CN102967849A - Rfid标识的定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID标识的定位系统及方法，该系统至少包括：接收天线网络，至少包括4个接收天线，可设置在需要监控区域的预定位置或任何位置，用以接收收发机/RFID发射的射频信号；一个或多个收发机无线移动或静止的收发机/RFID，在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；以及中心收发站，定时发射呼叫信号，并在检测到有收发机/RFID在监控区域后，根据该射频信号包含的信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出该收发机/RFID的三维位置信息，通过本发明，可以实现对RFID标识精确实时跟踪和定位的目的。

Description

RFID标识的定位系统及定位方法

技术领域

本发明关于一种定位系统及方法，特别是涉及一种RFID标识的定位系统及定位方法。

背景技术

目前，通用的方法是利用现有的无线网络系统来跟踪和定位特定场合的RF标识。接收机通过对接收到的信号进行处理，识别手持设备的信息和跟踪、定位该设备。

一般的识别定位系统通常利用信号的幅度来判断发射机的位置。通常这种系统可以给出米量级的测量精度，在不需要很高精度的情况下这种系统就可以工作，然而，这种测量精度限制了需要精确、实时的实际应用。比如基于计算机控制的虚拟空间的跟踪，在游戏应用中的操纵控制器，远程图像手术中的探头位置的控制，都需要很高的定位精度和实时性。在这种情况下，目前的定位系统无法达成要求。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明之目的在于提供一种RFID标识的定位系统及定位方法，其通过利用RF信号传输到不同接收天线的时间差来快速，精确的定位校正，实现了精确的实时跟踪和定位的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种RFID标识的定位系统，至少包括：

接收天线网络，至少包括4个接收天线，可设置在需要监控区域的预定位置或任何位置，用以接收收发机/RFID发射的射频信号；

一个或多个收发机无线移动或静止的收发机/RFID，在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；以及

中心收发站，定时发射呼叫信号，并在检测到有收发机/RFID在监控区域后，根据该射频信号包含的信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出该收发机/RFID的三维位置信息。

进一步地，当接收天线的位置为任意摆放时，需要一个已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

进一步地，该收发机/RFID先后放置于在该发射模具的不同点发射射频信号，该中心收发站对不同点发射的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息以进行位置校正。

进一步地，对于包含四个接收天线的定位系统，需要最少4个已知位置参考点。

进一步地，该中心收发站包括收发双工器、射频低噪声放大器、射频功率放大器、BPSK调制器、带通滤波器、模拟信号数字化电路、开关电路、参考晶体振荡器、RF射频信号产生器、0°/90°移相器以及FPGA/数字信号处理器，该收发双工器和开关电路由该FPGA/数字信号处理器控制其工作状态，当该中心收发站在呼叫时，该收发双工器处于发射位置，反之则处于接收位置，该开关电路则在其中3条接收天线之间切换，用以和另一条接收天线的相位进行比较，接收到的信号通过BPSK调制器进行下变频调制，得到的中频信号送至该模拟信号数字化电路进行数字化，最后把数字化的信号送至该FPGA/数字信号处理器进行信号处理，并结合相应的算法，得到所需的RFID标识的位置信息，送至后续处理。

进一步地，该些接收天线设置于收发机/RFID的周围。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种RFID标识的定位方法，包括如下步骤：

中心收发站定时发射呼叫信号；

收发机/RFID标识在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；

接收天线与该中心收发站接收RFID发射的射频信号；以及

该中心收发站根据该射频信号包含的用户信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出用户的三维位置信息。

进一步地，当接收天线的位置为任意摆放时，采用一个已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

进一步地，将收发机/RFID先后放置于在该发射模具的不同点发射射频信号，该中心收发站对不同点发射的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息以进行位置校正。

进一步地，该收发机/RFID标识的位置可以通过如下方程组，用LM算法进行计算而得到：

$f_1=\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_2=\sqrt{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_3=\sqrt{{(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

其中(x_i，y_i，z_i，i＝1，2，3，4)是从校正过程中得到的结果，(x，y，z)是需要计算得到的RFID标识的位置坐标。

与现有技术相比，本发明一种RFID标识的定位系统及定位方法通过利用RF信号传输到不同接收天线的时间差来快速，精确的定位校正，实现了精确的实时跟踪和定位的目的。

附图说明

图1为本发明一种RFID标识的定位系统的系统架构图；

图2为本发明一种RFID标识的定位系统之较佳实施例的架构示意图；

图3为本发明较佳实施例中RFID标识收发器11的结构框图；

图4为本发明较佳实施例中中心收发站13的结构框图；

图5为本发明一种RFID标识的定位方法的步骤流程图；

图6给出了任意放置接收天线校正的一个例子的示意图；

图7给出了计算RFID标识位置的Levenberg-Marquardt算法的流程框图；

图8给出了一个设置接收天线和计算RFID标识位置的例子的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种RFID标识的定位系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种RFID标识的定位系统，至少包括：接收天线网络101、一个或多个无线移动或静止的收发机/RFID102以及中心收发站103。

