CN102609669A - 一种基于rfid 的追踪系统 - Google Patents

Abstract

一种逆向移动实体追踪系统，包括有主动标签、被动标签，具有标签读取功能的便携设备以及数据中心，其中至少部分主动标签以及部分被动标签被预先设置在结构设施的固定的位置上；所述具有标签读取功能的便携设备由移动实体携带，所述数据中心保存有固定设置的主动标签和被动标签的当前和/或历史位置信息；所述具有标签读取功能的便携装置将读取到的射频标签信息及实体周围环境条件信息通过无线技术传输到数据中心，数据中心根据事先保存的主/被动标签的位置信息以及接收到的射频标签信息计算出移动实体的位置。

Description

一种基于RFID 的追踪系统

技术领域

本发明涉及RFID技术领域，尤其涉及一种利用RFID技术追踪移动实体的方法。

背景技术

移动实体的追踪是一个很重要的研究领域。附图1给出了现有的一个利用RFID系统进行移动实体定位的例子。在该系统中，标签读取装置固定安装在一些关键位置上，例如入口或者出口位置，移动实体，例如人或者车辆，携带主动标签。当移动实体进入RFID读写器控制区域，如即将进到入口或者即将从出口离开，标签读取装置读到移动实体的信息进行定位。但是该系统在进行移动实体追踪时存在如下缺陷：定位不精准，并且无法进行实时追踪。如果在RFID系统中固定安装多个标签读取装置，以此获得更高的定位精准度，则将极大的提高整个系统的成本。我们亟待一种追踪移动实体的方法和系统，并且这种实时追踪移动实体的方法或者系统需要精度高，价格便宜，这样才能有广阔的应用场所和广泛的使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种逆向移动实体追踪系统，其特征在于，该系统包括：主动标签、被动标签，包括有具有标签读取功能的便携装置以及数据中心，其中至少部分主动标签以及部分被动标签被预先设置在结构设施的固定的位置上；所述具有标签读取功能的便携设备由移动实体携带，所述数据中心保存有固定设置的主动标签和被动标签的当前和/或及历史位置信息；所述具有标签读取功能的便携装置将读取到的标签信息通过无线技术传输到数据中心，数据中心根据保存的主/被动标签的位置信息以及接收到的标签信息计算出移动实体的位置。

优选地，所述主动标签和被动标签固定设置具体遵循以下一个或多个规则：

A、每个被动标签区域被至少一个主动标签区域覆盖；

B、两个相邻的主动标签至少有一个重叠的被动标签区域；

C、主动标签之间的间隔应小于具有标签读取功能的便携装置能够读取的距离。

优选地，所述固定设置的主动标签和被动标签形成二维标签阵列或者三维标签阵列。

优选地，所述固定设置的主动标签和被动标签形成三维标签阵列，其中至少一个主动标签位于三维拓扑的内部，多个二位标签位于三维拓扑的边缘。

优选地，所述主动标签包括存储器，用于存储预设时间内所有读到过该主动标签的具有标签读取功能的便携装置的信息；所述数据中心或者其他便携装置根据多个存储器中存储的关于特定便携装置的信息计算出该便携装置的移动线路。

优选地，所述存储器为环形缓冲器。

优选地，所述具有标签读取功能的便携装置进一步包括：环境条件传感模块、身体健康情况传感模块以及移动性传感模块中的一种或者多种；所述便携装置用于将各个传感模块获得的传感参数上传到数据中心。

