CN104766110A

CN104766110A - 一种rfid定位系统和方法

Info

Publication number: CN104766110A
Application number: CN201510169928.7A
Authority: CN
Inventors: 崔炜; 刘云清; 王远洋; 陈磊
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: CN104766110B

Abstract

本发明提供一种RFID定位系统和方法，所述系统包括：天线模块，所述天线模块包括至少3个天线；逻辑开关模块，与所述天线模块相连接；读写模块，与所述逻辑开关模块相连接，所述读写模块发射信号并接收从电子标签发出的信号；以及计算模块，根据所述读写模块接收的从所述电子标签发出的信号确定所述电子标签的位置，其中，在定位时，所述逻辑开关模块将所述多个天线中的一个与所述读写模块连接从而构成一个读写器，并且按预定的顺序切换与所述读写模块连接的天线。

Description

一种RFID定位系统和方法

技术领域

本发明涉及定位系统技术领域，更为具体地，涉及一种RFID定位系统和方法。

背景技术

现在常用的无线定位技术有GPS定位、红外线定位、超声波定位、WLAN定位、UWB定位、蓝牙定位和RFID定位。而在无线定位技术中，RFID定位与其他定位方法相比有显著的优点。比如，非视距，非接触性，可以识别高速物体，以及可以对多目标同时进行识别跟踪等。

RFID射频识别系统主要包括电子标签、读写器、计算机系统三个部分，其中，电子标签部分成本低，但是读写器部分成本较高。读写器部分又包括读写器天线模块、射频模块和读写器模块这三个模块。其中后两个模块成本较高，而读写器天线模块成本较低，也容易制作。

目前在利用RFID射频识别技术进行定位时，经常用到的定位算法有TOA、TDOA、AOA以及RSSI等。但无论哪种算法都要用到多个RFID读写器，这无疑要增加定位系统的成本。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的上述技术问题而做出，其目的在于提供一种RFID定位系统和方法

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种RFID定位系统，包括：天线模块，所述天线模块包括至少3个天线；逻辑开关模块，与所述天线模块相连接；读写器，与所述逻辑开关模块相连接，所述读写器包括射频模块和读写模块，并且发射信号并接收从电子标签发射的信号；以及计算模块，根据从所述电子标签发射的信号确定所述电子标签的位置，其中，在定位时，所述逻辑开关模块按照预定的顺序将所述多个天线中的一个与所述读写模块连接。

此外，所述逻辑开关模块包括多路开关单元和时序逻辑单元，每一个所述天线与一个所述开关连接，所述时序逻辑单元按照预定的时序开启所述多个开关中的一个同时断开其它开关而使所述多个天线中的一个与所述读写模块连接，并且通过切换开启的开关来切换与所述读写模块连接的天线。

此外，所述射频模块包括射频处理单元、射频接收单元块和射频振荡单元。

此外，所述读写模块包括放大器单元、解码单元、纠错单元、微处理器单元、储存器单元、标准接口和时钟单元。

此外，所述天线模块包括5个天线，所述多路开关电路包括5个开关，并且所述5天线被分布在定位区域的4个角落和中心处。

在根据本发明的RFID定位系统中，多个天线共用一个读写器，因此可以降低系统的功率，节省系统的成本。同时，由于天线的成本较低可以通过增加天线的数量来提高系统的定位精度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种RFID定位方法，所述方法包括以下步骤：逻辑开关模块按照预定的顺序使天线模块的多个天线中的一个与读写器连接；当所述多个天线中的一个与所述读写器连接时，所述读写器通过所述天线发送信号并从电子标签接收信号；计算模块通过从所述电子标签接收的信号判断所述电子标签与所述天线之间的距离；以及计算模块通过至少3个所述天线与所述电子标签之间的距离确定所述电子标签的位置。

此外，逻辑开关模块按照预定的顺序使天线模块的多个天线中的一个与读写模块连接包括：所述逻辑开关模块的时序逻辑单元按照预定的时序开启多路开关单元的多个开关中的一个同时断开其它开关而使与所述开启的开关连接的天线与所述读写模块连接，并且通过切换开启的开关来切换与所述读写模块连接的天线。

