CN104198986A - 一种基于rfid移动阅读器的精确定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用一个设置高精度RFID移动阅读器的可移动RFID显节点，该RFID显节点在一个给定的已知起始点开始移动，移动过程中通过RFID移动阅读器获得的值可以计算出与起始点的位移，进而得到RFID显节点在移动中的坐标信息，RFID隐节点通过接收RFID显节点广播的多个坐标信息，然后再通过定位算法计算出RFID隐节点的坐标。其只使用一个移动RFID显节点，大大减少了对RFID显节点数目的依赖，降低了定位系统的成本；RFID显节点无需事先布置，可以提供良好的定位效果；采用了基于RSSI测距定位算法，相比一些非测距的定位算法，提供更好的定位效果。

Description

一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统和方法

技术领域

本发明涉及移动定位领域，尤其涉及一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统和方法。

背景技术

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读写器(如：C5000W)或固定式读写器。

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读写器、RFID标签、天线和中间件等。RFID读写器与RFID标签之间的通信通过电磁波传输与接收来实现。RFID读写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。

目前在RFID定位方法研究和应用方面，主要是通过部署大量的参考标签和RFID读写器，采集待定位标签的RSSI信息，基于传统信号传播模型以及三角定位等方法进行位置计算。但现有的基于RFID技术设计的定位系统，在系统可靠性、定位方式、定位精度、定位效率等关键问题上还存在着诸多问题，这些因素造成了现有基于RSSI的定位系统定位精度较差。此外现定位系统的规模相对较小，可扩展性较差。部分定位系统采用部署参考标签的方法来提高使用RSSI定位的精度，但是系统性能受到参考标签密度、部署布局的影响，不适合实际的应用需求，以及对于用来读取RFID标签的阅读器，一般需要预先知晓其自身位置，但很多情况下无法直接获得该位置信息，因此定位比较困难。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个实施方式，提出一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统，所述系统包括：若干数目RFID隐节点，一个RFID显节点，一个RFID汇聚节点，以及一个RFID移动阅读器，每个节点分配不同的ID号和物理地址，所述RFID显节点表示已经通过一定方法获得了坐标位置的RFID标签节点，所述RFID汇聚节点表示具有网络协议转换功能以及将其他RFID节点的接收信号向上位机传送的节点，RFID隐节点表示未知坐标位置的RFID标签节点；其中所述RFID隐节点随机布置在某个平面区域内，RFID隐节点启动等待接收RFID显节点信号的任务，节点之间可以通过多跳传输把采集的信息发送到RFID汇聚节点上，RFID汇聚节点再把信息发送到上位机；以及将安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点。

根据本发明的实施方式，提供一种上述基于RFID移动阅读器的精确定位系统进行定位的方法，所述方法包括步骤：

步骤1)把安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点，RFID移动阅读器以很高的精度获取节点在三个坐标轴的加速度值，RFID移动阅读器的引脚输出是模拟值，其通过模拟/数字转换器来读取加速度值。

步骤2)给定一个已知位置的点作为RFID显节点运动的起始点，在起始点建立适当的平面坐标系，RFID显节点开始在节点区域中移动，移动中RFID显节点以很短的周期读取RFID移动阅读器的值，并计算与起始点的位移，从而可以得到RFID显节点的坐标，RFID显节点周期性地向RFID隐节点广播其坐标；RFID显节点计算位移时使用牛顿第二定律，对获取的加速度曲线进行积分，设对RFID移动阅读器的采样周期是△t，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为at，则当前的位移S_t＝S_t-1+△t*at；

步骤3)RFID显节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，到达一个周期后，RFID显节点把计算出来的坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，…，n，n>＝1，写进数据包中，并广播发送，RFID显节点均匀地在区域内移动，以保证RFID隐节点能够接收多个不同坐标位置的RFID显节点的广播数据包；

步骤4)RFID隐节点接收到3个来自RFID显节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了RFID显节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限n，接收信号时RFID隐节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]＝p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ，其中P_r是RFID隐节点接收的信号功率，p₀是RFID隐节点距RFID显节点为1米时接收到的信号功率，d是RFID隐节点与RFID显节点的真实距离，η是信道衰落指数，值为2～3，X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量；