优选地，所述无线技术为无线传感器网络技术时，进一步在无线传感器网络中设置固定无线传感器网络节点，所述便携装置作为无线传感器网络的移动节点。

优选地，所述固定无线传感器网络节点的数量小于标签的数量。

优选地，所述固定无线传感器网络节点的数量小于主动标签的数量。

优选地，所述部分标签由被追踪的移动人员携带，以便携带当该移动人员被困时能够迅速被携带便携设备的移动实体发现。

优选地，该系统包括多个便携设备，所述便携设备通过预定的选举规则选举出代表节点，其他便携设备通过该代表节点将数据传回数据中心。

优选地，所述便携装置进一步将其读取到的标签信息记录在本地。

优选地，所述数据中心根据便携设备发送过来的多个标签信息计算出携带该便携设备的移动实体在某个时间段内多个位置，并根据所述多个位置计算出该移动实体的移动线路。

优选地，所述数据中心保存的标签的位置信息包括标签的当前位置信息以及历史位置信息。

本发明通过主动/被动标签混合的模式实现了较低部署成本的前提下获得较佳的移动实体定位的良好技术效果，其中各种较佳的部署规则进一步优化了系统的性能，能够适用多种复杂的实际环境。本发明进一步结合无线传感技术提高了移动实体在执行追踪过程中安全系数。另外，本发明还提供回放功能，可以使得数据中心或者其他移动实体获知一个特定移动实体在过去一段时间内的移动线路，为确保搜救人员生命安全提供了很好的保障。

附图说明

图1是现有技术通过RFID技术进行移动实体定位的示意图；

图2是本发明一种实施方式中安装有主动标签和被动标签混合使用的系统原理图；

图3是本发明一种实施方式中主动标签及变动标签进行三维部署的示意图；

图4是本发明又一种实施方式中主动标签及变动标签进行三维部署的示意图；

图5是本发明一种实施方式中便携装置的逻辑结构图；

图6是本发明又一种实施方式中便携装置的逻辑结构图；

图7是本发明又一种实施方式中主动标签与被动标签混合使用的系统原理图；

图8是本发明一种实施方式中计算移动实体位置的原理图；

图9是本发明又一种实施方式中计算移动实体位置的原理图；

图10是本发明一种在商业建筑中使用实例的原理图；

图11是本发明一种在大型物流中的使用实例的原理图；

图12是本发明一种支持回放功能的实施方式的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的实施例展示了一种移动实体追踪系统，其中射频标签(RFIDTag)读取装置(RFID Reader，以下简称“标签读取装置”)由移动实体携带，移动实体进入到安装有主动射频标签(Active RFID Tag/有源射频标签，能自身供电，以下简称“主动标签”)和被动射频标签(Passive RFID Tag/无源射频标签，从标签读取装置产生的磁场中获得供电的能量，以下简称“被动标签”)的环境中，其携带的标签读取装置将读取到的主/被动标签信息通过无线技术传输到数据中心。一个大型物流配送中心将被动标签放置在低价值货物上，将主动标签放置在货物集装箱等高价值物体上。物流配送中心操作人员通过携带一个标签读取装置，可以自动识别存货信息和存货位置进行盘货，并将这些信息传送到数据中心，以便后续处理。再比如说，如果预先在该高层建筑内的商业职员胸卡中，内置一个射频标签，那么在紧急情况下，紧急救援人员会很快识别他们的位置，这样就能迅速发现被困职员进行救援。

本发明的实施例提供的是一种逆向RFID模式，即移动实体携带标签读取装置(通常可集成在一个便携设备中)。被追踪实体携带主动标签和被动标签，标签可以是预先固定设置在一个位置上，也可以由被追踪/营救的受困人员携带。在该逆向RFID模式中，多个固定位置上设置各标签以代替现有技术中安装标签读取装置的方式，这样可以直接降低部署成本以及日常的维护成本。在本发明逆向RFID模式中，射频标签包含主动标签和被动标签，这些标签间隔混合使用，可以大幅度降低系统的部署成本。被动标签能够被标签读取装置读取到的距离范围相对较小，比如说10米，因此能提供较为精准的定位依据，同时成本较低。主动标签被标签读取装置读取到的距离范围较大，所以能在更大的距离范围内的追踪，所以主/被动标签的混合使用有利于系统在较低的成本下做出更准确的定位计算，同时保证标签读取器能够通过远处的主动标签获得定位依据，追踪到距离较远的目标。

