CN104732253B - 基于无源rfid 的定位识别方法与系统及装置及中间件 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于无源RFID的定位识别方法，在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次使用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置。另外本发明还提供了基于无源RFID的定位识别装置、系统及中间件，通过本发明部署简单、成本低廉、定位准确、无需进行信号屏蔽处理。

Description

基于无源RFID的定位识别方法与系统及装置及中间件

技术领域

本发明涉及室内无线定位技术，尤其涉及一种基于无源RFID的定位识别方法与系统及装置及中间件。

背景技术

目前，随着电子商务以及物流业的快速发展，亟需提高仓储的管理效率进而提升整个供应链的管理效率，以增加企业在市场中的竞争力。随着RFID技术的发展，其远距离、多目标、非视距识别的技术优势和不断下降的成本，RFID技术在仓储管理中应用越来越广泛。仓储管理中，涉及到的盘存、查找等工作都与货架管理紧密相关，能够实时、准确获知货架中每个货物的位置，可以有效提高仓储的管理效率。

在申请号为CN200610061936.0专利中，提供一种智能货架系统及实现方法，该方法包括：在货架上设置射频读写器、感应天线和信息显示单元，为了实现货物定位，在货架每一层设置有感应天线，每一层显示单元可以显示货物实时信息。该方法只能定位货物到货架每一层，定位精度不高，并且没有考虑货架层与层之间射频信号干扰，可能导致误读和定位错误。

在申请号为CN200820058910.5的专利中提供一种智能货架系统，该方法包括：在货架上每一层设置射频感应天线，每个天线负责一个货架空间的定位，定位货物到货架的每一层，为了防止货架层与层之间射频天线的干扰，在货架每一层添加射频屏蔽材料，屏蔽天线对其他层的干扰。

在申请号为CN201010117504.3的专利中，为了提高货物的定位精度，把货架每一层分为不同的物品存放空间，在每一个物品存放空间安装有独立工作的射频识别读卡器，每个存放空间与相邻的存放空间设有射频信号屏蔽层，当有物品放置到存放空间，射频读卡器读物货物标签信息，可以定位货物到每一个物品存放空间。

在申请号为CN200710041454.3的专利中，提出一种智能货架及货物监控方法，其方法是：在货架各层层底设置具有唯一识别号的多个定位射频识别标签，在货架各层的层顶设置读写器天线，在没有货物放置到识别标签上方时，各层读写器天线可以读取每一个设置在层底的识别电子标签，当有货物放置到货架上时，所属位置的定位射频识别标签被阻挡，天线读取到设置在货物上的电子标签，由此可以确定货物放置的位置。此方法中，通过货位上部署定位射频识别标签，在一定程度上提高了定位精度，为了避免各层之间射频信号的干扰，还是需要在货架各层时间设置射频信号屏蔽层.

在申请号为201110147450.X的专利中，提出一种基于虚拟标签算法的无线射频室内定位方法,将参考标签固定在定位区域内的适当位置,通过测量获得其坐标；对参考标签的信号强度,通过设定的RFID读写器每隔一段时间读取一次,以便适应环境因素变化对定位误差带来的影响;而将定位的标签附着在待定位目标上,通过RFID读写器接收到的定位标签的信号来估计其在空间的位置。具体定位步骤是先进行环境变量的估计,包括路径损耗指数估计和正态分布标准差估计;再构造虚拟参考标签;最后基于虚拟参考标签的定位算法实现。此定位方法克服了现有技术设置高密度参考标签带来的射频信号干扰问题,参考标签布局灵活,同时扩展了定位区域范围,提高了室内定位精度。

目前货架定位识别系统存在以下问题：

（1）成本高，在货架每一层部署价格昂贵的读写器或者读写器天线；

（2）部署麻烦，为了避免货架层与层之间的射频信号干扰，需要对每一层进行屏蔽处理；

（3）定位精度低，定位结果只能精确到每一层。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于无源RFID的定位识别方法与系统及装置及中间件，部署简单、成本低廉、定位准确、无需进行信号屏蔽处理。

