性实施方式利用信标来测量RFID读取器的位置的方法的流程图。
独立并且固定地安装在RFID系统中的第一到第三信标设备110、112和114的每一个连续地发射信标，该信标包括信标设备自身的参考位置信息和根据信标设备的传播环境的信号强度-距离信息(步骤210)。
在RFID系统内移动的RFID读取器120接收第一到第三信标设备110、112和114发射的信标(步骤220)，并且通过分析从信标设备110、112和114接收到的信标来识别距信标设备110、112和114的相对距离(步骤230)。
RFID读取器120利用距信标设备110、112和114的相对距离和各信标设备110、112和114的参考位置信息通过三角测量法来计算当前位置(步骤240)。
同时，在计算当前位置后RFID读取器120已经移动时，RFID读取器120也可以在移动后的位置处根据步骤210到240的过程测量当前的位置。
因此，当RFID读取器210已经移动时(步骤250)，RFID读取器120测量从移动前的位置到移动后的位置的移动时间(步骤260)，并且测量移动后的位置(步骤270)。然后，RFID读取器120通过将移动前的位置(即，在步骤240中测量的当前位置)到移动后的位置(即，在步骤270中测量的位置)的距离除以步骤260中测量的移动时间来计算移动速率，并且通过计算移动前的位置到移动后的位置的矢量来计算移动方向(步骤280)。
图3是例示了根据本发明的一个示例性实施方式的、信标设备发射信标的情形的图。
每个信标设备110、112和114发射一个信标，这样RFID读取器120能够测量RFID读取器120的位置，其中该信标依照距离而衰减，这样，发射的信标的功率随发射的信标与各对应信标设备110、112和114的距离的增加而减少。
在这种情况下，信号衰减主要受到依照各信标设备110、112和114环境的传播环境的影响。即，当存在引起很大信号衰减的因素时，诸如在特定信标设备周围分布有建筑物和/或结构或有高压线经过的情况，信号衰减率非常高，这使得发射距离被缩短。相反，当这种衰减因素很小时，对应的信标设备可以将信标发射更远的距离。
因此，由于各信标设备110、112和114被固定地安装，因而，当各信标设备已经被安装并且信标的环境已经确定时，可以基于传播环境通过测量信标的关于距离的信号强度来创建数据库。
即，如图3所示，当特定的信标设备发射信标时，可以如下面表1那样创建信号强度-距离信息的数据库。
【表1】
  功率(dbm)   范围(m)
  0   1
  -1   1.5
  -3   6.3
  -5   10.3
  -7   14
  -10   21
  -15   35
  -25   44
因此，特定信标设备发射包括该信标设备自身的参考位置信息和如表1所示的信号强度-距离信息的信标。
如图3所示，在特定信标设备发射信标的状态下，当RFID读取器120从特定信标设备接收到信标并且获得的信标的信号强度测量结果为-10dBm时，RFID读取器120可以通过检查信标中包含的信号强度-距离信息来识别对应于-10dBm的21米距离，这样RFID读取器120可以识别RFID读取器120位于距特定信标设备21米的距离处。显然，由于不是二维距离而是三维距离，21米距离是相对距离。
在此，假定特定信标设备对应于第一信标设备110时，第二信标设备112和第三信标设备114也能如图3所示那样发射信标。然而，由于第二信标设备112和第三信标设备114可能处于不同于第一信标设备110的传播环境下，因此信号衰减率可能是不同的，这样第二信标设备112和第三信标设备114的信标中包含的各条信号强度-距离信息可能不同于表1中所示的信息。
即，由于第一到第三信标设备110、112和114处于不同的传播环境下，因此信标设备110、112和114发射的信标的衰减率是不同的，具有相同信号强度的信标可到达的距离也是不同的。因此，第一到第三信标设备110、112和114的每一个通过预先的测量产生信号强度-距离信息数据库，创建表中所示的表格，并且通过信标发射信号强度-距离信息，这样RFID读取器120可以准确地测量当前位置。
图4A和4B是根据本发明的一个示例性实施方式解释由RFID读取器测量当前位置的过程的示例图。
图4A是根据本发明的一个示例性实施方式解释由RFID读取器识别距信标设备相对距离的过程示例的图。
如图4A所示，第一到第三信标设备110、112和114被固定安装的情况下，RFID读取器120位于三个信标设备的信标发射范围内，并且RFID读取器120从信标设备110、112和114接收第一信标、第二信标和第三信标。
RFID读取器120分别测量从信标设备110、112和114接收到的第一至第三信标的信号强度。如图4A所示，当假定第一信标的信号强度是0dBm、第二信标的信号强度是-25dBm、并且第三信标的信号强度是-7dBm时，RFID读取器120可以通过检查第一信标中包含的第一信号强度-距离信息来识别对应于0dBm的距离“d1”，通过检查第二信标中包含的第二信号强度-距离信息来识别对应于-25dBm的距离“d2”，通过检查第三信标中包含的第三信号强度-距离信息来识别对应于-75dBm的距离“d3”。
