CN109254264A - 一种改进的uhf-rfid定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的UHF‑RFID定位方法,包括以下步骤:A、在测量区域内设置若干RFID读写器天线和参考标签;B、使用RFID读写器天线测量各参考标签的RSSI值,计算功率‑距离模型;C、使用RFID读写器天线测量待测标签的RSSI值,通过功率‑距离模型得到待测标签位置。本发明能够改进现有技术的不足,读取速度快,功率损耗小,防干扰能力较强。
Description
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域,尤其是一种改进的UHF-RFID定位方法。
背景技术
随着物联网科技的发展,人们对于物联网主要方面UHF RFID定位技术的应用提出了更高的要求,并且在日常生活和生产中对定位的需求也日益增加。定位的需求涉及到各种行业,如医疗行业的药品追踪与定位,交通行业的车辆追踪与定位,食品行业的食品追踪与定位,畜牧行业的家禽追踪与定位。由于室内环境复杂,空间较小,并且存在各种干扰,室内定位技术一直是定位研究中的热点与难点。无源UHFRFID(Ultra High Frequency RadioFrequency Identification超高频无线射频识别)定位技术作为室内无线定位技术之一,正得到快速的发展。然而将UHF RFID定位技术应用在环境更为复杂的畜禽舍中,其依然存在诸多问题需要解决。
源RFID定位方法的集体步骤:1)由UHF RFID读写器的天线向周围环境中放射信号,当持有UHF RFID电子标签的物体进入天线放射信号的范围内时,电子标签的内置天线便可获取到感应电流,UHF RFID电子标签芯片获得能量;2)电子标签便会将芯片内的信息编码传送到读写器的存储系统中,并通过解码和调码来获取电子标签内的信息;3)通过无线的方式送到CP端进行存储,并通过相对应的算法对待测标签的位置进行计算。目前,RFID定位方法分为以下四种:信号接收强度(RSSI,Received Signal Strength Indication)定位法、到达时间(TOA)定位法、到达时间差(TDOA)定位法、以及到达角度(AOA)定位法。
1.RSSI定位方法是以RSSI值为基础数据来对待测定目标的位置进行计算的方法。通过读写器采集到的待测定目标的RSSI值,与已知的参考标签的RSSI值相结合,可计算出环境因子,进而由选定的算法模型得到待测定目标与读写器之间的距离。
目前不少RFID系统都运用RSSI方法,其中LANDMARC系统是其典型的应用系统,LANDMARC系统的成本低廉,但是其计算时间比较长,使得系统的实时性较差。射频信号在室内传播时存在一些干扰因素,例如信号消减、信号反射和绕射等,这些因素均影响信号接收强度定位方法精度。陶金龙等人研究了一种以接收信号强度定位方法为基础的加权概率算法,并且分析了此方法的定位精度受路径衰减指数影响的程度。为了减少周围环境噪声对RSSI定位方法的影响,郑学理等人提出了一种基于无线传感网络和RSSI定位方法的PDR(pedestrian dead reckoning)系统。经过试验证实了,RSSI定位法和PDR系统相结合后,有效的提高了算法的抗干扰能力,并使定位精度得到了提高,但自适应能力较差。为提高定位方法的自适应能力,CACERES M A等人研究了一种以卡尔曼滤波为基础的自适应RSSI定位方法,可实现对室内的某个物体进行追踪。此算法在单一环境空间中可达到良好的定位效果,但是在复杂的环境下,此算法的适应性较低。为了解决以上出现的问题,高鹏等人研究出一种在室内环境中可实现目标定位的自适应RSSI定位方法。此方法通过创建以RSSI定位方法为基础的模糊聚类与图论模型,可使环境复杂的地域自动的划分为环境差距相对小的地域,然后通过RSSI定位方法和WCL法(权重质心法)实现待测目标的最终定位。
2.TOA定位法的工作原理是:首先获取读写器发射信号到最后接收到标签信号的传播时间,然后由位移公式可以得到待测标签与读写器之间的距离,从而实现对待测定目标定位。但在二维平面中,计算得出的标签到一个读写器的距离数据只能够确定一个圆。因此若想求得待测定标签位置,至少需要三个读写器同时接收到该标签信号,继而再用三边定位法对待测定标签进行定位。
TOA定位技术具有隐蔽性较好,抗干扰能力强和可抵抗多径衰落等优点,现阶段主要用于定位追踪和卫星导航等相关的领域。例如,为了准确的掌握矿井下工人的运动情况和工作人员数量,孙继平,李晨鑫等人提出了一种基于卡尔曼滤波与指纹的TOA定位方法,并通过实验证明,此方法可有效的实现对矿井环境下人员的定位。为了解决室内环境和数据噪声对定位精度造成影响的问题,刘明佳等人研究了一种以扩展后的卡尔曼滤波为基础的TOA定位方法,并通过仿真实验证明了,此方法可有效的降低室内定位的误差。为了提高室内的定位精度,何世钧等人提出了一种以三维质心算法为基础的TOA定位方法。并通过仿真实验证明了,此方法相对于传统法很大提高了定位精度,并且对复杂的环境有良好的适应性。为了降低多径效应导致的定位误差,A.Sattarzadeh等人提出了一种基于TOA技术提取多径信道衰落定位方法,可有效提高定位精度。由此可见,降低TOA技术的定位误差,不断提高其定位精度,会使其定位技术实际的应用价值得到提升。
