CN104198990B - 一种可高效扩展定位范围的rfid定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别(RFID)技术领域，在对基于RFID技术的室内定位系统进行改进的基础上，提出了一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统；所提出的一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统，其特征是包括：一组无源RFID标签，由若干参考标签和一个附着在待定位物体上的动态标签组成；超高频RFID阅读器；阅读器天线，上位机；在定位范围为N*N矩阵时，本系统可以实现精确和高效定位；在此基础上，为扩大定位范围本发明通过划分区间，多次进行简单定位，然后跳转到更小范围，从而将待定位范围缩小至N*N范围，再根据已建立的RFID定位系统进行精确定位；该方法在不增加系统负担，且不损失定位精度的前提下高效迅速实现对待定位动态标签的精确定位。

Description

一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统

技术领域

本发明属于射频识别(RFID)技术领域，涉及一种RFID定位及扩展定位范围的技术。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，射频识别技术(RFID)作为一种高效的监测和识别方法被越来越多的人所使用。RFID是一种非接触式的自动识别技术，涉及芯片、天线、无线收发、数据变换与编码以及电磁波与电磁场等众多学科领域。与条形码识别技术、磁卡识别技术和IC卡识别技术等相比，RFID以其特有的非接触性、抗干扰能力强、可同时识别多个物体等优点，逐渐成为了自动识别家族中最优秀和应用领域最广泛的技术之一。与其他技术相比，射频识别技术以其非接触、非视距、传输范围大、定位精度高且成本低等其他技术无可比拟的优点，成为室内定位领域的优选技术，逐步受到人们越来越多的关注。

目前典型的基于RFID技术的室内定位系统多是基于参考标签的算法的，即在待定位标签可能的所在范围内，按照一定的分布形式布置一些位置已知的标签作为参考，然后阅读器分别读出这些参考标签和目标标签的场强值，根据参考标签和目标标签的场强值的大小关系确定他们位置的相对关系，从而确定目标标签位置的一种算法。这种系统在定位范围较小的时候定位的精度和效率较好，但随着定位范围的扩大，对系统的硬件要求增大，定位算法的复杂程度会大大增加，这样定位的精度和效率就会大大降低。

发明内容

为了克服这种不足，本发明在改进基于RFID技术的室内定位系统的基础上，提出了一种扩大定位范围的方法，该方法在很少增加系统负担，且不损失定位精度的前提下高效迅速实现精确定位。

本发明提供了一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统，包括：一组无源RFID标签，由若干参考标签和一个附着在待定位物体上的动态标签组成；超高频RFID阅读器，系统工作频率为超高频800MHz～960MHz；阅读器天线；上位机。其过程是使用RFID参考标签构成分布形式为N*N的矩阵，两个标签之间的距离在0到1m之间，待定位物体携带动态定位标签在矩阵中，通过三对阅读器天线检测标签场强值，由超高频RFID阅读器读取天线数据并传输给上位机，上位机将所获得的标签场强值通过所设计的软件经过计算，即可实现基于RFID的精确定位。

系统的定位过程是阅读器分别读出参考标签和待定位标签的场强值，并根据这些场强值，以参考标签和待定位标签场强值的相对大小关系为依据，对各个参考标签的可信度进行判断，判断完成之后，将最近邻位的标签选取出来，而后计算各最近邻位标签的权值，从而得到参考标签的估计值。

为实现高效迅速扩展定位范围，在上述系统基础上，通过以下方法进行定位扩展：在已有N*N参考标签矩阵的RFID定位系统基础之上，将其扩展为更大范围矩阵，从而增加可定位区域面积。这个范围应满足(N+m)*(N+m)大小的矩阵，其中N可取3、4、5，1＜m＜N且为整数。

首先，将(N+m)*(N+m)矩阵划分为可以存在交集的四个相同大小矩阵，且矩阵大小为N*N。使用三对阅读器天线检测四个标签和动态定位标签的场强值，通过四个标签和待定位标签场强值的相对大小关系定位其中任一标签，作为初次定位。若N为奇数，则标签为N*N矩阵中心点位置的标签；若N为偶数，则标签为N*N矩阵中心2*2矩阵靠近边角位置的标签。使用三对阅读器天线进行初次定位，即检测这四个标签和动态定位标签的场强值，通过四个标签和待定位标签场强值的相对大小关系，定位其中一个标签。然后将RFID定位系统跳转至初次定位标签所在的N*N矩阵，利用之前已建立的RFID定位系统，进行小范围的动态标签的位置判定即可得到准确的标签位置，这样就完成了定位范围的扩展。初次定位的运算量极小，相对于复杂的大型算法，其对系统资源的消耗和用时可以忽略。