RSSI值通过上述公式转换为RFID隐节点和RFID显节点之间的直线距离di，i表示接收的第i个RFID显节点信号；获取了RSSI值之后RFID隐节点通过下述定位算法计算其坐标位置，

其中i＝1,…n，n表示接收到的显节点坐标上限；

步骤5)RFID隐节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到RFID汇聚节点上，RFID汇聚节点可进行网络协议的转换，将发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心。

本发明采用一个装有高精度RFID移动阅读器的可移动RFID显节点，该RFID显节点在一个给定的已知起始点开始移动，移动过程中通过RFID移动阅读器获得的值可以计算出与起始点的位移，进而得到RFID显节点在移动中的坐标信息，RFID隐节点通过接收RFID显节点广播的多个坐标信息，然后再通过定位算法计算出RFID隐节点的坐标。其具有以下有益效果：只使用一个移动RFID显节点，不同于以前的定位系统采用多个固定RFID显节点的方式，大大减少了对RFID显节点数目的依赖，降低了定位系统的成本；RFID显节点无需事先布置，可以提供良好的定位效果；采用了基于RSSI测距定位算法，相比一些非测距的定位算法，提供更好的定位效果；汇聚节点具有协议转换功能，提供数据在多个网络中的传输，屏蔽了转换的底层细节，实现封装的效果，以后升级和修改程序等都很方便。

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移动阅读器的精确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移动阅读器的精确定位系统进行定位的方法流程图。

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，提出一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统，如附图1所示，所述系统包括：若干数目RFID隐节点，一个RFID显节点，一个RFID汇聚节点，以及一个RFID移动阅读器，每个节点分配不同的ID号和物理地址，所述RFID显节点表示已经通过一定方法获得了坐标位置的RFID标签节点，所述RFID汇聚节点表示具有网络协议转换功能以及将其他RFID节点的接收信号向上位机传送的节点，RFID隐节点表示未知坐标位置的RFID标签节点；其中所述RFID隐节点随机布置在某个平面区域内，RFID隐节点启动等待接收RFID显节点信号的任务，节点之间可以通过多跳传输把采集的信息发送到RFID汇聚节点上，RFID汇聚节点再把信息发送到上位机；以及将安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点。

根据本发明的实施方式，提供一种基于上述RFID移动阅读器的精确定位系统进行定位的方法，如附图2所示，所述方法包括步骤：

步骤1)把安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点，RFID移动阅读器以很高的精度获取节点在三个坐标轴(横轴，纵轴，竖轴，即X，Y，Z轴)的加速度值，RFID移动阅读器的引脚输出是模拟值，其通过CC2430芯片的ADC(模拟/数字转换器)来读取加速度值，并且在它们之间设计了滤波电路。

步骤2)给定一个已知位置的点作为RFID显节点运动的起始点，在起始点建立适当的平面坐标系，RFID显节点开始在节点区域中移动，移动中RFID显节点以很短的周期读取RFID移动阅读器的值，并计算与起始点的位移，从而可以得到RFID显节点的坐标，RFID显节点周期性地向RFID隐节点广播其坐标。RFID显节点计算位移时所使用的是牛顿第二定律，即对获取的加速度曲线进行积分，设对RFID移动阅读器的采样周期是△t，△t应该是很小的一个值，以增加计算的位移的精度，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为at，则当前的位移S_t＝S_t-1+△t*at；移动阅读器具有三轴采集功能，所以可以得到RFID显节点在运动中任何一个时刻的平面坐标值，采集的加速度信号必然有误差，为增加精度，还可以采取算数平均、中值滤波等方法。

步骤3)RFID显节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，这个周期应该按照区域的大小和RFID显节点移动的速度合理地设置。到达一个周期后，RFID显节点把计算出来的坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，…，n，n>＝1，写进数据包中，并广播发送，RFID显节点均匀地在区域内移动，以保证RFID隐节点能够接收多个不同坐标位置的RFID显节点的广播数据包。

