CN104950285A - 一种基于近邻标签信号差值变化的rfid室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，具体包括以下步骤：步骤1：在室内设置读写器和标签；步骤2：分别在离线状态和在线状态下通过读写器采集标签的信号值；步骤3：找出离线状态与在线状态信号值可能发生变化的标签；步骤4：排除由于环境影响造成信号值发生变化的标签，精确找到信号值变化的标签；步骤5：记录信号值发生变化标签的坐标，根据椭圆拟合的方法拟合出椭圆方程，联立求出椭圆的叠加区域，然后求该区域的质心，质心即为目标的定位坐标。比较近邻标签的信号差值是将近邻标签理解为同一环境，即使环境变化，二者的信号值都会变，则信号差值却不一定会变，大大提高了定位精度。

Description

一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法

技术领域

本发明属于无线射频室内定位技术领域，涉及一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法。

背景技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯性定位等多种技术集成形成一套室内定位体系，从而实现人员、物体等再室内空间中的位置监控，室内定位系统不同与GPS、AGPS等室外定位系统，目前依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范，现有的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展的，RFID(无线射频识别技术)是其中比较常用的一种定位技术，它是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合的传输特性，实现对被识别物体的自动识别，RFID可以在几毫秒内得到厘米级的定位精度，且由于电磁场非视距等优点，传输范围大，而且标识的体积比较小，造价低。

在众多的RFID射频定位研究中都包含标签和读写器两部分，由于标签具有唯一的电子编码，读写器可以接收标签发射的无线信号，基于上述的硬件组成，目前对RFID射频定位技术的研究主要集中在定位算法和定位方案两个方面。主要的室内定位方法有TOA、TDOA、AOA、RSSI等。然而，这些方法在实际的应用中可能导致系统应用规模较小、可扩展性较差、定位精度不理想、易受环境影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，解决了现有RFID定位方法中存在的信号容易受环境影响的问题，提高了定位精度。

本发明所采用的技术方案是，一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在室内设置读写器和标签；

步骤2：分别在离线状态和在线状态下通过步骤1中的读写器采集标签的信号值；

步骤3：找出离线状态与在线状态信号值可能发生变化的标签；

步骤4：排除步骤3中由于环境影响造成信号值发生变化的标签，精确找到信号值变化的标签；

步骤5：记录步骤4中找到的信号值发生变化标签的坐标，根据椭圆拟合的方法拟合出椭圆方程，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1*x^2+{\mathrm{\β}}_1*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_1*y^2+{\mathrm{\μ}}_1*x+{\mathrm{\ρ}}_1*y+{\mathrm{\ω}}_1\≤0\\ {\mathrm{\α}}_2*x^2+{\mathrm{\β}}_2*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_2*y^2+{\mathrm{\μ}}_2*x+{\mathrm{\ρ}}_2*y+{\mathrm{\ω}}_2\≤0\\ {\mathrm{\α}}_3*x^2+{\mathrm{\β}}_3*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_3*y^3+{\mathrm{\μ}}_3*x+{\mathrm{\ρ}}_3*y+{\mathrm{\ω}}_3\≤0\\ ......\\ {\mathrm{\α}}_m*x^2+{\mathrm{\β}}_m*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_m*y^2+{\mathrm{\μ}}_m*x+{\mathrm{\ρ}}_m*y+{\mathrm{\ω}}_m\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x和y为信号值发生变化标签的坐标，α、β、θ、μ、ρ、ω为拟合出来的椭圆系数，m为该读写器找到的所有信号值变化的标签编号；

联立求出椭圆的叠加区域，然后求该区域的质心，质心即为目标的定位坐标。

本发明的特点还在于：

步骤1中设置标签以等间距进行设置。

步骤1中设置读写器的具体方法为：将设置的标签围城矩形区域，至少在矩形区域的四个顶角处分别设置读写器。

步骤3找出离线状态与在线状态信号值发生变化的标签的具体方法为：

步骤3.1：计算步骤2中离线状态下采集到的标签信号值的期望E_i和标准差D_i：

$E_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(r_{i,j}*w_i)}{k}---\left(2\right)$

$D_i=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_i-E_i)}^2}---\left(3\right)$

上式中，i表示标签的编号，r_i，j为离线状态下第i个标签第j次采集到的信号值，num(r_i)代表所读取该标签信号值为r_i的个数，count代表所有信号值的个数；

计算步骤2中在线状态下采集到的标签信号值的期望R_i：

$R_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(S_{i,j}*w_i)}{k}---\left(4\right)$

