CN102542230A

CN102542230A - 一种基于rfid技术的无源电子标签二维定位方法

Info

Publication number: CN102542230A
Application number: CN2012100045978A
Authority: CN
Inventors: 张维; 解志锋; 李文涛; 王嘉; 王力
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-01-07
Filing date: 2012-01-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-07
Also published as: CN102542230B

Abstract

本发明提出了一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法，首先布置RFID阅读器和无源参考标签，并设置阅读器的能量级和标签的标识向量，其次RFID阅读器对无源参考标签进行探测，建立无源参考标签的标识矩阵R，再用RFID阅读器对待定位标签进行探测，建立待定位标签的标识矩阵O，最后确定最近邻居标签，并以最近邻居标签的坐标均值作为待定位标签的坐标。本发明采用无源RFID电子标签作为参考标签，解决了现有技术中有源标签体积大、寿命有限的问题，极大地提高了定位系统的寿命。使用能够调节能量层的阅读器，通过调节能量层来调节读写距离，从而判读无源RFID电子标签与阅读器的距离。

Description

一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法

技术领域

本发明涉及自动识别技术领域，具体为一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法。

背景技术

工作在UHF频段的RFID系统室内定位方法与传统的无线定位方法一样，按照定位方式的不同，可分为三大类：基于空间划分的定位(即邻近算法定位)、基于场景的定位、基于测距的定位(包括时间信息定位--TOA以及TDOA、到达角度定位--AOA、信号强度信息定位--RSSI)。

基于空间划分的定位虽然不需要测量电磁波物理量，且较容易实施，但定位精度较低。目前主要应用于井下人员以及仓库中大型物品的位置定位。

基于场景的定位，实施比较困难，需要训练、数据收集、经验积累，且一旦环境发生变化，则需要重新训练。主要应用于零售商店对购买者的位置信息采集及商品管理。

基于测距定位中的时间定位方法(TOA、TDOA)要求收发双方有较为精准的时间同步，这对于RFID系统来说是很难做到的。且要提高其定位精度，收发双方必须存在一条视距传播路径，而室内定位基本上不存在这样的条件，故其并不适用。基于信号到达方向角的定位方法原理很简单，但也要求发射端和接收端的无线传播为视距传播。非视距传播将会给系统定位带来不可预知的误差，且其需要智能天线，价格昂贵。

其中LANDMARC室内定位算法是一种经典的基于有源RFID的室内定位算法，也是目前基于RFID的信号强度(RSSI)定位算法研究相对较为优秀的系统。其设计理念是采用在定位环境中设置额外的固定参考标签，也称辅助标签。这些参考标签在该定位系统中作为参考点使用，通过参考点的信号强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，计算出待定位标签的坐标。相关原理也比较简单，由于阅读器获取到的相邻标签的RSSI值也是相近的，所以LANDMARC算法通过比较阅读器接收到的待定位标签与参考标签信号强度值的大小来求出离待定位标签距离最近的几个参考标签，然后根据这几个最邻近参考标签的坐标，并结合它们的权重，用经验公式计算出待定位标签的坐标。

但是研究中存在一些主要的问题，其中包括以下几点：

1.LANDMARC系统采用的电子标签是有源电子标签，有源电子标签的体积较大，电池寿命有限。其有效识别距离随着电池能量的消耗逐渐减小，导致其在室内定位系统实际应用中工作不稳定，且存在很多不利因素。

2.LANDMARC算法需要得到各个阅读器读取的各个标签的信号强度信息，然后计算信号强度的欧几里德距离，并由计算得出的欧几里德距离确定K个最近邻的参考标签。但在现有LANDMARC系统中最近数目K的选择是通过大量实验得出的固定值，而实验证明，不同位置的待定位标签对应的K值差距很大，在LANDMARC系统中采用固定K值的方法会带来很大误差。

