CN104090263A - 基于rfid技术的定位方法、系统 - Google Patents

基于rfid技术的定位方法、系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于RFID技术的定位方法和系统，上述方法包括：S1，至少一个RFID读写器对至少一个RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至应用单元，应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定RFID标签的室内位置信息；S2，地理信息单元根据室内位置信息查询RFID标签的地理位置信息，根据地理位置信息生成地图，显示单元将室内位置信息在地图中进行显示。通过本发明的技术方案，能够减少对RFID读写器硬件的性能需求，并将室内定位结果可视化地显示在实际地理环境信息中，使得室内定位结果展现的更加直观、具体，实现了室内定位与室外定位的无缝转换，便于室内外定位的结合与分析。

Description

基于RFID技术的定位方法、系统
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，具体而言，涉及一种基于RFID技术的定位方法以及一种基于RFID技术的定位系统。
背景技术
随着网络技术及传感设备的发展，物联网在人们的生活中占据了重要位置。作为物联网技术的重要组成部分，RFID(RadioFrequency Identification，射频识别)技术凭借其短时延、高精度、非接触、非视距、成本低和传输范围大等优点，已经逐步在二代身份证、公交卡、奥运会门票、ETC支付等领域形成了广泛的实际应用。
基于RFID技术的各类物联网应用中，室内定位是其重要的组成部分之一。其目标是能够在任意地点、任意时间对物理空间中的目标进行位置确定，察觉其位置在任意环境中的变化，并通过对目标位置变化的分析提取得到多种多样的有效信息。作为最重要的环境参数之一，目标的空间位置信息，即目标的室内定位坐标决定着整个应用是否能够准确、有效地执行。因此近年来基于RFID技术的室内定位算法研究得到了广泛的关注也成为物联网研究的焦点之一。
现有的RFID室内定位技术多是以实时显示数据为主，难以在时间维度上进行历史定位结果的回溯显示与分析，往往是将目标的定位数据结果只进行简单的图形化显示，这种方法使得室内定位结果的可视化显示不够直观、形象，不便于使用人员根据提供的反馈信息进行进一步的分析与判断。此外，目前的RFID室内定位系统很难与室外的GPS定位系统相结合，实现室内外定位的联动，因此也在一定程度上限制了定位系统功能的拓展和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何将RFID室内定位与地理信息系统相结合，实现室内外定位的联动，以及确保RFID定位操作能够稳定、可靠、准确地实现。
为此目的，本发明提出了一种基于RFID技术的定位方法，包括：S1，至少一个RFID读写器对至少一个RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至应用单元，所述应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息；S2，地理信息单元根据所述室内位置信息查询所述RFID标签的地理位置信息，根据所述地理位置信息生成地图，显示单元将所述室内位置信息在所述地图中进行显示。
优选地，所述步骤S1还包括：S11，所述RFID读写器将所述采集数据传输至设备中间件，所述设备中间件对所述采集数据进行标准化处理。
优选地，所述步骤S11还包括：所述设备中间件将所述采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为所述RFID读写器编号，TagID为所述RFID标签编号，RSSI为所述RFID读写器接收到的所述RFID标签的信号强度。
优选地，所述步骤S1还包括：S12，所述设备中间件将标准化处理后的采集数据传输至消息中间件，所述消息中间件将所述标准化处理后的采集数据转发至所述应用单元。
优选地，所述步骤S1还包括：S13，所述应用单元对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息。
优选地，所述步骤S13包括：所述应用单元将所述接收到的数据排列为二维数组，判断所述二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定所述接收到的数据不完整，过滤掉所述接收到的数据。
优选地，所述步骤S2包括：图像生成单元根据所述室内位置信息生成计算机辅助设计图，所述显示单元将所述计算机辅助设计图与所述地图进行叠加显示。
