CN104678356A - 一种基于射频识别的定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射频识别的定位方法和系统，以精确定位射频识别系统中标签所附着的物品的位置。所述方法包括：阅读器向待定位区域发送高频信号；待定位标签和参考标签收到高频信号后向阵列天线发送反射信号；阵列天线将反射信号的强度值传送至处理器；处理器根据反射信号的强度值生成待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类DTW机制对多径图样进行匹配得到待定位标签的位置。本发明的定位方法完全不同于现有技术的定位方法，不但不排斥无线通信中多径效应带来的影响，反而充分利用了多径效应，因此，本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统可以应用于许多复杂布局的场景，对其中标签的定位精度很高。

Description

一种基于射频识别的定位方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于射频识别的定位方法和系统。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术已经被广泛应用于各类场景中，例如，图书馆借阅/归还图书、公交卡刷卡、门禁系统刷卡、物品溯源扫描等等。通常地，RFID系统主要由标签和阅读器两部分组成，其中，标签被附着于所关注的物品上，阅读器不断在约定的频段上辐射信号，当信号达到标签时便驱动其内部的耦合电路将特有的编号数据返回，而在无线通信中，根据自由空间传播模型，只要测得接收到的信号强度，即可初步计算出信号源的位置。

现有的一种基于RFID的定位方法是采用3个阅读器来进行信号辐射，分别在每个阅读器上测得标签反射信号的强度值，然后，根据适用于该场所环境的传播模型来确定标签与每个阅读器的距离，利用空间几何模型来确定标签的位置即所关注的物品的位置。

由于标签反射信号往往不是直线传播回到接收端，而是不可避免地受到多径效应的影响，接收端所测的信号强度值不能稳健地用来推算出标签的距离，导致最终通过几何模型计算得到的定位结果也不准确。因此，上述现有基于RFID的定位方法在实际场景的应用中，定位效果其实不理想。

发明内容

本发明实施例提供一种基于射频识别的定位方法和系统，以精确定位射频识别系统中标签所附着的物品的位置。

本发明实施例提供一种基于射频识别的定位方法，所述方法包括：

阅读器向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有待定位标签和至少两个参考标签；

所述待定位标签和参考标签收到所述高频信号后，向阵列天线发送反射信号；

所述阵列天线将所述反射信号的强度值传送至处理器；

所述处理器根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。

本发明另一实施例提供一种基于射频识别的定位系统，所述系统包括阅读器、待定位标签、至少两个参考标签、阵列天线和处理器；

所述阅读器，用于向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有所述待定位标签和至少两个参考标签；

所述待定位标签和参考标签，用于收到所述高频信号后，向所述阵列天线发送反射信号；

所述阵列天线，用于将所述反射信号的强度值传送至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。

从上述本发明实施例可知，由于处理器是根据待定位标签或参考标签的反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，然后采用类DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置，其定位方法完全不同于现有技术提供的基于射频识别的定位系统的定位方法，不但不排斥无线通信中多径效应带来的影响，反而充分利用了多径效应，因此，本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统可以应用于许多复杂布局的场景，对其中标签的定位精度很高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的基于射频识别的定位系统结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的基于射频识别的定位系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的基于射频识别的定位方法的基本流程示意图；

图5是本发明实施例提供的信号从发送端经过多个途径到达接收端的示意图和多径图样示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于射频识别的定位方法，包括：阅读器向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有待定位标签和至少两个参考标签；所述待定位标签和参考标签收到所述高频信号后，向阵列天线发送反射信号；所述阵列天线将所述反射信号的强度值传送至处理器；所述处理器根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。本发明实施例还提供相应的基于射频识别的定位系统。以下分别进行详细说明。

下面对用于执行基于射频识别的定位方法的本发明实施例的基于射频识别的定位系统进行说明，其基本逻辑结构参考附图1。为了便于说明，附图1示例的基于射频识别的定位系统仅仅示出了与本发明实施例相关的部分，主要包括阅读器101、待定位标签102、至少两个参考标签103、阵列天线104和处理器105，各器件详细说明如下：

阅读器101用于向待定位区域发送高频信号，其中，待定位区域部署有待定位标签102和至少两个参考标签103。

在本发明实施例中，除了要求阅读器101与现有技术的阅读器相同性能之外，还要求阅读器101发送的高频信号能够到达该待定位区域内的任何一个标签（待定位标签102或参考标签103），并且其发射功率应足够大，在其发送的高频信号到达待定位标签102或参考标签103后，待定位标签102或参考标签103所发出的携带其编号信息的反射信号必须能够被阵列天线104接收到。

