CN103777174B - 基于有源多功能rfid标签室内定位系统 - Google Patents

基于有源多功能rfid标签室内定位系统 Download PDF

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    • G06K7/0008General problems related to the reading of electronic memory record carriers, independent of its reading method, e.g. power transfer

Abstract

本发明公开了一种基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:该系统包括发卡器、有源多功能RFID标签、触发器、触发器天线、标签读写器、交换机、计算机;本发明利用触发器进行大范围定位再通过信号强度将精度提高,避免单纯依靠信号强度因环境的不确定性而出现信号值较大波动带来的误差,将定位误差控制在可知范围内,降低后端设备处理的复杂性。此方法不需要设置参考信号点,从而大大增加项目的可移植性,根据现场的实际要求可在精度与实施费用上取得平衡。

Description

基于有源多功能RFID标签室内定位系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种室内定位、路径追踪、通道出入管理、越界监测系统,特别涉及一 种基于有源多功能RF ID标签识别技术的室内定位、路径追踪系统。
背景技术
[0002] 室内位置信息在人们的日常工作中越发凸显其重要性,在仓库物流工程中,对物 品进行实时定位跟踪将大大提高工作效率;在监狱环境中,及时准确地掌握相关人员、工具 的位置信息,有助于提高安全管理水平,简化监狱管理工作。目前室内定位主要方法包括: A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别(RFID)技术、超宽带技 术、无线局域网络、光跟踪定位技术等等。下表简要说明其优缺点。
[0003]
Figure CN103777174BD00031
[0004] 基于以上问题射频识别技术成为室内定位的优选。射频识别技术利用射频方式进 行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短,一般最长 为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低, 设备本身体积很小更容易被使用。而目前使用射频识别技术主要分为:
[0005] ( 1 )利用无源标签与读卡器相结合,实时读取标签位置,如申请号: 201210528602.5的专利。这种方法采用无源标签,无源标签具有体积小、稳定性高、价格便 宜的优点,但其有效作用范围一般小于2米,这就为现场天线的布局增加了难度,为有效增 加标签的读取范围,就需提高接收灵敏度,增大天线发射功率或采用大范围地埋天线,以及 增加发射接收的方向性,因而,不仅提高了成本而且更加降低了它的安装和使用的灵活性, 此外,当高频微波的发射功率过大时,它不仅超出国家无委会的功率限制,还有可能对人体 带来伤害。当标签处在天线下而被检测到也仅能知道这个标签在这个天线覆盖范围内,具 体离天线多远仍是未知的,如果要提高精度则需增加天线数量,成本和施工难度必然增加。 天线的信号以球状覆盖,在不交叠的情况下采用菱形或"井"字布局必然会出现没有覆盖到 的盲区,此时标签将无法被检测到而"消失",盲区为三个以上天线共同形成仅靠推测很难 确切知道标签是否在这个区域内,这不仅降低了定位的精度同时产生了此标签消失的错误 消息。同时天线的有效覆盖范围会因环境的不同而有所不同,这样增加了未知的盲区,即使 采用地埋天线不仅施工难度极高而且以后的检修也是大问题。
[0006] (2)利用参考信标实现三点定位,如申请号:201310323316.x的专利。这种方法在 实施时存在很大的局限性,例如:1.此专利[0014]中提到区域需被至少三个以上的RFID信 标信号覆盖才能被有效定位,如果RFID信标有效范围很大则在室内有效覆盖面积就很大, 同时这时候不被三个信标覆盖的区域就会增多,特别是在室内边缘部分,为尽可能填补盲 区就需增加信标的密度,此时成本和检测区域是否均被三个以上信标覆盖的难度就会增 加。2.专利中利用RFID阅读器作为待定位点,RFID阅读器就目前技术而言如果需要满足远 距离传输,体积就会相应的增大,这种大体积的设备如果用于绑定在人或小型工具上那是 不适用的。3.RFID阅读器为有源设备,对于待定位的目标而言,如果使用有线供电那目标移 动将会是个问题,如果使用蓄电池供电在尽量减小体积的前提下续航能力就会大大下降。 综上所述此方法不适用于环境复杂、易于携带、实时性要求高的定位。
