CN104330770A - 一种基于超高频rfid电子标签的精确定位系统 - Google Patents

一种基于超高频rfid电子标签的精确定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，其特征是包括电子标签阅读器天线R1、R2、R3，参考RFID电子标签A、B、C、D，待定位RFID电子标签E1、E2和单片机处理器、PC机；本发明定位区域包含在半径为0～10m的圆形区域内，阅读器天线R1、R2、R3处于圆内接正六边形的三个两两不相邻的顶点，正好也是圆内接正三角形的顶点，参考电子标签A、B、C、D分别固定于六边形的其余三个顶点和圆心O处，待定位标签E1、E2处于定位区域内任意位置，单片机处理器读取阅读器发送的待定位电子标签的位置信息并进行适当运算，上位机程序显示电子标签分布图；本发明定位精度高，灵活性好，可以同时定位多个电子标签，也可以对运动标签定位。

Description

一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统
技术领域
本发明属于定位技术领域，具体涉及一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统。 
技术背景
射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是从20世纪80年代起逐步发展走向成熟的一项自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术。 
采用RFID作为定位识别技术的典型代表是SpotON。该系统基于信号强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行定位，SpotON系统中硬件标签成网络状分布，无需中央控制单元，通过标签检测到的信号强弱来表征标签之间的几何距离，但是完整的SpotON系统目前为止仍不完善。采用红外线进行定位，直线视距和传输距离较短两大主要缺点使其定位效果较差。Cricket Location-Support System和Active Bat是采用超声波定位的两个典型例子，它们均采用超声波时延信号进行定位，其整体定位精度较高，但需要大量的底层硬件设施，成本太高。除此以外，其他定位技术，如UWB、Bluetooth等，都有其各自的优缺点。本发明的目的在于充分利用RFID技术非接触和非视距等优点，同时提高其定位精度。RFID技术系统可在较短时间内得到厘米级定位精度的信息，其传输范围很大，成本较低，使其在交通、养老院、工厂和公安部门等多个方面的室内室外定位中均得到迅速的推广。 
发明内容
为了克服其他定位技术的缺点，充分利用RFID定位技术的优势，本发明提供了一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，该系统定位精度高，速度快，能同时对多个运动目标定位。 
为实现上述目的，本发明提供的定位系统包括阅读器天线，阅读器，参考电子标签，待定位电子标签，单片机处理器MCU和PC上位机；系统工作频率为超高频800MHz～960MHz；定位范围是半径为0～10米的圆形区域；电子标签用于记录标签ID和位置坐标，阅读器通过天线获取携带有电子标签的待定位目标的相关信息，单片处理器和PC机用于进行数据处理和定位结果的显示；阅读器天线R1、R2、R3处于圆内接正六边形的三个两两不相邻的顶点，正好也是圆内接正三角形的顶点，4个参考电子标签A、B、C、D分别固定于六边形的其余 三个顶点和圆心O处，待定位标签E1，、E2处于定位区域内任意位置；以圆心O为坐标原点建立笛卡尔直角坐标系，水平方向为x轴，与x轴垂直的方向为y轴；参考位置坐标信息写入标签，采用圆内接正六边形定位算法，再进行适当运算得到参考电子标签和待定位电子标签的坐标，上位机显示电子标签分布图，以黑色和红色实心方块区分参考电子标签和待定位电子标签，并在分布图中标示所有标签的位置坐标。 
所述的定位系统工作频率为800MHz～960MHz。 
所述的定位系统的定位范围是半径为0～10米的圆形区域，阅读器和参考电子标签处于圆内接正六边形的顶点和圆心处，位置固定。 
所述的定位系统以4个参考电子标签为参照，使用基于CDMA的防碰撞算法，可以实现对2个或者更多电子标签的精确定位，待定位电子标签可以在圆形区域内静止，也可以自由移动。 
所述的定位系统在定位区域内建立笛卡尔直角坐标系，x轴和y轴的正方向按照右手准则确定，定位得到的结果以在此坐标系下的坐标值形式体现。 
所述的定位系统由于主要位于圆内接正六边形顶点处，该系统的定位的具体步骤如下： 
(1)电子标签网络初始化； 
(2)电子标签以相同功率周期性的发射信号，信号包括标签ID和自身位置在xOy平面内的坐标； 
(3)阅读器天线R1动态扫描电子标签发射的信号，获取参考标签A、B、C、D的位置，分别记为rA、rB、rC、rD，而由于参考标签的位置事实上已经固定，此时将该系统定位得到的rA、rB、rC、rD与实际距离做误差分析，4个参考标签位置误差的平均值记为δ1；同理R2、R3也可以对标签进行定位并得到误差分析，得到误差值δ2、δ3，将δ＝(δ1+δ2+δ3)/3作为系统的定位误差计入待定位标签的位置误差分析中； 
(4)待定位电子标签E1、E2的位置由阅读器天线R1、R2和参考标签D共同确定，得到E1、E2相对于标签D的位置，记为rE1、rE2，考虑(3)得到的误差结果，运算即可确定E1和E2的位置坐标，分别记为E11(XE1，YE1)，E21(XE2，YE2)； 
同理，R2、R3和参考标签D也可以确定E1、E2的一组位置坐标，分别记为 