待定位标签102或参考标签103用于收到阅读器101发出的高频信号后，向阵列天线104发送反射信号

在本发明实施例中，待定位标签102就是需要定位的目标标签，而参考标签103除了与待定位标签102或者现有的RFID系统中的标签具有相同的性能之外，作为本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统中用于辅助定位的模块，为了提高对待定位标签102定位的准确性，参考标签103可以以间距小于50厘米部署于待定位区域内，例如，可以以间距小于50厘米均匀部署于待定位区域内的关键位置。另一方面，参考标签103可以附着于位置固定的物品上，这些位置固定的物品的位置信息和附着在位置固定的物品的参考标签103的编号信息也可以预先保存于处理器105的数据库。

阵列天线104用于将反射信号的强度值传送至处理器105。在本发明实施例中，阵列天线104采用普通的垂直全向天线，在处理器105的驱动下进行信号采集即接收待定位标签102或参考标签103发送的反射信号。每一次采集完数据后，将反射信号及其强度值等数据实时传送回至处理器105进行分析。阵列天线104收到的反射信号是关于待定位标签102或参考标签103的编号信息，因此可以区分各个标签的反射信号，依次采集下对应的强度值。

处理器105用于根据阵列天线104传送的反射信号的强度值生成待定位标签102和至少两个参考标签103各自的多径图样，采用类动态时间规整（Dynamic Time Warping，DTW）机制对多径图样进行匹配得到待定位标签102的位置。

从上述本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统可知，由于处理器是根据待定位标签或参考标签的反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，然后采用类DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置，其定位方法完全不同于现有技术提供的基于射频识别的定位系统的定位方法，不但不排斥无线通信中多径效应带来的影响，反而充分利用了多径效应，因此，本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统可以应用于许多复杂布局的场景，对其中标签的定位精度很高。

附图1示例的基于射频识别的定位系统中，处理器105可以包括强度计算模块201和多径图样生成模块202，如附图2所示本发明另一实施例提供的基于射频识别的定位系统，其中：

强度计算模块201，用于根据阵列天线104中每根天线接收的反射信号的强度值，计算反射信号以入射角θ到达每根天线时阵列天线104收到的反射信号的强度值，此处，θ∈(0°,180°)。

在本发明实施例中，阵列天线104是具有N（N为至少大于2的自然数）根相同规格的天线，因位置不同，每根天线所收到的反射信号的强度值不同，利用天线理论中的基本公式即可计算出入射角θ的信号强度角B(θ)。具体地，强度计算模块201可以采用如下公式：

$B\left(\mathrm{\θ}\right)={\left|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}w(k,\mathrm{\θ})s_k\right|}^2...\left(1\right)$

计算反射信号以入射角θ到达每根天线时阵列天线104收到的反射信号的强度值，其中，x_k是第k根天线所在位置，s_k是第k根天线所收到的信号，k=0，1，…，N-1，w(k,θ)是取决于第k根天线在入射角为θ时的加权系数，λ是信号的波长，D是阵列天线104的总长度。

多径图样生成模块202，用于由入射角θ以预定角度为步进值变化时阵列天线104收到的反射信号的强度值，生成待定位标签102和参考标签103的多径图样。所谓多径图样，是基于这样一个事实：信号从发送端经过多个途径到达接收端，导致最终的入射角度不同。采用不同的入射角来刻画信号源经过不同途径传输到达接收端的过程即多径图样，其描述了在各个入射角上，同一信号经过不同途径到达接收端的强度值。如附图5所示，上图是信号从发送端经过多个途径到达接收端的示意图，下图是多径图样示意图。

例如，假设预定角度为1°，则入射角θ每变化1°，强度计算模块201按照公式（1）计算阵列天线104收到的反射信号的强度值，多径图样生成模块202根据这些不同入射角θ对应的反射信号的强度值，生成待定位标签102和参考标签103的多径图样。

需要说明的是，上述是以一个标签（待定位标签102或参考标签103）的反射信号为例来说明其多径图样的生成过程。对于其他的标签，强度计算模块201和多径图样生成模块202可以以同样的方式，重复执行，直至生成所有标签的多径图样。