图2给出了一个安装有主动标签和被动标签的系统。如图2所示，标签1、标签2、标签3、标签4为主动标签，标签10～标签26为被动标签。这些标签在覆盖主动标签和被动标签的区域100中的位置信息通常在部署的时候就被记录了，比如记录在数据中心。移动实体位于区域100中，该移动实体携带有标签读取装置。移动实体在时间点1移动到区域100中的A位置，在此位置上，标签读取装置可以读取到标签1和标签11的信息；移动实体在时间点2移动到区域100中的B位置，在此位置上，标签读取装置可以读取到标签14的信息；移动实体在时间点3移动到区域100中的C位置，在此位置上，标签读取装置可以读取到标签3、标签20和标签21的信息。标签读取装置将读到的这些标签信息通过无线技术传输到数据中心。数据中心根据保存的这些标签的位置信息以及读取到的标签信息进行计算就能得到移动实体的位置信息。数据中心保存的标签的位置信息通常是固定的，但是如果是被搜救的人(也就是可移动的实体)携带的，则数据中心可以进一步保存其历史位置信息，在有的实施例中标签都是固定的，有的实施方式中则是大部分固定(比如至少60％是固定的)，小部分移动的。读取到的标签信息通常包括：标签性质、信号功率水平(RSSI)等，通过这些信息，数据中心可以轻易地利用各种定位算法计算出携带标签读取装置的移动实体的位置。进一步来说，携带便携设备的移动实体可能在多个位置发送多个标签信息，数据中心可以根据这些标签信息计算出在某段时间内移动实体所处的多个位置，进而计算出该移动实体在这段时间内的移动线路，以实现追踪线路回放等功能。这里提到的无线技术可以包括WiFi、Zigbee、3G等技术。标签读取装置读到的标签信息越多相对越有利于准确定位移动实体的位置。所以通常来讲标签密度越高越有利于追踪移动实体，但是标签数量的增多系统的成本也会相应增加，但是本发明使用主动/被动标签混合的方式，可以使得用户部署成本压力大幅度降低，在合理成本下，标签部署密度可大幅度提高。

进一步来说，标签读取装置可以将读取到的标签信息全部记录在本地，因为在一些极端的环境下，标签读取装置可能无法通过无线技术与数据中心取得联系。标签读取装置的本地记录可以作为一个“黑匣子”，作为事后分析的依据。

为了使得整个系统能准确的实时追踪移动实体的位置信息，并且保证系统具有较低的成本，主/被动标签的部署非常重要。一般需要结合实际的安装场所的情况进行有目的的部署。本发明主动标签与被动标签的混合部署规则有很多种实施方式，以下列举几种典型的部署规则，这些规则又可以根据实际情况混合使用。

数量规则：主动标签与被动标签按比例进行部署，比如在一个实施例中，90％的射频标签是被动标签，10％是主动标签。按照每隔9个被动标签安装一个主动标签的拓扑方式安装标签。

空间规则：主动标签与被动标签部署进行二维或者三维部署，二维部署即所有标签基本部署在一个平面内，如图3所示；三维部署即所有标签所在的点构成立体拓扑，如图4所示。另外，比如主动标签安装在一个三维立方空间的中心，被动标签安装在立方空间的六个面以及顶点上，在一般的规则中，至少一个主动标签位于三维拓扑的内部(如中心位置)，而多个标签位于三维拓扑的边缘(如六面体的顶点等)。

覆盖规则1：在标签阵列中，每个被动标签区域被至少一个主动标签区域覆盖，这种规则可以提升标签读取装置读到标签的范围，同时还能进一步提供高标签读取装置读到被动标签的可能性。所谓标签区域理论上就是指以标签为球心，该标签能够被标签读取器读取到的最大距离为球半径的一个球体。

