CN104105063A - 一种基于rfid和蓝牙网络的监控定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统和方法，采用低复杂度和自组网方式，能快速响应现有网络的拓扑结构变化，并准确高效的重构新的网络拓扑结构；采用RFID技术，并采用基于RSSI模型的回声状态网络定位方法，克服了传统RSSI定位方法存在较大测量误差，实时响应慢的缺点，还解决了现有监控探头缺乏专有的定位系统、定位误差大、实时定位困难等问题。

Description

一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统和方法

技术领域

本发明涉及无线定位领域，尤其涉及一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统和方法。

背景技术

随着社会的发展和进步，对诸如地下停车场、商场、地铁站等非露天环境下的定位需求也越来越强烈，现在有很多现成的定位技术，比如专业的全球定位系统(GPS)，其定位精度很高，可以实现全球定位，但是在上述的区域内，卫星信号被遮挡，即使可以穿透表层，其信号也很微弱，因此，将GPS用于上述区域的定位几乎不可行。

RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波(调成无线电频率的电磁场)。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。

RFID识别系统一般都包括应答器(或标签)和阅读器，所述应答器由天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；所述阅读器由天线，耦合元件，芯片组成，读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式RFID阅读器(如：C5000W)或固定式阅读器。

目前，射频识别技术已被广泛应用于生产、物流、交通运输等应用领域，并在定位跟踪、自动扫描等无人自动管理领域具有广泛的应用前景。特别是随着“物联网”(Internet of Things)概念引起业界广泛关注，作为一种先进生产力，RFID技术的广泛应用对提高生产效率、提升用户应用对应用的体验具有极大的促进作用。

射频识别系统一般包括RFID阅读器、RFID标签、天线和中间件等。RFID阅读器与RFID标签之间的通信通过电磁波传输与接收来实现。RFID阅读器可以快速扫描读取信号覆盖范围内的多个RFID标签信息。在信号覆盖范围内，RFID标签反射的信号可以透过纸张、木材、塑料甚至墙壁等非金属或非透明材质，进行穿透性通信，穿透性较强。并且，RFID传输的数据内容可以加密，从而保证数据传输过程的安全性。

另外，在上述区域一般都会设置监控探头，用于实时监控探头范围内的人和物的活动，以实现区域和物品安全，但是除此之外，探头别无它用。

因此，有必要充分利用已有的监控探头设备和新兴的RFID识别技术提出一种新的监控定位系统和方法。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的实施方式，提供了一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统，所述系统包括用于唯一标示目标的定位RFID标签、与之连接的RFID阅读器模块，用于进行无线定位的蓝牙区域网和控制监控探头跟随移动的监控探头转台；所述RFID阅读器模块包括天线、RFID芯片、微控制器和蓝牙信号收发模块，所述蓝牙区域网包括蓝牙网络调节器、蓝牙节点和蓝牙定位控制器，所述蓝牙定位控制器包括用于接收蓝牙区域网信号的通信接口模块、集成信息处理模块和监控探头转台控制模块；

其中所述集成信息处理模块执行基于RSSI的蓝牙网络定位，依据定位RFID标签在蓝牙区域网下移动时的无线RSSI信号强度精确定位RFID标签；监控探头转台控制模块根据定位数据信息，发出指令动态调整转台；

所述RSSI信号强度为：

其中，d为需要计算的未知节点到信标节点的距离，n为路径损耗指数，依赖于蓝牙区域网，PL(d)为未知节点接收到的信号强度，PL(d₀)为参考距离d₀处的信号强度，d₀为参考节点到信标节点的距离，ε为定位误差。

根据本发明的实施方式，所述基于RFID和蓝牙网络的监控定位方法包括步骤：

1)采样阶段：

在定位区域内设置一定数量的蓝牙网络调节器或蓝牙网络节点作为参考节点，蓝牙网络调节器和蓝牙网络节点组网完成后，所述参考节点的位置信息均已知；

测量相互间的衰减强度RSSI值，构建储备区DR的输出矩阵W_out；

蓝牙网络调节器经由UART将此W_out发送到蓝牙定位控制器；

将定位RFID标签移入蓝牙网络中定义为网络的初始状态，所述初始状态定义为0，即x(0)＝0；

训练定位样本(u(n),n＝1,2,…P)经过输入矩阵W_in被加入到储备区DR中，其中P为样本数量，依次完成系统状态和误差输出的计算和收集；

计算输出矩阵W_out，蓝牙网络调节器从某一时刻m开始收集内部状态变量，并以向量(x1(i),x2(i)…,xN(i))(i＝m,m+1,…,P)为行构成矩阵B(P-m+1,N)，同时相应的样本定位数据ε(n)也被收集，并构成一个列向量T(P-m+1,1)；

