CN103592617B - 一种基于空间关联性的射频识别导航的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别标签技术领域，尤其涉及一种基于空间关联性的射频识别导航的方法及装置。该方法包括：接收目标物品的特征信息；根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。该方法仅用一次定位即可确定用户的导航路线，且不受目标物品挪动的影响，不需要预先部署大量额外的设备，因此能够给用户提供用户友好的导航服务。

Description

一种基于空间关联性的射频识别导航的方法及装置

技术领域

本发明涉及射频识别标签技术领域，尤其涉及一种基于空间关联性的射频识别导航的方法及装置。

背景技术

基于射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)的室内定位技术近年来得到充足的发展。由于大型超市或图书馆等场所中商品或书籍的数量异常庞大，且经常出现被错放或乱放，如何将顾客快速导航到他们需要的目标物品旁边并取得目标物品成为迫在眉睫的需求。得益于RFID技术在大型超市或图书馆的广泛应用，这些现有的定位技术可以被应用于上述导航需求之中，帮助用户从一排排的货架、书架之间寻找他们需要的目标物品。简单的通过定位获知用户的目标物体的位置并将该位置信息传送给用户，用户可以根据该信息寻获目标物体。

目前基于RFID中的室内定位技术包括附着式定位技术。附着式定位技术要求进行定位的物体上附着有RFID标签。当需要对该物体进行定位时，阅读器对该物体上附着的标签进行识别，获取其有用的特征属性(如信号强度等)。系统根据这些标签的特征属性可以判断附着该标签的物体的位置。

然而，在室内导航系统中使用现有的室内定位技术存在如下问题：即使用户获知目标物体的位置信息，依然无法知道如何寻找到目标物体。如果使用其他定位技术来获取用户位置，则需要额外的设备和消耗。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种新型的RFID室内定位技术，从而提供一种用户友好的室内导航服务。

一方面，本发明实施例提供了一种基于空间关联性的射频识别导航的方法，包括：

接收目标物品的特征信息；

根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；

当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于空间关联性的射频识别导航的装置,包括：

接收单元，用于接收目标物品的特征信息；

初步定位单元，用于根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；

空间关联性计算单元，当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，用于根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

面对日益迫切的RFID室内导航技术需求，特别是大型超市或图书馆的场景，针对现有RFID室内定位技术无法满足室内RFID导航系统的问题，本发明的实施例提出了一种新型的RFID室内定位技术，从而提供一种用户友好的室内导航服务。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明第一实施例中提供的一种基于空间关联性的射频识别导航的方法的实现流程图。

图2是本发明实施例中提供的静止的阅读器与标签(无阻挡物)进行一段时间的识别的多普勒频移。

图3是本发明实施例中提供的多个不同标签在静止和无阻挡物状态下的多普勒频移。

图4是本发明实施例中提供的当用户经过标签和阅读器天线的连线时，多普勒频移的影响效果图。

图5是本发明第一实施例中提供的导航效果图。

图6是本发明第二实施例中提供的一种基于空间关联性的射频识别导航的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

基于射频识别技术RFID的室内定位技术目前用途最普遍为图书馆书籍管理以及大型超市商品管理(如沃尔玛等)。

图1是本发明第一实施例中提供的一种基于空间关联性的射频识别导航的方法的实现流程图，该方法包括：

步骤101、接收目标物品的特征信息。

根据用户的导航需求，服务器通过用户随身携带的客户端(如手机)接收待导航的目标物品的特征信息，所述目标物品的特征信息为目标物品的名称或编号。

RFID是利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息实现识别和数据交换功能的自动识别系统。其工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，则凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

射频识别技术相比于其它技术，其最明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。它的出现改变了条形码依靠“有形”的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的“无形”信息。它所具有的强大优势会极大地提高信息的处理效率和准确度。射频识别技术应用范围广，遍及制造、物流、医疗、运输、零售及国防等领域。

目前应用于RFID中的室内定位技术还包括指纹式。与附着式定位技术相比，而指纹式定位技术不需要将RFID标签附着在需要定位的物体上。在此类定位技术中，RFID标签(通常需要较多标签)被布置在环境中。在该环境物理空间中，当不同物理位置有物体存在时，阅读器识别各个标签的信号强度不同。根据预先建立的指纹库，根据阅读器识别的各个标签的信号强度，判断待定位物体的位置。如果物体容易被移动(如书架上的书本)，使用指纹式的定位技术，将难以获得物体正确的位置。

