CN104931926A - 一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，内设有参考读头，目标标签位于三维定位区域内；每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，估算出参考读头与目标标签之间的实际距离。本发明的有益效果是减少定位过程中的能耗和时间，提高定位效率。

Description

一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，涉及一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法。

背景技术

近年来随着物联网技术的不断更新和发展，RFID广泛应用于工业生产过程中，大幅度提高了工业生产效率。然而，大规模RFID广泛应用的主要制约因素之一就是其三维定位能力，即对三维RFID系统中的标签或者读头进行快速准确定位的能力。目前，研究人员已经提出了一些三维RFID定位方法，但是仍然存在一些不足，尤其是定位效率较低，很难满足实际应用需求。与传统的三维RFID定位方法不同，本发明提出的基于跳跃式查询的被动式三维RFID定位方法能够在不降低定位精度的前提下，有效提高定位效率，降低定位过程的能耗并且加快定位速度，理论和仿真结果显示本发明所提出的被动式三维RFID定位方法在性能上优于已有的方法。

RFID定位系统中，通常会部署一些位置信息已知的参考标签(reference tag)或者参考读头(reference reader)，定位目标通过测得与参考标签或者参考读头之间的特性关系来估计自身位置。基于RFID的定位方法主要包括两大类：基于测距的(range-based)和距离无关的(range-free)。基于距离的定位方法主要是通过测量目标与参考标签或者参考读头之间的距离，基于该距离信息和参考点的位置信息来定位。距离无关的定位方法则主要通过测量其他网络参数来对目标定位。目前已有的典型的RFID定位方法包括LANDMARC，Collect All和Probe Some三种。距离无关的定位方法有LANDMARC方法(参见L.Ni,Y.Liu,Y.Lau,and A.Patil.LANDMARC:Indoor Location Sensing Using Active RFID.In Proceedings of IEEE PerCom,2003.)，通过在特定位置安装参考读头，并且选取了一些位置已知的点作为参考点，并离线测得标签在各个参考点上接收到的来自各个参考读头的信号强度，以此构建离线地图。在定位过程中，目标标签在区域内移动，参考读头与目标标签周期性通信并测得其信号强度，然后将实时测得的信号强度与离线地图匹配，选取与目标标签最近的K个参考点，用K个参考点的位置信息的加权平均作为其位置估计。基于距离的定位方法有Collect All和Probe Some。其中，Collect All方法(参见C.Wang,H.Wu,and N.Tzeng.RFID-Based 3-D Positioning Schemes.In Proceedings of IEEE Infocom,2007.)在定位区域的天花板部署网格状参考标签，并且在天花板的特定位置部署一些参考读头，这些参考标签和参考读头都是位置已知的，而每个参考读头都能够获取系统中所有参考标签和参考读头的位置和ID的对应关系。定位过程中，参考读头首先确定能够与目标标签进行通信的最小发射功率等级，然后估计该最小发射功率等级对应的传输距离。参考读头在估计最小发射功率等级对应的传输距离时，参考读头通过计算功率发射等级所对应的通信区域内的参考标签的圆环半径来获得。最后，根据多个参考读头的位置信息以及对应的距离信息，估计出目标标签的位置。另外一种方法Probe Some(参见K.Bu,X.Liu,J.Li,and B.Xiao.Less is More:Efficient RFID-based 3D Localization.InProceedings of IEEE MASS,2013.)则是在Collect All方法的基础上，进一步降低定位过程的能耗和加快定位速度。Probe Some方法同样也是在天花板部署参考读头和参考标签。参考读头首先确定能够与目标标签通信的最小发射功率等级，然后估计该最小发射功率等级对应的传输距离。在距离估计过程中，参考读头采用一对一的直线查询，最后确定能够与之通信的最远的参考标签，进而估计出最小发射功率等级对应的距离，然后基于多个参考读头的位置信息和对应的距离信息，估计出目标标签的坐标。

然而，上述RFID定位方法都存在一定的缺陷。LANDMARC方法需要构建离线地图，工作量比较大，而且离线地图构建完之后，并不能克服环境温度、湿度等因素变化对定位过程的影响。Collect All方法在估计传输距离的过程中参考读头需要收集所有通信范围内的参考标签的信息，因此引入的参考标签个数比较多，能耗以及定位时间也比较大。Probe Some方法虽然能够在Collect All基础上降低能耗和定位时间，但效率仍然不高，而且Probe Some方法是以当前发射功率等级的最大传输距离来作为节点间距离的估计，引入的误差较大。而我们所提出的基于跳跃式查询的被动式三维RFID定位方法能在很大程度上降低定位过程中的能耗和时间，提高定位效率，更适用于能量有限的大规模RFID系统。

