CN109342996A - 基于rfid全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置及方法 - Google Patents

基于rfid全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置及方法，其包括：嵌入手机内的RFID标签、定向发射天线、全向接收天线、三维正交旋转体、信息处理单元、信息输入单元及信息显示单元，其中，所述RFID标签分别和定向发射天线、全向接收天线进行远程通信，所述全向接收天线和信息处理单元相连接，定向发射天线安装于三维正交旋转体上，所述信息处理单元分别与信息显示单元、三维正交旋转体及信息输入单元相连接，定向发射天线、全向接收天线、三维正交旋转体、信息处理单元、信息输入单元及信息显示单元组成基于RFID的遗失手机搜寻装置。本发明可以实现遗失手机的快速精准定位搜寻。

Description

基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置及方法
技术领域
本发明属于一种搜寻装置，特别是涉及一种基于RFID(Radio FrequencyIdentification，射频识别)的遗失手机定位搜寻装置。
背景技术
随着4G移动网络的普及，智能手机用户数量逐年上升，单台手机所承载的信息价值也越来越高。因此，由手机遗失所导致的问题也就更加严重。手机一旦丢失，损失的不单是购买手机的花费，还包括信息丢失的成本和个人隐私泄露的风险。为帮助智能手机用户找回丢失的手机，部分手机厂商推出了手机寻回相关服务。其主要应用方式为通过移动网络和卫星定位模块(如GPS、北斗、GLONASS等)将遗失手机的位置信息发送到后台服务数据库，同时允许用户远程遥控手机响铃、抹除数据等。但目前的手机寻回服务主要依赖于卫星定位信号和移动数据传输，导致其应用效果受到巨大限制。卫星定位存在较大的精度误差，且当遗失的手机位于室内或其他卫星信号不佳的位置时，会使得定位误差进一步增大，导致无法获得有效位置信息。此外，若遗失的手机被关闭电源或中断网络连接，同样无法实现定位功能。
因此，开发用于近距离搜寻的RFID手机定位搜寻设备，能够弥补卫星定位存在的误差问题。令大范围低精度的卫星定位与小范围高精度的RFID定位互为补充，使得遗失手机的定位寻回更加可行有效。RFID射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。RFID系统由应答器、阅读器和应用软件系统三部分构成。利用无线电信号随距离衰减的特性和信号到达角度的测量，可以对应答器的相对距离和方向进行判定。
RFID技术早期主要用于物体间的近距离通信，后来逐步应用于定位领域，但大多集中于已知环境下的室内物体感知定位，如商场指引、物流分拣等。通过谷歌专利以“RFID定位”、“RFID搜寻”、“RFID Location”等为关键词检索到相关专利若干项。其中，中国发明专利《一种基于RFID的航空维修工具定位装置》(申请公布号：CN 106295431 A，申请公布日：2017.01.04)提出了配备板状定向天线的航空维修工具定位装置，用于搜寻遗失在飞机上的维修工具。该发明的不足在于：1.采用固定电源，导致装置的便携性不佳，应用场景受限，无法用于室外条件下的物品搜寻；2.自动化智能化程度不高，使用时需要人员手持设备天线进行多方向的搜寻，若搜寻人员遗漏某一方向，则会导致遗失在该方向的物品无法被发现；3.无法判断遗失物品的距离，该发明装置在应用时，只能告知人员遗失物品的大致方位，无法对物品和人员的相对距离进行估计判断，存在一定的局限性。美国专利《RFID-BASED PERSON LOCATION DEVICE》(专利号：US 8253570 B1，公布日期：2012.08.28)设计了一种基于RFID和GPS的人员搜救装置，该装置外形类似手枪，前端固定有八木天线用于定向搜寻，可判断被搜救人员的大致方位及距离。但该发明与前述航空维修工具定位装置类似，使用时需要搜寻人员不断手动改变天线方向进行搜寻。鉴于现有国内外发明专利的应用范围和技术问题，特提出本发明专利。
为解决现有RFID搜寻装置所存在的应用场景受限和缺乏智能化等问题，提出了一种基于RFID的手机定位搜寻装置，本发明能够实现遗失手机的快速精准定位搜寻。用于电磁波发送与接收的天线分为定向天线和全向天线两种，全向天线具有覆盖方向广的特点，但受限于功率无法实现远距离传输，且无法对方向进行判定。因此，大部分基于RFID技术的搜寻装置采用的是定向天线。定向天线在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，能够实现更远距离的探测以及物体方向的判定。但仅使用定向天线又导致难以对整个空间方向进行覆盖搜寻。此外，由于一个定向天线同时用于电磁波的发送和接收且具有很强的方向性，因此可能会由于天线方向转动过快而漏接某一方向的电磁波信号。