E12(XE1，YE1)，E22(XE2，YE2)；点E11和点E12的算术平均值即为电子标签E1的位置坐标E1(XE1，YE1)，点E21和点E22的算术平均值为E2的位置坐标E2(XE2，YE2)； 
(5)不断重复以上步骤，可得到待定位标签实时的位置坐标。 
所述的定位系统中，上位机根据各标签相对位置关系，画出电子标签分布图，并在分布图中画出坐标平面，标出各标签所处位置的坐标值，其中参考电子标签以黑色实心方块表示， 待定位电子标签以红色实心方块表示，以示区分。 
所述定位系统的算法使用参考标签进行定位系统校正，并且进行了多次定位取平均值运算，进行了充分的定位误差分析，具有较高的定位精度，也可实现对多个运动标签的定位，同时兼具非接触式操作，灵敏度好，环境适应能力强，抗干扰能力强等传统优点，应用更加方便灵活。 
附图说明
图1是本发明所涉基于超高频RFID电子标签的精确定位系统的结构框图，其中□表示参考标签，表示待定位标签，表示阅读器天线。 
图2是本发明所涉基于超高频RFID电子标签的精确定位系统的标签网络分布图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。 
参照图1，基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，由阅读器天线，阅读器，参考电子标签，待定位电子标签，单片机处理器MCU和PC上位机组成。标签网络由4个参考电子标签和2个待定位标签按照圆内接正六边形算法设计的排列方式组成，参考电子标签中写入标签ID和位置信息，待定位标签写入自身ID，用于区分识别，待定位标签可在定位区域内静止或者自由移动，3个阅读器天线固定在特定的位置，发射信号以激活待定位电子标签，和电子标签通信以确定其位置。单片处理器MCU与阅读器进行通信，阅读器将定位数据传送给MCU进行运算处理，计算出电子标签所处位置的坐标，以及进行误差分析。MCU处理器和PC机通信，将计算结果传送给计算机，上位机程序根据获取的位置坐标画出坐标平面、电子标签的分布图以及各点的坐标值，并以黑色和红色实心方块区分参考电子标签和待定位电子标签。 
参照图2，基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，定位区域是半径0～10.00m的圆形区域，阅读器天线R1、R2、R3处于圆内接正六边形的三个顶点，这三个点正好也是圆内接正三角形的顶点，4个参考电子标签A、B、C、D分别固定于六边形的其余三个顶点和圆心O处；以圆心O为坐标原点建立笛卡尔直角坐标系，水平方向为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，x轴和y轴的正方向的按照右手准则确定。这样，圆形区域内每一个位置都和xOy坐标平面下的一个点一一对应。 
基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，为了尽可能提高定位精度，任意2个处于 不同位置阅读器天线探测相同的目标电子标签的方位，然后应用三角几何原理确定待定位电子标签的位置和距离，由此，可以得到3组定位结果，取平均值作为最终定位的结果。同时为了减少运算量，减少定位时间，该系统对每一个标签只进行两次定位，最终的结果是两次定位的平均值。同时，系统参考电子标签不仅作为待定位电子标签定位时的参考，系统在待定位电子标签定位之前，对处于固定位置上的参考标签也进行了定位，将定位的结果和其实际位置作误差分析，计入待定位电子标签的定位结果中，如此一来，使得待定位电子标签定位结果的误差进一步降低，考虑了系统定位误差之后的坐标值即为实际定位的结果，发送给计算机，由上位机显示标签分布图。 
例如，定位区域为圆形区域，其半径为6.00m，则定位区域覆盖的平面面积为113.10m2，在该平面区域确定圆心、画圆，按照几何关系做出圆内接正六边形，则正六边形的边长为6.00m，三个阅读器天线处于圆形边界上的R1、R2、R3三个点处构成圆内接正三角形，则圆内接正三角形的边长为。 
建立笛卡尔直角坐标系，按照图2固定阅读器天线和参考电子标签，其坐标均已知，如下： 
R1(0，6.00)     R2(-5.20，-3.00)   R3(5.20，-3.00) 
A(-5.20，3.00)   B(0，-6.00)       C(5.20，3.00) 
O/D(0，0) 
将标签ID和位置坐标信息写入标签，以供识别。若有待定位电子标签进入圆形区域，系统即可精确确定其位置。具体步骤如下： 
(1)电子标签网络初始化； 
(2)电子标签以相同功率周期性的发射信号，信号包括标签ID和自身位置在xOy平面内的坐标； 
(3)阅读器天线R1动态扫描电子标签发射的信号，获取参考标签A、B、C、D的位置，分别记为rA、rB、rC、rD，而由于参考标签的位置事实上已经固定，此时将该系统定位得到的rA、rB、rC、rD与实际位置做误差分析，4个参考标签位置误差的平均值记为δ1；同理R2、R3也可以对标签进行定位并得到误差分析，得到误差值δ2、δ3，将δ＝(δ1+δ2+δ3)/3作为系统的定位误差计入待定位标签的位置误差分析中； 
(4)待定位电子标签E1、E2的位置由阅读器天线R1、R2和参考标签D共同确定，得到E1、E2相对于标签D的位置，记为rE1、rE2，考虑步骤(3)得到的误差结果，运算即可确定E1和E2的位置坐标，分别记为E11(XE1，YE1)，E21(XE2，YE2)； 
同理，R2、R3和参考标签D也可以确定E1、E2的一组位置坐标，分别记为：E12(XE1， YE1)，E22(XE2，YE2)。点E11和点E12的算术平均值即为电子标签E1的位置坐标E1(XE1，YE1)，点E21和点E22的算术平均值为E2的位置坐标E2(XE2，YE2)。 
(5)不断重复以上步骤，可得到待定位标签实时的位置坐标。 