3.在现有最近邻居室内定位算法中，当选择最近邻居时，最近邻居数据相关算法会计算所有的参考标签和待定位标签之间的欧几里德距离。然后比较差值E的大小，选择E较小的参考标签作为待定位标签的最近邻居，这将会导致许多不必要的计算，对系统的实时定位造成影响。这种影响在读写器识别距离较远、覆盖范围较大、参考标签放置密集的环境中尤为突出。

4.在LARDNMARC系统应用中，由于阅读器只支持离散的能量级功率控制，在系统中很多参考标签和待定位标签在阅读器那端体现的能量级是一样的。例如图1中的T3和T5在进行估计的时候，相对于阅读器R2的能量级是相同的，但T5的实际位置距离待定位标签却很远，这将造成系统定位精度的严重下降。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法，该方法采用接收信号强度的定位方式，在LANDMARC定位系统的基础上，通过采用无源RFID参考标签，利用改进的最近邻居参考标签获取方法来实现目标标签定位。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在定位平面中布置m个RFID阅读器和n个无源参考标签，其中m个RFID阅读器的最大工作范围叠加后能够覆盖整个定位平面，n个无源参考标签均匀分布在整个定位平面内，并记录每个无源参考标签在定位坐标系中的位置坐标；将每个阅读器的能量级分为U级，U为正整数，其中1级表示RFID阅读器探测范围最小的能量级；对每个无源参考标签和待定位标签定义一个1×U大小的标识向量，标识向量中各元素初始值为0；

步骤2：每个RFID阅读器从第1级能量级起逐级对所有无源参考标签进行探测，若第i个无源参考标签被第j个RFID阅读器在其第h级能量级第一次探测到后，第j个RFID阅读器不再对第i个无源参考标签进行探测，并将第i个无源参考标签的标识向量中第h个元素的元素值置为1，其中i＝1，2，Λ，n，j＝1，2，Λ，m，h＝1，2，Λ，U，从而得到无源参考标签的标识矩阵R：

R = \{\begin{matrix} R_{11} & R_{12} & . . . & R_{1 m} \\ R_{21} & R_{22} & . . . & R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ R_{n 1} & R_{n 2} & . . . & R_{nm} \end{matrix}\}

其中元素R_ij表示第i个无源参考标签被第j个RFID阅读器探测时得到的标识向量；

步骤3：每个RFID阅读器从第1级能量级起逐级对待定位标签进行探测，若待定位标签被第j个RFID阅读器在其第h级能量级第一次探测到后，第j个RFID阅读器不再对待定位标签进行探测，并将待定位标签的标识向量中第h个元素的元素值置为1，从而得到待定位标签的标识矩阵O：

O＝[O₁₁ O₁₂ … O_1m]

其中元素O_1j表示待定位标签被第j个RFID阅读器探测时得到的标识向量；

步骤4：将无源参考标签的标识矩阵R与待定位标签的标识矩阵O如下运算：

PR = \{\begin{matrix} {O_{11}}^{Λ} R_{11} & {O_{12}}^{Λ} R_{12} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{1 m} \\ {O_{11}}^{Λ} R_{21} & {O_{12}}^{Λ} R_{22} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ {O_{11}}^{Λ} R_{n 1} & {O_{12}}^{Λ} R_{n 2} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{nm} \end{matrix}\} = \{\begin{matrix} P R_{11} & P R_{12} & . . . & P R_{1 m} \\ P R_{21} & P R_{22} & . . . & P R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ P R_{n 1} & P R_{n 2} & . . . & P R_{nm} \end{matrix}\}