本发明提供的基于无源RFID的定位识别装置，包括：

放置在货架上超高频无源RFID参考标签；

用于覆盖货架区域的读写器天线；

位于货物上的电子标签；

与所述读写器天线连接的读写器，用于控制所述读写器天线工作；所述多端口读写器内置中间件，用于接收控制命令进行标签的读写。

本发明提供的一种基于无源RFID的定位识别系统，包括：放置在货架上

超高频无源RFID参考标签；

用于覆盖货架区域的读写器天线；

位于货物上的电子标签；

与所述读写器天线连接的读写器，用于控制所述读写器天线工作；所述多端口读写器内置中间件，用于接收控制命令进行标签的读写；

通过以太网线连接所述中间件的计算机，用于向所述中间件发送控制命令、从服务器读取标签信息以及传输定位信息；

与所述计算机通过网络交换设备连接的所述服务器，用于存储所述标签信息以及所述定位信息。

本发明提供的一种基于无源RFID的定位识别方法，包括：

在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；

运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；

采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；

在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；

选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次使用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置。

本发明提供的一种基于无源RFID的定位识别的中间件，包括：选择模块、第一计算模块和第二计算模块，

选择模块，用于在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；第一计算模块，用于运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；第二计算模块，用于采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；所述选择模块选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次通过所述第一计算模块利用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置。

本发明公布了一种基于无源RFID小空间货架定位定位识别系统，本系统在货架上部署价格低廉的电子标签作为参考标签，取代现有方案在货架每一层部署昂贵的读写器或者读写器天线。读写器天线和货架之间有一定距离间隔，并且天线读写范围覆盖定位区域，使用很少的读写器天线和成本低廉的电子标签，运用本发明基于无源RFID的定位识别方法所提供的参考标签定位算法实现对目标标签的快速、精确定位。

附图说明

图1是本发明实施例中基于无源RFID的定位识别系统的示意图。

图2是本发明实施例中的基于无源RFID的定位识别方法的流程图。

图3是本发明实施例中的粗粒度区域定位的示意图。

图4是本发明实施例中的细粒度虚拟参考标签定位的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的阐述。

图1是本发明基于无源RFID的定位识别系统的示意图。图中1是小空间单面悬臂式货架；在货架上放置超高频无源RFID参考标签2（作为一个实施例，参考标签放置在每一个悬臂顶端）；读写器天线3用于覆盖货架区域，作为一个实施例，选用圆极化超高频圆极化定向天线，有效读取距离可达10米左右，通过悬挂或者其他方式放置在货架的正前上方，调整其方向以覆盖整个货架区域；货物4存放于存放空间内，货物上放置有电子标签5；读写器6（可以选用多端口读写器）通过电缆连接读写器天线3，并按照端口时分复用的方式控制天线工作；读写器内置中间件，并通过以太网线连到计算机8，并接受计算机的控制命令进行标签的读写工作；计算机机通过网络交换设备7连接到服务器9，从服务器中读取标签信息并将定位信息传输到服务器以保存。

本发明提供了针对小空间货架的灵活、低成本的定位方案，使用一个读写器可以实现一整片区域或者整个货架的定位。成本低，对于一个货架，只需要一个多端口读写器、三个读写器天线和若干电子标签，不需要每一层部署天线。无需改造货架，无需进行信号屏蔽处理。

本发明的基于无源RFID的定位识别方法如图2所示：

S200，在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；

S201，运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；

S202，采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；

S203，在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；

S204，选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次使用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置。