其中，接收天线网络101至少包括4个接收天线，接收天线可设置在需要监控区域的预定位置或任何位置，一般放置在收发机/RFID102的周围，用以接收收发机/RFID102发射的射频信号；收发机/RFID102在检测到中心收发站103的呼叫信号后，发射出包括自身信息的射频信号；中心收发站103定时发射呼叫信号，在检测到有用户在监控区域后，根据用户的信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出用户的三维位置信息。当接收天线的位置是任意摆放时，则需要一个校正用的已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

在本发明较佳实施例中，为了计算每个任意放置的接收天线的三维空间位置，收发机/RFID102需要放置在一个已知形状尺寸的模具的一个点上发射射频信号，四个任意放置的接收天线接收到该射频信号，中心收发站103对收到的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息，然后再移动收发机/RFID102到另一个摸具的点上进行相同的信号处理，得到与之相对应的时间差信息。对于最简单的四个接收天线的系统，则需要最少4个已知位置参考点。

当接收天线的三维空间位置确定后，在接收天线形成的监控区域内，收发机/RFID102就可以很容易地被跟踪和定位。

图2为本发明一种RFID标识的定位系统之较佳实施例的架构示意图。如图2所示，该定位系统包括一个RFID标识收发器11，它的位置(x，y，z)需要计算得到；接收天线网络包括12a-12d四个接收天线，它们的三维空间位置(x_i，y_i，z_i)用前述方法获得；以及中心收发站13和计算机/数字信号处理器14。该系统在三维空间定位，需要最少4个接收天线和一个RFID标识收发器。

接收天线网络包括最少4个接收天线12a-12d，接收天线放置在一个RFID标识收发器11的周围。每个接收天线接收到的射频信号用电缆送至中心收发站13。中心收发站13进行信号和数据的处理并送至计算机/数字信号处理器14进行RFID标识收发器11的位置(x，y，z)计算。RFID标识收发器11的位置信息(x，y，z)可以送出到另外的设备显示或后续处理。

在该三维定位系统中，RFID标识收发器11平时是处于休眠状态。当RFID标识收发器11进入监控区域或收到中心收发站13发出的呼叫信号，RFID标识收发器11发射出用伪随机码调制了它本身信息的扩谱射频信号。

利用伪随机码的相关特性，在中心收发站13会得到伪随机码的相关脉冲并恢复载波信号，通过码相关器和载波相位相关器，分别得到粗测和精测的时间差，利用精测到的时间差可以得到很高精度的位置，利用粗测的时间差可以解决精测带来的相位模糊问题。

图3为本发明较佳实施例中RFID标识收发器11的结构框图。在本发明较佳实施例中，RFID标识收发器11包括天线21、RF射频信号产生器22、BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)调制器23、射频放大器24、低噪声放大器27、收发转换双工器28、参考晶体振荡器25、处理器26、带通滤波器29以及0°/90°移相器30。

每个RFID标识都有自身的特定身份信息码，该信息码由处理器26产生。参考晶体振荡器25为RF射频信号产生器22和处理器26提供稳定的振荡信号。应用锁相技术，由参考晶体振荡器25产生的较低的稳定振荡信号可以得到稳定的RF射频信号。RF射频信号通过0°/90°移相器30输出0°和90°移相的RF射频信号。BPSK调制器23将RF标识的自身信息用双相键控的方法调制到0°和90°移相的RF射频信号上，被调制的射频信号通过射频放大器24进行放大，再通过由处理器26控制的收发转换双工器28，由天线21发射。

在一般情况下，RFID标识处于待机状态，当RFID标识接收到从中心收发站13发出的呼叫信号，通过低噪声放大器27后进行放大，放大了的射频呼叫信号通过BPSK调制器23进行下变频调制，送至处理器26进行解调，得到RFID标识的相关信息。

在本发明较佳实施例中，RFID信号采用免费的ISM(Industrial ScientificMedical，工业科学医疗)信号波段中的900MHz。

图4为本发明较佳实施例中中心收发站13的结构框图。如图4所示，本发明之中心收发站13包括收发双工器31、射频低噪声放大器32、射频功率放大器33、BPSK调制器34、带通滤波器3b、模拟信号数字化电路35、RF开关电路36、参考晶体振荡器37、RF射频信号产生器39、0°/90°移相器38以及FPGA/DSP(Field-Programmable Gate Array/Digital Signal Processing，现场可编程门阵列/数字信号处理)3a。