[0007] (3)利用信号强度RSSI值建立空间模型定位,如申请号为:201010107277.6的专 利。这种方式在单纯使用新号强度定位的基础上加入了构建空间模型方法,虽然能降低因 RSSI容易受环境干扰而导致定位精度低的问题,但其在构建空间模型上却很复杂,需在待 测区域内逐次进行测量建模,这种在环境比较复杂的地方,如车间、监狱等实施难度很高。 同时建模后模型不具有自动学习功能,当环境出现变动时又需重新建模。所以这种方式只 适用于较为稳定且简单的环境。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足,提供一种适用性强、可移 植性高、定位精度可选、成本低的基于多功能有源RFID标签技术的室内定位系统。
[0009] 为了实现上述发明目的,本发明提供一种基于多功能有源RFID标签技术的室内定 位系统,其特征在于:该系统包括标签发卡器(出、入)、有源多功能RFID标签、触发器、触发 器天线、标签读写器、交换机、以太网、计算机。所述的发卡器(出)、发卡器(入)设有特定的 编号,所述的有源RFID标签编号唯一,可通过低频信号与触发器天线建立连接,可通过高频 信号与标签读写器建立连接,所述的触发器拥有主控制器和从控制器,每个触发器可连接 多组触发器天线,所述的触发器天线编号唯一可与标签通过低频信号建立连接,所述的标 签读写器编号唯一可与标签通过高频信号建立连接,接收到标签所发送的信号后通过网络 传送给计算机,计算机通过等价二维地图标示出标签所处的位置及路径。
[0010] 标签发卡器具备(出、入)两种,所述的发卡器(出)、发卡器(入)设有特定的编号。 发卡器出和入其实为同一款发卡器,只是里面设置了不一样的编号,例如:30编号统一为发 卡器(出),31编号统一为发卡器(入),编号针对于上位机来使用,便于识别。所述的有源 RFID标签编号唯一,可通过低频信号与触发器天线建立连接,可通过高频信号与标签读写 器建立连接;目前使用的低频可以是125Khz,高频可以为2.45Ghz。
[0011] 所述的标签发卡器分为出和入两种,各自拥有特定的编号。
[0012] 所述的有源多功能RFID标签为多个,每个有源多功能RFID标签的编号唯一,标签 可支持低频和高频两种信号,标签拥有防拆状态位、电量状态位、补发模式状态位。
[0013] 所述触发器天线为多个,各自编号唯一。
[0014] 所述触发器为多个,触发器分为主触发器和从触发器,主触发器和从触发器又被 分为A、B两组触发器。工作模式通过以下步骤完成:
[0015] 假设有6台触发器(不仅限于6台),其中主触发器1台从触发器5台,6台触发器被平 均分为A、B两组,主触发器通过485通讯方式与从触发器连接,如果主触发器在A组,则连接 排列方式为ABABAB,如果主触发器在B组,则连接排列方式为BABABA。工作时,主触发器控制 A组触发器和B组触发器同时工作,且A组触发器依次工作B组触发器依次工作。
[0016] 所述的接收器为多个,各自编号唯一。
[0017] 所述的等价二维地图由实际环境等价而来,等价模型通过以下步骤完成:
[0018] 将触发器天线分布于实际环境下,通过实际环境的电子地图将触发器天线通过自 身编号标注于电子地图上。
[0019] 本发明所述的基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:有源标签返 回触发器天线ID号,触发器天线信号范围可知,将定位半径控制在可知范围以内,通过触发 天线信号强度RSSI进一步增加定位精度,精度可调。
[0020] 本发明所述的基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:上位机通过 网络接收标签读写器实时数据可实现:(1)标签实时位置监测;(2)标签路径绘制;(3)标签 出入区域管理。(1)室内天线采用不重叠九分格布局,减少触发器的使用数量,有源标签进 入触发天线信号覆盖范围内可对其进行实时定位。(2)标签在信号覆盖范围内移动,经过不 同ID天线信号覆盖范围,可绘制其移动路径。(3)在房间进出口处覆盖触发天线(ID: 1),入 口处覆盖低频触发天线(ID: 2)可实现出入区域管理。
