CN107632284A - 一款基于wifi和rfid技术的移动式室内智能定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统及方法，本发明在基于RFID技术的室内定位领域中，首次提出将WIFI技术与RFID技术相结合的思路，首次成功搭建移动式智能定位硬件系统，解决了传统基于RFID技术的室内定位方法存在的弊端。本发明通过装载射频阅读器及天线的小车，在室内自主移动并接收无线标签的反馈信息，可以最大限度遍历室内空间并近距离接触待定位目标，可以大幅度提高定位精度同时降低射频信号功率；该项发明可以减小RFID发射功率对定位精度的直接影响，打破RFID在室内定位领域应用中受到的距离限制及对室内场景的敏感。

Description

一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统及方法

技术领域

本发明属于定位导航与控制领域，具体涉及一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统及方法。

背景技术

射频识别(以下简称RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，基本原理是以电磁场为媒介进行能量和信息交互，实现对目标物体的识别。RFID系统包含射频阅读器、天线和无线标签，标签附着在被识别物体表面，其中保存有约定格式的电子数据，可通过微型天线与阅读器无接触地进行信息传递。

众所周之，GPS系统已大量应用于实时定位领域，但在室内环境中并不能实现精确定位。目前，人们对室内短距离定位的应用需求急剧增加，各种新兴的室内无线定位技术应运而生，如红外线、超声波、蓝牙、WIFI和RFID等。但由于各类室内障碍物对定位精度的影响，以及系统硬件体积和成本对应用的限制，至今，该类技术在室内定位领域尚未普及。

相比于其它室内定位技术，RFID由于其非接触和非视距等诸多优点被广泛看好。目前，RFID技术已在物联网中得以应用，但主要进行物品识别和信息检索。由于多径效应及防碰撞技术等限制，该技术尚且处于理论研究阶段。目前提出的室内定位算法基本都单一地依靠RFID技术，主要基于射频信号功率与传播距离的关系，采用多点定位算法计算目标标签的位置。该类算法要求阅读器和射频天线个数不少于三个，且对信号强度和频段要求较高，算法复杂度与定位精度成正比，因此无论从设计难度还是实现成本角度考虑，都不利于其大面积推广。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统及方法，当需要定位某目标物品时，用户通过系统提供的软件发出检索标签命令，此时小车在室内基于一定策略自主移动，其上装载的射频阅读器通过射频天线不断发射信号，查询信号覆盖范围内的所有标签信息。该信息实时返回并记录在阅读器中，系统基于一定算法给出标签实际位置，并通过软件界面，成比例显示目标物品在场景模型中的位置。

为了达到上述目的，一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，包括PC终端、小车、射频阅读器、射频天线和无线标签；PC终端内置有控制软件，并连接第一WiFi模块；小车内置有单片机，并能够连接阅读器，阅读器连接射频天线，射频天线通过射频信号连接无线标签，同时小车上设置有第二WiFi模块，能够与PC终端建立无线连接。

所述控制软件用于通过WIFI模块配置工具，配置第一WIFI模块和第二WiFi模块的工作模式、参数和串口参数，建立两个WIFI模块的一对一连接；可对阅读器进行配置，发送标签检索起、止命令；同时，通过UHF RFID Reader Demo，在PC机上设置阅读器基本参数，建立PC机与阅读器的远程连接，并进行标签测试。

所述的第一WiFi模块通过串口线连接PC机RS232接口，第二WiFi模块通过串口线连接阅读器的UART接口。

所述阅读器的一路GPIO端口与单片机一路P1端口连接。

所述PC终端所采用的定位算法是基于时间参数的二维线性定位算法。

所述PC终端能够采用手机终端替代。

一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，为待识别或定位的目标物体，分别贴上无线标签，并将此对应关系录入系统后台的数据库中；

步骤二，按照实际场景在X、Y方向成比例建立二维场景模型；

步骤三，布置参考标签并完成信息录入；

步骤四，通过PC机向阅读器发送“标签检索”命令，阅读器收到命令，传至单片机，启动小车，小车按照自循迹策略在室内移动，通过射频天线发送读标签信号，并将沿途接收到的标签返回信号实时反馈至阅读器，并存入数据库中；

步骤五，完成“标签检索”任务后，阅读器将保存射频天线可识别范围内的所有参考及目标标签的信息，以及识别该标签瞬间的时间信息；

步骤六，根据识别到目标标签时刻的时间信息，能够线性计算目标标签在实际场景中的位置；同时，实际和模型场景在X、Y方向的比例关系已知，从而间接计算出目标标签在场景模型中的位置，通过“目标定位”命令，能够自动得到目标标签在模型中的定位结果。