其中，S_i，j为在线状态下第i个标签第j次采集到的信号值；

步骤3.2：判断R_i是否满足公式(5)：

E_i-D_i≤R_i≤E_i+D_i   (5)

如果R_i不满足公式(5)，则说明该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之没有发生变化。

步骤4中排除由于环境影响造成信号值发生变化的标签的具体方法为：

步骤4.1：计算离线状态下标签和与其邻近的标签信号值的差：

具体计算方法为：dif＝r_i－r _i’，r_i表示第i个标签的信号值，r _i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.2：计算步骤4.1中差值的期望E_i，i’和标准差D_i，i’；

$E_{i,i^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{i,i^{,},m}*w_{i,i^{,}})}{k}---\left(6\right)$

$D_{i,i^{,}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_{i,i^{,}}-E_{i,i^{,}})}^2}---\left(7\right)$

上式中，r_i，i’，m为第m次第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i，i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.3：以步骤3中求出的信号值发生变化的标签为中心，计算出与其邻近的标签信号值的差：

具体计算方法为：dif＝r_i－r _i’，r_i表示第i个标签的信号值，r _i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.4：计算步骤4.3中差值的期望R_i，i’；

$R_{i,i^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{i,i^{,},m}*w_{i,i^{,}})}{k}---\left(8\right)$

其中，其中，r_i，i’，m为第m次采集第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i，i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.5：判断R_i，i’是否满足公式(9)：

E_i，i’-D_i，i’≤R_i，i’≤E_i，i’+D_i，i’   (9)

如果R_i，i’不满足公式(9)，则说明排除环境影响后，该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之说明该标签在所述步骤3中发生变化是由于环境的影响。

本发明的有益效果是：一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，通过将离线阶段的标签信号强度值的期望和标准差与在线阶段的进行比较，粗略得到信号值变化的标签，然后再计算出信号值变化的标签和与其邻近的标签信号强度差值的期望，精确找到信号值变化的标签，降低了环境在定位过程中造成的干扰；根据信号值变化的标签拟合出椭圆，将拟合的椭圆叠加求重叠区域的质心，即为定位点，这样也可以降低因局部环境因素而导致部分标签信号值突变，引起信号值比较的错误；另外，比较近邻标签的信号差值是将近邻标签理解为同一环境，即使环境变化，二者的信号值都会变，则信号差值却不一定会变，大大提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中的标签和读写器的部署示意图；

图2是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中读写器R1根据信号差值变化的标签拟合的椭圆；

图3是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中读写器R2根据信号差值变化的标签拟合的椭圆；

图4是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中读写器R3根据信号差值变化的标签拟合的椭圆；

图5是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中读写器R4根据信号差值变化的标签拟合的椭圆；

图6是本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法中实施例中根据变化的标签拟合的椭圆及求得的重叠区域的质心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在室内设置读写器和标签；

设置标签以等间距进行设置；

设置读写器的具体方法为：将设置的标签围成矩形区域，至少在所述矩形区域的四个顶角处分别设置读写器；

步骤2：分别在离线状态和在线状态下通过所述步骤1中的读写器采集标签的信号值；

步骤3：找出离线状态与在线状态信号值可能发生变化的标签；

具体方法为：

步骤3.1：计算所述步骤2中离线状态下采集到的标签信号值的期望E_i和标准差D_i：

$E_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(r_{i,j}*w_i)}{k}---\left(2\right)$

$D_i=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_i-E_i)}^2}---\left(3\right)$

上式中，i表示标签的编号，r_i，j为离线状态下第i个标签第j次采集到的信号值，num(r_i)代表所读取该标签信号值为r_i的个数，count代表读取该标签的所有信号值的个数；

计算所述步骤2中在线状态下采集到的标签信号值的期望R_i：

$R_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(S_{i,j}*w_i)}{k}---\left(4\right)$

其中，S_i，j为在线状态下第i个标签第j次采集到的信号值；

步骤3.2：判断R_i是否满足公式(5)：

E_i-D_i≤R_i≤E_i+D_i   (5)

如果R_i不满足公式(5)，则说明该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之没有发生变化；

步骤4：排除所述步骤3中由于环境影响造成信号值发生变化的标签，精确找到信号值变化的标签，具体方法为：

具体计算方法为：dif＝r_i－r _i’，r_i表示第i个标签的信号值，r _i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.2：计算所述步骤4.1中差值的期望E_i，i’和标准差D_i，i’；