此外，当测得的所述天线与所述电子标签之间的距离的数量多于3个时，使用3个所述天线与所述电子标签之间的距离确定所述电子标签的位置，并用剩余的所述天线与所述电子标签之间的距离校准所述电子标签的位置。

此外，每个所述天线与所述读写模块连接的时间为2秒或2秒以下。

进一步地，通过在预定时间段内连续确定所述电子标签的位置来确定所述电子标签的行踪。

在根据本发明的RFID定位方法中，多个天线共用一个读写器，因此可以降低系统的功率，节省系统的成本。同时，由于天线的成本较低可以通过增加天线的数量来提高系统的定位精度。

附图说明

通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是根据本发明的RFID定位系统原理框图；

图2是根据本发明的逻辑多路开关电路框图；

图3是根据本发明读写器的射频模块和读写模块结构框图；

图4是通过三个天线测距来定位原理图；

图5是本定位系统所能定位的区域：

图6是根据本发明的RFID定位方法的流程图。

在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

根据本发明的一个方面，提供了一种RFID定位系统。以下将参照附图来对根据本发明RFID定位系统进行详细描述。

图1是根据本发明的RFID定位系统原理框图。如图1所示，根据本发明的RFID定位系统统包括：天线模块1、逻辑开关模块2、读写器3和计算模块4。天线模块1包括至少3个天线，在附图中示出了天线模块1包括5个天线11-15，但本发明不限于此。逻辑开关模块2与天线模块1相连接，用于控制天线11-15中的一个与读写器3连接。读写器3与逻辑开关模块2相连接，读写器3包括射频模块31和读写模块32，并且读写器3发射信号并接收从电子标签(即RFID电子标签，未示出)发射的信号。计算模块4，计算模块4根据从电子标签发射的信号确定电子标签的位置，其中，在定位时，逻辑开关模块2按照预定的顺序将多个天线11-15中的一个与读写模块连接从而构成一个读写器。

如图4所示，在对电子标签进行定位时，通过测量天线与电子标签之间的距离来对电子标签进行定位。例如，可以通过到达时间信息定位算法来测量电子标签到各个天线的距离。但本发明不限于此，还可以通过其它方法确定电子标签与天线之间的距离。

如图4所示，测量得到电子标签与天线11的距离为R1，与天线12的距离为R2、与天线13的距离为R3。则可以由以天线11为中心以R1为半径的圆、以天线12为中心以R2为半径的圆，以及以天线13为中心以R3为半径的圆的交点即是电子标签所在的位置。尽管图4所示为平面图，但该方法同样可以用于3维空间中的电子标签的定位。因此，根据本发明的RFID定位方法同样也能用于3维空间中的电子标签的定位。

RFID标签可分为两种：有源电子标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应转换为电子标签与读写器通信所需的射频能量。无源电子标签没有内装电池，在读写器的读出范围之内时，电子标签从凭借在读写器发出的射频电磁场中产生的感应电流获得的能量发出带有存储在芯片上的信息的信号。对同一个天线而言，有源电子标签的距离比无源电子标签的最大测量距离远，然而，无论是测量有源电子标签还是无源电子标签，每个天线所能测得的最大距离是一定的。因此，当需要定位的区域较大时，通过增加天线数量来扩大定位系统的覆盖面积。例如，如图5所示，采用5个天线对指定区域中的电子标签进行定位。

在根据本发明的RFID定位系统中，通过逻辑开关模块2来控制天线模块1中的一个与读写器连接，并且通过该天线发射信号。此时，如果电子标签处于该天线的电大测量距离之内，则读写器会接收到电子标签的发出的信号，从而通过该信号确定天线与电子标签之间的距离。通过逻辑开关模块2的控制，天线模块1的各个天线依次与读写器连接而组成一个测量电子标签的距离的系统。例如，如图5所示，采用5个最大测量距离为100m的天线分别布置在定位区域的四个角落和中心处，至少可以定位连长为89m的正方形区域(即图5中同时落在至少三个天线的测量范围内的区域)。

