CN105373753A - 一种利用移动rfid阅读器对应答器搜索和相对定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用移动RFID阅读器寻找应答器并对应答器进行相对定位的方法，包括阅读器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe，用RSSe对RSS进行修正，得到探索周期应答器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为应答器的返回信号强度；根据阅读器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到应答器与阅读器之间的距离。本发明改变了传统RFID技术主要用于读取应答器ID的应用方式，适合于探测和定位隐蔽工程中的RFID应答器，也适用于通过探测应答器来触发读取操作，降低阅读器功耗。

Description

一种利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，尤其涉及一种利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法。

背景技术

隐蔽工程是指地基、电气管线、供水供热管线等需要覆盖、掩盖的工程。随着射频识别技术的发展，低频RFID应答器越来越多地应用到隐蔽工程中，用于标识隐蔽工程中的关键设施，防止关键设施被破坏，进一步实现隐蔽资产的信息化管理，关键设施性能参数的采集等。那么在一定的范围内，如何快速找到并准确定位隐蔽工程中的标识关键设施的应答器，并读取其ID信息，是必须解决的问题。传统的RFID的核心应用是对应答器ID的读取，没有在一定区域内对隐蔽的应答器进行搜索和准确定位的能力。

目前依赖于成功读取到应答器ID才能确定是否有应答器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法，旨在解决目前依赖于成功读取到应答器ID才能确定是否有应答器，以及无法对隐蔽工程中的应答器进行准确定位的问题。

本发明是这样实现的：所述利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法包括：阅读器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe，用RSSe对RSS进行修正，得到该探索周期应答器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为应答器的返回信号强度，该RSSa反映了阅读器周围是否存在应答器及应答器的相对位置；根据阅读器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到应答器与阅读器之间的距离，实现应答器的准确定位。

进一步，应答器探索信号是阅读器周期性地发射的一小段一小段的载波信号。每个小段的载波周期数为N，每个小段之间的间隔为T，T和N均可由实验确定：N的取值确保应答器天线感应到足够能量；T的取值要确保应答器前一个探索周期的返回信号不会干扰本周期信号强度信号的计算，即应答器上一周期接收的能量已经完全衰减。

进一步，所述阅读器首先测量环境信号强度RSSe；然后发射N个周期的探测性载波信号，再之后测量返回信号强度RSS，两次测量方法相同，并构成一个探索周期，根据RSSe和RSS得到该探索周期的有效信号强度RSSr。

进一步，用发射探测载波后得到的信号强度RSS，有条件减去环境信号强度RSSe，如公式：

$RSSr=\left\{\begin{array}{cc}0,& \begin{array}{cc}if& RSS<RSSe\end{array}\\ RSS-RSSe,& else\end{array}\right.$

进一步，取M个探索周期的RSSr的平均值作为RSSa，构成一个信号强度更新周期，如公式：

$RSSa=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\mathrm{RSSr}}_i.$

本发明的另一目的在于提供一种所述信号强度RSSa的计算方法的阅读器，所述阅读器由FPGA模块、发射电路模块、接收电路模块、放大滤波模块、AD转换模块；发射电路模块2和接受电路模块3与天线连接：

FPGA模块，用于输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算；

发射电路模块，与FPGA模块连接，用于将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；

接收电路模块，与发射电路模块连接，与天线相连，用于从天线接收应答器返回信号；

放大滤波模块，与接收电路模块连接，用于接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；

AD转换模块，与放大滤波模块连接，用于对放大滤波后的信号进行固定周期采样；

所述FPGA模块进一步包括：

输入输出控制器，用于对键盘输入进行编解码，生成用户命令；

信号调制模块，用于产生载波信号及将需要发送给应答器的命令调制在载波信号上；

数字滤波模块，用于对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰；

波形识别模块，用于对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；

RSS计算及解码模块，用于从波形数据中计算接收信号强度，依据应答器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取应答器返回的数据。