$E_{i,i^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{i,i^{,},m}*w_{i,i^{,}})}{k}---\left(6\right)$

$D_{i,i^{,}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_{i,i^{,}}-E_{i,i^{,}})}^2}---\left(7\right)$

上式中，r_i，i’，m为第m次采集第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i，i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.3：以所述步骤3中求出的信号值发生变化的标签为中心，计算出和与其邻近的标签信号值的差：

具体计算方法为：dif＝r_i－r _i’，r_i表示第i个标签的信号值，r _i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.4：计算所述步骤4.3中差值的期望R_i，i’；

$R_{i,i^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{i,i^{,},m}*w_{i,i^{,}})}{k}---\left(8\right)$

其中，其中，r_i，i’，m为第m次采集第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i，i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.5：判断R_i，i’是否满足公式(9)：

E_i，i’-D_i，i’≤R_i，i’≤E_i，i’+D_i，i’   (9)

如果R_i，i’不满足公式(9)，则说明排除环境影响后，该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之说明该标签在所述步骤3中发生变化是由于环境的影响；

步骤5：记录所述步骤4中找到的信号值发生变化标签的坐标，根据椭圆拟合的方法拟合出椭圆方程，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1*x^2+{\mathrm{\β}}_1*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_1*y^2+{\mathrm{\μ}}_1*x+{\mathrm{\ρ}}_1*y+{\mathrm{\ω}}_1\≤0\\ {\mathrm{\α}}_2*x^2+{\mathrm{\β}}_2*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_2*y^2+{\mathrm{\μ}}_2*x+{\mathrm{\ρ}}_2*y+{\mathrm{\ω}}_2\≤0\\ {\mathrm{\α}}_3*x^2+{\mathrm{\β}}_3*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_3*y^3+{\mathrm{\μ}}_3*x+{\mathrm{\ρ}}_3*y+{\mathrm{\ω}}_3\≤0\\ ......\\ {\mathrm{\α}}_m*x^2+{\mathrm{\β}}_m*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_m*y^2+{\mathrm{\μ}}_m*x+{\mathrm{\ρ}}_m*y+{\mathrm{\ω}}_m\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x和y为信号值发生变化标签的坐标，α、β、θ、μ、ρ、ω为拟合出来的椭圆系数，m为读写器找到所有信号变化的标签的编号；

联立求出椭圆的叠加区域，然后求该区域的质心，质心即为目标的定位坐标。

一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，通过将离线阶段的标签信号强度值的期望和标准差与在线阶段的进行比较，粗略得到信号值变化的标签，然后再计算出信号值变化的标签和与其邻近的标签信号强度差值的期望，精确找到信号值变化的标签，降低了环境在定位过程中造成的干扰；根据信号值变化的标签拟合出椭圆，将拟合的椭圆叠加求重叠区域的质心，即为定位点，这样也可以降低因局部环境因素而导致部分标签信号值突变，引起信号值比较的错误；另外，比较近邻标签的信号差值是将近邻标签理解为同一环境，即使环境变化，二者的信号值都会变，则信号差值却不一定会变，大大提高了定位精度。

实施例，以4个读写器和36个标签为例：

首先，在室内设置4个读写器和36个标签，设置标签以等间距进行设置，将设置的标签围成矩形区域，在矩形区域的四个顶角处分别设置读写器(如图1所示)；其次，以读写器R1为例，通过读写器R1采集离线状态和在线状态下标签的信号值并计算出期望和标准差，通过将在线状态和离线状态下标签的期望以及标准差进行对比，找出信号值可能发生变化的标签，排除由环境引起的变化，精确找到信号值变化的标签，最后R1根据信号值变化标签的坐标进行椭圆拟合，得出定位目标的大致位置(如图2所示)；用同样的方法可以得出读写器R2、R3和R4根据信号值变化标签的坐标进行椭圆拟合后得出定位目标的大致位置(如图3-5)；最后，将R1、R2、R3和R4得出的位置进行叠加，然后求出叠加后区域的质心，质心即为目标的定位坐标(如图6所示)。

Claims (5)