这种方法在一定条件下可以进行多次“定位-跳转”，即在阅读器天线可发射电磁波的范围之内，将一个远大于N*N矩阵大小的定位区域，通过划分区间，多次进行简单定位，然后跳转到更小范围，从而逐步将大范围缩小至N*N范围，再根据已建立的RFID定位系统进行精确定位。

附图说明

图1为本发明所涉可高效扩展定位范围的RFID定位系统的结构框图。

图2为本发明所涉可高效扩展定位范围的RFID定位系统的扩展定位范围方法示意图，其中N取值为4，每个方块代表一个参考定位标签，每个三角代表进行初次定位时选取的标签，其中表示阅读器，表示参考定位标签，▲表示初次定位标签。

图3为本发明所涉可高效扩展定位范围的RFID定位系统的扩展定位范围时，动态标签第一种可能位置的示意图，其中表示阅读器，表示参考定位标签，▲表示初次定位标签，◆表示动态定位标签。

图4为本发明所涉可高效扩展定位范围的RFID定位系统的扩展定位范围时，动态标签第二种可能位置的示意图，其中表示阅读器，表示参考定位标签，▲表示初次定位标签，◆表示动态定位标签。

图5为本发明所涉可高效扩展定位范围的RFID定位系统的扩展定位范围时，动态标签第三种可能位置的示意图，其中表示阅读器，表示参考定位标签，▲表示初次定位标签，◆表示动态定位标签。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统(见图1)，其定位范围的分布形式是一个N*N的矩形，两个标签之间的距离在0到1m之间。该系统包括：一组无源RFID标签，由若干参考标签和一个附着在待定位物体上的动态标签组成；超高频RFID阅读器；阅读器天线；上位机。

参照图1，上位机通过UART与MCU通信，将控制信息传送给MCU；MCU接受控制信息后进行处理，并通过串行外设接口SPI将命令和数据发送至阅读器；阅读器通过EPCC1G2协议，利用超高频800MHz～960MHz的系统工作频率，通过天线发射和接收信号。标签接收命令并经天线返回数据后，阅读器对数据进行处理，通过SPI将信息传送给MCU，MCU再通过UART将标签返回信息传送给上位机。参考标签的分布形式为N*N的矩形，其中N可取3、4、5，1＜m＜N，m为整数。

基于一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统的具体定位过程如下：

电磁波在无线信道中传播时会发生衰落，这种衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落。在射频系统中，电磁波主要的衰减形式是大尺度衰落，用Γ来表示。Γ会受到时间、标签与阅读器之间的距离、时间、载波性质、载波频率等诸多因素的影响。将Γ表示为标签与阅读器之间的距离d的函数，记作Γ(d)。平均接收信号强度随距离的对数的增加而衰减，对于任意的标签和阅读器之间的距离d，平均的大尺度路径损耗可表示为

其中，n为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增加的速率，d₀为已知的近处距离，作为参考距离。

考虑到环境的随机性因素，由于受特殊的环境因素的影响，在同样的距离d，处在不同位置上时，损耗情况并不相同。考虑到特定的位置的损耗服从随即正态分布，将(1)式修正为：

其中为平均值为0，标准偏差为σ的高斯分布随机变量。

通过(2)式就可以根据数据使用线形递归，求得路径损耗指数和标准偏差，进而可以确定信号强度与相应距离之间的关系。

具体定位过程由阅读器读取参考标签和待定位标签的场强值，系统根据所读取标签的场强值，以参考标签和待定位标的签场强值的相对大小关系为依据，对各个参考标签的可信度进行判断，判断完成之后，将最近邻位的标签选取出来，而后计算各个最近邻位标签的权值，从而得到对参考标签位置的估计值，实现了N*N矩阵中的动态标签定位。

如此，就完成了基于RFID技术的定位系统的建立，下面说明如何实现对已有定位系统的定位范围高效迅速的扩展。范围由N*N矩形扩展至(N+m)*(N+m)矩形，其中1＜m＜N，且为整数。