覆盖规则2：在标签阵列中，两个相邻的主动标签区域至少有一个共同的与自身重叠的被动标签区域，即相邻的主动标签区域均与一个相同的被动标签区域相交。

覆盖规则3：在标签阵列中，主动标签之间的间隔应小于标签读取装置能够读取到的距离。这些标签排布规则可以根据实际情况单个使用或者多个同时使用。

在以上主/被动标签混合使用的场景中，移动实体携带的标签读取装置可以与无线传输模块相结合形成一个便携无线装置。请参考图5，其中显示了一个便携无线装置的结构图。该装置50包括如下模块：标签读取模块(即前述标签读取装置)51、无线模块52。无线模块的设置保证了标签读取装置能将读取到的信息实时的传输到数据中心。

在追踪移动实体的位置时，如果还能准确知道移动实体(比如搜救队员或者地下工作人员)本身的属性信息以及移动实体周围的情况条件将对追踪产生更有利的帮助，尤其在一些危险恶劣的追踪环境中，如果在掌握移动实体位置的基础上再知道一些移动实体一些关键信息以及环境信息，能够很大程度上确保搜救队员的生命安全。

如图6所示，移动实体携带的便携无线装置60中包括以下模块：环境条件传感模块61、身体健康情况传感模块62和/或移动性传感模块63、无线模块64和标签读取模块65。这些传感模块感应到相关信息，这些感应到的信息将通过无线技术传送到数据中心。数据中心获取到这些感应信息后进行分析从而知道更多和移动实体相关的信息，做出更准确的控制。所述环境条件传感模块61可以包括温度传感器、湿度传感器、瓦斯传感器、烟度传感器、噪音传感器和/或物体运动传感器；身体健康情况传感模块62可以包括体温传感器、脉搏传感器和/或机械传感器；移动性传感模块63可以包括加速度传感器和/或磁性传感器。

下面再介绍下结合无线传感器网络(WSN，wireless sensor network)实施本发明的一个实施例。区域中多个移动实体作为无线传感网络中的节点，这些节点组成了一个自组织的无线传感器网络，每个节点将自身获取到的信息通过其他移动节点传输到数据中心。移动实体获取到的信息包括其自身携带的标签读取装置读取到的主/被动标签的信息和/或各种传感器(如温度传感器、湿度传感器、体温传感器、运动传感器、磁性传感器等等)得到的信息。如图7所示，节点71将自身读取的标签701、702的信息传输给节点72、节点72将节点71传输过来的信息以及自身获得的标签703、704的信息传输给节点73，节点73将节点72传输过来的信息以及自身获取的标签705、706的信息进一步传输出去，直到到达数据中心，数据中心可以根据这些信息定位出各移动实体的位置。

数据中心定位移动实体的一个例子如图8所示。移动实体80携带的标签读取装置读取到主动标签81、被动标签82和主动标签83的信息将其反馈给数据中心。数据中心保存有标签81的位置信息(x1，y1)，标签82的位置信息(x2，y2)以及标签83的位置信息(x3，y3)。数据中心计算移动实体80的位置(x，y)如下计算式：

(x，y)和(x1，y1)之间的距离≤d1

(x，y)和(x2，y2)之间的距离≤d2

(x，y)和(x3，y3)之间的距离≤d3

这里，d1、d2和d3是数据中心根据接收到的标签读取装置传输的信息，如信号功率水平等确定的。

根据上述计算公式就可以确定出(x，y)的一个相对范围。

当然，从上述计算方法可以看出，读取到的标签信息越多，计算获得(x，y)的范围越小，从而移动节点的位置也就越精确。

为了更准确的定位移动节点，还可以在网络中部署固定的无线传感器网络节点。移动节点作为无线传感器网络的移动节点。进一步参见图9，图9相对于图8增加部署了固定的无线传感器节点90(通常固定的无线传感器节点的数量小于标签数量，较佳地，小于主动标签的数量)，该节点的位置信息(x4，y4)也被记录在数据中心。移动节点将获得该传感器节点90的信息，将其传输给数据中心。数据中心计算移动实体80的位置(x，y)如下计算式：