全向天线具有覆盖范围广、覆盖距离短的特点，定向天线具有方向性强、覆盖距离远的特点，当前RFID技术的应用上大多只有范围或方向的单方面应用需求，而本发明设计的实现既需要广的覆盖范围，也有较高的方向性和距离要求，因而采用了两种天线结合的应用方式。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能够实现遗失手机的快速精准定位搜寻的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置及方法。本发明的技术方案如下：
一种基于RFID全域正交旋转天线的手机近距离搜寻装置，其包括：嵌入手机内的RFID标签(1)、定向发射天线(2)、全向接收天线(3)、三维正交旋转体(4)、信息处理单元(5)、信息输入单元(6)及信息显示单元(7)，其中，所述RFID标签(1)分别和定向发射天线(2)、全向接收天线(3)进行远程通信，所述全向接收天线(3)和信息处理单元(5)相连接，所述信息处理单元(5)分别与信息显示单元(7)、三维正交旋转体(4及信息输入单元(6)相连接，其中，所述RFID标签(1)内存储有与手机信息相一致的唯一识别信息，所述定向发射天线(2)用于发射搜寻电磁波信号，具备远距离点对点发射的能力，全向接收天线(3)用于RFID标签返回信号的接收，所述信息处理单元(5)用于对RFID标签(1)返回的信息进行处理，包括非目标标签过滤和目标标签距离和方向计算；所述信息显示单元(7)用于显示搜寻结果，将信息处理单元(5)的计算的目标标签方位以平面地图的方式展示；所述信息输入单元(6)用于目标标签的信息输入，将目标标签存储的识别信息输入到装置中，从而在后续的搜寻中进行自动过滤查找；所述三维正交旋转体(4)用于实现定向天线的全域旋转搜寻，旋转体由水平旋转轴和垂直旋转轴构成，两者结合旋转便能覆盖整个空间范围。
进一步的，所述信息处理单元(5)对RFID标签(1)所返回的电磁波信号进行非目标标签过滤和目标标签距离和方向计算，具体包括：采用接收信号强度算法测量RFID标签与搜寻人员间的相对距离，全向接收天线(3)在捕捉到RFID标签返回的信息时，将该RFID标签返回的信息和接收到的信号强度一并传输到信息处理单元(5)，信息处理单元(5)首先判定该RFID标签是否为遗失手机的，如若不是则将其过滤掉，随后，信息处理单元(5)将该信号强度带入建立的信号强度衰减模型进行计算，得到RFID标签的大致距离。
进一步的，所述信息处理单元(5)将该信号强度带入建立的信号强度衰减模型进行计算，计算公式为：
d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))
其中d为计算所得距离、RSSI为信号接收强度(负值)、A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度、n为环境衰减因子。
进一步的，所述RFID标签(1)的方向主要依靠定向发射天线(2)进行测量，定向发射天线(2)以某一固定角速度进行旋转发射电磁波信号，RFID标签(1)接收到来自定向发射天线的电磁波信号后，利用自身电源驱动天线返回其所存储的识别信息，当全向接收天线捕捉到RFID标签所返回的信息时，根据定向发射天线的发射角度确定RFID标签所在方向。
进一步的，所述RFID标签(1)为1.5cm*3cm尺寸的有源抗金属电子标签，所用电源为微型纽扣电池。
进一步的，所述定向发射天线(2)采用的天线为八木天线或平板天线。
进一步的，所述三维正交旋转体包括水平方向上顺时针旋转的转轴、在垂直方向上顺时针旋转的转轴及八木定向天线，水平方向的转轴与垂直方向的转轴连接后，形成能够旋转覆盖全域空间的三维正交旋转体，带动八木天线进行旋转定向搜寻。
进一步的，所述八木定向天线尺寸为20cm*15cm，所述全向接收天线采用橡胶鸭嘴全向天线，橡胶鸭嘴全向天线尺寸为1cm*10cm，装置采用可充电的锂电池进行供电。
一种基于前述装置的搜寻方法，其包括以下步骤：