本发明的另一目的在于提供一种属于所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的电气管线。

本发明的另一目的在于提供一种属于所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的供水、供热管线。

本发明的另一目的在于提供一种属于所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的给水、排水管线。

本发明的另一目的在于提供一种属于所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的电力、通信管线。

本发明的另一目的在于提供一种属于所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的石油、然气管线。

本发明提供的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法，阅读器发射一段载波信号后，紧接着测量接收信号强度RSS，依据RSS来确定应答器的有无以及与阅读器的相对方位和距离。基本原理是：载波信号结束后，由于应答器自身谐振电路的存在，会产生逐渐衰减的谐振频率信号，阅读器接收该信号并计算对应的接收信号强度RSS，该RSS值由应答器与阅读器的相对方位和距离决定；为消除环境干扰，阅读器发射载波前，首先测量空载时的接收信号强度作为环境信号强度RSSe，用RSSe对RSS进行修正。该方法改变了传统RFID技术主要用于读取应答器ID的应用方式，特别适合于探测和定位隐蔽工程中的RFID应答器，也适用于传统应用中，通过探测应答器来触发读取操作，降低阅读器功耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、无需执行应答器ID读取操作，即可判断阅读器电磁场内是否有应答器；

2、能够对隐蔽处的应答器进行准确的相对定位(相对于阅读器天线位置)。依据返回信号强度的变化趋势，移动阅读器，找到信号强度的最大值，则可根据该最大值得到阅读器与应答器之间的距离，从而能够准确对应答器进行相对定位；

3、传统应用中，应用本方法首先探测，利用探测结果来触发应答器ID读取操作，降低阅读器工作功耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的阅读器结构示意图；

图中：1、AlteraFPGA；2、发射电路模块；3、接收电路模块；4、放大滤波模块；5、AD转换模块；11、FPGA逻辑实现的输入/输出控制器；12、FPGA内部NIOSII处理器；13、FPGA逻辑实现的信号调制模块、14、FPGA逻辑实现的数字滤波器；15、FPGA逻辑实现的波形识别模块；16、FPGA逻辑实现的RSS计算及解码模块。

图3是本发明实施例提供的利用移动RFID阅读器对应答器进行探索时，信号强度计算及探索脉冲发送的示意图。

图4是本发明实施例提供的利用阅读器在指定区域搜索应答器以及对应答器进行定位的基本原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本实施例基于阅读器(如图2所示)和应答器，频率为100KHz，此方法适用的阅读器、应答器及工作频率不限于此。阅读器由FPGA模块1、发射电路模块2、接收电路模块3、放大滤波模块4、AD转换模块5等构成。FPGA内部包括输入输出控制器11、NIOSII处理器12、信号调制模块13、数字滤波模块14、波形识别模块15、RSS计算及解码模块16。FPGA与LCD显示器及键盘连接，发射电路模块2和接受电路模块3与天线连接：

FPGA模块1：是阅读器的核心，功能包括输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算。其中：

输入输出控制器11：对键盘输入进行编解码，生成用户命令；

信号调制模块13：将需要发送给应答器的命令调制在载波信号上，本实施例中采用100％调幅方式；

数字滤波模块14：对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰。本实施例中采用64阶FIR滤波器；

波形识别模块15：对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；

RSS计算及解码模块16：从波形数据中计算接收信号强度，依据应答器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取应答器返回的数据；

发射电路模块2：与FPGA模块1连接，核心是功放电路，将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去。

接收电路模块3：与发射电路模块2连接，与天线相连，从天线接收应答器返回信号。本实施例中发射和接收用同一个天线；

放大滤波模块4：与接收电路模块3连接，接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；

AD转换模块5：与放大滤波模块4连接，对放大滤波后的信号进行固定周期采样(本实施例中，AD分辨率为12bit，采样周期为1us)。

各模块之间的连接关系如图2所示。其一般工作流程描述如下：

FPGA从键盘接受用户输入，NIOSII处理器将用户输入解析成一次任务(如读应答器ID、写应答器ID、应答器探索等)，并将任务转换为阅读器操作命令的数据，发送给信号调制模块；信号调制模块将数据调制到载波信号，本实施例中采用100％调幅方式；调制后的信号由发射电路进行功率放大，从天线发射；接收电路从天线接收信号，经过滤波放大后，由AD转换模块转换为数字信号；进而，数字信号经过FPGA内部的数字滤波模块、波形识别模块及RSS计算及解码模块后，完成本次命令任务：

