CN104181502A - 一种基于射频识别技术的室内参考定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，一：通过RSSI定位算法确定信号强度与距离的关系；二：布置RFID参考标签；三：携带RFID阅读器，读取参考标签及待测标签发出的信号强度；四：排序参考标签信号强度；五：选信号强度最大三个，得到参考标签与阅读器间的距离为r₁、r₂、r₃及待测标签与阅读器间的距离d₁；六：以三个参考标签为心，以r₁、r₂、r₃为半径做圆，三个圆的交点为阅读器的位置；七：重复步骤三到六两次，获得阅读器的新位置及待测标签与阅读器间的距离d₂、d₃；八：以阅读器的三个不同位置为心，d₁、d₂、d₃为半径做圆，三个圆的交点为待测标签的位置；九：重复步骤三到八获取其他待测标签的位置。

Description

一种基于射频识别技术的室内参考定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于射频识别技术(下文称为“RFID”：radio frequency identification)的室内参考定位方法，属于射频识别技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对定位的需求日益增大，特别是在复杂的室内环境，如机场大厅、展览馆、仓库、超市、图书馆、公园、地下停车场、矿井等环境中，需要利用移动终端为人员、设施与物品提供位置信息。因此，人们提出了许多室内定位技术的解决方案，具体如下：

1.室内GPS定位技术：GPS是目前应用最为广泛的定位技术。但是，当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，而且定位器终端的成本较高。

2.红外技术：基于散红外技术的有源标签可以用于室内定位，但是它要求待测对象必须与红外线阅读器成一条直线，并且定位距离较近，因而实际应用的意义不大。

3.基于无线局域网的定位技术：在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获得的待测对象的相关信息，并结合基站的拓扑结构，综合分析，从而确定物体的具体位置。应用此类技术的系统容易建立，但是测量精度一般，有待进一步提高。

4.超声波技术：目前成功运用此技术确实可以取得较高的定位精度，但是需要大量的基础设施支持，成本昂贵，无法大面积推广。

前述常见的定位技术之所以不适用于室内定位，还有一个很大原因就在于室内定位应用的特殊性。为了让无线信号能够覆盖到室内环境的所有范围，就需要在室内环境中布置大量的发射端基础设施，这样势必会造成系统总成本的增加，因此需要一种新的技术和模式来解决室内定位问题。

与上述定位系统相比，射频识别技术具有非视距和非接触的优点，非凡的工作速度、较大的传输范围以及高性价比也是射频识别技术的优势所在。

射频识别技术(RFID)，是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感耦合或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别，具有许多传统的自动识别技术无可比拟的优点，如非接触、距离远、可读写、信息量大、无须人工干预、多目标同时识别等。

现有的RFID系统的定位方法有：1、信号到达时间定位，即TOA(Time of Arrival)，该方式将无线信号换算成阅读器与标签之间的距离，以阅读器的坐标为圆心，以该信号的传播时间所换算出的距离为半径做圆，多个阅读器所形成的圆的交点即为RFID标签的位置。2、信号到达时间差定位，即TDOA(Time Difference of Arrival)，该方式基于测量信号到达多个测量装置的时间差值来判断移动目标的位置坐标。3、信号达到角度定位，即AOA(Angle ofArrival)，由阵列天线测量到移动目标发射的无线射频信号，来判断移动目标的所在的方向，从而实现根据信号到达的角度来进行定位。4、接收信号强度定位，即RSSI(Received SignalStrength Indicator)，根据阅读器接收到的信号，获得该信号的信号强度，并根据该信号强度换算成距离来确定标签的位置。

RSSI与根据信号传播时间的TOA、TDOA和AOA定位相比，受到室内环境中多径效应的影响要小得多。但是由于室内环境中无线信号传播模型的复杂性，RSSI的精度一般都比较低。

发明内容

(一)发明目的

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，可以较低的成本、较简单的系统结构，实现物体的精确定位。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其包括：多个RFID参考标签，固定布置在覆盖范围内的一个便携式RFID阅读器，由现场工作人员携带，可到达覆盖范围内的任意位置，用于读取RFID参考标签和RFID待测标签的信息；一个信息服务器，其接受该便携式RFID阅读器读写到的参考标签和待测标签的信息，根据该信息确定该物体的位置；一个客户端，其与该信息服务器通过局域网相连，用于提供用户操作界面。