具体地，如图2所示，逻辑开关模块2包括时序逻辑单元21和多路开关单元22。多路开关单元包括5个开关k1-k5，开关k1-k5分别与天线11-15连接。显然，当系统包括5个天线时，多路开关单元22应当包括至少5个单元分别控制各个天线。时序逻辑单元21通过控制开关k1-k5的开/关状态来控制接入测量系统的天线。每次只将一个天线接入测量系统中。具体地，时序逻辑单元21控制开关k1-k5中的一个处于开启状态，其它的开关处于关闭状态来将天线接入测量系统。例如，当开关k1处于开启状态而开关k2-k4处于关闭状态时，天线11与读写器3连接组成一个测量系统，此时测量的是天线11与电子标签之间的距离。按照这种方法，测量电子标签与各个天线之间的距离即可对电子标签进行定位。因此，根据本发明的RFID定位系统可以仅使用一个读写器3分别与5个天线11-15配合就能实现5个天线的定位。也就是说，多个天线11-15共用一个读写器3，因此可以降低系统的功率，节省系统的成本。同时，由于天线的成本较低可以通过增加天线的数量来提高系统的定位精度。虽然本发明实施例是采用了5个天线的系统，但本发明不限于此。

如图3所示，读写器3包括射频模块31和读写模块32。其中，射频模块31包括射频处理单元311、射频接收单元312和射频振荡单元313。读写模块32包括放大器单元321、解码及纠错单元322和标准接口323。此外，读写模块还可以包括微处理器单元、储存单元、标准接器和时钟单元。

根据本发明的一个方面，提供了一种RFID定位方法。以下将参照附图来对根据本发明RFID定位方法进行详细描述。

图6是示出根据本发明的RFID定位方法的流程图。如图6所示，根据本发明的RFID定位方法包括以下步骤：

S100：逻辑开关模块按照预定的顺序使天线模块的多个天线中的一个与读写器连接。例如，在如图5所示的系统中，按照从左到右的顺序将天线11至15与读写模块连接。但本发明不限于此，还可以其它的连接顺序。

S200：当多个天线中的一个与读写器连接时，读写器通过天线发送信号并从电子标签接收信号。当电子标签在天线的测量范围之内时，电子标签发出的信号能被天线接收，当电子标签在天线的测量范围之外时，电子标签发出的信号不能被天线接收。在一定时间内，不论是否能接收到电子标签发出的信号，都切换下一个接入测量系统的天线。例如，每个天线的测量时间为2秒，当系统有5个天线时，进行一次定位需要10秒。

S300：计算模块通过从电子标签接收的信号判断电子标签与天线之间的距离。在对电子标签进行定位时，通过测量天线与电子标签之间的距离来对电子标签进行定位。例如，可以通过到达时间信息定位算法来测量电子标签到各个天线的距离。但本发明不限于此，还可以通过其它方法确定电子标签与天线之间的距离。

S400：计算模块通过至少3个天线与电子标签之间的距离确定电子标签的位置。需要至少3个天线与电子标签之间的距离来确定电子标签的位置。例如，当系统有5个天线时，如果通过测量得到3个天线的距离值即可以确定标签的位置。如果有3个以上的距离值，则可以使用其中3个距离值来确定电子标签的位置。使用剩余的距离值来校准电子标签的位置，例如，使用最小二乘法、线性回归算法或加权平均值算法来提高测量的精度。