本发明实施例中RFID标签是附着于待导航的目标物品上，即本发明实施例涉及的定位方法属于附着式定位方法，其与指纹式定位方法的区别在于，指纹式的方法无法知道用户与作为定位依据的标签之间的位置关系。而且，指纹式定位方法需要预先建立指纹库，一旦标签被移动则需要重新修改指纹库。而本发明中无需预先建立指纹库，即使标签已经被挪动也无影响。

步骤102、根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置。

根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置包括：根据所述目标物品的特征信息，查找所述目标物品的射频识别标签并查找识别所述射频识别标签的阅读器天线；根据所述阅读器天线的属性，估算所述目标物品的大致位置。

服务器的数据库中预置的存储有目标物品的特征信息与目标物品的RFID标签之间一一对应的联系，还预置的存储有各个阅读器天线获取到的标签信息。因此服务器根据所述目标物品的特征信息在数据库中查找出与所述目标物品的特征信息相对应的目标物品的RFID标签，同时根据目标物品的RFID标签从数据库中查找识别所述目标物品的RFID标签的阅读器天线。阅读器天线的属性为阅读器天线的位置以及识别距离。由于本发明实施例中涉及到的各个阅览器天线的位置以及识别的距离均容易测得，服务器根据这些阅读器天线的位置以及识别距离，可以获得目标物品的大致位置，例如获得目标物品位于哪个货架上。

步骤103、当所述客户端到所述目标物品的大致位置时，根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

用户通过手机接收到目标物品所在的大致位置，用户根据目标物品所在的大致位置走到对应的货架通道，开始沿着货架通道走。同时，服务器根据目标物品的特征属性(如信号强度或多普勒频移等)计算所述目标物品与客户端的空间关联性，即计算所述目标物品与用户的空间关联性。所述目标物品与用户的空间关联性为目标物品与用户的位置的关系。

当目标物品的特征属性为多普勒频移时，根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性包括：根据多普勒频移的数据计算锚点时间戳；根据所述锚点时间戳，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。下面将以目标物品的特征属性为多普勒频移为例描述本发明实施例所提供的基于空间关联性的射频识别导航的方法。

RFID标签信号的多普勒频移定义为，由于阅读器或RFID标签移动而产生的接收到RFID标签返回信号的频率变化。由于使用的是固定型阅读器以及阅读器天线，标签信号的多普勒频移可以近似的认为是由于RFID标签移动而产生的标签信号频率变化。在本实施例中，采用相位差值的方法计算标签信号的多普勒频移。假设阅读器在对标签进行一次识别过程中，获取到的数据包的初始相位与数据包结束时的结束相位的差值为Δθ，该数据包的接收时长为ΔT，则该标签信号在该数据包接收的期间的多普勒频移f_D可以表示为：

$f_D=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}T}$

本发明实施例中使用单一数据包进行多普勒频移的计算，这样可以有效降低由于阅读器天线的轻微移动导致的多普勒频移测量误差，同时能减少调频导致的测量错误。

当RFID标签和阅读器处于静止状态，且标签与阅读器之间没有物体阻隔时，标签信号的多普勒频移较小。图2是本发明实施例中提供的静止的阅读器与标签(无阻挡物)进行一段时间的识别的多普勒频移。从图2可知，在920MHz的射频信号下，标签信号的多普勒频移控制在±0.000005％之内。图3是本发明实施例中提供的多个不同标签在静止和无阻挡物状态下的多普勒频移。从图3中不难看出，当标签和阅读器处于静止状态且没有阻挡物时，标签的多普勒频移的数值相对于射频信号的频率是非常小的。

上述分析中可以看到，即使标签静止且无阻隔时，阅读器获取的标签识别信号的多普勒频移的数值仍有较小的波动。除了噪声影响之外，多径效应也是这部分多普勒频移产生的原因。然而由于主径信号没有被阻隔且远强于多径信号，叠加信号中主径信号起到主导作用，因此多普勒频移并未产生较大影响。