如上所述的基于射频识别技术的室内参考定位方法，其中多个RFID参考标签可布置在地面、墙壁或天花板等固定的位置；该客户端为微型计算机或作为手持设备的个人数字助理(PDA)，操作工人通过该客户端与该信息服务器实时通信；每一个RFID参考标签和RFID待测标签都包含一个ID号，可被RFID阅读器唯一识别；该信息服务器包含一个数据库，其存储了标签ID与物体位置的对应关系，该数据库在该系统工作过程中被动态地更新；该便携式RFID阅读器读写RFID参考标签和RFID待测标签的信息，并将读写到的信息通过无线的方式传送到该信息服务器，该信息服务器根据上述信息确定欲追踪物体的位置。

本发明一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其具体工作过程如下所示：

步骤一：在实际应用现场做实验，通过RSSI定位算法确定实际应用环境中信号强度与距离之间的关系；

步骤二：根据现场环境在合适的位置布置RFID参考标签(Reference Tag，RT)；

步骤三：现场工作人携带便携式RFID阅读器，读取RFID参考标签发出的信号强度以及RFID待测标签发出的信号强度；

步骤四：将收到的所有RFID参考标签的信号强度从大到小排序；

步骤五：选取RFID参考标签信号强度最大的三个，根据实际应用环境中信号强度与距离间的关系得出此三个RFID参考标签与便携式RFID阅读器之间的距离分别为r₁、r₂、r₃，以及RFID待测标签与阅读器之间的距离d₁；

步骤六：分别以三个RFID参考标签所在位置为圆心，其到携带便携式RFID阅读器的距离r₁、r₂、r₃为半径做圆，根据三边测量原理，三个圆的交点即为携带便携式RFID阅读器的位置；

步骤七：现场人员移动位置，重复步骤三到步骤六两次，分别获得便携式RFID阅读器的新位置以及待测标签与阅读器之间的距离d₂、d₃；

步骤八：分别以便携式RFID阅读器的三个不同位置为圆心，d₁、d₂、d₃为半径做圆，根据三边测量原理，三个圆的交点即为RFID待测标签的位置；

步骤九：重复上述步骤三到步骤八获取其他RFID待测标签的位置。

其中，在步骤一中所述的“应用现场做实验”，是指先确定阅读器的位置，然后选取离阅读器不同距离的位置布置标签进行信号强度多次测量，将同一地点的多次信号强度取平均值，作为该点的信号强度，然后根据不同点的信号强度绘制“信号强度-距离”曲线，通过线性回归得出信号强度与距离之间的关系。

其中，在步骤一中所述的“RSSI定位算法”，是利用发射信号强度的衰减与标签和阅读器之间的距离成函数关系，依据相应的传播信号路径损耗，把信号强度转化为距离进行定位的方法。

其中，在步骤一中所述的“信号强度”越大，说明标签与阅读器的距离越近。

其中，在步骤一中所述的“通过RSSI定位算法确定实际应用环境中信号强度与距离之间的关系”，其确定过程如下：测量出现场每个参考标签到阅读器的距离以及相应位置的信号强度，通过线性拟合确定信号强度与距离之间的近似线性关系。

其中，在步骤二中所述的“RFID参考标签”是指已知其坐标位置，并作为参考的标签。

其中，在步骤二中所述的“布置RFID参考标签”，其布置按照线性阵列来布置，间距根据现场实际场地大小确定，需注意：若实验只涉及到二维定位，则标签需布置在同一水平面上。

其中，在步骤三中所述的“便携式RFID阅读器”是指用于读取标签信息的设备，可同时处理多个标签，具有体积小、自备电源、无线传输、便于携带等优点；“RFID待测标签”是指安放在欲追踪的物体上，需要通过本发明方法找到坐标位置的标签。

其中，在步骤四中所述的“信号强度”越大，说明标签与阅读器的距离越近，所以选取信号最强的三个RFID参考标签。

其中，在步骤五中所述的“r₁、r₂、r₃”和“d₁”都是通过步骤一中所得的信号强度与距离之间的关系得到的。

其中，在步骤六中所述的“三边测量”是指三边测量是在地面上布设一系列连续的三角形，采取测边方式来测定各三角形顶点水平位置的方法。

其中，在步骤六中所述的“三个圆的交点即为便携式RFID阅读器的位置”，若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为便携式RFID阅读器的位置。

其中，在步骤七中所述的“便携式RFID阅读器的新位置”，是指现场工作人员携带便携式RFID阅读器站立的新的位置，每完成步骤三到步骤六后，工作人员便走到现场所能达到的新的位置。