近年来射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术的大力发展，推动了物联网技术的发展和应用。RFID系统一般由读头(Reader)和标签(Tag)组成，读头通过发射射频信号与标签进行通信，完成特定功能。RFID系统的可扩展性使其成为物联网的一大组成部分。然而，大规模RFID系统在物联网领域广泛应用的主要制约因素之一就是其三维定位能力，即对三维RFID系统中的标签或者读头进行快速准确定位的能力。目前，RFID系统中的三维定位问题面临着诸多挑战：(1)降低定位过程中的能耗，即减少参与定位过程的被动式标签个数；(2)加快定位速度，即缩短定位过程所需的时间；(3)在降低能耗和加快定位速度的同时提高或者至少不降低定位精度。因此，需要设计一种有效的三维RFID定位方法以满足越来越广泛的物联网应用的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，解决了现有的三维RFID标签定位方法能耗高、效率低，并且不适用于能量有限的大规模RFID系统的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，每个网格的边长为d，少于参考标签数量的参考读头分散在参考标签构成的网络中，其中每个参考读头均与一个参考标签位置相同，目标标签位于三维定位区域内；

步骤2：设距离目标标签最近的一个参考读头与目标标签能够通信的最小发射功率等级为l，R_l-1和R_l分别为参考读头在发射功率等级为l-1和l时的通信半径，每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，功率级数根据参考读头实际情况设定，发送一个带有目标标签ID的查询信号，并且监听目标标签的应答信号，如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，用来估算出参考读头与目标标签之间的实际距离。

进一步，所述R_l-1和R_l的计算方法为：参考读头首先计算其与RFID系统部署的四个角落的参考标签之间的距离，选择距其最远的角落作为其查询方向，参考读头通过逐个查询对角线上的参考标签来估计R_l-1，并且采用跳跃式查询方式以降低能耗和提高定位速度；由于R_l>R_l-1，参考读头无需从头开始查询参考标签，而是可以以之前估计R_l-1过程中查询的对角线上的能够与之通信的最远的参考标签为起始点，继续查询。

进一步，当不少于三个不共线的参考读头估计出其与目标标签之间的距离信息后，即可根据该距离信息以及参考读头的位置信息计算出目标标签的位置。

本发明的有益效果是减少定位过程中的能耗和时间，提高定位效率，更适用于能量有限的大规模RFID系统。

附图说明

图1是本发明被动式三维RFID定位系统示意图；

图2为参考读头和目标标签之间实际距离和对应发射功率等级的传输半径之间的关系示意图；

图3为参考读头对参考标签的跳跃式查询过程示意图；

图4为本发明所提出的被动式RFID三维定位方法和已有的定位方法所需参与标签个数在不同d和R_l时的比值示意图；

图5为本发明所提出的被动式RFID三维定位方法和已有的定位方法所需时间槽个数在不同d和R_l时的比值示意图；

图6为本发明所提出的被动式RFID三维定位方法的定位误差在不同d时的累积分布示意图；

图7为本发明所提出的被动式RFID三维定位方法的定位误差在不同K时的累积分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明如图1所示，为被动式三维RFID定位系统示意图，图2是参考读头和目标标签之间实际距离和对应发射功率等级的传输半径之间的关系示意图，图3是参考读头对参考标签的跳跃式查询过程示意图。本发明技术方案步骤如下：

步骤1：若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，每个网格的边长为d，少于参考标签数量的参考读头分散在参考标签构成的网络中，其中每个参考读头均与一个参考标签位置相同，目标标签位于三维定位区域内；

步骤2：设距离目标标签最近的一个参考读头与目标标签能够通信的最小发射功率等级为l，R_l-1和R_l分别为参考读头在发射功率等级为l-1(即功率等级比l降低一级)和l时的通信半径。

每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，功率级数根据参考读头实际情况设定，发送一个带有目标标签ID的查询信号，并且监听目标标签的应答信号。如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号。如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，此时，对应的参考读头的发射功率等级l即为参考读头能够与目标标签通信的最小发射功率等级。