本发明还提出了一种基于RFID技术的定位系统，包括：至少一个RFID读写器和至少一个RFID标签，以及应用单元、地理信息单元和显示单元，其中，所述RFID读写器对所述RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至所述应用单元，所述应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息；所述地理信息单元根据所述室内位置信息查询所述RFID标签的地理位置信息，根据所述地理位置信息生成地图；所述显示单元将所述室内位置信息在所述地图中进行显示。
优选地，还包括：设备中间件，其中，所述RFID读写器将所述采集数据传输至所述设备中间件，所述设备中间件对所述采集数据进行标准化处理。
优选地，所述设备中间件还用于将所述采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为所述RFID读写器编号，TagID为所述RFID标签编号，RSSI为所述RFID读写器接收到的所述RFID标签的信号强度。
优选地，还包括：消息中间件，其中，所述设备中间件将标准化处理后的采集数据传输至所述消息中间件，所述消息中间件将所述标准化处理后的采集数据转发至所述应用单元。
优选地，所述应用单元对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息。
优选地，所述应用单元用于将所述接收到的数据排列为二维数组，判断所述二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定所述接收到的数据不完整，过滤掉所述接收到的数据。
优选地，还包括：图像生成单元，用于根据所述室内位置信息生成计算机辅助设计图，其中，所述显示单元将所述计算机辅助设计图与所述地图进行叠加显示。
通过采用本发明所公开的技术方案，能够通过LANDMARC算法确定室内位置信息，降低了RFID读写器接收端同步机制的要求，减少对RFID读写器硬件的性能需求，提高了适用性，并且能够将室内定位结果可视化地显示在实际地理环境信息中，使得室内定位结果具有全球唯一地地理坐标，保证了室内定位结果展现的更加直观、具体，实现了室内定位与室外定位的无缝转换，便于室内外定位的结合与分析。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位方法；
图2示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位系统；
图3示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位系统的结构示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位方法的部署示意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的设备中间件运行情况示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的消息中间件运行情况示意图；
图7示出了根据本发明一个实施例的二维数组示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的室内位置信息的显示示意图；
图9示出了根据本发明一个实施例的计算机辅助设计图与地图叠加的示意图；
图10示出了根据本发明一个实施例的ArcGIS服务器发布的地图数据服务的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位方法。
如图1所示，根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位方法包括：S1，至少一个RFID读写器对至少一个RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至应用单元，应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定RFID标签的室内位置信息；S2，地理信息单元根据室内位置信息查询RFID标签的地理位置信息，根据地理位置信息生成地图，显示单元将室内位置信息在地图中进行显示。
由于大多数RFID读写器可以直接提供RSSI(Received SignalStrength Indication，接收信号强度)，通过LANDMARC算法可以直接利用RSSI确定RFID标签的室内位置信息，同时LANDMARC算法还降低了读写器接收端同步机制的要求，减少了对读写器硬件的性能要求，提高适用性，而且通过LADNMARC算法可以得出RFID标签在时间维度上的历史位置信息，从而对RFID标签的当前位置信息和历史位置信息都能够更加直观地展现。
另外，还可以根据室内位置信息查询相应的地理位置信息，比如通过GIS(Geographic Information，地理信息系统)来查询与室内位置信息相对应的地理位置信息，进而将室内位置信息显示在地理位置信息中，使得室内外信息能够联合显示，实现室内外定位的连通，为用户提供更加直观且全面的位置信息。