其中，在步骤八中所述的“三个圆的交点即为RFID待测标签的位置”，若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为RFID待测标签的位置。

其中，在步骤九中所述的“其他RFID待测标签”的坐标位置都可按照步骤三到步骤八获得。

(三)优点及有益效果

本发明一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，具有以下优点及有益效果：

1.本发明方法成本低。该方法采用无源RFID标签，覆盖区域受该布设的标签数量限制，而不是受阅读器数量的限制(标签的成本远低于该阅读器的成本)，有效降低成本，易于扩展。

2.本发明方法对动态环境具有很好的适应性。可以根据定位系统所处环境的不同进行不同的设置，对环境动态变化的适应能力强，因此，所得到的定位信息更加准确和可靠。

3.本发明方法的应用，降低了对有经验的操作工人的依赖，降低了由于人工操作错误导致的重复劳动，且该方法采用单一的RF频率和功率值，实施较简单。

4.便携式RFID阅读器外形轻便，不影响人体的正常运动，可实现该人在已知环境中的实时定位。

5.本发明方法克服了现有RFID定位系统在参考标签构成的区域之外定位精度失真的问题，并且从为用户提供单一的实时定位转变到向用户提供实时定位和目标追溯等多种服务，为在较稀疏的参考标签密度条件下进行定位提供了一种可行的方法。

附图说明

图1是射频识别系统的工作示意图。

图2是本发明方法的系统结构图。

图3是实际现场测试信号强度-距离关系图。

图4(a)是三边测量原理示意图，确定便携式RFID阅读器位置。

图4(b)是三边测量原理示意图，确定RFID待测标签位置。

图5是获取便携式RFID阅读器流程图。

图6是获取RFID待测标签流程图。

图7是本发明所述方法流程图。

图中序号、符号、代号说明如下：

图1中1表示RFID阅读器，2表示天线，3表示RFID标签，4表示计算机系统；

图2中1表示客户端计算机，2表示信息服务器，3表示RFID待测标签，4表示RFID参考标签，5表示局域网，6表示便携式RFID阅读器；

图3中◆表示该位置的信号强度平均值，___表示所得的线性回归线；

图4(a)、(b)中●表示RFID参考标签，表示便携式RFID阅读器，■表示RFID待测标签；

图5中R_j表示便携式RFID阅读器的坐标位置，j表示便携式RFID阅读器的第j个位置，每移动一次，j的数值就增加一；C_ij表示第j个位置的便携式RFID阅读器读取的编号为i的RFID参考标签的信号强度；r_ij表示编号为i的RFID参考标签与第j个位置的便携式RFID阅读器之间的距离。

图6中D_k表示RFID待测标签的坐标位置，k表示RFID待测标签的编号；G_kj表示第j个位置的便携式RFID阅读器读取的编号为k的RFID待测标签的信号强度；d_kj表示编号为k的RFID待测标签与第j个位置的便携式RFID阅读器之间的距离。

具体实施方案

下面将结合附图和实例对本发明方法作进一步的详细说明。

如图1、2，本发明一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其设备包括：信息服务器(Information Server，IS)2，用于进行整个系统的控制功能和数据存储功能；客户端计算机(Client Computer，CC)1，其通过局域网5连接到该信息服务器2上，用于提供面向使用者的操作界面；便携式RFID阅读器(Mobile RFID Reader，MRR)6，由现场工作人员携带；多个RFID待测标签(Object Tag，OT)3，其设置在每一件欲追踪物体上，每件物体仅有一个RFID待测标签3，用于唯一地标识该物体，该物体标签中通过电子的方式存储有唯一标识该货物的ID号，有关该物体的信息，例如所属公司、出厂日期、价格等等存储在信息服务器2的数据库中，通过将标识该物体的该ID号作为检索关键词，可以在该信息服务器的数据库中检索到有关该物体的上述各种信息；RFID参考标签(Reference Tag，RT)4，安装在该定位系统所覆盖区域的地板、墙体等固定的位置处，该便携式RFID阅读器6读取该RFID参考标签4，通过信号强度来确定自身的位置。该便携式RFID阅读器6还读取RFID待测标签3，并将读写出的数据在过滤后发送回该信息服务器2以进一步处理，并根据信号强度判断出待测标签的位置，进而确定欲追踪物体的位置。