当有移动物体(如用户)从标签与阅读器天线之间走过的时候，标签信号的多普勒频移分为三个不同阶段，如图4所示。第一个阶段为物体到达阅读器天线与标签的连线之前。当移动物体处于该阶段时，标签信号的多普勒频移与无阻挡物时标签信号的多普勒频移相似，并没有太大的变化。第二阶段为用户开始处于标签与阅读器天线的连线到离开该连线的阶段。在该阶段中，移动物体阻隔了标签信号在主径上的传播，因此阅读器接收到的信号为多径信号的叠加信号，该叠加信号的相位与初始相位差别较大，根据多普勒频移的定义式可知，该状态下测量出来的多普勒频移将会有较大数值。图4的实验结果(图4的中间部分)验证了这一理论推断。第三阶段为移动物体从标签与阅读器天线连线离开时刻开始。在该阶段中，由于标签的主径信号再次被阅读器获取，因此标签信号的多普勒频移回到了与第一阶段相似的范围。图4中从左到右显示了三个阶段下标签信号的多普勒频移数值变化。很容易得出，当移动物体处于标签与阅读器天线连线附近时，标签信号的多普勒频移达到峰值。综上得出，当标签信号的多普勒频移达到峰值时，标签、阅读器天线与移动物体处于近似同一直线的状态。

所述锚点时间戳H_i,j通过公式H_i,j＝mean{t∈T||f_D(t)|≥max(|f_D(t)|*β)}计算获得，其中，f_D(t)为时间戳t时候的多普勒频移的数据，β为H_i,j为锚点时间戳的置信水平。

在本发明实施例中，定义锚点时间戳H_i,j为用户处于阅读器天线i与标签j连线附近时的时间戳。根据上述描述，锚点时间戳的范围可以缩小到第二阶段的时间范围。假设f_D(t)为时间戳t时候的多普勒频移的数据，通过下式计算锚点时间戳H_i,j：

H_i,j＝mean{t∈T||f_D(t)|≥max(|f_D(t)|*β)}

其中，β为可能列为锚点时间戳的置信水平。当一个时间戳高于|f_D(t)|*β，则可能被设置为锚点时间戳。H_i,j定义式中的时间范围T满足以下等式：

card{t∈T||f_D(t)|≥f_noise}≥C₀

其中，常数C₀用于测量时间范围T中是否存在锚点时间戳。当一个时间段的多普勒频移大于预置的多普勒频移阈值f_noise时，则表示该时间段T中存在锚点时间戳。

所述目标物品与所述客户端的空间关联性为所述目标物品与所述客户端的距离差。所述目标物品与所述客户端的距离差通过公式

计算获得，其中，为所述客户端从时刻到时刻经过的距离，γ为预置的修正值。所述γ为0.5343。

当锚点时间戳可以被提取之后，可以根据锚点时间戳提供的标签、阅读器天线以及用户的空间关联性，为用户提供导航服务。在进行该导航服务时，用户使用一台智能手机作为交互端。智能手机不需要特殊设备，仅需要连接网络并装备有加速度计(目前绝大多数智能手机均配备有如上功能，因此不需要特殊设备)。当用户到达该货架之后，沿该货架直行，在直行过程中，用户与目标物品的距离差ΔD为：

其中指代用户从t₁到t₂走的距离，该距离可以通过手机客户端的惯性导航简单测出。上式中，ANT₀和TAG_ref分别是作为为参考的阅读器天线和物品，它们的位置已知，TAG_ref是目标物品上附着的RFID标签，ANT_u为识别目标物品的阅读器天线。γ为调整值，用于调整ΔD的精度。通过大量实验测量，γ可以近似设置为0.5343。

该方法还包括，向所述客户端发送所述目标物品与所述客户端的空间关联性。用户根据从服务器接收到的用户与目标物品的距离差ΔD的变化，ΔD的正负指代的是用户当前是还未到目标物品还是已经超过目标物品了。当系统判断用户处于离目标物品最近的位置时，则提醒用户已经到达，导航结束。

图5是本发明第一实施例中提供的导航效果图。如图5所示，附着有标签的物体处于货架上不同位置时，绝大部分导航效果均能保持在20厘米的误差以内。

面对日益迫切的RFID室内导航技术需求，特别是大型超市和图书馆的场景，针对现有RFID室内定位技术无法满足室内RFID导航系统的问题。本发明实施例突破了现有RFID室内定位技术进行导航需要对用户和目标物体进行分别定位的限制，在不需要部署额外工具的前提下，通过获取附着有标签的物体与用户之间的空间关联性，实时地获取用户与目标物体之间的位置关系，并且根据位置关系给用户提供实时的导航建议，并且在用户与目标物体之间距离最近时给予用户提醒，实现便捷和用户友好的室内导航服务。