进行移动式物品信息检索时，小车采用自循迹路径规划策略行驶，自循迹是遵循障碍物行进，同时有效躲避障碍；

小车左侧和正前方均设置有超声波传感器，小车按照自循迹策略在室内移动具有以下四种情况：

情况一，在长距离笔直墙面的区域，小车与墙面保持的间距，左右误差小于δ；

情况二，当小车行进中，车与左侧墙面的间距突然大于时，若测得车与左侧障碍物的距离小于前方距离，认为小车有远离障碍的趋势，小车左转90°后直行；

情况三，当小车从任意位置启动时，周围无障碍物，若测得车与前方障碍物间距大于，小车可直行寻找最近的障碍，距左侧障碍物远则直行寻障，距前方障碍物远则左转90°后直行寻障；

情况四，遇到四面或多面的独立障碍物时，按照前述循障方法将进入死循环，此时，当小车发生连续三次以上90°左转时，视为进入死循环，回归初始状态。

对不经常移动的目标，需查看标签信息或进行定位时，跳过“标签检索”，直接进行“目标定位”。

与现有技术相比，本发明在室内定位领域中，首次提出将WIFI技术与RFID技术相结合的思路，首次成功搭建移动式智能定位硬件系统，解决了传统基于RFID技术的室内定位方法存在的弊端。本发明通过装载射频阅读器及天线的小车，在室内自主移动并接收无线标签的反馈信息，可以最大限度遍历室内空间并近距离接触待定位目标，可以大幅度提高定位精度同时降低射频信号功率；该项发明可以减小RFID发射功率对定位精度的直接影响，打破RFID在室内定位领域应用中受到的距离限制及对室内场景的敏感。本发明将检索到的信息通过WIFI传递至PC终端，使用户可以通过电脑界面远程观看标签信息及定位结果，方便用户进行信息维护，可以省去较多人力劳动和时间成本，提高人类生活的智能化水平。同时，目标定位结果可实现界面化显示，使用户通过模拟场景中目标标签位置的比对，快速准确判断目标物体在实际场景中的位置。

本系统的方法首次实现了基于射频识别技术的智能移动式室内定位，能够通过小车移动巧妙躲避室内障碍物的干扰，尽可能保证在移动过程中目标标签被有效识别，更好地满足了较复杂的室内应用环境；且小车移动过程无需人工干预，更好地实现室内定位的智能化和便捷性。

进一步的，本发明能够将室内定位思想应用于智能家居领域，具有极强的创新性；在后续应用中，该系统可以推广至各个领域，也可将PC机用手机终端替代。如果在家、超市、医院、机场、停车场、仓库等安放RFID读写器，系统可以实时检测带有RFID标签的目标的位置、状态、移动方向等信息，物品寻找、超市购物、病患监护、行李寄存和车辆停放等事件将变得更加高效便捷。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中阅读器的连接示意图；

图3为本发明小车自循迹策略场景示意图；其中(a)为循障；(b)为左转循障；(c)为右转循障；(d)为四面独立障碍；(e)为无障碍；

图4为本发明中单片机的硬件连接图；

图5为本发明中小车轨迹控制原理框图；

图6为本发明中小车姿态控制原理框图；

图7为本发明中小车运动控制程序流程图；

图8为本发明应用于智能家居领域的定位系统场景模型示意图；

图9为本发明基于模型的二维线性定位算法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统包括PC机、小车、射频阅读器、射频天线与无线标签，系统组网包含三部分：一、建立阅读器与PC机的无线连接；二、建立小车与阅读器的连接；三、建立阅读器与无线标签的连接。前两部分为申请保护点，其硬件实现过程如下：一、将两个WIFI模块，分别通过串口线连至PC机RS232接口和射频阅读器UART接口。二、将阅读器的一路GPIO端口(GPIO3)与单片机的一路P1端口(P1.6)进行物理连接。在系统定位过程中，结合PC终端软件的定位算法、标签检索结果及参考场景模型，实现目标的定位。

本系统中的WIFI模块为HLK-M35型模块，采用5V直流电源供电，工作频谱2.4GHz，输出功率范围15～18dBm，串行通信波特率为115200bps，最大传播距离300m。软件实现过程为：通过WIFI模块配置工具，配置WIFI模块工作模式、参数和串口参数，建立两个WIFI模块的一对一连接。

本系统中的阅读器为M500型超高频RFID模块，采用5V直流电源供电，工作频谱范围902～928MHz，输出功率范围18～26dBm，通信波特率为115200bps；对本系统采用的天线，可识别范围为2～3m。硬件连接如附图2所示。软件实现过程为：对阅读器的GPIO3端口进行配置，使发送标签检索起、止命令时，该路输出电平发生跳变；同时，通过UHF RFID ReaderDemo工具，在PC机上设置阅读器基本参数，建立PC机与阅读器的远程连接，并进行标签测试。