具体地，如图2和图5所示。在测量时，首先建立坐标系，然后布置天线得到各个天线的坐标。例如，当系统有5个天线时，坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)，(x5,y5)。时序逻辑单元21控制多中开关单元22分别将天线11-15依次与读写器连接，从而测量各个天线与电子标签之间的距离R1-R5。于是得到方程(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝R₁ ²，(x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²＝R₂ ²，(x₃-x₀)²+(y₃-y₀)²＝R₃ ²，(x₄-x₀)²+(y₄-y₀)²＝R₄ ²，(x₅-x₀)²+(y₅-y₀)²＝R₅ ²。其中，由于电子标签的距离超出天线的测量范围，所以可能得到的测量距离可能少于5个。如果通过测量得到3个天线的距离值即得到上述方程中的3个，联立这些方程解方程组即可得到电子标签的位置。因此，根据本发明的RFID定位系统可以仅使用一个读写器3分别与5个天线11-15配合就能实现5个天线的定位。也就是说，多个天线11-15共用一个读写器3，因此可以降低系统的功率，节省系统的成本。同时，由于天线的成本较低可以通过增加天线的数量来提高系统的定位精度。虽然本发明实施例是采用了5个天线的系统，但本发明不限于此。

进一步地，步骤S100包括：逻辑开关模块2的时序逻辑单元21按照预定的时序开启多路开关单元22的多个开关k1-k5中的一个同时断开其它开关而使与开启的开关连接的天线与读写模块连接，并且通过切换开启的开关来切换与读写模块3连接的天线。例如，时序逻辑单元21控制开关k1开启，而k2-k4关闭，此时天线11与读写器连接，测量得到天线11与电子标签之间的距离。然后，时序逻辑单元21控制天线12与读写器连接，测量电子标签与天线12之间的距离。按照这种方法测量得到各个天线与电子标签之间的距离R1-R5。在本发明中，天线与读写器3连接的顺序可以任意排序。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims

1.一种RFID定位系统，包括：

天线模块，所述天线模块包括至少3个天线；

逻辑开关模块，与所述天线模块相连接；

读写器，与所述逻辑开关模块相连接，所述读写器包括射频模块和读写模块，并且发射信号并接收从电子标签发射的信号；以及

计算模块，根据从所述电子标签发射的信号确定所述电子标签的位置，

其中，在定位时，所述逻辑开关模块按照预定的顺序将所述多个天线中的一个与所述读写模块连接。

2.根据权利要求1所述的RFID定位系统，其中，所述逻辑开关模块包括多路开关单元和时序逻辑单元，每一个所述天线与一个所述开关连接，所述时序逻辑单元按照预定的时序开启所述多个开关中的一个同时断开其它开关而使所述多个天线中的一个与所述读写模块连接，并且通过切换开启的开关来切换与所述读写模块连接的天线。

3.根据权利要求1所述的RFID定位系统，其中，所述射频模块包括射频处理单元、射频接收单元块和射频振荡单元。

4.根据权利要求1所述的RFID定位系统，其中，所述读写模块包括放大单元、解码及纠错单元、微处理器单元、储存器单元、标准接口和时钟单元。

5.根据权利要求1所述的RFID定位系统，其中，所述天线模块包括5个天线，所述多路开关电路包括5个开关，并且所述5天线被分布在定位区域的4个角落和中心处。

6.一种RFID定位方法，所述方法包括以下步骤：

逻辑开关模块按照预定的顺序使天线模块的多个天线中的一个与读写器连接；

当所述多个天线中的一个与所述读写器连接时，所述读写器通过所述天线发送信号并从电子标签接收信号；

计算模块通过从所述电子标签接收的信号判断所述电子标签与所述天线之间的距离；以及

计算模块通过至少3个所述天线与所述电子标签之间的距离确定所述电子标签的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，逻辑开关模块按照预定的顺序使天线模块的多个天线中的一个与读写模块连接包括：所述逻辑开关模块的时序逻辑单元按照预定的时序开启多路开关单元的多个开关中的一个同时断开其它开关而使与所述开启的开关连接的天线与所述读写模块连接，并且通过切换开启的开关来切换与所述读写模块连接的天线。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，当测得的所述天线与所述电子标签之间的距离的数量多于3个时，使用3个所述天线与所述电子标签之间的距离确定所述电子标签的位置，并用剩余的所述天线与所述电子标签之间的距离校准所述电子标签的位置。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，每个所述天线与所述读写模块连接的时间为2秒或2秒以下。

10.根据权利要求6-9所述的方法，通过在预定时间段内连续确定所述电子标签的位置来确定所述电子标签的行踪。