图4B是根据本发明的一个示例性实施方式解释RFID读取器120利用距信标设备的相对距离和各信标设备的参考位置来计算当前位置的过程示例的图。
如上参照图4A的描述，通过测量从各信标设备110、112和114接收到的各信标(即第一到第三信标的每一个)的信号强度来识别距信标设备110、112和114的相对距离后，RFID读取器120识别信标中(即，分别处于第一信标、第二信标、和第三信标中)包含的第一参考位置信息、第二参考位置信息、和第三参考位置信息。
在此，第一参考位置信息、第二参考位置信息、和第三参考位置信息分别对应于与信标设备110、112和114的x轴、y轴和z轴坐标相关的三维坐标信息。
在此，如图4B所示，当假定第一参考位置信息对应于坐标(x1，y1，z1)、第二参考位置信息对应于坐标(x2，y2，z2)、并且第三参考位置信息对应于坐标(x3，y3，z3)时，RFID读取器120借助以上识别的距信标设备110、112和114的相对距离和各信标设备110、112和114的三维坐标信息通过三角测量法来计算当前的位置。
即，当RFID读取器120的当前位置的三维坐标对应于(x，y，z)时，利用三角测量法可将当前位置的方程式推导为下面的方程式1。
【数学式1】
(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2＝(d1-err)
(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2＝(d2-err)
(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2＝(d3-err)
在方程式1中，“err”表示关于距离的误差，并且是可根据当前位置的容许误差率确定的常数。
此外，“x1”、“y1”、“z1”和“d1”对应于第一参考位置信息和距第一信标设备110的相对距离，并且是能够从第一信标中识别的常数。“x2”、“y2”、“z2”和“d2”对应于第二参考位置信息和距第二信标设备112的相对距离，并且是能够从第二信标中识别的常数。“x3”、“y3”、“z3”和“d3”对应于第三参考位置信息和距第三信标设备114的相对距离，并且是能够从第三信标中识别的常数。
因此，由于方程式1所示的三个方程式中仅有“x”、“y”和“z”对应将求解的变量，因此可通过求解这三个联立方程组来获得RFID读取器120的当前位置的三维坐标(x，y，z)。
如上所述，根据本发明，在RFID系统中固定地安装有至少三个发射信标的信标设备，并且每个信标设备110、112和114发射一个信标，该信标包括信标设备的参考位置信息和反映信标设备周围的传播环境的信号强度-距离信息，这些信息帮助RFID读取器120确定当前位置。然后，RFID读取器测量已经分别从信标设备110、112和114接收到的第一信标、第二信标、和第三信标的信号强度，分别识别与信标的信号强度相对应的相对距离，并且利用各信标设备110、112和114的三维坐标来计算当前位置，以使得移动中的RFID读取器120可以测量其自身的位置，此外，由于已考虑了各信标设备110、112和114周围的传播环境，因此能够准确地测量出位置。
图5是根据本发明的一个示例性实施方式解释由RFID读取器测量移动速率和移动方向的过程的示例图。
如上面参照图4A和4B的描述，根据本发明的一个示例性实施方式的RFID读取器120可以利用至少三个信标设备测量其自身的当前位置。
同时，RFID读取器120可以在RFID系统中自由地移动，并且甚至在移动时也能连续地测量其自身的位置。下文中，将描述RFID读取器120在RFID系统中移动时，RFID120计算或测量它的移动速率或它的移动方向的过程。
如图5所示，当假定RFID读取器120已经从点A移动到点B时，点A对应于三维坐标(x1，y1，z1)，点B对应于三维坐标(x2，y2，z2)，则RFID读取器120的移动速率可推导为方程式2。
【数学式2】
Figure G2008800169563D00111
即，由于可以将速率表示为距离与时间的比值，因此RFID读取器120可以通过将其自身的移动距离除以其自身的移动时间来计算移动速率。这里通过将从移动前位置到移动后位置的距离除以移动时间来计算移动速率。
此外，RFID读取器120的移动方向可推导为方程式3。
【数学式3】
d → = ( x 2 - x 1 , y 2 - y 1 , z 2 - z 1 )
即，从移动前的位置的x轴、y轴和z轴坐标到移动后的位置的x轴、y轴和z轴坐标的矢量对应于移动方向。