由于小车作为整个系统的硬件平台，装载单片机及其最小系统板、阅读器及射频天线、WIFI模块等部件，单片机的四路P1端口(P1.0、P1.1、P1.4、P1.5)作为小车运动控制信号，输出至四个车轮的电机驱动器上；同时，P1.6端口状态将受阅读器控制。因此，阅读器与小车可建立有线连接。

其次，所述的基于小车、射频阅读器、射频天线和无线标签实现移动式物品信息检索，包括两部分：一、小车移动路径规划方法；二、小车姿态与轨迹控制系统的软硬件实现。

本系统中的小车基于自寻迹的路径规划思想，即以室内障碍物为参照，始终维持车体与障碍保持一定距离，沿着障碍物行进。只要整个室内有边界分明的障碍，小车就可以智能完成室内移动。这里采用超声波传感器进行测距，在小车左侧和正前方各安装一个超声波传感器，保证小车以一定间隔沿左侧障碍物平稳行驶，且可以有效检测并及时躲避前方障碍。小车的工作模式包含避障和循障两种，特殊时会出现死循环和无障碍的情况，下文针对具体模式进行详细介绍。

循障模式下的两种情况：第一种，以室内主要障碍——墙面为例，在长距离笔直墙面的区域，此时要求小车与墙面保持R的间距，左右误差小于δ，如图3(a)；第二种，当小车行进中，车与左侧墙面的间距突然大于2R时，若测得车与左侧障碍物的距离小于前方距离，认为小车有远离障碍的趋势，此时要求小车左转90°后直行，如图3(b)。

避障模式下的一种情况：若小车行进中，距离前方障碍小到R时，要求右转90°后，继续以R为间隔沿左侧障碍行驶，如图3(c)。

特殊模式下的两种情况：第一种情况通常发生在初始时刻，当小车从任意位置启动时，周围无障碍物，若测得车与前方障碍物间距大于R，则要求小车直行寻找最近的障碍，距左侧障碍物远则直行寻障，距前方障碍物远则左转90°后直行寻障，如图3(d)；第二种，遇到四面或多面的独立障碍物时，按照前述循障方法将进入死循环，此时，当小车发生连续三次以上90°左转时，视为进入死循环，要求回归初始状态，如图3(e)。

本小车控制系统，以单片机系统板为基板，在其上固定四个车轮及电机、单片机、测距传感器、直流蓄电池座，以及电机驱动芯片和电源管理芯片等部件。单片机系统采用STC89C52型单片机作为核心控制器，11.059MHz时钟晶振；两节18650型直流蓄电池，经电源管理芯片后产生5V直流电压，供单片机系统和电机使用；检测装置采用HC-SR04型超声波传感器，该传感器通过检测收发超声波信号的时间差进行测距，测距额定范围为2cm～500cm，精度达1cm，室内超声波传输介质为空气，常见障碍物均支持超声波反射。该单片机系统硬件连接如附图4所示。

当小车行进时，超声波传感器检测到车体与左侧障碍的距离和期望距离之间是否存在偏差，若有则根据偏差大小和正负计算修正值，产生可使小车趋向于修正偏差方向转动的控制指令，电机根据指令产生动作，使小车沿着要求的方向行驶，系统控制框图如附图5所示。

由于上述轨迹控制是基于当前车体姿态下测距传感器与障碍之间的直线距离，因此，为保证实测距离的有效性，需先保证车体与障碍保持平行，即小车姿态控制。本系统采取两次检测间距求差的方法确定当前车体姿态。当小车平行于障碍边界行驶时，当前时刻与下一时刻测得间距相等；当小车车体相对于障碍物左偏时，当前时刻测得的距离将大于下一时刻测得的值；反之，下一时刻测得间距大，系统控制框图如附图6所示。

上述路径规划及姿、轨控制方法均由单片机发出，采用C语言编程，程序流程如附图7所示。

最后，所述的基于射频阅读器、射频天线、无线标签、小车及电脑终端软件的定位算法及参考模型实现目标的快速定位，分三步实现：一、建立场景模型、布置参考标签；二、基于RFID的标签识别及识别时刻信息提取；三、基于参考模型的二维线性定位算法实现。

本系统提供界面式操作的软件，可支持用户进行标签信息录入、场景模型建立、标签识别和定位，以及结果的界面化显示。首先，为待识别或定位的目标物体，分别贴上无线标签(即所述的“目标标签”)，并将此对应关系录入系统后台的数据库中；其次，按照实际场景建立二维场景模型(该模型自建立后可长期使用)，该模型在X、Y方向分别与实际场景成一定比例关系(该模型仅供示意，因此户型和障碍物的具体位置及形状无需非常精确)，软件提供建立模型所需绘图控件，可直接通过手绘实现，如附图8所示；最后，布置参考标签并完成信息录入。在实际场景中布置参考标签，应以保证覆盖率且互相之间不发生碰撞为原则，并且尽可能粘贴在固定及不遮挡射频信号的物体上。布置完成后，根据参考标签在实际场景中的准确位置，按实际与模型的缩放比例，将参考标签在场景模型中的坐标值逐一录入数据库中。