参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，假设为l，则，如图2所示，可以用来估算出参考读头与目标标签之间的实际距离其中，R_l-1和R_l分别为参考读头在发射功率等级为l-1和l时的通信半径。因此，参考读头分别需要估计R_l-1和R_l才能估计出其和目标标签之间的距离。

步骤3：计算R_l-1的方法：参考读头可以通过逐个查询对角线上的参考标签来估计R_l-1，并且采用跳跃式查询方式以降低能耗和提高定位速度。

为了防止边界对距离估计过程的影响，参考读头首先计算其与RFID系统部署的四个角落的参考标签之间的距离，选择距其最远的角落作为其查询方向。例如，图3中的参考读头距离整个RFID系统部署区域的右下角最远，因此该参考读头选择查询右下对角线上的参考标签来估计R_l-1。

以图3的场景为例，参考读头将发射功率等级调整到l-1，然后逐个查询右下对角线上的参考标签。参考读头首先发送查询信号给第2行第2列的参考标签(它们之间距离为)，若该标签能够收到此查询信号，即则返回一个应答信号。紧接着，参考读头继续发送查询信号给第4行第4列的参考标签(跳跃式指的是跳过对第3行第3列参考标签的查询)。若该标签接收不到此查询信号，即则不会返回应答信号，参考读头即能判断出之后，为了提高距离估计精度，参考读头可以继续查询第3行第3列的参考标签，倘若该标签收到查询信号并且返回应答信号，则说明参考读头继续查询与其距离介于和之间的参考标签，因此选择第3行第4列的参考标签。若参考读头仍然能够接收到该标签的应答信号，则参考读头可以推断R_l-1介于5d和之间，其中5d是参考读头和第3行第4列参考标签之间的距离，是参考读头＝和第4行第4列参考标签之间的距离。最后，参考读头估计R_l-1为

步骤4：参考读头也可以采用上述跳跃式查询的方法来估计R_l。由于R_l>R_l-1，参考读头无需从头开始查询参考标签，而是可以以之前估计R_l-1过程中查询的对角线上的能够与之通信的最远的参考标签为起始点，继续查询。如图3所示，估计出R_l-1之后，参考读头将发射功率等级调整到l，然后发送查询信号给第4行第4列的参考标签。当参考读头采用上述跳跃式查询方法估计出R_l时，假设R_l的估计值为d_l，则可以用来估计进而可以近似得到其中，为参考读头与目标标签之间的实际距离。

我们可以很容易地证明，采用上述跳跃式查询方法估计出的参考读头与目标标签之间的距离的误差满足 $\stackrel{\‾}{e}\≤\frac{R_l-R_{l-1}+d}{2}.$

步骤5：估计三维位置信息

当不少于三个不共线的参考读头估计出其与目标标签之间的距离信息后，即可根据该距离信息以及参考读头的位置信息计算出目标标签的位置。假设参考读头(m≥3)分别估计出它们各自和目标标签之间的距离分别为而m个参考读头的坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_m,y_m,z_m)，则目标标签的坐标(x₀,y₀,z₀)可通过求解以下方程获得：

$\min \frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\tilde{d}}_i-{\stackrel{\‾}{d}}_i)}^2,---\left(1\right)$

s.t.0≤x₀≤L,

0≤y₀≤W,

0≤z₀≤H.

其中， ${\tilde{d}}_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2},$ L，W和H分别为RFID系统部署区域的长、宽和高。并且，由于所有的参考读头都是部署在天花板上，对于i＝1,2,...,m，满足z_i＝H。

因此，采用上述方法，即可快速有效地估计出三维RFID系统中目标标签的位置信息。假设采用本发明所提出的方法在定位过程所需要参与的参考标签个数以及时间槽个数分别为N_jl和(可分别用于衡量定位过程的能耗和时间)，而Collect All方法定位过程中所需要参与的参考标签个数和时间槽个数分别为N_ca和Probe Some方法分别为N_ps和则我们可以证明：

所以，本发明所提出的方法相比Collect All和Probe Some方法，大大降低了定位过程中的能耗和所需时间，提高了定位效率。图4：所提出的被动式RFID三维定位方法和已有的定位方法所需参与标签个数在不同d和R_l时的比值示意图(其中d为部署参考标签的网格距离，R_l为发射功率等级为l时读头和标签之间的通信半径)，图5为所提出的被动式RFID三维定位方法和已有的定位方法所需时间槽个数在不同d和R_l时的比值示意图(其中d为部署参考标签的网格距离，R_l为发射功率等级为l时读头和标签之间的通信半径)，图6为所提出的被动式RFID三维定位方法的定位误差在不同d时的累积分布示意图(其中d为部署参考标签的网格距离)；图7是所提出的被动式RFID三维定位方法的定位误差在不同K时的累积分布示意图(其中K为通信半径和发射功率等级之比，即R_l＝Kl)。