步骤4)RFID隐节点接收到3个来自RFID显节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了RFID显节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限(设为6个)，否则用接收到的信号来实现定位算法。接收信号时RFID隐节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]＝p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ

其中P_r是RFID隐节点接收的信号功率。p₀是RFID隐节点距RFID显节点为1米时接收到的信号功率。d是RFID隐节点与RFID显节点的真实距离。η是信道衰落指数，其大小依赖于传播环境，一般数值为2～3。X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量。

RSSI值通过上述公式可转换为RFID隐节点和RFID显节点之间的直线距离di，i表示接收的第i个RFID显节点信号。获取了RSSI值之后RFID隐节点通过下述定位算法计算其坐标位置，

其中i＝1,…n，n表示接收到的显节点坐标上限。

步骤5)RFID隐节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到RFID汇聚节点上。RFID汇聚节点可进行网络协议的转换，将发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心。控制中心的上位机就可以监视各个RFID隐节点的坐标信息了。上位机可以将坐标系进行转换，定位中我们使用的是在起始点上建立的坐标系，上位机可以将其转换成其他坐标系的位置信息。

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 (2)

1.一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统，所述系统包括：若干数目RFID隐节点，一个RFID显节点，一个RFID汇聚节点，以及一个RFID移动阅读器，每个节点分配不同的ID号和物理地址，所述RFID显节点表示已经通过一定方法获得了坐标位置的RFID标签节点，所述RFID汇聚节点表示具有网络协议转换功能以及将其他RFID节点的接收信号向上位机传送的节点，RFID隐节点表示未知坐标位置的RFID标签节点；

其中所述RFID隐节点随机布置在某个平面区域内，RFID隐节点启动等待接收RFID显节点信号的任务，节点之间通过多跳传输把采集的信息发送到RFID汇聚节点上，RFID汇聚节点再把信息发送到上位机；以及将安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点。

2.一种如权利要求1所述的基于RFID移动阅读器的精确定位系统进行定位的方法，所述方法包括步骤：

步骤1)把安装有RFID移动阅读器的可移动节点作为RFID显节点，RFID移动阅读器以很高的精度获取节点在三个坐标轴的加速度值，RFID移动阅读器的引脚输出是模拟值，其通过模拟/数字转换器来读取加速度值。

步骤2)给定一个已知位置的点作为RFID显节点运动的起始点，在起始点建立适当的平面坐标系，RFID显节点开始在节点区域中移动，移动中RFID显节点以很短的周期读取RFID移动阅读器的值，并计算与起始点的位移，从而可以得到RFID显节点的坐标，RFID显节点周期性地向RFID隐节点广播其坐标；RFID显节点计算位移时使用牛顿第二定律，对获取的加速度曲线进行积分，设对RFID移动阅读器的采样周期是△t，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为at，则当前的位移S_t＝S_t-1+△t*at；

步骤3)RFID显节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，到达一个周期后，RFID显节点把计算出来的坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，…，n，n>＝1，写进数据包中，并广播发送，RFID显节点均匀地在区域内移动，以保证RFID隐节点能够接收多个不同坐标位置的RFID显节点的广播数据包；

步骤4)RFID隐节点接收到3个来自RFID显节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了RFID显节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限n，接收信号时RFID隐节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]＝p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ，其中P_r是RFID隐节点接收的信号功率，p₀是RFID隐节点距RFID显节点为1米时接收到的信号功率，d是RFID隐节点与RFID显节点的真实距离，η是信道衰落指数，值为2～3，X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量；

RSSI值通过上述公式转换为RFID隐节点和RFID显节点之间的直线距离di，i表示接收的第i个RFID显节点信号；获取了RSSI值之后RFID隐节点通过下述定位算法计算其坐标位置，

其中i＝1,…n，n表示接收到的显节点坐标上限；

步骤5)RFID隐节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到RFID汇聚节点上，RFID汇聚节点可进行网络协议的转换，将发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心。