Claims (7)

1.一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统，包括阅读器天线，阅读器，参考电子标签，待定位电子标签，单片机处理器MCU和PC上位机，其特征是系统工作频率为超高频800MHz～960MHz，定位范围为圆形区域，其半径为0～10m，3个阅读器天线分别位于圆形区域边界上三个点R1、R2和R3处，4个电子标签固定于圆内接正六边形的A、B、C三个顶点和圆心O处作为定位的参考标签，2个电子标签E1、E2作为待定位标签可处于定位范围之内任意位置，可以静止，也可以自由移动；因该系统主要位于圆内接正六边形顶点处，将该系统定位算法称为“圆内接正六边形定位算法”，以圆心O为坐标原点建立笛卡尔直角坐标系，水平方向为x轴，与x轴垂直的方向为y轴；参考位置坐标信息写入标签，使用圆内接正六边形定位算法对待定位标签精确定位，阅读器将天线获得的标签位置信息发送给单片机处理器，单片机处理器读取阅读器发送的待定位电子标签的位置信息，通过适当运算得出位置坐标，并按照位置关系通过PC机在显示器上显示电子标签的位置分布图。
2.根据权利要求1所述的超高频RFID电子标签精确定位系统，其特征是系统工作频率为超高频800MHz～960MHz。
3.根据权利要求1所述的超高频RFID电子标签的精确定位系统，其特征是定位区域为圆形区域，其半径为0～10m，则定位区域可覆盖的平面面积为0～314.16m2。
4.根据权利要求1所述的超高频RFID电子标签精确定位系统，其特征是所述的电子标签全部为超高频电子标签，4个参考标签分别固定在圆内接正六边形的三个顶点A、B、C和圆心O处，2个待定位标签E1、E2处于定位区域内的任意位置，可以固定，也可以自由移动。
5.根据权利要求1和权利要求4所述的超高频RFID电子标签的精确定位系统，以圆心O为坐标原点建立笛卡尔直角坐标系，其特征是x轴和y轴的单位坐标均为1m，坐标精度均为0.01m，按照所建坐标系和各所处的位置，区域内各点与xOy坐标平面中的点一一对应。
6.根据权利要求1、权利要求4和权利要求5所述的超高频RFID电子标签精确定位系统，其具体定位的步骤如下：
(1)电子标签网络初始化；
(2)电子标签以相同功率周期性的发射信号，信号包括标签ID和自身位置在xOy平面下的坐标；
(3)阅读器天线R1动态扫描电子标签发射的信号，获取参考标签A、B、C、D的位置，分别记为rA、rB、rC、rD，而由于参考标签的位置事实上已经固定，此时将该系统定位得到的rA、rB、rC、rD分别与实际位置做误差分析，4个参考标签位置误差的平均值记为δ1；同理R2、R3也可以对标签进行定位并得到误差分析，得到误差值δ2、δ3，将δ＝(δ1+δ2+δ3)/3作为系统的定位误差计入待定位电子标签的位置误差分析中；
(4)待定位电子标签E1、E2的位置由阅读器天线R1、R2和参考D共同确定，得到E1、E2相对于标签D的位置，记为rE1、rE2，考虑步骤(3)得到的误差结果，运算即可确定E1和E2的位置坐标，分别记为E11(XE1，YE1)，E21(XE2，YE2)；
同理，R2、R3和参考标签D也可以确定E1、E2的一组位置坐标，分别记为：E12(XE1，YE1)，E22(XE2，YE2)；点E11和点E12的算术平均值即为电子标签E1的位置坐标E1(XE1，YE1)，点E21和点E22的算术平均值为E2的位置坐标E2(XE2，YE2)；
(5)不断重复以上步骤，可得到待定位标签实时的位置坐标。
7.根据权利要求1所述的超高频RFID电子标签的精确定位系统，其特征是上位机根据各标签相对位置关系，画出电子标签分布图，并在分布图中画出坐标平面，标出各标签所处位置的坐标值，其中位置固定的参考标签以黑色实心方块表示，待定位电子标签以红色实心方块表示，以作为区分。
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