附图2示例的基于射频识别的定位系统中，处理器105还可以包括匹配模块301、筛选模块302和位置信息确定模块303，如附图3所示本发明另一实施例提供的基于射频识别的定位系统，其中：

匹配模块301，用于将待定位标签102的多径图样与参考标签103的多径图样进行相似度的匹配。

本领域技术人员能够理解，位于相同位置的多个信源，其发出的同等性质的信号必然通过相同的路径到达信宿。由此可退出的结论是：多个信源发出同等性质的信号时，相距越近的信源，其信号到达信宿过程中所经过的路径越发相似，即这类信源的多径图样相似度越高。另一方面，在语音识别领域，由于不同人说话语速不同，测试的语音序列和数据库的语音序列在峰值上会有稍微偏移，而动态时间规整（Dynamic Time Warping，DTW）则可以在时间轴上进行顺序扭曲，使得两个序列获得最优的匹配，并返回一个匹配程度值，该匹配程度值越小说明匹配程度越高。

鉴于上述相距越近的信源其多径图样相似度越高的结论和DTW机制，匹配模块301也可以采用类DTW机制的方法，计算出待定位标签102的多径图样和各个参考标签103的多径图样的匹配程度值，将待定位标签102的多径图样与参考标签103的多径图样进行相似度的匹配。具体地，对于任意的两个多径图样B_i和B_j，α和β分别为其中对应的任意角度，记：B_i=B_i(0°),...,B_i(α°),...,B_i(180°)，B_j=B_j(0°),...,B_j(β°),...,B_j(180°)。

那么，以两个序列中α和β点对应信号强度值的差值作为点匹配值，C_α,β=|B_i(α)-B_j(β)|。因此，最终的目标，即，在两个序列中找出L组匹配点，匹配集合M=m₁,m₂,...,m_k,...,m_L，其中，m_k=(α_k,β_k)，并且该匹配方法能够使得序列匹配值∑_LC_mk最小。

筛选模块302，用于筛选多径图样的相似度与待定位标签102的多径图样的相似度较高的若干参考标签。

根据上述相距越近的信源其多径图样相似度越高的结论和DTW机制，多径图样的相似度与待定位标签102的多径图样的相似度较高的参考标签，也就是参考标签103中其多径图样与待定位标签102的多径图样进行匹配时，所得匹配程度值较小的参考标签，筛选模块302的作用就是将这一类参考标签筛选出来。

位置信息确定模块303，用于将若干参考标签的位置信息求取平均值，以所述平均值作为待定位标签102的位置信息。

如前所述，参考标签103的位置信息已经预先存储在处理器105的数据库中，因此，只要筛选模块302将多径图样的相似度与待定位标签102的多径图样的相似度较高的若干参考标签筛选出来，这些若干参考标签的位置信息就是已知的，位置信息确定模块303将这些若干参考标签的位置信息求取平均值，以得到的平均值作为待定位标签102的位置信息。

请参阅附图4，是本发明实施例的基于射频识别的定位方法的基本流程，主要包括如下步骤S401至步骤S404：

S401，阅读器向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有待定位标签和至少两个参考标签。

在本发明实施例中，除了要求阅读器与现有技术的阅读器相同性能之外，还要求阅读器发送的高频信号能够到达该待定位区域内的任何一个标签（待定位标签或参考标签），并且其发射功率应足够大，在其发送的高频信号到达待定位标签或参考标签后，待定位标签或参考标签所发出的携带其编号信息的反射信号必须能够被阵列天线接收到。

S402，待定位标签和参考标签收到高频信号后，向阵列天线发送反射信号。

在本发明实施例中，待定位标签就是需要定位的目标标签，而参考标签除了与待定位标签或者现有的RFID系统中的标签具有相同的性能之外，作为本发明实施例提供的基于射频识别的定位系统中用于辅助定位的模块，为了提高对待定位标签定位的准确性，参考标签可以以间距小于50厘米部署于待定位区域内，例如，可以以间距小于50厘米均匀部署于待定位区域内的关键位置。另一方面，参考标签可以附着于位置固定的物品上，这些位置固定的物品的位置信息和附着在位置固定的物品的参考标签的编号信息也可以预先保存于处理器的数据库。