读取应答器ID：解码出应答器返回的ID；

向应答器写入ID：将用户输入的ID写入到应答器；

应答器探索：获取并计算一个探索周期应答器返回信号强度，由NIOSII处理器读取并更新；

其他功能。

本发明主要提出了一种利用移动阅读器探索应答器的方法。下面给出了实施例中的实现细节。

如图3所示，阅读器在t1检测环境信号强度RSSe，在t2发射N个周期的载波信号，t3再检测信号强度RSS，t4为空闲，构成一个探索周期，计算该探索周期的信号强度RSSr。两个探索周期的时间间隔为T。计算M个探索周期的RSSr的平均值作为接收信号强度，M个探索周期构成一个更新周期。

利用阅读器在指定区域搜索应答器以及对应答器进行定位的基本原理示意图如图4；(1)阅读器天线平面与应答器天线平面平行且中心同轴(r1＝0)；(2)阅读器天线平面与应答器天线平面平行且中心不同轴(r2>0)；(3)阅读器天线平面与应答器天线平面平行且中心同轴(r3＝0)；说明：对比(1)和(3)，d1>d2，r1＝r3＝0，则RSS1<RSS3；对比(1)和(2)，d1＝d3，r1＝0，r2>0，则RSS1>RSS2；对比(2)和(3)，通过移动阅读器，能够转换为(1)和(3)的情况；依据上述原理，阅读器接收到的RSS由它与应答器的相对方位和距离确定，因此，根据RSS变化趋势，实现对应答器的准确定位；这里给出阅读器对应答器进行搜索和定位时，阅读器的工作步骤(图1)：

S100：阅读器初始化寄存器n＝0,s_rss＝0；

S101：阅读器计算接收信号强度RSSe，将RSSe作为环境干扰信号强度。在本发明实例中，RSSe的计算方法是，用1Mhz采样速率的AD转换器对接收信号进行采样，FPGA波形识别模块鉴别出32个脉冲信号。对这32个脉冲信号中周期为10uS(频率＝100KHz)的脉冲的峰峰值进行求和，然后除以32，得到本探测周期的RSSe。

S102：阅读器发射N个周期的100KHz载波信号。在本发明实例中，N的取值为38，是依据我们所使用的应答器类型、阅读器发射功率，通过实验方法确定的。

S103：停止载波发射，计算接收信号强度RSS。在本发明实例中，RSS的计算方法与S101相同。

S104：计算一个探索周期的有效信号强度RSSr。在本发明实例中，有效信号强度RSSr的计算方法如下：

$RSSr=\left\{\begin{array}{cc}0,& \begin{array}{cc}if& RSS<RSSe\end{array}\\ RSS-RSSe,& else\end{array}\right.$

S105：更新RSS累加和寄存器和计数器。本发明实例中，为了提高探测精度，获取稳定的接收信号强度数据，采用对多次探测得到的有效信号强度求平均作为当前时刻阅读器的接收信号强度的方法。

S106：判断计数值是否达到预设值，若没有转S107，否则转S108。本发明中预设值为32，即对32个探索周期的有效信号强度RSSr进行平均，作为阅读器当前时刻计算的信号强度RSSa，如公式：

$RSSa=\frac{1}{32}\underset{i=1}{\overset{a2}{\&Sigma;}}{\mathrm{RSSr}}_i$

S107：等待一段时间t₄。在本发明实例中，t₄的取值为10mS，是依据应答器类型、应用中应答器与阅读器的距离范围以及阅读器功率，通过实验确定的。等待一段时间的目的是消除上次探测对本次信号强度估计的影响。