优选地，步骤S1还包括：S11，RFID读写器将采集数据传输至设备中间件，设备中间件对采集数据进行标准化处理。
优选地，步骤S11还包括：设备中间件将采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为RFID读写器编号，TagID为RFID标签编号，RSSI为RFID读写器接收到的RFID标签的信号强度。
由于不同RFID读写器采集到的数据类型可能不同，可以通过设备中间件对采集数据进行预处理，将其转换为固定的格式，使得后续操作都能够对标准化的数据进行，提高了操作的兼容性。具体可以采用C#编写的设备中间件进行上述标准化操作，设备中间件的运行情况如图5所示。
优选地，步骤S1还包括：S12，设备中间件将标准化处理后的采集数据传输至消息中间件，消息中间件将标准化处理后的采集数据转发至应用单元。
可以采用以ActiveMQ消息总监为基础改造的消息中间件(运行情况如图6所示)，利用自身的管道机制完成对采集数据的转发，由于消息中间件具有良好的性能，使得转发操作具备更高的可靠性，并能够实现对海量数据的实时接入与处理，通过实现了数据采集与后端应用有效地分离，提高了可扩展性。
优选地，步骤S1还包括：S13，应用单元对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定RFID标签的室内位置信息。
优选地，步骤S13包括：应用单元将接收到的数据排列为二维数组，比如L*4的二维数组，其中，L为RFID读写器的数量与RFID标签的数量之积，判断二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定接收到的数据不完整，过滤掉接收到的数据。
比如在实际部署中，采用3个RFID读写器，4个RFID参考标签以及1个RFID待测标签，那么L＝3*(4+1)＝15，数组中每一行数据代表一条标准化的四元组数据，数组中的每一列代表四元组中的每一类元素，其中的RSSI范围可以使0至65535，具体的数组可以如图7所示。可以将每一时刻排列好的二维数组矩阵封装为一个数据包，若矩阵中存在数据缺失，则将该数据包丢弃，以保证LANDMARC确定的室内位置信息的准确性和可靠性。比如待定标签的编码为TagID1，在每个完整的二维矩阵中数据的基础上，按照LANDMARC算法，通过计算RFID参考标签和RFID待测标签在不同RFID读写器中的RSSI的差值，从而找出与标签TagID位置最接近的3个RFID参考标签，进而根据计算出RFID待测标签的实际室内位置信息。
另外，由于RFID实际的数据采集速率很快，难以对每个时刻的数据包都进行检测和过滤，可以通过窗口技术对采集的数据包进行初步的整合，保证处理效率。比如设定0.5s为一个时间窗口，在同一个时间窗口中，只检测第一个时刻的数据包，若数据包中的数据完整则通过LANDMARC算法进行计算，否则将整个时间窗口中的数据丢弃，以降低数据处理的压力。
通过LANDMARC算法计算确定的RFID标签室内位置信息具体的显示如图8所示，其中，可以记录标签81在进入部署环境后的所有室内位置信息，更近一步地，还可以根据不同的时间信息，对不同的室内位置信息设置不同的颜色，比如时间由远及近，颜色可以由浅变深，从而便于用户观察标签81的具体运动情况。
优选地，步骤S2包括：图像生成单元根据室内位置信息生成计算机辅助设计图，显示单元将计算机辅助设计图与地图进行叠加显示。
计算机辅助设计图即CAD图(如图9所示901)，可以将室内位置信息传输至GIS(地理信息系统)，具体可以采用ArcGIS系列产品，根据室内位置信息确定相应的地理位置信息，生成与空间地理位置相对应的地图(如图9所示902)，然后完成地理信息环境的展现和地图数据的发布，再通过ArcGIS Desktop将室内平面CAD图901进行仿射变换并设定相应的投影坐标，最后实现CAD图901与地图902的地理叠加。如图9所示，根据室内为止信息生成的地图902中包括一幢房屋，而CAD图901的具体位置则正是处于该房屋之内，通过将CAD图901和地图902的叠加，可以更加直观地展现根据RFID技术进行定位的信息，便于用户进行后期操作。
在将CAD图901和地图902叠加后，可以利用ArcGIS服务器进行地图发布，如图10所示，在发布过程中，通过设置ArcGIS服务器的兼容性，可以实现tomcat服务器与ArcGIS服务器进行数据交互的功能，发布地图后，用户可以根据需要随时调用地图数据。
图2示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位系统。
如图2所示，根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位系统20包括至少一个RFID读写器21和至少一个RFID标签22，以及应用单元23、地理信息单元24和显示单元25，其中，RFID读写器21对RFID标签22进行数据采集，将采集数据传输至应用单元23，应用单元23根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定RFID标签的室内位置信息；地理信息单元24根据室内位置信息查询RFID标签的地理位置信息，根据地理位置信息生成地图；显示单元25将室内位置信息在地图中进行显示。