(x，y)和(x1，y1)之间的距离≤d1

(x，y)和(x2，y2)之间的距离≤d2

(x，y)和(x3，y3)之间的距离≤d3

(x，y)和(x4，y4)之间的距离＝d4

这里的d4是数据中心根据接收到的无线传感器网络节点90的相关信息确定的。由于移动节点和无线传感器网络节点90的距离是个相对准确的值，所以图9所述的例子比图8所述的例子能更准确的定位移动节点。

在一个实际应用场景中，以一个地下煤矿的实际布局为例，其中安装了一系列的主/被动标签，标签的间隔以矿井图纸和巷道平面图为基础进行设置。移动实体，即地下人员和昂贵车辆都装备了一个集成各传感器的标签读取装置。正常操作下，实时追踪地下移动实体的位置、身体情况、环境条件以及他们的移动信息。发生灾难或者紧急情况时，立即追踪所有已知的地下人员最后位置，有效地进行应急操作，据此可以有效地执行搜索和营救方案。

另一个实际应用场景，如图10，一栋大楼在一些关键位置安装了主/被动标签，如电梯，紧急逃生通道、电灯。另外，大楼的一些工作人员也携带标签。大楼发生了火灾，消防员携带标签读取器进入到大楼进行救援。消防员携带的标签读取器将读取到的标签信息，包括安装在关键位置的固定标签信息以及受困人员，即携带标签的大楼里的工作人员的标签信息通过无线网络传输到数据中心，从而可以实施紧急救援。

又一个实际应用场景，如图11，一个大型物流配送中心将被动标签放置在小型货物上，将主动标签放置在货物集装箱等大型货物上。物流配送中心操作人员通过携带一个标签读取装置，可以自动识别存货信息和存货位置进行盘货，并将这些信息传送到数据中心，以便后续处理。

在以上主/被动标签混合使用的场景中，本发明一个实施例进一步提供回放和重新追踪特性。主动标签包括存储器，该存储器记录记去“看到”(也就是曾经被读到)的所有标签读取装置的信息。存储器记录的内容可以包括标签读取装置的ID，读取到信息的时刻。主动标签的存储器在过去固定时间间隔内进行记录，这个间隔可以是30分钟、60分钟或者几个小时，可以根据经验设定。存储器中还可以进一步记录周围的环境状态。主动标签可以使用其环形缓冲器作为存储器来记录其“看到”的标签读取装置的信息。数据中心或者其他便携装置可以根据多个存储器中存储的关于特定便携装置的信息计算出该便携装置的移动线路。携带有便携装置的移动实体在移动的过程中读取到多个主动标签存储器中的数据，将其反馈到数据中心，数据中心根据多个主动标签存储器中的记录，就可以得知某段时间段内特定标签读取装置的多个位置信息，根据这些位置信息就可以知道携带该标签读取装置的移动实体在某段时间内的移动线路，即每个移动实体最近一段时间的移动轨迹的记忆图像。如图12所示，在该图中，无线传输利用的是无线传感器网络，移动节点作为该网络中的一个节点，携带一个内置有标签读取功能的便携PC。移动节点在位置1时，主动标签A记录了如下信息：WSN节点ID为35，到达位置1的时刻为8点32分33秒，在该位置区域停留了2分钟，环境状态；移动节点在位置2时，主动标签B记录了如下信息：WSN节点ID为35，到达位置2的时刻为8点50分15秒，在该位置区域停留了5小时10分钟11秒，condition状态。这些主动标签中的信息被收集以后，就能知道移动节点的移动路径了。