S403，阵列天线将反射信号的强度值传送至处理器。

阵列天线将反射信号的强度值传送至处理器。在本发明实施例中，阵列天线采用普通的垂直全向天线，在处理器的驱动下进行信号采集即接收待定位标签或参考标签发送的反射信号。每一次采集完数据后，将反射信号及其强度值等数据实时传送回至处理器进行分析。阵列天线收到的反射信号是关于待定位标签或参考标签的编号信息，因此可以区分各个标签的反射信号，依次采集下对应的强度值。

S404，处理器根据反射信号的强度值生成待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。

从上述本发明实施例提供的基于射频识别的定位方法可知，由于处理器是根据待定位标签或参考标签的反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，然后采用类DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置，其定位方法完全不同于现有技术提供的基于射频识别的定位方法，不但不排斥无线通信中多径效应带来的影响，反而充分利用了多径效应，因此，本发明实施例提供的基于射频识别的定位方法可以应用于许多复杂布局的场景，对其中标签的定位精度很高。

附图4示例的步骤S404中，处理器根据反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样包括S4041和S4042：

S4041，处理器根据阵列天线中每根天线接收的反射信号的强度值，计算反射信号以入射角θ到达所述每根天线时所述阵列天线收到的反射信号的强度值，其中，θ∈(0°,180°)。

在本发明实施例中，阵列天线是具有N（N为至少大于2的自然数）根相同规格的天线，因位置不同，每根天线所收到的反射信号的强度值不同，利用天线理论中的基本公式即可计算出入射角θ的信号强度角B(θ)。具体地，可以采用如下公式：

$B\left(\mathrm{\θ}\right)={\left|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}w(k,\mathrm{\θ})s_k\right|}^2...\left(1\right)$

计算反射信号以入射角θ到达每根天线时阵列天线104收到的反射信号的强度值，其中，x_k是第k根天线所在位置，s_k是第k根天线所收到的信号，k=0，1，…，N-1，w(k,θ)是取决于第k根天线在入射角为θ时的加权系数，λ是信号的波长，D是阵列天线的总长度。

S4042，由入射角θ以预定角度为步进值变化时阵列天线收到的反射信号的强度值，生成所述待定位标签和参考标签的多径图样。所谓多径图样，是基于这样一个事实：信号从发送端经过多个途径到达接收端，导致最终的入射角度不同。采用不同的入射角来刻画信号源经过不同途径传输到达接收端的过程即多径图样，其描述了在各个入射角上，同一信号经过不同途径到达接收端的强度值。如附图5所示，其中，上图是信号从发送端经过多个途径到达接收端的示意图，下图是多径图样示意图。

例如，假设预定角度为1°，入射角θ每变化1°，可以按照步骤S4041提供的公式（1）计算阵列天线收到的反射信号的强度值，根据这些不同入射角θ对应的反射信号的强度值，生成待定位标签102和参考标签103的多径图样。

需要说明的是，上述是以一个标签（待定位标签或参考标签）的反射信号为例来说明其多径图样的生成过程。对于其他的标签，重复执行S4041和S4042，直至生成所有标签的多径图样。

附图4示例的步骤S404中，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置包括S’4041和S’4043：

S’4041，将待定位标签的多径图样与所述参考标签的多径图样进行相似度的匹配。

本领域技术人员能够理解，位于相同位置的多个信源，其发出的同等性质的信号必然通过相同的路径到达信宿。由此可退出的结论是：多个信源发出同等性质的信号时，相距越近的信源，其信号到达信宿过程中所经过的路径越发相似，即这类信源的多径图样相似度越高。另一方面，在语音识别领域，由于不同人说话语速不同，测试的语音序列和数据库的语音序列在峰值上会有稍微偏移，而动态时间规整（Dynamic Time Warping，DTW）则可以在时间轴上进行顺序扭曲，使得两个序列获得最优的匹配，并返回一个匹配程度值，该匹配程度值越小说明匹配程度越高。

鉴于上述相距越近的信源其多径图样相似度越高的结论和DTW机制，S’4041也可以采用类DTW机制的方法，计算出待定位标签的多径图样和各个参考标签的多径图样的匹配程度值，将待定位标签的多径图样与参考标签的多径图样进行相似度的匹配。具体地，对于任意的两个多径图样B_i和B_j，α和β分别为其中对应的任意角度，记：B_i=B_i(0°),...,B_i(α°),...,B_i(180°)，B_j=B_j(0°),...,B_j(β°),...,B_j(180°)。