参照图2，将(N+m)*(N+m)矩阵划分为存在交集的四个相同大小矩阵，且矩阵大小为N*N，采取这样的方式将大的范围划分为若干等面积的小范围。

在每个N*N矩阵中选取一个初次定位标签，初次定位标签的位置，在N为奇数时，应为N*N矩阵中心点位置的标签；若N为偶数，则应为N*N矩阵中心2*2矩阵靠近边角位置的标签，四个标签位置中心对称。

使用三对阅读器天线进行初次定位，检测这四个标签和动态定位标签的场强值，通过四个标签和待定位标签场强值的相对大小关系定位其中一个标签，因为场强值反映了两个标签之间的距离，故通过比较场强值来选择与动态定位标签距离最近的标签，作为初次定位的目标标签，如图3所示，右下角的三角标签即为初次定位的目标标签。

初次定位标签后，系统可判段待定位标签位于初次定位标签所在N*N矩阵之中，这样就缩小了定位的范围，然后仅需控制系统跳转至之前已建立的RFID定位系统，进行小范围的标签位置判定即可得到准确的标签位置。如此，就完成了定位范围的扩展。

该定位方法可以进行多次“定位-跳转”，即在阅读器天线可发射电磁波的范围之内，将一个远大于N*N矩阵大小的定位区域，通过划分区间，多次进行简单定位，然后跳转到更小范围，从而逐步将大范围缩小至N*N范围，再根据已建立的RFID定位系统进行精确定位。

图4和图5表示了两种动态标签所处位置的特殊情况。如图4所示，当动态标签处于矩阵正中心阅读器读取的四个场强值相同，此时不需要进行跳转至已建立的RFID定位系统，即可确定动态标签位置为矩阵中心。如图5所示，此时动态标签与两个初次定位标签之间距离相等，此时也不需要跳转已建立的RFID定位系统，而是通过勾股定理的算法即可确定动态位置。

Claims (5)

1.一种可高效扩展定位范围的RFID定位系统，包括：一组无源RFID标签，由若干参考标签和一个附着在待定位物体上的动态标签组成；超高频RFID阅读器，系统工作频率为超高频800MHz～960MHz；阅读器天线；上位机；其特征是由无源RFID参考标签组成N*N的矩阵，两个标签之间的距离在0到1m之间，待定位物体携带动态定位标签在矩阵中，通过三对阅读器天线检测标签场强值，由超高频RFID阅读器通过天线读取数据并传输给上位机，上位机将所获得的标签场强值通过所设计的软件经过计算，即可实现基于RFID的精确定位，在已有N*N参考标签矩阵的RFID定位系统基础之上，将其扩展为更大范围矩阵，从而增加可定位区域面积，扩展已有N*N参考标签矩阵，将N*N矩阵扩展至(N+m)*(N+m)矩阵，其中1＜m＜N，m为整数，将(N+m)*(N+m)矩阵划分为存在交集的四个相同大小矩阵，且矩阵大小为N*N，将系统跳转至初次定位标签所在的N*N矩阵，再使用已建立的N*N矩阵定位算法进一步进行定位，在阅读器天线可发射电磁波的范围之内，将一个远大于N*N矩阵大小的定位区域，通过划分区间，多次进行简单定位，然后跳转到更小范围，从而逐步将大范围缩小至N*N范围，再根据已建立的RFID定位系统进行精确定位。

2.根据权利要求1所述的可高效扩展定位范围的RFID定位系统，其特征是根据所读取无源RFID标签的场强值，以参考标签和待定位标签场强值的相对大小关系为依据，对各个参考标签的可信度进行判断，判断完成之后，将最近邻位的标签选取出来，而后计算各个最近邻位标签的权值，从而得到参考标签的估计值。

3.根据权利要求1所述的可高效扩展定位范围的RFID定位系统，其特征是将N*N的参考标签矩阵高效扩展至(N+m)*(N+m)矩阵，其中N可取3、4、5，1＜m＜N，m为整数。

4.根据权利要求1所述的可高效扩展定位范围的RFID定位系统，其特征是使用三对阅读器天线检测四个参考标签和动态定位标签的场强值，通过四个参考标签和待定位标签场强值的相对大小关系定位其中任一标签。

5.根据权利要求1所述的可高效扩展定位范围的RFID定位系统，其特征是若N为奇数，则标签为N*N矩阵中心点位置的标签；若N为偶数，则标签为N*N矩阵中心2*2矩阵靠近边角位置的标签。