下面以某一现场实际环境，描述本发明一种基于射频识别技术的室内参考定位方法的具体实施方案。

本发明一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，如图7所示，其具体步骤如下：

步骤一：在实际应用现场做实验。先确定阅读器的位置，然后在距离阅读器每相隔0.1米的位置多次该位置标签接收的信号强度，并取平均值作为该点的信号强度。然后根据不同点的信号强度绘制“信号强度-距离”曲线，通过线性回归得出信号强度与距离之间的关系。通过RSSI定位算法确定实际应用环境中信号强度与距离间的关系如图3所示(不同应用环境结果会有所差异)，得到公式

D＝-0.1844RSSI-6.2288  (1)

步骤二：在覆盖范围为96m²的应用现场根据实际环境在合适的位置布置9个RFID参考标签，并确定各参考标签的坐标位置T_i(x_i,y_i)(i＝1,2,3,…,9)。将RFID参考标签布置在墙面、型架等现场固定位置，距离地面1.5米。

步骤三：现场工作人携带便携式RFID阅读器R₁，读取RFID参考标签发出的信号强度C_i1(i＝1,2,3,…,9)以及某一RFID待测标签发出的信号G₁₁。

步骤四：将收到的所有RFID参考标签的信号强度C_i按照从大到小的顺序排列为C₁₁＞C₅₁＞C₆₁＞C₇₁＞C₂₁＞C₃₁＞C₄₁＞C₉₁＞C₈₁。

步骤五：选取其中信号强度最大(C₁₁、C₅₁、C₆₁)的三个RFID参考标签，根据公式(1)得出此三个参考标签与阅读器之间的距离分别为r₁₁、r₅₁、r₆₁，根据待测标签的信号强度G₁₁以及公式(1)可得待测标签与阅读器之间的距离为d₁₁。

步骤六：分别以三个参考标签的坐标位置T₁(x₁,y₁)、T₅(x₅,y₅)、T₆(x₆,y₆)为圆心，其到阅读器的距离r₁₁、r₅₁、r₆₁为半径做圆(如图4(a)所示)，根据三边测量原理

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{11}^2={(x_1^2-X_1^2)}^2+{(y_1^2-Y_1^2)}^2\\ r_{51}^2={(x_5^2-X_1^2)}^2+{(y_5^2-Y_1^2)}^2\\ r_{61}^2={(x_6^2-X_1^2)}^2+{(y_6^2-Y_1^2)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过矩阵运算即可得到便携式RFID阅读器的位置坐标R₁(X₁,Y₁)，公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_5{y}_5\\ x_6{y}_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{K}_2^2-r_{51}^2+r_{11}^2\\ K_3^2-r_{61}^2+r_{11}^2\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为便携式RFID阅读器的位置。

步骤七：现场人员移动位置，再重复步骤三到步骤六两次(如图5所示)，分别获得阅读器的位置R₂(X₂,Y₂)、R₃(X₃,Y₃)以及待测标签与阅读器之间的距离d₁₂、d₁₃。

步骤八：分别以R₁(X₁,Y₁)、R₂(X₂,Y₂)、R₃(X₃,Y₃)为圆心，d₁₁、d₁₂、d₁₃为半径做圆(如图4(b)所示)，根据三边测量原理

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{11}^2={(X_1^2-X_1^{\′2})}^2+{(Y_1^2-Y_1^{\′2})}^2\\ d_{12}^2={(X_2^2-X_1^{\′2})}^2+{(Y_2^2-Y_1^{\′2})}^2\\ d_{13}^2={(X_3^2-X_1^{\′2})}^2+{(Y_3^2-Y_1^{\′2})}^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过矩阵运算即可得到RFID待测标签的位置坐标D₁(X′₁,Y′₁)，公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{X}_2{Y}_2\\ X_3{Y}_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^{\′}\\ Y_1^{\′}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{M}_2^2-d_{12}^2+d_{11}^2\\ M_3^2-d_{13}^2+d_{11}^2\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为RFID待测标签的位置。

步骤九：重复上述步骤三到步骤八(如图6所示)获取其他待测标签的位置D_k(X′_k,Y′_K)(k＝2,3,…)。

其中，步骤一中所述的“应用现场做实验”是指先确定阅读器的位置，然后选取离阅读器不同距离的位置布置标签进行信号强度多次测量，将同一地点的多次信号强度取平均值，作为该点的信号强度。然后根据不同点的信号强度绘制“信号强度-距离”曲线，通过线性回归得出信号强度与距离之间的关系。