优选地，还包括：设备中间件26，其中，RFID读写器21将采集数据传输至设备中间件26，设备中间件26对采集数据进行标准化处理。
优选地，设备中间26件还用于将采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为RFID读写器21编号，TagID为RFID标签22编号，RSSI为RFID读写器21接收到的RFID标签22的信号强度。
优选地，还包括：消息中间件27，其中，设备中间件26将标准化处理后的采集数据传输至消息中间件27，消息中间件27将标准化处理后的采集数据转发至应用单元23。
优选地，应用单元23对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定RFID标签的室内位置信息。
优选地，应用单元23用于将接收到的数据排列为二维数组，判断二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定接收到的数据不完整，过滤掉接收到的数据。
优选地，还包括：图像生成单元28，用于根据室内位置信息生成计算机辅助设计图，其中，显示单元25将所述计算机辅助设计图与地图进行叠加显示。
图3示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位系统的结构示意图。
如图3所示，基于RFID技术的定位系统20的系统架构可以详细设计为一种可扩展的分布式层级结构，共分为感知层、平台层、网络层和应用层四个层次，其中，
感知层：在物理空间中部署一定数量的有源RFID读写器和RFID标签，通过RFID读写器与相应的标签完成对LANDMARC室内定位算法基础数据的采集，实现物理空间与数字空间的信息转换，感知层对RFID数据进行采集可以采用2.4GHz的有源RFID读写器与标签，设备按照LANDMARC算法要求进行部署，读写器完成对标签数据的采集；
平台层：对感知层采集的有源RFID标签基础数据进行预处理，将基础数据转换成为规定的格式，并将数据传递到后续的层次进行处理，平台层对采集的RFID数据进行标准化处理，使系统可以接入不同种类RFID读写器采集的数据，有效地提高了系统的兼容性，平台层通过编写设备中间件，利用不同RFID设备提供的系统接口，完成对RFID设备采集数据的接收和预处理；
网络层：对预处理好的数据进行传递分发，实现负载均衡的功能，为应用层具体功能的实现提供重要的数据业务保障，网络层中采用消息中间件技术对系统的数据采集与后端应用进行了有效地分离，提高了系统的可扩展性，网络层中的消息中间件利用Apache的开源消息总线ActiveMQ进行实现，可很好的满足海量RFID数据的转发、缓存的功能，实现系统整体的负载均衡；
应用层：接收网络层传输的RFID基础数据，利用基础数据对标准的LANDMARC室内定位算法进行实现，同时在应用层中完成与GIS(地理信息系统)模块的结合，将定位算法的结果叠加到地理数据上，实现定位结果的可视化显示，应用层中具体可以采用利用ArcGIS系列产品完成空间地理信息数据与室内定位结果的叠加，实现室内定位结果的可视化显示。
图4示出了根据本发明一个实施例的基于RFID技术的定位方法的部署示意图。
如图4所示，可以选取室内空间的一个区域角落作为原点建立平面坐标系，取正西方向(图中向左方向)为X轴正方向，正北方向(图中向上方向)为Y轴正方向，将测试位置的空间地理数据转化为平面坐标，且不失一般性。然后按照LANDMARC算法的要求部署工作频率为2.4GHz的有源读写器与参考标签，同时将需要定位的物品也附着上同样的有源RFID标签。
RFID读写器进行基础数据的采集。根据算法的实际需要，系统采用有源RFID标签作为定位的重要参数，感知层通过RFID读写器接收有源标签产生的无线电磁信号，并将接收的信号转换为系统所需的实际数据，随后将转换好的数据传递给平台层进行后续处理。
通过采用本发明的技术方案，能够通过LANDMARC算法确定室内位置信息，降低了RFID读写器接收端同步机制的要求，减少对RFID读写器硬件的性能需求，提高了适用性，并且能够将室内定位结果可视化地显示在实际地理环境信息中，使得室内定位结果具有全球唯一地地理坐标，保证了室内定位结果展现的更加直观、具体，实现了室内定位与室外定位的无缝转换，便于室内外定位的结合与分析。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (14)

1.一种基于RFID技术的定位方法，其特征在于，包括：
S1，至少一个RFID读写器对至少一个RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至应用单元，所述应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息；