其中O_1j ^ΛR_ij表示标识向量O_1j与标识向量R_ij进行逻辑“与”运算；将矩阵PR转换为矩阵PR′，其中矩阵PR′中元素

的元素值为矩阵PR中元素PR_ij中1的个数；计算矩阵PR′中各行的行元素值和，取和值最大的K行所对应的K个无源参考标签作为待定位标签的最近邻居标签；

步骤5：计算待定位标签在定位坐标系中的位置坐标为

其中(x_k，y_k)为第k个最近邻居标签在定位坐标系中的位置坐标，k＝1，2，Λ，K。

有益效果

本发明在LANDMARC定位系统基础上，采用无源RFID电子标签作为参考标签，解决了现有技术中有源标签体积大、寿命有限的问题，从而极大地提高了定位系统的寿命。本发明使用能够调节能量层的阅读器，通过调节能量层来调节读写距离，从而判读无源RFID电子标签与阅读器的距离。此外，采用了动态判断最近邻居标签的判断方法，解决了现有判断最近邻居标签方法带来的误差大，重复计算多的问题。

附图说明

图1：LANDMARC系统示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例是测量某个待定位标签位置，采用如下步骤：

本实施例中RFID阅读器个数采用4个，无源参考标签16个，每个阅读器的能量级分为8级。

R = [\begin{matrix} R_{11} & R_{12} & . . . & R_{1 m} \\ R_{21} & R_{22} & . . . & R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ R_{n 1} & R_{n 2} & . . . & R_{nm} \end{matrix}]

本实施例中4个RFID阅读器对16个无源参考标签探测后得到的标识矩阵R为：

其中，若RFID阅读器采用最大能量级也没有探测到无源参考标签，则该无源参考标签对应该RFID阅读器的标识向量保持初始值不变。

O＝[O₁₁ O₁₂ … O_1m]

本实施例中4个RFID阅读器对待定位标签探测后得到的标识矩阵O为：

O＝[00000001 00000001 00000001 00000010]

PR = [\begin{matrix} {O_{11}}^{Λ} R_{11} & {O_{12}}^{Λ} R_{12} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{1 m} \\ {O_{11}}^{Λ} R_{21} & {O_{12}}^{Λ} R_{22} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ {O_{11}}^{Λ} R_{n 1} & {O_{12}}^{Λ} R_{n 2} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{nm} \end{matrix}] = [\begin{matrix} P R_{11} & P R_{12} & . . . & P R_{1 m} \\ P R_{21} & P R_{22} & . . . & P R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ P R_{n 1} & P R_{n 2} & . . . & P R_{nm} \end{matrix}]

本实施例中矩阵PR为：

得到的矩阵PR′为：

行元素值和最大为2，和值最大的共有3行。

步骤5：计算待定位标签在定位坐标系中的位置坐标为

本实施例中，取3个最近邻居标签在定位坐标系中的位置坐标均值，得到待定位标签在定位坐标系中的位置坐标为

Claims

1.一种基于RFID技术的无源电子标签二维定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

R = [\begin{matrix} R_{11} & R_{12} & . . . & R_{1 m} \\ R_{21} & R_{22} & . . . & R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ R_{n 1} & R_{n 2} & . . . & R_{nm} \end{matrix}]

O＝[O₁₁ O₁₂ … O_1m]

PR = [\begin{matrix} {O_{11}}^{Λ} R_{11} & {O_{12}}^{Λ} R_{12} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{1 m} \\ {O_{11}}^{Λ} R_{21} & {O_{12}}^{Λ} R_{22} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ {O_{11}}^{Λ} R_{n 1} & {O_{12}}^{Λ} R_{n 2} & . . . & {O_{1 m}}^{Λ} R_{nm} \end{matrix}] = [\begin{matrix} P R_{11} & P R_{12} & . . . & P R_{1 m} \\ P R_{21} & P R_{22} & . . . & P R_{2 m} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ P R_{n 1} & P R_{n 2} & . . . & P R_{nm} \end{matrix}]

其中O_1j ^ΛR_ij表示标识向量O_1j与标识向量R_ij进行逻辑“与”运算；将矩阵PR转换为矩阵PR′，其中矩阵PR′中元素的元素值为矩阵PR中元素PR_ij中1的个数；计算矩阵PR′中各行的行元素值和，取和值最大的K行所对应的K个无源参考标签作为待定位标签的最近邻居标签；

步骤5：计算待定位标签在定位坐标系中的位置坐标为