CN103198277A - 一种全网设备低功耗的主动式rfid区域定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，包括：低功耗接收器周期性广播信标帧并监听低功耗标签卡的回复信息，依据回复信息产生低功耗标签卡进入区域事件信息或低功耗标签卡离开区域事件信息，并将该信息发送至服务器；低功耗标签卡进入区域时，连续监听低功耗接收器广播的信标帧，选择满足进入区域条件的低功耗接收器进行时间同步，与其保持周期性通信，依据通信情况向低功耗接收器回复进入区域事件包或心跳包；低功耗标签卡离开区域后，与低功耗接收器的通信减弱或者中断，当通信情况满足离开区域条件时，重新进行监听。本发明实现了全网设备的低功耗工作，使得主动式RFID区域定位系统更加易于部署，降低了系统维护成本。

Description

一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种主动式RFID区域定位方法，尤其是一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法。

背景技术

随着RFID技术的发展，基于RFID技术的定位系统也成为了研究的热点问题。RFID技术分为主动式RFID和被动式RFID技术，被动式RFID技术由于射频识别距离较近，在定位系统中并没有得到广泛的应用，目前RFID定位更多的是采用主动式RFID技术。

主动式RFID定位技术主要分为三类：基于测距，场景分析和接近判断。基于测距的定位技术通过阶段标签到多个接收器间的距离来计算标签的位置，典型的距离测量方法包括RSS、TOA、TDOA、AOA等。基于测距的定位技术依赖较多的基础设施，且距离的估计容易产生较大的误差，导致定位精度有限。场景分析定位技术通过离线训练和在线模式匹配来得到标签的位置信息。基于场景分析的定位技术不依赖于基础设施，但需要较多的人工干预去建立场景指纹库。接近判断定位技术则将通信范围内接收器的位置信息作为标签的位置，相对基于测距和场景分析定位方法易于部署和实现。

目前主动式RFID区域定位较多的采用基于接近判断技术，当标签卡进入接收器射频信号的发射范围后，将接收器的位置作为标签卡的位置。定位过程中，标签卡上电后周期性的发送信标帧，接收器处于监听状态，监听标签卡发送的信标帧并发送进入区域的标签卡信息。然而由于缺少交互机制，接收器必须一直处于接收状态，定位的功耗较大，需要固定电源，部署、维护成本较高，尤其在缺乏电力等基础设施的应用场景中，目前的主动式RFID区域定位技术并不能满足应用需求。

针对目前主动式RFID区域定位技术依赖基础设施、设备功耗较大、部署不便等问题，提出了一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，利用标签卡和接收器间的交互机制实现全网设备的低功耗，降低定位过程的功耗代价。

发明内容

本发明目的在于提供一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，实现区域定位系统中标签卡和接收器的低功耗工作，以解决目前主动式RFID区域定位技术依赖基础设施、定位功耗较大、部署不便等问题。

一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，应用于包括低功耗标签卡、设置在区域内的低功耗接收器、以及与所述低功耗接收器进行信息交互的服务器的系统中，在定位空间各区域内放置低功耗接收器，低功耗标签卡依据接收到低功耗接收器广播的信标帧的场强判断所处的区域位置信息，将所处的区域位置信息发送至对应区域内的低功耗接收器，并由低功耗接收器将位置信息发送至服务器，具体步骤为：

（1）所述低功耗接收器周期性工作，在每个工作周期开始后低功耗接收器广播信标帧并监听低功耗标签卡的回复信息，依据接收到的低功耗标签卡的回复信息产生低功耗标签卡进入区域事件信息或低功耗标签卡离开区域事件信息，并将该事件信息发送至服务器，工作完成后进入休眠状态，保持低功耗；

（2）所述低功耗标签卡进入区域时，连续监听低功耗接收器广播的信标帧，选择满足进入区域条件的低功耗接收器进行时间同步，获得相同的时间相位和工作周期，与低功耗接收器保持周期性通信，依据通信情况向低功耗接收器回复进入区域事件包或心跳包，通信完成后进入休眠状态；

（3）低功耗标签卡离开区域后，与低功耗接收器的通信减弱或者中断，当通信情况满足离开区域条件时，返回步骤（2），重新监听其它区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧。

所述的低功耗接收器，按照设定的周期T_cycle周期性唤醒和休眠，广播信标帧并监听低功耗标签卡的回复信息，产生低功耗标签卡进入和离开区域事件，并将事件信息发送至服务器，包括以下步骤：

（a1）工作周期开始后，低功耗接收器广播信标帧，包含低功耗接收器ID、时间戳等信息；

（a2）信标帧广播完成后，低功耗接收器处于监听状态，监听过程持续时间T_recv，接收低功耗标签卡的回复信息，并做如下判断：

（a2-1）若接收到低功耗标签卡发送的进入区域事件包，低功耗接收器维护进入区域的低功耗标签卡列表，包括低功耗标签卡ID、进入区域时间、通信失败周期计数等信息，并产生低功耗标签卡进入区域事件信息，将该信息发送至服务器；