图6是本发明第二实施例中提供的一种基于空间关联性的射频识别导航的装置的结构示意图。如图6所示，本实施例所述的基于空间关联性的射频识别导航的装置包括：

接收单元201，用于接收目标物品的特征信息；初步定位单元202，用于根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；空间关联性计算单元203，当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，用于根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

所述初步定位单元202包括：查找单元，用于根据所述目标物品的特征信息，查找所述目标物品的射频识别标签并查找识别所述射频识别标签的阅读器天线；估算单元，用于根据所述阅读器天线的属性，估算所述目标物品的大致位置。

该装置，还包括导航单元，用于向所述客户端发送所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

本实施例中的目标物品的特征属性为多普勒频移时，空间关联性计算单元203包括：锚点时间戳计算单元，用于根据多普勒频移的数据计算锚点时间戳；定位单元，用于根据所述锚点时间戳，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

上述锚点时间戳H_i,j通过公式H_i,j＝mean{t∈T||f_D(t)|≥max(|f_D(t)|*β)}计算获得，其中，f_D(t)为时间戳t时候的多普勒频移的数据，β为H_i,j为锚点时间戳的置信水平。上述目标物品与所述客户端的空间关联性为所述目标物品与所述客户端的距离差。

上述目标物品与所述客户端的距离差通过公式

计算获得，其中，为所述客户端从时刻到时刻经过的距离，γ为预置的修正值。

综上，基于空间关联性的RFID导航技术具体原理如下：当阅读器对附着于物体上的标签进行识别时，阅读器可以获取该标签传输回来的射频信号的一些特征属性，如信号强度或多普勒频移等。当用户从标签识别范围内经过时，射频型号提取出来的特征属性将会产生可预测的变化。根据该变化即可判断附着有标签的目标物品与用户之间的空间关系。

本发明实施例开创性地提出了一种新型的定位技术——空间关联性技术——用于确定附着标签的目标物体与客户端(如用户)之间的空间关系。并且应用该技术，设计了一套用于大型超市和图书馆等室内环境下的导航技术。使用该导航技术，用户可以在大量的乱序的物品中快速的寻获自己需要的目标物品。该技术仅用一次定位即可确定用户的导航路线，且不受目标物品挪动的影响，不需要预先部署大量额外的设备，便能给用户提供用户友好的导航服务。

上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于空间关联性的射频识别导航的方法，其特征在于，包括：

接收目标物品的特征信息；

根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；其中，所述根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置包括：根据所述目标物品的特征信息，查找所述目标物品的射频识别标签并查找识别所述射频识别标签的阅读器天线；根据所述阅读器天线的属性，估算所述目标物品的大致位置；

当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性，向所述客户端发送所述目标物品与所述客户端的空间关联性；其中，所述目标物品的特征属性为多普勒频移；所述根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性包括：根据多普勒频移的数据计算锚点时间戳；根据所述锚点时间戳，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锚点时间戳H_i,j通过公式H_i,j＝mean{t∈T||f_D(t)|≥max(|f_D(t)|*β)}计算获得，其中，f_D(t)为时间戳t时候的多普勒频移的数据，β为H_i,j为锚点时间戳的置信水平；时间范围T满足以下等式：

card{t∈T||f_D(t)|≥f_noise}≥C₀

其中，常数C₀用于测量时间范围T中是否存在锚点时间戳；当一个时间段的多普勒频移大于预置的多普勒频移阈值f_noise时，则表示该时间范围T中存在锚点时间戳。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标物品与所述客户端的空间关联性为所述目标物品与所述客户端的距离差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标物品与所述客户端的距离差通过公式

计算获得，其中，为所述客户端从时刻到时刻经过的距离，γ为预置的修正值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述γ为0.5343。

6.一种基于空间关联性的射频识别的导航的装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收目标物品的特征信息；

初步定位单元，用于根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置，并向客户端发送所述目标物品的大致位置；其中，所述根据所述目标物品的特征信息，估算目标物品的大致位置包括：根据所述目标物品的特征信息，查找所述目标物品的射频识别标签并查找识别所述射频识别标签的阅读器天线；根据所述阅读器天线的属性，估算所述目标物品的大致位置；

空间关联性计算单元，当所述客户端到达所述目标物品的大致位置时，用于根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性，向所述客户端发送所述目标物品与所述客户端的空间关联性；其中，所述目标物品的特征属性为多普勒频移；所述根据目标物品的特征属性，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性包括：根据多普勒频移的数据计算锚点时间戳；根据所述锚点时间戳，计算所述目标物品与所述客户端的空间关联性。