收发双工器31和RF开关电路36由FPGA/DSP37控制其工作状态，当中心收发站13在呼叫时，收发双工器31处于发射位置，反之则处于接收位置。RF开关电路36则在接收天线2，3，4之间切换，用以和接收天线1的相位进行比较。接收到的信号通过BPSK调制器34进行下变频调制，得到的中频信号送至模拟信号数字化电路35进行数字化，最后把数字化的信号送至FPGA/DSP37进行信号处理，并结合相应的算法，得到所需要的RFID标识的位置信息，送至后续处理。

图5为本发明一种RFID标识的定位方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种RFID标识的定位方法，包括如下步骤：

步骤501，中心收发站定时发射呼叫信号；

步骤502，收发机/RFID标识在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；

步骤503，接收天线与中心收发站接收RFID发射的射频信号；以及

步骤504，中心收发站根据该射频信号包含的用户信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出用户的三维位置信息。

在步骤504中，当接收天线的位置时任意摆放，则需要一个校正用的已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

例如，为了计算每个任意放置的接收天线的三维空间位置，RFID标识需要放置在一个已知形状尺寸的模具的一个点上发射射频信号，四个任意放置的接收天线接收到该射频信号，在中心收发站，对收到的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息；再移动RFID标识到另一个摸具的点上进行相同的信号处理，得到与之相对应的时间差信息。对于最简单的四个接收天线系统，需要最少四个已知位置参考点。

当接收天线的三维空间位置确定后，在接收天线形成的监控区域内，RFID标识就可以被跟踪和定位。

图6给出了任意放置接收天线校正的一个例子的示意图。接收天线1(X₁，Y₁，Z₁)，天线2(X₂，Y₂，Z₂)，天线3(X₃，Y₃，Z₃)，天线4(X₄，Y₄，Z₄)是任意放置在监控区域的周围，校正模板放置在监控区域内。校正模板有4个已知相对位置的点P₀，P₁，P₂，P₃，假设P₀的参考位置坐标是(0，0，0)，则其余的点的坐标分别为(0，y₀，0)，(-x₀，y₀，z₀)，(-x₀，0，z₀)。当然可以有更多的校正点，例如在各个边的中间位置。

这里有4个接收天线，也就是有12个未知数。这样则需要最少12个方程才能得到接收天线的空间位置坐标。在每个校正点，可以得到三个方程，所以最少需要4个校正点。

下面给出了目前设置下的方程组：

在校正点P₀(0，0，0)：

$f_1=\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2+{z_2}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2}$

$f_2=\sqrt{{x_3}^2+{y_3}^2+{z_3}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2}$

$f_3=\sqrt{{x_4}^2+{y_4}^2+{z_4}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2}$

在校正点P₁(0，y0，0)：

$f_4=\sqrt{{x_2}^2+{(y_2-y_0)}^2+{z_2}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{(y_1-y_0)}^2+{z_1}^2}$

$f_5=\sqrt{{x_3}^2+{(y_3-y_0)}^2+{z_3}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{(y_1-y_0)}^2+{z_1}^2}$

$f_6=\sqrt{{x_4}^2+{(y_4-y_0)}^2+{z_4}^2}-\sqrt{{x_1}^2+{(y_1-y_0)}^2+{z_1}^2}$

在校正点P₂(x0，y0，z0)：

$f_7=\sqrt{{(x_2+x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

$f_8=\sqrt{{(x_3+x_0)}^2+{(y_3-y_0)}^2+{(z_3-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

$f_9=\sqrt{{(x_4+x_0)}^2+{(y_4-y_0)}^2+{(z_4-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

在校正点P₃(x0，0，z0)：

$f_{10}=\sqrt{{(x_2+x_0)}^2+y_2^2+{(z_2-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{y_1}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

$f_{11}=\sqrt{{(x_3+x_0)}^2+{y_3}^2+{(z_3-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{y_1}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

$f_{12}=\sqrt{{(x_4+x_0)}^2+{y_4}^2+{(z_4-z_0)}^2}-\sqrt{{(x_1+x_0)}^2+{y_1}^2+{(z_1-z_0)}^2}$