S2，地理信息单元根据所述室内位置信息查询所述RFID标签的地理位置信息，根据所述地理位置信息生成地图，显示单元将所述室内位置信息在所述地图中进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
S11，所述RFID读写器将所述采集数据传输至设备中间件，所述设备中间件对所述采集数据进行标准化处理。
3.根据权利要求2所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S11还包括：所述设备中间件将所述采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为所述RFID读写器编号，TagID为所述RFID标签编号，RSSI为所述RFID读写器接收到的所述RFID标签的信号强度。
4.根据权利要求2所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
S12，所述设备中间件将标准化处理后的采集数据传输至消息中间件，所述消息中间件将所述标准化处理后的采集数据转发至所述应用单元。
5.根据权利要求4所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
S13，所述应用单元对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息。
6.根据权利要求5所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S13包括：所述应用单元将所述接收到的数据排列为二维数组，判断所述二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定所述接收到的数据不完整，过滤掉所述接收到的数据。
7.根据权利要求5所述的基于RFID技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括：图像生成单元根据所述室内位置信息生成计算机辅助设计图，所述显示单元将所述计算机辅助设计图与所述地图进行叠加显示。
8.一种基于RFID技术的定位系统，其特征在于，包括：至少一个RFID读写器和至少一个RFID标签，以及应用单元、地理信息单元和显示单元，其中，
所述RFID读写器对所述RFID标签进行数据采集，将采集数据传输至所述应用单元，所述应用单元根据LANDMARC算法对采集数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息；
所述地理信息单元根据所述室内位置信息查询所述RFID标签的地理位置信息，根据所述地理位置信息生成地图；
所述显示单元将所述室内位置信息在所述地图中进行显示。
9.根据权利要求8所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，还包括：设备中间件，其中，
所述RFID读写器将所述采集数据传输至所述设备中间件，所述设备中间件对所述采集数据进行标准化处理。
10.根据权利要求9所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，所述设备中间件还用于将所述采集数据标准化为四元数组{Timestamp，ReaderID，TagID，RSSI}的形式，其中，Timestamp为时间戳，ReaderID为所述RFID读写器编号，TagID为所述RFID标签编号，RSSI为所述RFID读写器接收到的所述RFID标签的信号强度。
11.根据权利要求9所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，还包括：消息中间件，其中，
所述设备中间件将标准化处理后的采集数据传输至所述消息中间件，所述消息中间件将所述标准化处理后的采集数据转发至所述应用单元。
12.根据权利要求11所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，所述应用单元对接收到的数据进行完整性验证，过滤掉其中不完整的数据，根据LANDMARC算法对过滤后的数据进行计算，以确定所述RFID标签的室内位置信息。
13.根据权利要求12所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，所述应用单元用于将所述接收到的数据排列为二维数组，其中，判断所述二维数组中是否存在缺失的数据，若存在，则判定所述接收到的数据不完整，过滤掉所述接收到的数据。
14.根据权利要求12所述的基于RFID技术的定位系统，其特征在于，还包括：
图像生成单元，用于根据所述室内位置信息生成计算机辅助设计图，其中，所述显示单元将所述计算机辅助设计图与所述地图进行叠加显示。
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