3.TDOA定位算法是基于时间差值测距的定位方法。其要求由不同的待测定标签同时发射信号,然后计算不同的信号传到读写器的时间差,最后得出待测定标签到读写器天线之间的距离,从而计算得出待测定点的坐标。TDOA法的定位精度比TOA定位算法高,其不需要知道信息传播的具体时间,读写器根据信号的到达时间差值并结合它们的已知速度来计算出待测标签和读写器之间的距离,较为有效的减少了定位时产生的误差,改善了TOA定位法对时间严格要求同步的问题。但TDOA法需要应用的全部读写器工作同步,而且环境的复杂性、障碍物、噪声以及多径效应可能导致读写器无法接收到待测标签发射的信号,影响TDOA方法的定位精度。
LPM(本地定位测量系统)为TDOA算法的典型应用系统。该系统要求读写器同步并且参考标签均处于正常工作状态,对整个系统的实时性要求较高,应用较为复杂。Chen H Y等人研究了一种以卡尔曼滤波算法为基础的TDOA定位法,其先采用卡尔曼滤波算法对TDOA技术获取的数据进行滤波,再使用滤波后数的据进行计算实现对待测目标的定位,有效的减小了定位误差,但是卡尔曼滤波算法在估算和预测目标节点位置信息时仍然存在一定的误差。针对此算法的不足,胡梦云将算法提出了改进,进一步的改善了TDOA技术的定位精度。因为室内的环境复杂,容易产生多径效应从而致使发射信号衰落,如何消减由多径传播引起的信息衰落,现已成为TDOA定位算法的研究的重点。Yongbin Qi等人研究出了一种基于UWB(超宽带系统)的TDOA定位方法,该方法应用GCC(广义互相关)方法来计算TDOA的延时值,再由Taylor算法计算出待测定目标的位置,有效的降低了定位误差。赖琴研究出了一种基于Garder定时同步的TDOA定位方法,在此方法基础之上利用改进后的卡尔曼滤波算法,对通过TDOA方法得到的数据进行滤波处理,大大提高了室内定位的精度。
4.AOA法是一种以角度测量为基础的定位方法。AOA定位法相对TOA与TDOA等定位法来说,其布局比较简单,但是此方法对读写器天线的性能要求较高,并且需要的天线数量多,成本相对高,在障碍物比较多以及多种因素影响的情况下,会使得定位精度变低。因此,AOA定位方法适用于要求定位精度较高,并且接受高成本的场合。
AOA定位方法成本较高,应用领域较小。现阶段的应用有以其他混合定位、神经网络、遗传等方法为基础的AOA定位方法。马婧研究了一种以卡尔曼滤波为基础算法的AOA与TOA相结合的定位方法,使得定位精度得到改善。王峰等人研究出了一种以AOA与TDOA相结合的定位方法为基础的三维算法,并将此方法应用到煤矿井下,实现对其工人的追踪定位,可有效地消减噪声干扰和随机误差,定位精度较高。肖竹等人提出了一种基于超宽带(UWB)的AOA与TOA相结合的定位方法,并用仿真实验证明了其可行性。Halder S J等人提出了一种基于RSSI的AOA定位系统,该系统通过参考节点和旋转的方向天线相结合来完成目标位置的计算,一定程度上提高了定位精度。影响AOA定位方法精度的首要因素为非视距传播(NLOS)效应。毛永毅等人研究出了一种在非视距环境下的基于神经网络算法的AOA定位方法,并通过仿真实验证明该方法可有效的提高定位精度,可有效的实现目标的动态跟踪和静态定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改进的UHF-RFID定位方法,能够解决现有技术的不足,读取速度快,功率损耗小,防干扰能力较强。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案如下。
一种改进的UHF-RFID定位方法,包括以下步骤:
A、在测量区域内设置若干RFID读写器天线和参考标签;
B、使用RFID读写器天线测量各参考标签的RSSI值,计算功率-距离模型;
C、使用RFID读写器天线测量待测标签的RSSI值,通过功率-距离模型得到待测标签位置。
作为优选,步骤B中,计算功率-距离模型的步骤为,
设读写器天线的发射功率为PR,发射增益为GR,天线与标签距离为d时接收到的功率P为
则天线处的功率密度SB为:
式中σ为功率传输系数,仅与标签的物理特性相关。
设读写器天线接收增益为GA,波长为λ,则此天线的有效面积Ae为
由功率密度与接收面积可得接收的标签功率为:
由于天线接收到标签的RSSI值的单位为分贝,因此根据dbm=10·log(P/mw)可得:
作为优选,步骤C中,RFID读写器天线每隔2秒存储3次读取到的待测标签的RSSI值。
作为优选,RFID读写器天线包括天线A和天线B,天线A设置在测量区域的中心,天线B以天线A为对称中心呈旋转对称方式设置,参考标签以天线B为对称中心呈旋转对称方式设置。
作为优选,在功率-距离模型中引入环境影响因子ζ,
作为优选,通过参考标签的实时反馈信号求得实时的环境影响因子ζ。