其中，步骤一的公式中D为阅读器与标签间的距离，单位为m(米)；RSSI为信号强度，单位为dBm。

其中，步骤二中“距离地面1.5米”，因为此实验是在二维环境下进行验证，所以将RFID标签布置在同一水平面上，若是在三维环境下验证，则无此要求；

其中，以上步骤中所述的R_j表示便携式RFID阅读器的坐标位置，j表示便携式RFID阅读器的第j个位置，每移动一次，j的数值就加一；T_i表示RFID参考标签的坐标位置，i表示RFID参考标签的编号；D_k表示RFID待测标签的坐标位置，k表示RFID待测标签的编号；C_ij表示第j个位置的便携式RFID阅读器读取的编号为i的RFID参考标签的信号强度；G_kj表示第j个位置的便携式RFID阅读器读取的编号为k的RFID待测标签的信号强度；r_ij表示编号为i的RFID参考标签与第j个位置的便携式RFID阅读器之间的距离；d_kj表示编号为k的RFID待测标签与第j个位置的便携式RFID阅读器之间的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，本发明也可扩展到三维空间，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：其具体工作过程如下：

步骤一：在实际应用现场做实验，通过RSSI定位算法确定实际应用环境中信号强度与距离之间的关系；

步骤二：根据现场环境在预定的位置布置RFID参考标签；

步骤三：现场工作人携带便携式RFID阅读器，读取RFID参考标签发出的信号强度以及RFID待测标签发出的信号强度；

步骤四：将收到的所有RFID参考标签的信号强度从大到小排序；

步骤五：选取RFID参考标签信号强度最大的三个，根据实际应用环境中信号强度与距离间的关系得出此三个RFID参考标签与便携式RFID阅读器之间的距离分别为r₁、r₂、r₃，以及RFID待测标签与阅读器之间的距离d₁；

步骤六：分别以三个RFID参考标签所在位置为圆心，其到携带便携式RFID阅读器的距离r₁、r₂、r₃为半径做圆，根据三边测量原理，三个圆的交点即为携带便携式RFID阅读器的位置；

步骤七：现场人员移动位置，重复步骤三到步骤六两次，分别获得便携式RFID阅读器的新位置以及待测标签与阅读器之间的距离d₂、d₃；

步骤八：分别以便携式RFID阅读器的三个不同位置为圆心，d₁、d₂、d₃为半径做圆，根据三边测量原理，三个圆的交点即为RFID待测标签的位置；

步骤九：重复上述步骤三到步骤八获取其他RFID待测标签的位置，该“其他RFID待测标签”的坐标位置都按照步骤三到步骤八获得。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“应用现场做实验”，是指先确定阅读器的位置，然后选取离阅读器不同距离的位置布置标签进行信号强度多次测量，将同一地点的多次信号强度取平均值，作为该点的信号强度，然后根据不同点的信号强度绘制“信号强度-距离”曲线，通过线性回归得出信号强度与距离之间的关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“RSSI定位算法”，是利用发射信号强度的衰减与标签和阅读器之间的距离成函数关系，依据相应的传播信号路径损耗，把信号强度转化为距离进行定位的方法。

4.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“通过RSSI定位算法确定实际应用环境中信号强度与距离之间的关系”，其确定过程如下：测量出现场每个参考标签到阅读器的距离以及相应位置的信号强度，通过线性拟合确定信号强度与距离之间的近似线性关系。

5.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“RFID参考标签”是指已知其坐标位置，并作为参考的标签；所述的“布置RFID参考标签”，其布置按照线性阵列来布置，间距根据现场实际场地大小确定，需注意：若实验只涉及到二维定位，则标签需布置在同一水平面上。

6.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤五中所述的“r₁、r₂、r₃”和“d₁”都是通过步骤一中所得的信号强度与距离之间的关系得到。

7.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤六中所述的“三边测量”是指三边测量是在地面上布设一系列连续的三角形，采取测边方式来测定各三角形顶点水平位置的方法。

8.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤六中所述的“三个圆的交点即为便携式RFID阅读器的位置”，若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为便携式RFID阅读器的位置。

9.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：

在步骤七中所述的“便携式RFID阅读器的新位置”，是指现场工作人员携带便携式RFID阅读器站立的新的位置，每完成步骤三到步骤六后，工作人员便走到现场所能达到的新的位置。

10.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的室内参考定位方法，其特征在于：在步骤八中所述的“三个圆的交点即为RFID待测标签的位置”，若三个圆有一个相交区域，则以该区域的重心为RFID待测标签的位置。