（a2-2）若接收到低功耗标签卡发送的心跳包则更新维护低功耗标签卡列表，将低功耗标签卡列表项中的通信失败周期计数值清零；

（a3）监听时间T_recv结束后，低功耗接收器遍历维护的低功耗标签卡列表，若在监听时间内没有接收到低功耗标签卡回复的心跳包，则将低功耗标签卡对应的列表项中的通信失败周期计数值加1；若存在低功耗标签卡列表项中的通信失败周期计数值达到设定的阈值N，则产生对应的低功耗标签卡离开区域事件信息，将该信息发送至服务器；

（a4）遍历低功耗标签卡列表完成后，低功耗接收器进入休眠状态，等待下一工作周期的开始；

所述的低功耗标签卡进入区域后，与区域内部署的低功耗接收器进行时间同步，保持周期性通信，判断进入和离开区域，包括以下步骤：

（b1）低功耗标签卡进入区域时，连续监听低功耗接收器广播的信标帧，并记录低功耗接收器信息，记录的低功耗接收器信息包含低功耗接收器ID、接收时间、接收信号强度等信息，以T_cycle为周期遍历记录的低功耗接收器信息，找出接收信标帧信号强度最强的低功耗接收器；

（b2）若连续M个周期低功耗标签卡均判断某个低功耗接收器（R_domain）的信号强度最强且平均场强大于设定的进入区域阈值（RSSI_in），则以该低功耗接收器作为当前低功耗接收器与之进行时间同步，获得相同的时间相位Ψ和工作周期T_cycle，进入周期性工作状态；

（b3）周期性工作开始后，低功耗标签卡处于监听状态，若接收到当前低功耗接收器广播的信标帧，低功耗标签卡判断进入当前低功耗接收器对应的区域，向当前低功耗接收器回复进入区域事件包，低功耗标签卡进入区域内状态；

（b4）低功耗标签卡处于区域内状态时，若接收到当前低功耗接收器广播的信标帧后回复心跳包，表明低功耗标签卡仍处于当前低功耗接收器对应的区域内；

（b5）低功耗标签卡若连续L个周期内没有接收到当前低功耗接收器的信标帧或者接收到的信标帧的信号强度小于设定的离开区域阈值RSSI_out，则判断已经离开当前低功耗接收器对应的区域，返回步骤（b1），重新监听其它区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧并判断所处的区域位置信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过低功耗标签卡和部署在区域内的低功耗收器间的交互机制，进行时间同步，保持周期性通信，不仅实现对标签卡所处区域位置的实时监测，也实现了全网设备的低功耗工作，使得主动式RFID区域定位系统更加易于部署，降低了系统维护成本。

附图说明

图1为本发明的全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法设备部署示意图。

图2为本发明的全全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法功能序列图。

图3为本发明的全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法中使用的低功耗接收器的状态转换图。

图4为发明的全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法中区域内部署的低功耗标签卡的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及功能特性更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。

本发明实现了全网设备低功耗的主动式RFID区域定位，通过低功耗标签卡和低功耗接收器间的交互机制，不仅可以实现较为精确的区域定位，而且降低了定位过程的功耗代价。

图1描述了全网设备低功耗的主动式RFID区域定位设备部署示意图。一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法中的设备包括各区域内部署的低功耗接收器和低功耗标签卡、以及与低功耗接收器进行信息。低功耗接收器周期性工作，工作周期为T_cycle，工作周期开始后广播信标帧并监听低功耗标签卡的回复信息，产生低功耗标签卡进入区域和离开区域事件信息，之后进入休眠状态，保持低功耗。低功耗标签卡监听低功耗接收器广播的信标帧，并与对应区域内的低功耗接收器保持周期性通信，判断进入和离开区域。

图2详细说明了全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法功能序列，其中时刻A为低功耗标签卡一直处于工作状态，监听信标帧；时刻B为低功耗标签卡与满足条件的低功耗接收器进行时间同步；时刻C为低功耗标签卡周期性工作开始接收到对应低功耗接收器的信标帧，判断进入区域；时刻D为进入区域后低功耗标签卡与低功耗接收器周期性通信；时刻E为低功耗标签卡离开区域后与低功耗接收器间通信中断；图2中的功能序列分为三个阶段：