1.一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在室内设置读写器和标签；

步骤2：分别在离线状态和在线状态下通过所述步骤1中的读写器采集标签的信号值；

步骤3：找出离线状态与在线状态信号值可能发生变化的标签；

步骤4：排除所述步骤3中由于环境影响造成信号值发生变化的标签，精确找到信号值变化的标签；

步骤5：记录所述步骤4中找到的信号值发生变化标签的坐标，根据椭圆拟合的方法拟合出椭圆方程，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1*x^2+{\mathrm{\β}}_1*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_1*y^2+{\mathrm{\μ}}_1*x+{\mathrm{\ρ}}_1*y+{\mathrm{\ω}}_1\≤0\\ {\mathrm{\α}}_2*x^2+{\mathrm{\β}}_2*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_2*y^2+{\mathrm{\μ}}_2*x+{\mathrm{\ρ}}_2*y+{\mathrm{\ω}}_2\≤0\\ {\mathrm{\α}}_3*x^2+{\mathrm{\β}}_3*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_3*y^2+{\mathrm{\μ}}_3*x+{\mathrm{\ρ}}_3*y+{\mathrm{\ω}}_3\≤0\\ ......\\ {\mathrm{\α}}_m*x^2+{\mathrm{\β}}_m*\mathrm{xy}+{\mathrm{\θ}}_m*y^2+{\mathrm{\μ}}_m*x+{\mathrm{\ρ}}_m*y+{\mathrm{\ω}}_m\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x和y为信号值发生变化标签的坐标，α、β、θ、μ、ρ、ω为拟合出来的椭圆系数，m为某一读写器找到的信号值变化的标签的个数；

联立求出椭圆的叠加区域，然后求该区域的质心，质心即为目标的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，其特征在于，所述步骤1中设置标签以等间距进行设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，其特征在于，所述步骤1中设置读写器的具体方法为：

将设置的标签围成矩形区域，至少在所述矩形区域的四个顶角处分别设置读写器。

4.根据权利要求1所述的一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，其特征在于，所述步骤3找出离线状态与在线状态信号值发生变化的标签的具体方法为：

步骤3.1：计算所述步骤2中离线状态下采集到的标签信号值的期望E_i和标准差D_i：

$E_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(r_{i,j}*w_i)}{k}---\left(2\right)$

$D_i=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_i-E_i)}^2}---\left(3\right)$

上式中，i表示标签的编号，r_i，j为离线状态下第i个标签第j次采集到的信号值，num(r_i)代表所读取该标签信号值为r_i的个数，count代表读取到的该标签的所有信号值的个数；

计算所述步骤2中在线状态下采集到的标签信号值的期望R_i：

$R_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k(S_{i,j}*w_i)}{k}---\left(4\right)$

其中，S_i，j为在线状态下第i个标签第j次采集到的信号值；

步骤3.2：判断R_i是否满足公式(5)：

E_i-D_i≤R_i≤E_i+D_i   (5)

如果R_i不满足公式(5)，则说明该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之没有发生变化。

5.根据权利要求1所述的一种基于近邻标签信号差值变化的RFID室内定位方法，其特征在于，所述步骤4中排除由于环境影响造成信号值发生变化的标签的具体方法为：

步骤4.1：计算离线状态下标签和与其邻近的标签信号值的差：

具体计算方法为：dif＝r_i－r_i’，r_i表示第i个标签的信号值，r_i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.2：计算所述步骤4.1中差值的期望E_i，i’和标准差D_i，i’；

$E_{{i,i}^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{{i,i}^{,},m}*w_{{i,i}^{,}})}{k}---\left(6\right)$

$D_{{i,i}^{,}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{count}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{count}}{(r_{{i,i}^{,}}-E_{{i,i}^{,}})}^2}---\left(7\right)$

上式中，r_i，i’，m为第m次采集第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i，i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.3：以所述步骤3中求出的信号值发生变化的标签为中心，计算出和与其邻近的标签信号值的差：

具体计算方法为：dif＝r_i－r_i’，r_i表示第i个标签的信号值，r_i’表示与第i个标签邻近的第i’个标签的信号值；

步骤4.4：计算所述步骤4.3中差值的期望R_i，i’；

$R_{{i,i}^{,}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^k(r_{{i,i}^{,},m}*w_{{i,i}^{,}})}{k}---\left(8\right)$

其中，其中，r_i，i’，m为第m次采集第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值，num(r_i,i’)代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的信号差值为r_i，i’的个数，count代表第i个标签与其邻近的第i’个标签的所有信号差值的总个数；

步骤4.5：判断R_i，i’是否满足公式(9)：

E_i，i’-D_i，i’≤R_i，i’≤E_i，i’+D_i，i’   (9)

如果R_i，i’不满足公式(9)，则说明排除环境影响后，该标签的信号值在离线与在线状态下不相同，发生了变化；反之说明该标签在所述步骤3中发生变化是由于环境的影响。