那么，以两个序列中α和β点对应信号强度值的差值作为点匹配值，C_α,β=|B_i(α)-B_j(β)|。因此，最终的目标，即，在两个序列中找出L组匹配点，匹配集合M=m₁,m₂,...,m_k,...,m_L，其中，m_k=(α_k,β_k)，并且该匹配方法能够使得序列匹配值∑_LC_mk最小。

S’4042，筛选多径图样的相似度与待定位标签102的多径图样的相似度较高的若干参考标签。

根据上述相距越近的信源其多径图样相似度越高的结论和DTW机制，多径图样的相似度与待定位标签的多径图样的相似度较高的参考标签，也就是参考标签中其多径图样与待定位标签的多径图样进行匹配时所得匹配程度值较小的参考标签，S’4042的目的就是将这一类参考标签筛选出来。

S’4043，将若干参考标签的位置信息求取平均值，以所述平均值作为待定位标签的位置信息。

如前所述，参考标签的位置信息已经预先存储在处理器的数据库中，因此，只要将多径图样的相似度与待定位标签的多径图样的相似度较高的若干参考标签筛选出来，这些若干参考标签的位置信息就是已知的，将这些若干参考标签的位置信息求取平均值，以得到的平均值作为待定位标签的位置信息。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种基于射频识别的定位方法和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于射频识别的定位方法，其特征在于，所述方法包括：

阅读器向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有待定位标签和至少两个参考标签；

所述待定位标签和参考标签收到所述高频信号后，向阵列天线发送反射信号；

所述阵列天线将所述反射信号的强度值传送至处理器；

所述处理器根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理器根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，包括：

所述处理器根据所述阵列天线中每根天线接收的反射信号的强度值，计算所述反射信号以入射角θ到达所述每根天线时所述阵列天线收到的反射信号的强度值，所述θ∈(0°,180°)；

由所述入射角θ以预定角度为步进值变化时所述阵列天线收到的反射信号的强度值，生成所述待定位标签和参考标签的多径图样。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置，包括：

将所述待定位标签的多径图样与所述参考标签的多径图样进行相似度的匹配；

筛选多径图样的相似度与所述待定位标签的多径图样的相似度较高的若干参考标签；

将所述若干参考标签的位置信息求取平均值，以所述平均值作为所述待定位标签的位置信息。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述参考标签以间距小于50厘米部署于所述待定位区域内。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述参考标签附着于位置固定的物品上，所述物品的位置信息和附着在所述物品的参考标签的编号信息保存于所述处理器的数据库。

6.一种基于射频识别的定位系统，其特征在于，所述系统包括阅读器、待定位标签、至少两个参考标签、阵列天线和处理器；

所述阅读器，用于向待定位区域发送高频信号，所述待定位区域部署有所述待定位标签和至少两个参考标签；

所述待定位标签或参考标签，用于收到所述高频信号后，向所述阵列天线发送反射信号；

所述阵列天线，用于将所述反射信号的强度值传送至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述反射信号的强度值生成所述待定位标签和至少两个参考标签各自的多径图样，采用类动态时间规整DTW机制对所述多径图样进行匹配得到所述待定位标签的位置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器包括：

强度计算模块，用于根据所述阵列天线中每根天线接收的反射信号的强度值，计算所述反射信号以入射角θ到达所述每根天线时所述阵列天线收到的反射信号的强度值，所述θ∈(0°,180°)；

多径图样生成模块，用于由所述入射角θ以预定角度为步进值变化时所述阵列天线收到的反射信号的强度值，生成所述待定位标签和参考标签的多径图样。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理器还包括：

匹配模块，用于将所述待定位标签的多径图样与所述参考标签的多径图样进行相似度的匹配；

筛选模块，用于筛选多径图样的相似度与所述待定位标签的多径图样的相似度较高的若干参考标签；

位置信息确定模块，用于将所述若干参考标签的位置信息求取平均值，以所述平均值作为所述待定位标签的位置信息。

9.根据权利要求6至8任意一项所述的系统，其特征在于，所述参考标签以间距小于50厘米部署于所述待定位区域内。

10.根据权利要求6至8任意一项所述的系统，其特征在于，所述参考标签附着于位置固定的物品上，所述物品的位置信息和附着在所述物品的参考标签的编号信息保存于所述处理器的数据库。