2)权值计算阶段：

根据在采样阶段收集到定位系统状态矩阵和定位RFID标签移动样本数据，计算输出连接权矩阵W_out；

状态变量x(n)和输出之间是线性关系，利用回声状态网络实际输出逼近期望输出ε(n)，所述计算权值满足网络定位均方差最小： $\min \frac{1}{P-m+1}\underset{n=m}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\ϵ}\left(n\right)-{\mathrm{\Σ}}_i^L{w}_i^{\mathrm{out}}{x}_i\left(n\right))}^2,$ 所述 $w_i^{\mathrm{out}}$ 为矩阵W_out的元素；

求矩阵B的逆矩阵，即W_out＝B^-1T，完成回声状态网络的训练，根据训练好的网络对定位RFID标签进行实时跟随定位。

根据本发明的一个实施方式，所述监控探头转台控制模块，通过调节PWM方式来控制转台转向。

根据本发明的一个实施方式，所述蓝牙信号收发模块和蓝牙区域网采用2.4GHz射频信号。

根据本发明的一个实施方式，所述蓝牙定位控制器采用双ARM内核处理单元，所述通信接口模块采用异步收发传输器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统和方法，采用低复杂度和自组网方式，能快速响应现有网络的拓扑结构变化，并准确高效的重构新的网络拓扑结构；采用RFID技术，并采用基于RSSI模型的回声状态网络定位方法，克服了传统RSSI定位方法存在较大测量误差，实时响应慢的缺点，还解决了现有监控探头缺乏专有的定位系统、定位误差大、实时定位困难等问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统结构示意图。

附图2示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID和蓝牙网络的监控定位方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，如图1所示，本发明的基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统，包括用于唯一标示目标的定位RFID标签、与之连接的RFID阅读器模块，用于进行无线定位的蓝牙区域网和控制监控探头跟随移动的监控探头转台。蓝牙区域网包括蓝牙网络调节器、蓝牙网络节点和蓝牙定位控制器。RFID阅读器模块包括天线、RFID芯片、微控制器和蓝牙信号收发模块。

本发明的基于蓝牙的区域网可以按照如下方式组网：该区域网由若干个(≥4)基于蓝牙芯片的网络传感节点1构成，其功能相当于网络中的终端。根据具体应用环境和要求，将蓝牙网络传感器节点均匀放置于环境。设置蓝牙网络路由节点2，其功能相当于网络的路由器。设置蓝牙网络调节器3，其功能相当于网络的网关节点，在实时跟随定位系统中充当与蓝牙定位控制器通信的硬件，网络调节器同网络传感器节点组成网状拓扑结构的网络，所有的蓝牙节点都将采集到的RFID标签位置信息实时发送到蓝牙网络调节器。在实际应用中，蓝牙网络路由节点2与蓝牙网络调节器3可以是同一个节点，只是在内部参数设置上有所不同。

为了信号传输稳定，蓝牙信号收发模块和蓝牙区域网采用2.4GHz射频信号。

蓝牙定位控制器包括用于接收蓝牙区域网信号的通信接口模块、集成信息处理模块和监控探头转台控制模块。首先，通过通信接口模块传来的RFID标签实时位置信息；其次，经由智能定位方法，确定方位调节量；最后，监控探头转台控制模块调节外接监控探头转台的纵横方向角度，从而调整监控探头聚焦方向，达到实时跟随定位。为了便于调节，监控探头转台控制模块，通过调节PWM方式来控制转台转向。蓝牙定位控制器优选采用双ARM内核处理单元，运行android4.2操作系统，能够将无线通讯、多媒体应用、远程监控、分布式任务处理等有机的结合在一起。蓝牙定位控制器通过通用异步收发传输器(UART)连接至蓝牙网络调节器。

上述集成信息处理模块执行基于RSSI模型的网络定位，依据定位RFID标签在蓝牙区域网下移动时的无线信号强度，融合，通过网络训练方式减小定位均方误差，从而精确定位RFID标签；同时，监控探头转台控制模块根据定位数据信息，发出指令动态调整转台；；

所述RSSI模型为：

$\mathrm{PL}\left(d\right)=\mathrm{PL}\left(d_0\right)-10n1g\left(\frac{d}{d_0}\right)+\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式(1)中，d为需要计算的未知节点到信标节点的距离，n为路径损耗指数，依赖于蓝牙区域网，PL(d)为未知节点接收到的信号强度，PL(d0)为参考距离d0处的信号强度，d0为参考节点到信标节点的距离，ε为定位误差；

所述基于RFID和蓝牙网络的监控定位方法包括以下步骤，如附图2所示：

1)采样阶段：在定位区域内设置一定数量的蓝牙网络调节器或蓝牙网络节点作为参考节点，蓝牙网络调节器和蓝牙网络节点组网完成后，这些节点的位置信息均已知，测量相互间的衰减强度RSSI值，构建储备区DR的输出矩阵W_out；蓝牙网络调节器经由UART将此数据发送到蓝牙定位控制器；将定位RFID标签移入蓝牙网络中定义为网络的初始状态，即网络的初始状态为0，即x(0)＝0，训练定位样本(u(n),n＝1,2,…P)经过输入矩阵W_in被加入到储备区DR中，其中P为样本数量，依次完成系统状态和误差输出的计算和收集；计算输出矩阵W_out，蓝牙网络调节器从某一时刻m开始收集内部状态变量，并以向量(x1(i),x2(i)…,xN(i))(i＝m,m+1,…,P)为行构成矩阵B(P-m+1,N)，同时相应的样本定位数据ε(n)也被收集，并构成一个列向量T(P-m+1,1)；