（1）低功耗标签卡进入区域时：

低功耗标签卡Tag1进入区域时，连续监听并记录低功耗接收器广播的信标帧，记录低功耗接收器信息，包含低功耗接收器ID、接收时间、接收信号强度等信息，以T_cycle为周期遍历记录的低功耗接收器信息，找出信号强度最强的低功耗接收器，记作R_domain，若连续M（M为大于1的自然数，实际数值可根据实际需要确定）个周期内低功耗标签卡均判断低功耗接收器R_domain的信号强度最强且平均场强大于设定的进入区域阈值RSSI_in，则与低功耗接收器R_domain进行时间同步，获得相同的时间相位Ψ和工作周期T_cycle，进入周期性工作状态。

（2）低功耗标签卡处于区域内：

Tag1周期性工作开始后处于监听状态，若接收到R_domain广播的信标帧，判断进入R_domain对应的区域，向R_domain回复进入区域事件包，Tag1进入区域内状态。R_domain接收到Tag1回复的进入区域事件包后产生Tag1进入区域事件信息，并将该事件信息发送至服务器。Tag1处于区域内状态时，接收到R_domain广播的信标帧后回复心跳包，表明Tag1仍处于R_domain对应的区域内。接收器接收到心跳包后，R_domain更新维护的进入区域低功耗标签卡列表，更新Tag1对应的列表项中的通信失败周期计数值为零。

（4）低功耗标签卡离开区域时：

Tag1离开区域时，与R_domain的周期性通信中断或者减弱。Tag1若连续L个周期内没有接收到R_domain的信标帧或者接收到的信标帧的信号强度小于设定的离开区域阈值RSSI_out，则判断已经离开R_domain对应的区域，重新监听其它区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧并判断所处的区域位置信息。R_domain在工作周期结束时遍历维护的进入区域低功耗标签卡列表，若没有接收到低功耗标签卡Tag1发送的心跳包和进入事件包，或者接收的心跳包强度小于设定阈值，则将通信失败周期计数值加1。若Tag1对应的低功耗标签卡列表项中的通信失败周期计数值达到设定的阈值L1（L1为大于1的自然数，实际数值可根据实际需要确定），则判断Tag1已经离开区域，产生Tag1离开区域事件信息，将该信息发送至服务器。

图3是部署区域内的低功耗接收器工作状态转换图。低功耗接收器具体的状态变迁过程为：

（1-a）工作周期开始后，低功耗接收器以CSMA/CA方式广播信标帧，信标帧包含低功耗接收器ID、时间戳信息。信标帧广播完成后，低功耗接收器进入监听状态；

（1-b）低功耗接收器在监听状态接收低功耗标签卡回复的数据包。监听过程持续时间T_listen。若在监听状态下接收到低功耗标签卡回复的进入区域事件包，低功耗接收器维护进入区域低功耗标签卡列表，记录对应的低功耗标签卡进入区域事件，低功耗标签卡列表项包含低功耗标签卡ID、进入区域时间、通信失败计数值，并产生低功耗标签卡进入区域事件信息，并将该信息发送至服务器。若接收到低功耗标签卡回复的心跳包，则更新对应的低功耗标签卡列表项中的进入区域时间、通信失败计数信息（清零）；

（1-c）监听时间结束，低功耗接收器遍历维护的进入区域低功耗标签卡列表，若低功耗接收器没有接收到低功耗标签卡发送的心跳包和进入事件包，或者接受的心跳包强度小于设定阈值，则将通信失败周期计数值加1，若低功耗标签卡列表中存在低功耗标签卡的通信失败计数值达到设定的离开阈值L1，则判断该低功耗标签卡已经离开该区域，产生该低功耗标签卡离开区域事件包，并将该信息发送至服务器，并清除该低功耗标签卡对应列表项；

（1-d）低功耗接收器遍历低功耗标签卡列表完成后，进入休眠状态，等待下一个工作周期的开始。

图4是低功耗标签卡的工作流程图，低功耗标签卡通过与区域内部署的低功耗接收器间相互通信来判断进入和离开区域。其工作流程为：

（2-a）低功耗标签卡进入区域时首先处于连续监听状态，接收并记录各区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧信息，记录低功耗接收器ID、接收时间、接收信号强度等信息；

（2-b）低功耗标签卡以T_cycle为周期遍历记录的低功耗接收器信息，找到信号强度最强的低功耗接收器R_domain。若连续M个周期内低功耗标签卡均判断低功耗接收器R_domain的信号强度最强且平均场强大于设定的进入区域阈值RSSI_in，则与该当前低功耗接收器R_domain进行时间同步，获得相同的时间相位Ψ和工作周期T_cycle，进入周期性工作状态。否则返回步骤（2-a）继续监听；

（2-c）周期性工作开始后，低功耗标签卡处于监听状态，若接收到当前低功耗接收器R_domain广播的信标帧则低功耗标签卡判断已经进入当前低功耗接收器R_domain对应的区域，向当前低功耗接收器R_domain回复进入区域事件包，低功耗标签卡进入区域内状态。低功耗标签卡在区域内状态接收到当前低功耗接收器R_domain的信标帧则回复心跳包；