首先打开装置电源，通过信息输入单元录入遗失手机的RFID标签存储的信息即手机IMEI码，随后选择开始搜寻；搜寻装置驱动三维正交旋转体以固定角速度进行全域旋转，与此同时，旋转体上所安置的八木定向天线向外发送电磁信号，当八木定向天线旋转到遗失手机所在方向时，遗失手机内嵌入的RFID标签接收到由定向天线传来的电磁信号，随即利用自身搭载的电源驱动天线，将标签内存储的手机IMEI码发射出去；随后，安装在RFID读写器上的橡胶鸭嘴全向天线捕捉到由RFID标签所发出的信息以及此时获取到的信号强度，RFID读写器随即将这两个参数以及当前时刻八木定向天线的方位角传递给信息处理单元，信息处理单元首先判断捕捉到的RFID标签信息是否与操作人员录入的RFID标签存储的信息相一致，如果一致，则确定该信息是由遗失手机内的RFID标签所发来的，否则将该信息过滤，继续处理下一条信息；信息得到确认后，信息处理单元根据构建的RSSI模型将获取到的信号强度带入模型进行运算，得到该RFID标签与RFID读写器的相对距离，随后，将该距离信息和八木天线的方位角信息发送到信息显示单元；信息显示单元接收到信息后，以当前位置为中心点生成平面地图，将遗失手机的距离和方向显示在屏幕上。
进一步的，当确认目标RFID标签信息后，定向天线将对准目标RFID标签，不再转动，同时持续的估算RFID标签的距离并将其传递给信息显示单元。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了基于RFID全域正交旋转定位天线的手机近距离搜寻精确定位装置。本发明采用定向与全向两种天线，定向天线用于搜寻信号的发射，全向天线用于RFID标签返回信号的接收。此外，本发明装置上配备一个三维正交旋转体，该旋转体由两个旋转轴上下叠加构成，上部垂直旋转，下部水平旋转，叠加后可旋转覆盖全域空间，具体结构见附图3。定向天线安置于三维正交旋转体上，以一定角速度旋转发射搜寻电磁波，实现自动化全域搜寻。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1.具备自动搜寻能力。相较于现有发明需要人工手动调节方向进行搜寻的情况，本发明在其基础上做了自动化的升级。利用三维正交旋转体控制定向天线进行全域空间内的旋转搜寻，提升了搜寻的效率，消除了由于人员失误导致的搜寻范围遗漏的潜在问题。2.能够估算方向和距离。现有基于RFID技术的搜寻发明只能判断当前的空间范围内是否存在遗失物品，无法估算物品的方向和距离。亦或是只能估计遗失物品的方向，无法测算其相对距离。本发明采用定向天线发射与全向天线接收的设计原理，利用RSSI算法，实现遗失物品的方向与距离的测算，有助于提高搜寻的精准度，进而减少搜寻的时间成本。综上所述，本发明相比于现有技术，更加智能和高效，更有利于遗失手机的快速精准寻回。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例为本发明逻辑结构图，图中各模块分别为：1为嵌入手机内的RFID标签，2为定向发射天线，3为全向接收天线，4为三维正交旋转体，5为信息处理单元，6为信息输入单元，7为信息显示单元，8为基于RFID的遗失手机搜寻装置整体，9为嵌入有RFID标签的遗失手机。特别的，信息输入单元6和信息显示单元7都集成于搜寻装置中的触摸显示屏上。图中箭头表示信息传递过程。
附图2为本发明应用流程图，展示了遗失手机的近距离搜寻过程。
附图3为三维正交旋转体的结构示意图，图中11为水平方向上顺时针旋转的转轴，图中12为在垂直方向上顺时针旋转的转轴，图中2为定向发射天线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明为一种基于RFID的手机定位搜寻装置，所述装置包括：嵌入至手机内部的RFID电子标签和RFID搜寻器。其中，RFID搜寻器又由定向天线、全向天线、信息处理单元、信息显示单元、信息输入单元、三维正交旋转体等组成。所述RFID标签为有源抗金属只读标签，标签内存储有与手机信息相一致的唯一识别信息(如手机IMEI码等)，且该信息只能够被读取，不能进行修改。所述定向天线用于发射搜寻电磁波信号，具有主瓣窄、副瓣小、增益高的特点，具备远距离点对点发射的能力，采用的天线为八木天线或平板天线。所述全向天线用于接收RFID标签所返回的电磁波信号，具有辐射均匀、覆盖范围大的特点，具备接收各方向返回信号的能力，采用的天线为橡胶鸭嘴天线。所述信息处理单元用于对RFID标签返回的信息进行处理，包括非目标标签过滤和目标标签距离和方向计算等。所述信息显示单元用于显示搜寻结果，将信息处理单元的计算的目标标签方位以平面地图的方式展示。所述信息输入单元用于目标标签的信息输入，将目标标签存储的识别信息输入到装置中，从而在后续的搜寻中进行自动过滤查找。所述三维正交旋转体用于实现定向天线的全域旋转搜寻，旋转体由水平旋转轴和垂直旋转轴构成，两者结合旋转便能覆盖整个空间范围。旋转体结构示意见附图3，图中11为水平方向上顺时针旋转的转轴，图中12为在垂直方向上顺时针旋转的转轴，图中2为定向发射天线。水平方向的转轴与垂直方向的转轴连接后，形成能够旋转覆盖全域空间的三维正交旋转体，带动八木天线进行旋转定向搜寻。