作为优选,在测量区域内设置若干虚拟参考标签,根据虚拟参考标签的位置、参考标签位置与参考标签的RSSI值,计算虚拟参考标签的RSSI值,当读取到待测标签信息的RFID读写器天线少于3个时,在功率-距离模型中引入虚拟参考标签,与待测标签的RSSI值进行对比求出待测标签的位置。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于:本发明能够同时读取多个标签,读取速度快,功率损耗小,防干扰能力较强。根据天线射频范围布置天线网格,虚拟标签位置,可以有效减少多径效应和噪声干扰,提高了定位精度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的检测装置布置图。
图2是本发明一个具体实施方式的定位流程图。
具体实施方式
参照图1-2,本发明一个具体实施方式包括以下步骤,
A、在测量区域内设置若干RFID读写器天线和参考标签;
B、使用RFID读写器天线测量各参考标签的RSSI值,计算功率-距离模型;
C、使用RFID读写器天线测量待测标签的RSSI值,通过功率-距离模型得到待测标签位置。
步骤B中,计算功率-距离模型的步骤为,
设读写器天线的发射功率为PR,发射增益为GR,天线与标签距离为d时接收到的功率P为
则天线处的功率密度SB为:
式中σ为功率传输系数,仅与标签的物理特性相关。
设读写器天线接收增益为GA,波长为λ,则此天线的有效面积Ae为
由功率密度与接收面积可得接收的标签功率为:
由于天线接收到标签的RSSI值的单位为分贝,因此根据dbm=10·log(P/mw)可得:
步骤C中,RFID读写器天线每隔2秒存储3次读取到的待测标签的RSSI值。
RFID读写器天线包括天线A和天线B,天线A设置在测量区域的中心,天线B以天线A为对称中心呈旋转对称方式设置,参考标签以天线B为对称中心呈旋转对称方式设置。
在功率-距离模型中引入环境影响因子ζ,
通过参考标签的实时反馈信号求得实时的环境影响因子ζ。
在测量区域内设置若干虚拟参考标签,根据虚拟参考标签的位置、参考标签位置与参考标签的RSSI值,计算虚拟参考标签的RSSI值,当读取到待测标签信息的RFID读写器天线少于3个时,在功率-距离模型中引入虚拟参考标签,与待测标签的RSSI值进行对比求出待测标签的位置。
本发明具有以下优势:
本方法相对于现有技术具有如下优势:
1、无需测量每个电子标签在不同距离时的读取设备的功率,可减少大量的测量时间与人工测量劳动力。
2、现有技术根据测量出数据建立关系函数,若测量数据不够充分,将会导致定位精度下降,本方法应用电磁耦合原理,直接与参考标签进行比较求取距离,定位精度相对准确,同时引用环境影响因子可减少因环境复杂而导致的定位误差,提高定位精度。
3、本方法引入参考标签,在少于3个天线射频范围的角落布置了虚拟参考标签,有效的减少了读取设备,降低了成本。
4、尤其适用于禽舍内对于禽畜的定位和统计。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于包括以下步骤:
A、在测量区域内设置若干RFID读写器天线和参考标签;
B、使用RFID读写器天线测量各参考标签的RSSI值,计算功率-距离模型;
C、使用RFID读写器天线测量待测标签的RSSI值,通过功率-距离模型得到待测标签位置。
2.根据权利要求1所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:步骤B中,计算功率-距离模型的步骤为,
设读写器天线的发射功率为PR,发射增益为GR,天线与标签距离为d时接收到的功率P为
则天线处的功率密度SB为:
式中σ为功率传输系数,仅与标签的物理特性相关。
设读写器天线接收增益为GA,波长为λ,则此天线的有效面积Ae为
由功率密度与接收面积可得接收的标签功率为:
由于天线接收到标签的RSSI值的单位为分贝,因此根据dbm=10·log(P/mw)可得:
3.根据权利要求2所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:步骤C中,RFID读写器天线每隔2秒存储3次读取到的待测标签的RSSI值。
4.根据权利要求3所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:RFID读写器天线包括天线A和天线B,天线A设置在测量区域的中心,天线B以天线A为对称中心呈旋转对称方式设置,参考标签以天线B为对称中心呈旋转对称方式设置。
5.根据权利要求4所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:在功率-距离模型中引入环境影响因子ζ,
6.根据权利要求5所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:通过参考标签的实时反馈信号求得实时的环境影响因子ζ。
7.根据权利要求6所述的改进的UHF-RFID定位方法,其特征在于:在测量区域内设置若干虚拟参考标签,根据虚拟参考标签的位置、参考标签位置与参考标签的RSSI值,计算虚拟参考标签的RSSI值,当读取到待测标签信息的RFID读写器天线少于3个时,在功率-距离模型中引入虚拟参考标签,与待测标签的RSSI值进行对比求出待测标签的位置。
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