S108：输出当前时刻阅读器计算得到的信号强度RSSa，亦可输出通过计算或查表方式得到的应答器与阅读器的相对距离。本发明实例中，信号强度与距离之间的对应关系，是通过实验的方式获取数据，并拟合成信号强度与距离的关系曲线，存储在系统中，以RSSa作为索引则可查找得到当前的距离值：D＝DISTANCE(RSSa)。

S109：应答器返回信号强度计算一个周期结束，复位寄存器：n＝0,s_rss＝0。依据用户下输入，开始下一个信号强度计算周期或结束探测模式。

本发明的工作原理：

本发明的阅读器首先计算接收信号强度RSSe，RSSe作为当前环境的干扰信号的强度；然后，发送一段较短的载波信号(通常数十个周期)，然后检测返回信号强度RSS，用RSS去除RSSe得到信号强度RSSr，RSSr称为有效信号强度。周期性地执行上述过程，并计算多个周期的有效信号强度的均值(RSSa)作为应答器的返回信号强度。如图4所示，那么当阅读器靠近应答器时，信号强度RSSa大，当阅读器远离应答器时，接收信号强度RSSa小，从而可以确定应答器的方位，并依据特定方位上的接收信号强度RSSa，估计应答器与阅读器之间的距离，准确定位应答器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法，其特征在于，所述利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法包括：

首先阅读器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe；

其次用RSSe对RSS进行修正，得到探索周期应答器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为应答器的返回信号强度；

最后根据阅读器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到应答器与阅读器之间的距离，实现应答器的准确定位。

2.如权利要求1所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法，其特征在于，应答器探索信号是阅读器周期性地发射的一小段一小段的载波信号，每个小段的载波周期数为N，每个小段之间的间隔为T，T和N均可由实验确定：N的取值确保应答器天线感应到足够能量；T的取值要确保应答器前一个探索周期的返回信号不会干扰本周期信号强度信号的计算，即应答器上一周期接收的能量已经完全衰减。

3.如权利要求1所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法，其特征在于，所述阅读器首先测量环境信号强度RSSe；然后发射N个周期的探测性载波信号，再之后测量返回信号强度RSS，两次测量方法相同，并构成一个探索周期，根据RSSe和RSS得到该探索周期的有效信号强度RSSr；

用发射探测载波后得到的信号强度RSS，有条件减去环境信号强度RSSe，如公式：

$RSSr=\left\{\begin{array}{cc}0,& ifRSS<RSSe\\ RSS-RSSe,& else\end{array}\right..$

4.如权利要求1所述的信号强度RSSa的计算方法，其特征在于，取M个探索周期的RSSr的平均值作为RSSa，构成一个信号强度更新周期，如公式：

$RSSa=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\mathrm{RSSr}}_i.$

5.一种如权利要求1所述信号强度RSSa的计算方法的阅读器，其特征在于，所述阅读器由FPGA模块、发射电路模块、接收电路模块、放大滤波模块、AD转换模块；发射电路模块和接受电路模块与天线连接：

FPGA模块，用于输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算；

发射电路模块，与FPGA模块连接，用于将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；

接收电路模块，与发射电路模块连接，与天线相连，用于从天线接收应答器返回信号；

放大滤波模块，与接收电路模块连接，接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；

AD转换模块，与放大滤波模块连接，用于对放大滤波后的信号进行固定周期采样；

所述FPGA模块进一步包括：

输入输出控制器，用于对键盘输入进行编解码，生成用户命令；

信号调制模块，用于载波信号的产生及将需要发送给应答器的命令调制在载波信号上；

数字滤波模块，用于对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰；

波形识别模块，用于对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；

RSS计算及解码模块，用于从波形数据中计算接收信号强度，依据应答器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取应答器返回的数据。

6.一种属于权利要求1-4任意一项所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的电气管线。

7.一种属于权利要求1-4任意一项所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的供水、供热管线。

8.一种属于权利要求1-4任意一项所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的给水、排水管线。

9.一种属于权利要求1-4任意一项所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的电力、通信管线。

10.一种属于权利要求1-4任意一项所述的利用移动RFID阅读器对应答器搜索和相对定位的方法的石油、然气管线。