本发明首先把定位区域划分为较小的区域，进行粗粒度的定位，运用参考标签定位算法，将目标定位到划分的较小区域中；然后对选定的区域进行网格划分，进行细粒度的定位，加入虚拟参考标签，进行虚拟参考标签定位，使目标的位置更加精确。本系统提供了在小空间货架中对目标的定位识别方法，结合了现有LANDMARC和VIRE定位算法的优点，采用了LANDMARC系统定位简单、快速的特点和VIRE定位算法精确的特点，同时又避免LANDMARC系统定位结果不够精确的问题，也避免了VIRE算法中对整片定位区域进行网格划分，计算复杂的问题。

以下阐述一个本发明基于无源RFID的定位识别方法的应用实例。如图3示意图中定位区域大小为8m*8m*2m(长、宽、厚)，实际部署参考标签有5行5列，标签之间间隔为2m，四个阅读器天线分别位于定位区域的四个角落，定位过程如下：

(1)先进行区域划分，实现粗粒度定位。在本实施例中，步骤S200中的第一预定规则是指将定位区域划分为A、B、C、D四个区域，实际过程中可以根据具体情况划分为2*2或者3*3区域。首先将目标标签定位到四个区域中的一个。在该应用实例中，参考标签只需要取划分区域边上的和顶点上的标签作为参考标签，即标签号为1、3、5、11、13、15、21、23、25的标签。

(2)由四个阅读器分别轮流读取参考标签的信号强度值和目标标签的信号强度值，并计算目标标签和参考标签的信号强度欧氏距离差值，这里选择最邻近参考标签数目K=4，即选择最邻近的第二预定数目的标签作为邻近参考标签（作为一个优选实施例，第二预定数目为4，K选择过小定位精度不高，K选择大于4定位精度无明显提高并增加计算量）。分别获得13、3、11、1的信号强度差值为7.18dbm、13.31dbm、15.35dbm、18.88dbm,其为距离目标标签的信号强度差值最小的4个，选为邻近参考标签。

(3)由公式（w_i表示参考标签i的权重值，K表示所选取的最邻近参考标签数量，E_i表示参考标签i和目标标签t的信号强度距离，定义参考标签i的信号强度向量S_i=(S_i1,S_i2,S_i3,...S_iM),其中S_ij表示天线j∈(1,M)读取到参考标签改为i∈(1,R)的信号强度值，定义目标标签t的信号强度向量为S_t=(S_t1,S_t2,S_t3,...S_tM),其中S_tj表示天线j∈(1,M)读取到目标标签t∈(1,N)的信号强度值，则此公式中各符号含义如前所述）计算每个参考标签的二阶权重值，标签13、3、11、1的权重分别为60.4%、17.6%、13.2%、8.8%，通过对1、3、11、13的坐标值加权求和，获得目标定位结果为(3.15,3.15),即可定位货物目标到A区域。

(4)把目标定位到A区域以后，再采用虚拟参考标签定位算法，对定位区域进行网格划分，进行细粒度定位。如原理图4所示，T1、T2、T3、T4为实际参考标签，把这四个参考标签覆盖的区域作为一个单元，再将其划分为n*n的小网格，每一个小网格可以视为由四个虚拟的参考标签所覆盖。在本应用实例中选择n=4，在小网格顶点处加入虚拟参考标签，如V1、V2、Vi所示。以图4左上角为原点，向右为x轴正向增长方向，向下为y轴正向增长方向。通过插值方式计算每一个虚拟参考标签的信号强度。

横轴方向虚拟参考标签的信号强度计算公式为：

（T_i,j表示坐标(i,j)处虚拟参考标签的信号强度值，n表示划分网格数目，0≤p=imodn≤n-1）

纵轴方向虚拟参考标签的信号强度计算公式为：（T_i,j表示坐标(i,j)处虚拟参考标签的信号强度值，n表示划分网格数目， 0≤q=jmodn≤n-1）

图3中标签1、2、6、7组成一个实际网格，分别对应图4中T1、T2、T3、T4，设T1坐标(a,b)，则v1坐标(a+1,b)，v2坐标(a+2,b)，T2坐标(a+n,b)，T3坐标(a,b+n)，T4坐标(a+n,b+n)。由横轴方向虚拟参考标签的信号强度计算公式可以计算v1、v2等虚拟参考标签的信号强度。同理，由纵轴方向虚拟参考标签的信号强度计算公式可计算纵轴方向每一个虚拟参考标签的信号强度。