（2-d）监听时间结束后，低功耗标签卡遍历记录的低功耗接收器信息。若连续L（L为大于1的自然数，实际数值可根据实际需要确定）个周期内都没有接收到当前低功耗接收器R_domain的信标帧或者接收到信标帧的信号强度小于设定的离开区域阈值RSSI_out，低功耗标签卡判断已经离开当前低功耗接收器R_domain对应的区域，重新进入监听状态，返回步骤（2-a），否则返回步骤（2-c）。

以上公开的仅仅是本发明的具体实施例，但本发明并不仅限于此实施例，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，应用于包括低功耗标签卡、设置在区域内的低功耗接收器、以及与所述低功耗接收器进行信息交互的服务器的系统中，其特征在于，所述主动式RFID区域定位方法的具体步骤为：

（1）所述低功耗接收器周期性工作，在每个工作周期开始后低功耗接收器广播信标帧并监听低功耗标签卡的回复信息，依据接收到的低功耗标签卡的回复信息产生低功耗标签卡进入区域事件信息或低功耗标签卡离开区域事件信息，并将该事件信息发送至服务器，工作完成后进入休眠状态，保持低功耗；

（2）所述低功耗标签卡进入区域时，连续监听低功耗接收器广播的信标帧，选择满足进入区域条件的低功耗接收器进行时间同步，获得相同的时间相位和工作周期，与低功耗接收器保持周期性通信，依据通信情况向低功耗接收器回复进入事件包或心跳包，通信完成后进入休眠状态；

（3）低功耗标签卡离开区域后，与低功耗接收器的通信减弱或者中断，当通信情况满足离开区域条件时，返回步骤（2），重新监听其它区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧。

2.根据权利要求1所述的全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，其特征在于，所述的低功耗接收器的工作过程为：

（a1）工作周期开始后，低功耗接收器广播信标帧，信标帧中至少包含低功耗接收器ID、时间戳信息；

（a2）信标帧广播完成后，低功耗接收器处于监听状态，监听过程持续一段时间，接收低功耗标签卡的回复信息，并做如下判断：

（a2-1）若接收到低功耗标签卡发送的进入区域事件包，低功耗接收器维护进入区域的低功耗标签卡列表，低功耗标签卡列表至少包含低功耗标签卡ID、进入区域时间、通信失败周期计数信息，并产生低功耗标签卡进入区域事件信息，将该信息发送至服务器；

（a2-2）若接收到低功耗标签卡发送的心跳包则更新维护的低功耗标签卡列表，将低功耗标签卡列表项中的通信失败周期计数值清零；

（a3）监听时间结束后，低功耗接收器遍历维护的低功耗标签卡列表，若在监听时间内没有接收到低功耗标签卡回复的心跳包，则将低功耗标签卡对应的列表项中的通信失败周期计数值加1；若存在低功耗标签卡列表项中的通信失败周期计数值达到设定的阈值，则产生对应的低功耗标签卡离开区域事件信息，将该信息发送至服务器；

（a4）遍历低功耗标签卡列表完成后，低功耗接收器进入休眠状态，等待下一工作周期的开始。

3.根据权利要求1或2所述的全网设备低功耗的主动式RFID区域定位方法，其特征在于，所述的低功耗标签卡的工作过程为：

（b1）低功耗标签卡进入区域时，连续监听低功耗接收器广播的信标帧，并记录低功耗接收器信息，记录的低功耗接收器信息至少包含低功耗接收器ID、接收时间、接收信号强度信息，周期性遍历记录的低功耗接收器信息；

（b2）若连续M个周期低功耗标签卡均判断某个低功耗接收器的信号强度最强且平均场强大于设定的进入区域阈值，则以该低功耗接收器作为当前低功耗接收器与之进行时间同步，获得相同的时间相位和工作周期，进入周期性工作状态，M为大于1的自然数；

（b3）周期性工作开始后，低功耗标签卡处于监听状态，若接收到当前低功耗接收器广播的信标帧，低功耗标签卡判断进入当前低功耗接收器对应的区域，向当前低功耗接收器回复进入区域事件包，低功耗标签卡进入区域内状态；

（b4）低功耗标签卡处于区域内状态时，若接收到当前低功耗接收器广播的信标帧后回复心跳包，表明低功耗标签卡仍处于当前低功耗接收器对应的区域内；

（b5）低功耗标签卡若连续L个周期内没有接收到当前低功耗接收器的信标帧或者接收到的信标帧的信号强度小于设定的离开区域阈值，则判断已经离开当前低功耗接收器对应的区域，返回步骤（b1），重新监听其它区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧并判断所处的区域位置信息，L为大于1的自然数。

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