2)权值计算阶段：根据在采样阶段收集到定位系统状态矩阵和定位RFID标签移动样本数据，计算输出连接权矩阵W_out；由于状态变量x(n)和输出之间是线性关系，而需要实现的目标是利用回声状态网络实际输出逼近期望输出ε(n)，即

$\mathrm{\ϵ}\left(n\right)=\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^t{w}_i^{\mathrm{out}}{x}_i\left(n\right)---\left(2\right)$

也就是希望计算权值(为矩阵W_out的元素)，满足网络定位均方差最小，即：

$\min \frac{1}{P-m+1}\underset{n=m}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\ϵ}\left(n\right)-{\mathrm{\Σ}}_i^L{w}_i^{\mathrm{out}}{x}_i\left(n\right))}^2---\left(3\right)$

根据式(3)可以求矩阵B的逆矩阵，即W_out＝B^-1T，至此，ESNs网络训练完成，训练好的网络可直接用于定位RFID标签的实时跟随定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统，所述系统包括用于唯一标示目标的定位RFID标签、与之连接的RFID阅读器模块，用于进行无线定位的蓝牙区域网和控制监控探头跟随移动的监控探头转台；所述RFID阅读器模块包括天线、RFID芯片、微控制器和蓝牙信号收发模块，所述蓝牙区域网包括蓝牙网络调节器、蓝牙节点和蓝牙定位控制器，所述蓝牙定位控制器包括用于接收蓝牙区域网信号的通信接口模块、集成信息处理模块和监控探头转台控制模块；

其中所述集成信息处理模块执行基于RSSI的蓝牙网络定位，依据定位RFID标签在蓝牙区域网下移动时的无线RSSI信号强度精确定位RFID标签；监控探头转台控制模块根据定位数据信息，发出指令动态调整转台；

所述RSSI信号强度为：

其中，d为需要计算的未知节点到信标节点的距离，n为路径损耗指数，依赖于蓝牙区域网，PL(d)为未知节点接收到的信号强度，PL(d₀)为参考距离d₀处的信号强度，d₀为参考节点到信标节点的距离，ε为定位误差。

2.一种如权利要求1所述的系统，所述监控探头转台控制模块，通过调节PWM方式来控制转台转向。

3.一种如权利要求1所述的系统，所述蓝牙信号收发模块和蓝牙区域网采用2.4GHz射频信号。

4.一种如权利要求1所述的系统，所述蓝牙定位控制器采用双ARM内核处理单元，所述通信接口模块采用异步收发传输器。

5.一种如权利要求1-4其中之一所述的基于RFID和蓝牙网络的监控定位系统进行定位的方法，包括步骤：

1)采样阶段：

在定位区域内设置一定数量的蓝牙网络调节器或蓝牙网络节点作为参考节点，蓝牙网络调节器和蓝牙网络节点组网完成后，所述参考节点的位置信息均已知；

测量相互间的衰减强度RSSI值，构建储备区DR的输出矩阵W_out；

蓝牙网络调节器经由UART将此W_out发送到蓝牙定位控制器；

将定位RFID标签移入蓝牙网络中定义为网络的初始状态，所述初始状态定义为0，即x(0)＝0；

训练定位样本(u(n),n＝1,2,…P)经过输入矩阵W_in被加入到储备区DR中，其中P为样本数量，依次完成系统状态和误差输出的计算和收集；

计算输出矩阵W_out，蓝牙网络调节器从某一时刻m开始收集内部状态变量，并以向量(x1(i),x2(i)…,xN(i))(i＝m,m+1,…,P)为行构成矩阵B(P-m+1,N)，同时相应的样本定位数据ε(n)也被收集，并构成一个列向量T(P-m+1,1)；

2)权值计算阶段：

根据在采样阶段收集到定位系统状态矩阵和定位RFID标签移动样本数据，计算输出连接权矩阵W_out；

状态变量x(n)和输出之间是线性关系，利用回声状态网络实际输出逼近期望输出ε(n)，所述计算权值满足网络定位均方差最小： $\min \frac{1}{P-m+1}\underset{n=m}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\ϵ}\left(n\right)-{\mathrm{\Σ}}_i^L{w}_i^{\mathrm{out}}{x}_i\left(n\right))}^2,$ 所述 $w_i^{\mathrm{out}}$ 为矩阵W_out的元素；

求矩阵B的逆矩阵，即W_out＝B^-1T，完成回声状态网络的训练，根据训练好的网络对定位RFID标签进行实时跟随定位。