这里f_i(i＝1...12)是测量到的时间差的组合(粗测和精测)除以光速c。

图7给出了计算RFID标识位置的Levenberg-Marquardt算法的流程框图。

Levenberg-Marquardt(LM)算法是一种迭代的计算方法，对于一组非线性方程组，通过计算它们的最小均方根误差来得到这组非线性方程组得解。LM算法可以看成是最快收敛和高斯-牛顿方法的组合。

输入：一组方程组f，测量值x，和处始参数p₀。

输出：一组参数p，满足∑(x-f(p))^2为最小。

通过校正过程，可以得到接收天线的空间位置。RFID标识的位置可以通过下面的方程组，用LM算法进行计算而得到。

$f_1=\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_2=\sqrt{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_3=\sqrt{{(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

这里(x_i，y_i，z_i，i＝1，2，3，4)是从校正过程中得到的结果，(x，y，z)是需要计算得到的RFID标识的位置坐标。

图8给出了一个设置接收天线和计算RFID标识位置的例子的示意图。利用校正过程，可以得到四个接收天线的空间坐标位置，这里假定接收天线1(R1)的空间坐标转换为坐标原点(0，0，0)，同时将接收天线2，3，4的空间坐标转换到同一个坐标系中，分别为R2(x2，y2，z2)，R3(x3，y3，z3)，R4(x4，y4，z4)。

计算方程组f为：

$f_1=\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

$f_2=\sqrt{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2}-\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

$f_3=\sqrt{{(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2}-\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

这里x，y，z是需要计算的RF标识在对应坐标系中的三维空间坐标位置。

可见，本发明一种RFID标识的定位系统及定位方法通过利用RF信号传输到不同接收天线的时间差来快速，精确的定位校正，实现了精确的实时跟踪和定位的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种RFID标识的定位系统，至少包括：

接收天线网络，至少包括4个接收天线，可设置在需要监控区域的预定位置或任何位置，用以接收收发机/RFID发射的射频信号；

一个或多个收发机无线移动或静止的收发机/RFID，在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；以及

中心收发站，定时发射呼叫信号，并在检测到有收发机/RFID在监控区域后，根据该射频信号包含的信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出该收发机/RFID的三维位置信息。

2.如权利要求1所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：当接收天线的位置为任意摆放时，需要一个已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

3.如权利要求1所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：该收发机/RFID先后放置于在该发射模具的不同点发射射频信号，该中心收发站对不同点发射的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息以进行位置校正。

4.如权利要求3所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：对于包含四个接收天线的定位系统，需要最少4个已知位置参考点。

5.如权利要求1所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：该中心收发站包括收发双工器、射频低噪声放大器、射频功率放大器、BPSK调制器、带通滤波器、模拟信号数字化电路、开关电路、参考晶体振荡器、RF射频信号产生器、0°/90°移相器以及FPGA/数字信号处理器，该收发双工器和开关电路由该FPGA/数字信号处理器控制其工作状态，当该中心收发站在呼叫时，该收发双工器处于发射位置，反之则处于接收位置，该开关电路则在其中3条接收天线之间切换，用以和另一条接收天线的相位进行比较，接收到的信号通过BPSK调制器进行下变频调制，得到的中频信号送至该模拟信号数字化电路进行数字化，最后把数字化的信号送至该FPGA/数字信号处理器进行信号处理，并结合相应的算法，得到所需的RFID标识的位置信息，送至后续处理。

6.如权利要求1所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：该些接收天线设置于收发机/RFID的周围。

7.一种RFID标识的定位方法，包括如下步骤：

中心收发站定时发射呼叫信号；

收发机/RFID标识在检测到中心收发站的呼叫信号后，发射包括自身信息的射频信号；

接收天线与该中心收发站接收RFID发射的射频信号；以及

该中心收发站根据该射频信号包含的用户信息以及其传输到不同天线的时间差进行计算和校正，给出用户的三维位置信息。

8.如权利要求7所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：当接收天线的位置为任意摆放时，采用一个已知尺寸的发射模具来校正接收天线的三维空间位置。

9.如权利要求8所述的RFID标识的定位系统，其特征在于：将收发机/RFID先后放置于在该发射模具的不同点发射射频信号，该中心收发站对不同点发射的射频信号进行处理，得到对应的时间差信息以进行位置校正。

10.如权利要求9所述的RFID标识的定位系统，其特征在于，该收发机/RFID标识的位置可以通过如下方程组，用LM算法进行计算而得到：

$f_1=\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_2=\sqrt{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

$f_3=\sqrt{{(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2}-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}$

其中(x_i，y_i，z_i，i＝1，2，3，4)是从校正过程中得到的结果，(x，y，z)是需要计算得到的RFID标识的位置坐标。

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