[0021] 本发明所述的基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:标签发卡器 (出)可开启或标签发卡器(入)关闭标签补发模式,补发模式可设定每隔一定的时间向标签 读写器发送最后一次触发其发送信号的触发器天线ID、触发天线信号强度RSSI值、标签自 身ID和状态。主动发送时间及触发器触发天线数量N可调。
[0022] 本发明所述的基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:可实现在较 大范围的定位和越界侦测:在室内不完全覆盖触发天线情况下,有源标签进入触发器天线 (ID: 1)下后进入非覆盖区域下,标签每隔一定时间发送低频触发器天线ID: 1、触发信号强 度RSSI值、标签自身ID和状态,进入触发器天线(ID:2)下后发送低频触发器天线ID:2、触发 信号强度、标签自身ID和状态,以此往复,可知标签最接近于某个触发器天线。标签读写器 可实时接受标签发送的数据,标签读写器有效接收范围可调,当无法接收到标签所发送的 数据时,表示标签已经超过了标签读写器的有效范围,实现标签的越界侦测。
[0023] 一种基于多功能有源RFID标签室内定位方法,该方法使用到的设备主要包括:标 签发卡器(出)、标签发卡器(入)、触发器、触发器天线、多功能有源RFID标签、标签读写器、 交换机、计算机。实施方法如下:将Y台触发器和N个触发器天线放置在室内特定的地方,使 其信号能覆盖室内,覆盖面积和触发器、触发器天线数量可根据室内所需的定位精度而定, 触发器具有多个天线,每个天线具有自己独有的ID号,触发器可设定每隔一段时间发送一 次低频信号,有源RFID标签与待定位目标进行绑定(待定位目标指人或物品,物品非强磁强 电即可),标签接收到触发器天线所发出的低频信号后会通过高频信号向标签读写器发送 触发器天线ID号、触发信号强度RSSI、标签ID和状态,标签读写器收到数据后通过网络将数 据传送给计算机,计算机处理后并配合等价电子地图可实时显示标签所处的位置以及行动 路径,并可通过结合触发天线信号强度可将进一步提高精度。通过标签发卡器可开启电子 标签补发模式,可设定每隔一定的时间向标签读写器发送最后一次触发标签发送信号的触 发器天线ID、触发信号强度RSSI值、标签自身ID和状态,降低定位精度的同时大大减少触发 器和触发器天线的数量从而降低实施成本,满足不同环境下的不同精度定位。
[0024]与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0025] 适应性强、可移植性高同时可根据实际环境需要调整定位精度,有源多功能RFID 标签体积小易于携带,使用时间长,拥有多种状态为可用于多种环境。本发明利用触发器进 行大范围定位再通过信号强度将精度提高,避免单纯依靠信号强度因环境的不确定性而出 现信号值较大波动带来的误差,将定位误差控制在可知范围内,降低后端设备处理的复杂 性。此方法不需要设置参考信号点,从而大大增加项目的可移植性,根据现场的实际要求可 在精度与实施费用上取得平衡。
附图说明 [0026] :
[0027] 图1为本发明的结构示意图。
[0028] 图2为本发明的触发器、触发器天线、标签读写器布局示意图。
[0029] 图3为本发明的触发器天线信号覆盖示意图。
[0030] 图4为本发明的二维等价地图。
[0031] 图5为本发明的低精度下触发器、触发器天线、标签读写器布局示意图。
具体实施方式
[0032]下面将结合附图1-5对本发明进行详细说明,对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施 例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0033] 如图所示,本发明提供一种基于有源多功能RFID标签室内定位系统,包括有标签 读写器(1……N)、有源RFID标签(1……X)、触发器(低频触发器主控制器A、低频触发器从机 B/A……Y)、触发器天线(1……N)、标签发卡器(入)、标签发卡器(出);根据不同的定位精度 要求在室内分布触发器、触发器天线、标签读写器和选择使用标签发卡器(入)、标签发卡器 (出),有源多功能RFID标签通过低频信号与触发器建立通讯后通过高频信号与标签读写器 通讯,标签读写器通过网络与上位机进行通讯。
[0034] 有源RFID标签(1……X)可接收低频信号,同时发送高频信号。标签的状态位可表 示标签环路是否损坏、标签电量。当标签环路损坏状态位将改变无法自动还原,需将环路重 新连接后使用复位设备使其恢复正常。