因此，RFID读取器120可以通过方程式2和3计算它的移动速率和它的移动方向，可以利用计算出的移动速率和移动方向来确认RFID读取器120是否准确地移向目的地，并且可以利用计算出的移动速率和移动方向来计算和估计RFID读取器120向目的地移动的方向和速率。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。本领域技术人员可以理解：在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上对本发明进行各种改变。
工业实用性
如上所述，根据本发明，能够测量RFID系统中移动的RFID读取器的位置。
此外，由于RFID读取器的位置是考虑传播环境的情况下测得的，因此能够提高位置测量的准确性。
另外，由于RFID读取器能够在该RFID读取器移动时测量其自身的位置，因此能够测量该RFID读取器的移动速率和移动方向。

Claims (13)

1.一种利用信标来测量射频识别RFID读取器的位置的RFID系统，该系统包括：
用于发射信标的多个信标设备；
RFID标签，其利用射频识别来发送预存储信息；以及
RFID读取器，其在该RFID读取器（120）的移动过程中从所述多个信标设备接收到多个信标时利用所述多个信标来计算当前位置，并且利用所述射频识别从所述RFID标签接收所述信息。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述信标设备被固定在参考位置处，并且发射包括与所述参考位置相关的信息和与信号强度-距离相关的信息的信标。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述RFID读取器通过利用所述信标中包括的与参考位置相关的信息和与信号强度-距离相关的信息来计算所述当前位置。
4.如权利要求3所述的系统，其中当所述RFID读取器接收到所述多个信标时，该RFID读取器测量从各信标设备接收的各信标的信号强度，利用所述与信号强度-距离相关的信息来检查距所述信标设备的相对距离，并且利用各信标设备的参考位置和距所述信标设备的相对距离通过三角测量法来计算所述当前位置。
5.如权利要求1所述的系统，其中RFID读取器从所述多个信标设备中的至少三个信标设备接收所述多个信标。
6.如权利要求5所述的系统，其中当所述RFID读取器从所述至少三个信标设备接收所述多个信标时，所述RFID读取器利用所述多个信标中具有相对较高信号强度的三个信标来计算所述当前位置。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述RFID读取器计算移动前的位置和移动后的位置，并且计算从所述移动前的位置到所述移动后的位置的速率和方向。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述RFID读取器测量从所述移动前的位置到所述移动后的位置的移动时间，计算从所述移动前的位置到所述移动后的位置的距离，然后计算所述距离与所述时间的比值作为所述速率。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述RFID读取器通过计算从所述移动前的位置到所述移动后的位置的矢量来计算所述方向。
10.一种通过射频识别RFID系统中的RFID读取器来计算当前位置的方法，该RFID系统包括RFID标签、RFID读取器、以及多个信标设备，该方法包括以下步骤：
（a）从所述多个信标设备接收多个信标；
（b）通过分析所述多个信标来计算距所述多个信标设备的相对距离；以及
（c）通过分析所述多个信标来识别所述多个信标设备的参考位置，并且利用所述多个信标设备的所述参考位置和距所述多个信标设备的所述相对距离来计算所述位置。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述步骤（b）包括以下步骤：
（b1）通过分析所述多个信标来识别所述多个信标中包括的与信号强度-距离相关的信息；
（b2）利用所述与信号强度-距离相关的信息来计算距所述多个信标设备的所述相对距离。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述步骤（c）包括以下步骤：
（c1）通过分析所述多个信标来识别在所述多个信标中包括的、与所述多个信标设备的所述参考位置相关的信息；
（c2）利用所述多个信标设备的所述参考位置以及距所述多个信标设备的所述相对距离通过三角测量法来计算所述位置。
13.如权利要求10所述的方法，该方法在所述步骤（c）后还包括以下步骤：
（d）将所述当前位置移动到下一个位置；以及
（e）计算从所述当前位置到所述下一个位置的移动速率和移动方向。
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