在另一个实施方式中，移动实体携带的便携设备中包括标签读取装置和无线模块，便携设备可以将标签读取模块读取到的所有标签信息以及读取到这些信息的时间都上传到数据中心。移动实体可以通过便携设备从数据中心将其他移动实体的便携设备读取到的信息下载下来，然后结合环境地图可以生成其他移动实体的在该环境中的移动情况，比如轨迹以及速率等。进一步来说，便携设备还可以进一步上传传感器模块或得到的信息。移动实体可以在移动情况的基础上进一步或者其他传感器的信息，可以更加全面地了解其他移动实体的过往以及实时的信息。当然这些状况数据中心可以采用同样的算法获知。获得这些信息之后，移动实体之间可以相互配合以及帮助，对于确保移动实体生命安全具有关键的意义。

进一步来说，由于需要传输的信息较多，为了节约到数据中心上行带宽，避免网络拥塞导致信息传递的实时性受到影响，比如说如果每个便携设备都是用3G网络进行信息上报，那么很可能会出现争抢信道导致一些重要信息无法及时上传的问题。本发明优选的实施方式中多个便携设备形成分层的多个集群(hierarchical cluster)，在每个集群所述多个便携设备通过预定的选举规则选举出代表节点，其他便携设备通过该代表节点将数据传回数据中心，以减少能耗，并允许有效利用带宽以支持多跳无线网状组网(multiple hops ofmesh networking)。并且在业务层面上，可以规划上传数据中心的信息的优先级，代表节点可以根据需要先上报重要的信息。

上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种逆向移动实体追踪系统，其特征在于，该系统包括：

主动标签、被动标签，包括有具有标签读取功能的便携装置以及数据中心，其中至少部分主动标签以及部分被动标签被预先设置在结构设施的固定的位置上；所述具有标签读取功能的便携设备由移动实体携带，所述数据中心保存有固定设置的主动标签和被动标签的位置信息；所述具有标签读取功能的便携装置将读取到的标签信息通过无线技术传输到数据中心，数据中心根据保存的主/被动标签的位置信息以及接收到的标签信息计算出移动实体的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动标签和被动标签固定设置具体遵循以下一个或多个规则：

A、每个被动标签区域被至少一个主动标签区域覆盖；

B、两个相邻的主动标签至少有一个重叠的被动标签区域；

C、主动标签之间的间隔应小于具有标签读取功能的便携装置能够读取的距离。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定设置的主动标签和被动标签形成二维标签阵列或者三维标签阵列。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述固定设置的主动标签和被动标签形成三维标签阵列，其中至少一个主动标签位于三维拓扑的内部，多个二位标签位于三维拓扑的边缘。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动标签包括存储器，用于存储预设时间内所有读到过该主动标签的具有标签读取功能的便携装置的信息；所述数据中心或者其他便携装置根据多个存储器中存储的关于特定便携装置的信息计算出该便携装置的移动线路。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述存储器为环形缓冲器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有标签读取功能的便携装置进一步包括：环境条件传感模块、身体健康情况传感模块以及移动性传感模块中的一种或者多种；所述便携装置用于将各个传感模块获得的传感参数上传到数据中心。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线技术为无线传感器网络技术时，进一步在无线传感器网络中设置固定无线传感器网络节点，所述便携装置作为无线传感器网络的移动节点。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定无线传感器网络节点的数量小于标签的数量。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定无线传感器网络节点的数量小于主动标签的数量。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述部分标签由被追踪的移动人员携带，以便携带当该移动人员被困时能够迅速被携带便携设备的移动实体发现。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统包括多个便携设备并形成分层的多个集群，在每个集群中所述多个便携设备通过预定的选举规则选举出代表节点，其他便携设备通过该代表节点将数据传回数据中心。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述便携装置进一步将其读取到的标签信息记录在本地。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据中心根据便携设备发送过来的多个标签信息计算出携带该便携设备的移动实体在某个时间段内多个位置，并根据所述多个位置计算出该移动实体的移动线路。

15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据中心保存的标签的位置信息包括标签的当前位置信息以及历史位置信息。

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