(5)在计算出每一个虚拟参考标签的场强值以后，针对目标标签，选取最邻近的虚拟参考标签，再次使用参考标签定位算法计算目标标签的精确位置。经过测量，图2中实际参考标签7、8、12、13组成的网格中虚拟参考标签信号强度与目标标签信号强度差值最小，距离差值最小的虚拟参考标签号为4、5、6、9，根据步骤(3)中加权求和，计算得目标最终位置坐标(2.89,4.96)。

根据误差公式(其中e表示定位误差，(x₀,y₀)表示定位目标的实际坐标，(x,y)表示定位目标的计算坐标)计算目标定位误差，本例中货物实际位置坐标(3.0,5.0)，本次定位结果误差为0.117m。经过检测，本发明所提出的定位方法比LANDMARC方法定位精度平均提高30%，通过两步定位法，定位计算量比VIRE方法大大减少，有效提高定位效率。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本发明也并不仅限于上述举例，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (14)

1.一种基于无源RFID的定位识别装置，其特征在于，包括：

放置在货架上超高频无源RFID参考标签；

用于覆盖货架区域的读写器天线；

位于货物上的电子标签；

与所述读写器天线连接的读写器，用于控制所述读写器天线工作，所述读写器为多端口读写器；多端口读写器内置中间件，用于接收控制命令进行标签的读写；

所述中间件包括：选择模块、第一计算模块和第二计算模块，

选择模块，用于在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；第一计算模块，用于运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；第二计算模块，用于采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；所述选择模块选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次通过所述第一计算模块利用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置；

其中，每个所述已划分区域包括一个读写器，所述第一计算模块运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤包括：

由每个读写器分别轮流读取参考标签的信号强度值和目标标签的信号强度值，并计算目标标签和参考标签的信号强度欧氏距离差值，所述参考标签为所述已划分区域边上和顶点上的标签；将距离所述目标标签的信号强度差值最小的第二预定数目的标签选为邻近参考标签；

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域。

2.根据权利要求1所述的基于无源RFID的定位识别装置，其特征在于，所述超高频无源RFID参考标签位于所述货架的每一个悬臂顶端。

3.根据权利要求1所述的基于无源RFID的定位识别装置，其特征在于，所述读写器天线为圆极化超高频圆极化定向天线。

4.根据权利要求1所述的基于无源RFID的定位识别装置，其特征在于，所述读写器按照端口时分复用的方式控制所述读写器天线工作。

5.一种基于无源RFID的定位识别系统，其特征在于，包括：放置在货架上超高频无源RFID参考标签；

用于覆盖货架区域的读写器天线；

位于货物上的电子标签；

与所述读写器天线连接的读写器，用于控制所述读写器天线工作，所述读写器为多端口读写器；多端口读写器内置中间件，用于接收控制命令进行标签的读写；

通过以太网线连接所述中间件的计算机，用于向所述中间件发送控制命令、从服务器读取标签信息以及传输定位信息；

与所述计算机通过网络交换设备连接的所述服务器，用于存储所述标签信息以及所述定位信息；

其中，所述中间件包括：选择模块、第一计算模块和第二计算模块，

选择模块，用于在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；第一计算模块，用于运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；第二计算模块，用于采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；所述选择模块选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次通过所述第一计算模块利用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置；

其中，每个所述已划分区域包括一个读写器，所述第一计算模块运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤包括：