[0035] 触发器(触发器主控制器A、触发器B/A……Y)通过信号与有源RFID标签(1……X) 建立通讯,触发器数量Y可变,触发器拥有1到N个ID不同的天线,N值可变。
[0036] 每台触发器由触发器主机控制其工作,每台触发器每个天线依次工作,触发器工 作周期可调。
[0037] 有源RFID标签(1……X)与待定位目标绑定,根据待定位目标的数量,有源标签X可 调。
[0038] 当有源标签在触发器覆盖范围内,有源标签被低频信号激活将通过高频信号主动 发送低频触发器天线的ID号、信号强度RSSI值、标签自身ID和状态。
[0039] 有源标签返回触发器天线ID号,触发器天线信号范围可知,将定位半径控制在可 知范围以内,通过触发天线信号强度RSSI进一步增加定位精度,精度可调。
[0040] 上位机通过网络接收标签读写器实时数据可实现:(1)标签实时位置监测;(2)标 签路径绘制;(3)标签出入区域管理。(1)室内天线采用不重叠九分格布局,减少触发器的使 用数量,有源标签进入触发天线信号覆盖范围内可对其进行实时定位。(2)标签在信号覆盖 范围内移动,经过不同ID天线信号覆盖范围,可绘制其移动路径。(3)在房间进出口处覆盖 触发天线(ID: 1),入口处覆盖低频触发天线(ID: 2)可实现出入区域管理。
[0041] 标签发卡器(出)可开启或标签发卡器(入)关闭标签补发模式,补发模式可设定每 隔一定的时间向标签读写器发送最后一次触发其发送信号的触发器天线ID、触发天线信号 强度RSSI值、标签自身ID和状态。主动发送时间及触发器触发天线数量N可调。
[0042] 本发明所述的基于有源多功能RFID标签室内定位系统,可实现在较大范围的定位 和越界侦测:在室内不完全覆盖触发天线情况下,有源标签进入触发器天线(ID: 1)下后进 入非覆盖区域下,标签每隔一定时间发送低频触发器天线ID: 1、触发信号强度RSSI值、标签 自身ID和状态,进入触发器天线(ID:2)下后发送低频触发器天线ID:2、触发信号强度、标签 自身ID和状态,以此往复,可知标签最接近于某个触发器天线。标签读写器可实时接受标签 发送的数据,标签读写器有效接收范围可调,当无法接收到标签所发送的数据时,表示标签 已经超过了标签读写器的有效范围,实现标签的越界侦测。
[0043] 实施例1:
[0044] 一.根据图1所示,本系统包括:触发器、触发器天线、有源多功能RFID标签、接收 器、交换机和计算机,选择使用标签发卡器(出),标签发卡器(入)。
[0045] 二.如图2所示,根据现场环境布置触发器、触发器天线,使触发器的信号范围能 覆盖整个区域,如图3所示。每台触发器连接触发器天线,所有天线均有自己独有的ID,如: 3000-3035。触发器包括一台触发器主机和五台从机,主机通过485通讯方式与从机连接,触 发器分为A组和B组,如果触发器主机A组,则排列方式为ABABAB。当工作时,触发器主机控制 A组触发器同时工作,每个触发器所带的天线依次工作,A组工作完毕后B组再工作,方式同A 组相同,此后触发器休眠一定的时间(时间可调),以此往复。
[0046] 三.如图2所示,在此区域布置三台标签读写器,布置位置应考虑现场环境尽量做 到接受范围完全覆盖整个区域,同时信号不应太大而超过监测区域范围,标签读写器信号 强度可调节。
[0047] 四.如图4所示,根据现场环境等价一份二维电子地图后录入计算机中,计算机同 时将天线根据实际布置情况放置于地图对应的位置,形成一份与实际触发器天线相吻合的 电子地图。
[0048] 五.多功能RFID标签与待定位目标绑定,可选择通过防拆金属环线与目标固定, 当标签脱落或将环线破坏时会上传报警信号。待定位目标携带标签进入触发器信号覆盖区 域后,标签被触发天线所定时发出的低频信号触发,标签通过高频信号向标签读写器发送 触发天线的ID+自身ID+触发器天线信号RSSI值+状态位。
[0049] 六.标签读写器接收数据后通过网络将数据传给计算机,计算机在二维电子地图 中通过匹配预先存入的天线ID,标示出标签所处的大范围位置如图4中某一个方块区域,再 通过RSSI值计算出标签离天线距离,并在图4中以圆圈范围的形式显示,如果在信号重叠区 域内则会收到多条数据,此时取RSSI值最大的数据进行显示,RSSI值与距离的对应关系可 采用预先录入的标准对应值,也可采用现场录入的方式,实施步骤如下:
[0050] 实施例1步骤二和三以后,在距离触发器天线的有效范围内每隔一定的距离触发 RFID标签,通过接收器上传的数据记录此时标签离触发器天线的距离与RSSI值的对应关 系,形成数据库并录入计算机中,为提高精度可重复多次进行测试后取平均值。