用户需要定位目标时，先通过PC向阅读器发送“标签检索”命令，此时阅读器收到命令，传至单片机，启动小车，小车按照自循迹策略在室内移动，通过射频天线发送读标签信号，并将沿途接收到的标签返回信号实时反馈至阅读器，并存入数据库中。

当完成“标签检索”任务后，阅读器将保存射频天线可识别范围内的所有参考及目标标签的信息，以及识别该标签瞬间的时间信息。由于小车始终进行匀速直线运动，且参考标签的实际位置已知，则根据识别到目标标签时刻的时间信息，可线性计算目标标签在实际场景中的位置；同时，实际和模型场景在X、Y方向的比例关系已知，从而可以间接计算出目标标签在场景模型中的位置，通过“目标定位”命令，可自动得到目标标签在模型中的定位结果，如附图9所示。标签信息的更新周期可视情况而定，对不经常移动的目标，需查看标签信息或进行定位时，可以跳过“目标搜索”，直接进行“目标定位”。

Claims (9)

1.一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，包括PC终端、小车、射频阅读器、射频天线和无线标签；PC终端内置有控制软件，并连接第一WiFi模块；小车内置有单片机，并能够连接阅读器，阅读器连接射频天线，射频天线通过射频信号连接无线标签，小车上设置有第二WiFi模块，能够与PC终端建立无线连接。

2.根据权利要求1所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，所述控制软件用于通过WIFI模块配置工具，配置第一WIFI模块和第二WiFi模块的工作模式、参数和串口参数，建立两个WIFI模块的一对一连接；对阅读器进行配置，发送标签检索起、止命令；通过UHF RFID Reader Demo，在PC机上设置阅读器基本参数，建立PC机与阅读器的远程连接，并进行标签测试。

3.根据权利要求1所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，所述的第一WiFi模块通过串口线连接PC机RS232接口，第二WiFi模块通过串口线连接阅读器的UART接口。

4.根据权利要求1所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，所述阅读器的一路GPIO端口与单片机一路P1端口连接。

5.根据权利要求1所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，所述PC终端所采用的定位算法是基于时间参数的二维线性定位算法。

6.根据权利要求1所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统，其特征在于，所述PC终端能够采用手机终端替代。

7.一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，为待识别或定位的目标物体，分别贴上无线标签，并将此对应关系录入系统后台的数据库中；

步骤二，按照实际场景在X、Y方向成比例建立二维场景模型；

步骤三，布置参考标签并完成信息录入；

步骤四，通过PC机向阅读器发送“标签检索”命令，阅读器收到命令，传至单片机，启动小车，小车按照自循迹策略在室内移动，通过射频天线发送读标签信号，并将沿途接收到的标签返回信号实时反馈至阅读器，并存入数据库中；

步骤五，完成“标签检索”任务后，阅读器将保存射频天线可识别范围内的所有参考及目标标签的信息，以及识别该标签瞬间的时间信息；

步骤六，根据识别到目标标签时刻的时间信息，能够线性计算目标标签在实际场景中的位置；同时，实际和模型场景在X、Y方向的比例关系已知，从而间接计算出目标标签在场景模型中的位置，通过“目标定位”命令，能够自动得到目标标签在模型中的定位结果。

8.权利要求7所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统的工作方法，其特征在于，进行移动式物品信息检索时，小车采用自循迹路径规划策略行驶，自循迹是遵循障碍物行进，同时有效躲避障碍；

小车左侧和正前方均设置有超声波传感器，小车按照自循迹策略在室内移动具有以下四种情况：

情况一，在长距离笔直墙面的区域，小车与墙面保持R的间距，左右误差小于δ；

情况二，当小车行进中，车与左侧墙面的间距突然大于2R时，若测得车与左侧障碍物的距离小于前方距离，认为小车有远离障碍的趋势，小车左转90°后直行；

情况三，当小车从任意位置启动时，周围无障碍物，若测得车与前方障碍物间距大于R，小车可直行寻找最近的障碍，距左侧障碍物远则直行寻障，距前方障碍物远则左转90°后直行寻障；

情况四，遇到四面或多面的独立障碍物时，按照前述循障方法将进入死循环，此时，当小车发生连续三次以上90°左转时，视为进入死循环，回归初始状态。

9.根据权利要求7所述的一款基于WIFI和RFID技术的移动式室内智能定位系统的工作方法，其特征在于，对不经常移动的目标，需查看标签信息或进行定位时，跳过“标签检索”，直接进行“目标定位”。