由每个读写器分别轮流读取参考标签的信号强度值和目标标签的信号强度值，并计算目标标签和参考标签的信号强度欧氏距离差值，所述参考标签为所述已划分区域边上和顶点上的标签；将距离所述目标标签的信号强度差值最小的第二预定数目的标签选为邻近参考标签；

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域。

6.根据权利要求5所述的基于无源RFID的定位识别系统，其特征在于，所述超高频无源RFID参考标签位于所述货架的每一个悬臂顶端。

7.根据权利要求5所述的基于无源RFID的定位识别系统，其特征在于，所述读写器天线为圆极化超高频圆极化定向天线。

8.根据权利要求5所述的基于无源RFID的定位识别系统，其特征在于，所述读写器按照端口时分复用的方式控制所述读写器天线工作。

9.一种基于无源RFID的定位识别方法，其特征在于，包括：

在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；

运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；

采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；

在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；

选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次使用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置；

其中，每个所述已划分区域包括一个读写器，运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤包括：

由每个读写器分别轮流读取参考标签的信号强度值和目标标签的信号强度值，并计算目标标签和参考标签的信号强度欧氏距离差值，所述参考标签为所述已划分区域边上和顶点上的标签；将距离所述目标标签的信号强度差值最小的第二预定数目的标签选为邻近参考标签；

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域。

10.根据权利要求9所述的基于无源RFID的定位识别方法，其特征在于：

根据所述第二预定数目的标签为4个。

11.根据权利要求9所述的基于无源RFID的定位识别方法，其特征在于：

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤具体包括：

由公式获得参考标签i和目标标签t的信号强度距离；其中S_ij表示天线j∈(1,M)读取到参考标签i∈(1,R)的信号强度值，S_tj表示天线j∈(1,M)读取到目标标签t∈(1,N)的信号强度值；

由公式计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值；

其中，w_i表示参考标签i的权重值，K表示所选取的最邻近参考标签数量，

对所述邻近参考标签的坐标值加权求和，获得所述目标标签所在的已划分区域。

12.一种基于无源RFID的定位识别的中间件，其特征在于，包括：选择模块、第一计算模块和第二计算模块，

选择模块，用于在已划分区域的其中一个区域中确定目标标签，其中，所述已划分区域为根据第一预定规则进行粗粒度定位所划分的区域；第一计算模块，用于运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域；第二计算模块，用于采用虚拟参考标签定位算法，对所述目标标签所在的区域进行网格划分；在所划分的网格中加入虚拟参考标签，计算出每一个虚拟标签的场强值；所述选择模块选择与所述目标标签最邻近的第一预定数目的虚拟参考标签，再次通过所述第一计算模块利用所述参考标签定位算法计算所述目标标签的位置；

其中，每个所述已划分区域包括一个读写器，所述第一计算模块运用参考标签定位算法，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤包括：

由每个读写器分别轮流读取参考标签的信号强度值和目标标签的信号强度值，并计算目标标签和参考标签的信号强度欧氏距离差值，所述参考标签为所述已划分区域边上和顶点上的标签；将距离所述目标标签的信号强度差值最小的第二预定数目的标签选为邻近参考标签；

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域。

13.根据权利要求12所述的基于无源RFID的定位识别的中间件，其特征在于：

根据所述第二预定数目的标签为4个。

14.根据权利要求12所述的基于无源RFID的定位识别的中间件，其特征在于：

所述第一计算模块计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤具体包括：

计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值，确定所述目标标签所在的已划分区域的步骤具体包括：

由公式获得参考标签i和目标标签t的信号强度距离；其中S_ij表示天线j∈(1,M)读取到参考标签i∈(1,R)的信号强度值，S_tj表示天线j∈(1,M)读取到目标标签t∈(1,N)的信号强度值；

由公式计算每个所述邻近参考标签的二阶权重值；

其中，w_i表示参考标签i的权重值，K表示所选取的最邻近参考标签数量，

对所述邻近参考标签的坐标值加权求和，获得所述目标标签所在的已划分区域。