[0051] 七.计算机通过记录RFID标签所发送的数据,即可实现待定位目标的实时显示与 路径跟踪。
[0052] 实施例2:
[0053] 一·同实施例1 一至四。
[0054] 二.多功能RFID标签与待定位目标绑定,可选择通过防拆金属环线与目标固定, 当标签脱落或将环线破坏时会通过协议上传报警信号。在进入监测区域前通过标签发卡器 (出)激活标签的补发模式,补发模式下标签处在低频天线信号范围内工作模式与实施例1 一样,当处在低频天线信号范围外即盲区内,标签会每隔一定的时间通过高频向标签读写 器发送最近一次激活信号的触发天线的ID+自身ID+触发器天线信号RSSI值+状态位。
[0055] 三.标签读写器接收数据后通过网络将数据传给计算机,计算机在二维电子地图 中通过匹配预先存入的天线ID,标示出标签所处的大范围位置如图4中某一个方块区域,再 通过RSSI值计算出标签离天线距离。
[0056]四.在离开监测区域后,即使标签仍发送信号由于超出了标签读写器信号覆盖范 围无法接受此信号,计算机会判定标签已经不在此区域内。
[0057] 五.根据需要可通过标签发卡器(入),关闭标签补发模式,使其进入休眠状态。 [0058] 对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。

Claims (1)

1. 一种基于有源多功能RFID标签室内定位系统,其特征在于:该系统包括标签发卡器、 有源多功能RFID标签、触发器、触发器天线、标签读写器、交换机、计算机; 在室内分布上述触发器、触发器天线、标签读写器和选择使用标签发卡器; 所述有源多功能RFID标签通过低频信号与触发器建立通讯后通过高频信号与标签读 写器通讯,标签读写器通过网络与上位机进行通讯;所述有源多功能RFID标签接收低频信 号,同时发送高频信号;标签的状态位表示标签环路是否损坏、标签电量;当标签环路损坏 状态位将改变无法自动还原,需将环路重新连接后使用复位设备使其恢复正常;当有源多 功能RFID标签在触发器覆盖范围内,有源多功能RFID标签被低频信号激活将通过高频信号 主动发送触发器天线的ID号、信号强度RSSI值、标签自身ID和状态; 所述的触发器为多个,触发器拥有主触发器和从触发器,每个触发器能够连接多组触 发器天线,所述的触发器天线编号唯一能够与标签通过低频信号建立连接,所述的标签读 写器编号唯一能够与标签通过高频信号建立连接,接收到标签所发送的信号后通过网络传 送给计算机;计算机通过等价二维地图标示出标签所处的位置及路径;主触发器和从触发 器又被分为A、B两组触发器,通过信号与有源多功能RFID标签建立通讯,每个触发器拥有1 到N个ID不同的天线;工作模式通过以下步骤完成:其中主触发器1台,其余为从触发器,所 有的触发器被平均分为A、B两组,主触发器通过485通讯方式与从触发器连接;如果主触发 器在A组,则连接排列方式为ABABAB,如果主触发器在B组,则连接排列方式为BABABA;工作 时,主触发器控制A组触发器和B组触发器同时工作,且A组触发器依次工作,B组触发器依次 工作,工作时中的触发器天线依次工作; 所述的等价二维地图由实际环境等价而来,等价模型通过以下步骤完成: 将触发器天线分布于实际环境下,通过实际环境的等价二维地图将触发器天线通过自 身编号标注于等价二维地图上; 有源多功能RFID标签返回触发器天线的ID号,触发器天线信号范围可知,将定位半径 控制在可知范围以内,通过触发器天线信号强度RSSI值进一步增加定位精度;上位机通过 网络接收标签读写器实时数据能够实现标签实时位置监测、标签路径绘制以及标签出入区 域管理; 标签发卡器能够开启或关闭标签补发模式,补发模式能够设定每隔一定的时间向标签 读写器发送最后一次触发其发送信号的触发器天线的ID号、信号强度RSSI值、标签自身ID 和状态; 所述基于有源多功能RFID标签室内定位系统,能够实现在较大范围的定位和越界侦 测:在室内不完全覆盖触发器天线情况下,有源多功能RFID标签进入触发器天线ID: 1下后 进入非覆盖区域下,标签每隔一定时间发送触发器天线ID: 1、信号强度RSSI值、标签自身ID 和状态,进入触发器天线ID:2下后发送触发器天线ID:2、信号强度RSSI值、标签自身ID和状 态,以此往复,可知标签最接近于某个触发器天线,标签读写器能够实时接收标签发送的数 据,标签读写器有效接收范围可调,当无法接收到标签所发送的数据时,表示标签已经超过 了标签读写器的有效接收范围,实现标签的越界侦测。
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