本发明的优点还在于：

1)本发明所提出的被动式三维RFID定位方法相比已有的三维RFID定位方法，所需参与的参考标签个数少得多，大大降低了定位过程的能耗，提高能量效率(如图所示)；

2)本发明所提出的被动式三维RFID定位方法相比已有的三维RFID定位方法，在距离估计过程中所需的时间槽个数少得多，大大缩短了定位时间，提高时间效率(如图所示)；

3)本发明所提出的被动式三维RFID定位方法在提高定位效率的基础上，并不牺牲定位精度，在适当的参数设置下能够取得较高的定位精度；

4)本发明所提出的被动式三维RFID定位方法算法简单，计算量较小，易于实现。

实施例：

当三维RFID系统部署完之后，系统中所有参考标签被以网格状部署在定位区域的天花板，参考读头则部署在天花板区域特定参考标签的位置，如图1所示。之后，系统中每个参考读头从小到大依次调整发射功率等级，并且对目标标签发送查询信号。目标标签一旦接收到来自参考读头的查询信号，立即返回相应的应答信号。参考读头通过判断是否接受到目标标签的应答信号确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级l。如图3所示，假设参考读头在发射功率等级l-1和l的通信半径分别为R_l-1＝5d和R_l＝8d，则参考读头可以采用如下过程来估计R_l-1和R_l：参考读头首先将发射功率等级调整至l-1，然后发送查询信号q₁给图3中第2行第2列的参考标签。由于该参考标签与参考读头之间的距离为小于R_l-1，它能够接收到q₁并且返回应答信号r₁给参考读头。参考读头接收到r₁后，发送查询信号q₂给第4行第4列的参考标签，由于该参考标签不能接收到q₂。之后，参考读头发送查询信号q₃给第3行第3列的参考标签，并且能接收到来自该标签的应答信号r₃。最后，参考读头发送查询信号r₄给第3行第4列的参考标签并且也接收到相应的应答信号r₄。因此，参考读头可以判断，R_l-1介于它和第3行第4列参考标签之间的距离和它和第4行第4列参考标签之间的距离之间，因此估计R_l-1作为上述两个距离的平均值。之后，参考读头将发射功率等级调整至l，然后发送查询信号给第4行第4列的参考标签并且接收到来自该参考标签的应答信号。类似地，参考读头采用上述跳跃式查询方法，能够估计出R_l的值。如图2所示，当参考读头估计出R_l-1和R_l的值之后，假设其估计值分别为d_l-1和d_l，即可用作为其和目标标签之间距离的估计值。当系统中有不少于三个不共线的参考读头估计出其与目标标签之间的距离时，则联合每个参考读头的位置信息，建立方程(1)，通过求解方程，估计出目标标签的三维位置信息。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，每个网格的边长为d，少于参考标签数量的参考读头分散在参考标签构成的网络中，其中每个参考读头均与一个参考标签位置相同，目标标签位于三维定位区域内；

步骤2：设距离目标标签最近的一个参考读头与目标标签能够通信的最小发射功率等级为l，R_l-1和R_l分别为参考读头在发射功率等级为l-1和l时的通信半径，每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，功率级数根据参考读头实际情况设定，发送一个带有目标标签ID的查询信号，并且监听目标标签的应答信号，如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，用来估算出参考读头与目标标签之间的实际距离。

2.按照权利要求1所述一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，其特征在于：所述R_l-1和R_l的计算方法为：参考读头首先计算其与RFID系统部署的四个角落的参考标签之间的距离，选择距其最远的角落作为其查询方向，参考读头通过逐个查询对角线上的参考标签来估计R_l-1，并且采用跳跃式查询方式以降低能耗和提高定位速度；由于R_l>R_l-1，参考读头无需从头开始查询参考标签，而是可以以之前估计R_l-1过程中查询的对角线上的能够与之通信的最远的参考标签为起始点，继续查询。

3.按照权利要求1所述一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，其特征在于：当不少于三个不共线的参考读头估计出其与目标标签之间的距离信息后，即可根据该距离信息以及参考读头的位置信息计算出目标标签的位置。