产品逻辑结构示意见附图1。
2.方向估计方法
RFID标签的方向主要依靠定向天线进行测量，定向天线以某一固定角速度进行旋转发射电磁波信号，RFID标签接收到来自定向天线的电磁波信号后，利用自身电源驱动天线返回其所存储的识别信息，当全向天线捕捉到RFID标签所返回的信息时，根据彼时定向天线的发射角度便能确定RFID标签所在方向。3.距离测算方法
电磁波信号具有随距离衰减的特性，依据该特性，本发明采用RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator，接收信号强度)算法测量RFID标签与搜寻人员间的相对距离。全向天线在捕捉到RFID标签返回的信息时，将该信息和接收到的信号强度一并传输到信息处理单元。信息处理单元首先判定该RFID标签是否为遗失手机的，如若不是则将其过滤掉。随后，信息处理单元但该信号强度带入建立的信号强度衰减模型进行计算，得到RFID标签的大致距离。
具体的，参照图1所示，一种基于RFID全域旋转天线的手机近距离搜寻装置，包括嵌入RFID标签的遗失手机、八木定向天线、橡胶鸭嘴全向天线、RFID阅读器(包含信息处理单元、信息显示单元、信息输入单元)、三维正交旋转体。将三维正交旋转体连接到RFID阅读器上，再将八木定向天线安置于三维正交旋转体上，同时，将橡胶鸭嘴全向天线连接到RFID阅读器上。所述RFID标签为1.5cm*3cm尺寸的有源抗金属电子标签，所用电源为微型纽扣电池。所述八木定向天线尺寸为20cm*15cm，所述橡胶鸭嘴全向天线尺寸为1cm*10cm。装置采用可充电的锂电池进行供电，信息显示和信息输入均通过装置上安装的4吋电容触摸屏实现。
参照图2所示，在使用时，首先打开装置电源，操作人员通过信息输入单元录入遗失手机的RFID标签存储的信息(手机IMEI码)，随后选择开始搜寻。搜寻装置驱动三维正交旋转体以固定角速度进行全域旋转，与此同时，旋转体上所安置的八木定向天线向外发送电磁信号。当八木定向天线旋转到遗失手机所在方向时，遗失手机内嵌入的RFID标签接收到由定向天线传来的电磁信号，随即利用自身搭载的电源驱动天线，将标签内存储的信息(手机IMEI码)发射出去。随后，安装在RFID读写器上的橡胶鸭嘴全向天线捕捉到由RFID标签所发出的信息以及此时获取到的信号强度。RFID读写器随即将这两个参数以及当前时刻八木定向天线的方位角传递给信息处理单元，信息处理单元首先判断捕捉到的RFID标签信息是否与操作人员录入的RFID标签存储的信息相一致，如果一致，则可以确定该信息是由遗失手机内的RFID标签所发来的，否则将该信息过滤，继续处理下一条信息。信息得到确认后，信息处理单元根据构建的RSSI模型将获取到的信号强度带入模型进行运算，得到该RFID标签与RFID读写器的相对距离，随后，将该距离信息和八木天线的方位角信息发送到信息显示单元。信息显示单元接收到信息后，以当前位置为中心点生成平面地图，将遗失手机的距离和方向显示在屏幕上。此外，确认目标RFID标签信息后，定向天线将对准目标RFID标签，不再转动，同时持续的估算RFID标签的距离并将其传递给信息显示单元。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，包括：嵌入手机内的RFID标签(1)、定向发射天线(2)、全向接收天线(3)、三维正交旋转体(4)、信息处理单元(5)、信息输入单元(6)及信息显示单元(7)，其中，所述RFID标签(1)分别和定向发射天线(2)、全向接收天线(3)进行远程通信，所述全向接收天线(3)和信息处理单元(5)相连接，定向发射天线(2)安装于三维正交旋转体(4)上，所述信息处理单元(5)分别与信息显示单元(7)、三维正交旋转体(4及信息输入单元(6)相连接，其中，所述RFID标签(1)内存储有与手机信息相一致的唯一识别信息，所述定向发射天线(2)用于发射搜寻电磁波信号，具备远距离点对点发射的能力，全向接收天线(3)用于RFID标签返回信号的接收，所述信息处理单元(5)用于对RFID标签(1)返回的信息进行处理，包括非目标标签过滤和目标标签距离和方向计算；所述信息显示单元(7)用于显示搜寻结果，将信息处理单元(5)的计算的目标标签方位以平面地图的方式展示；所述信息输入单元(6)用于目标标签的信息输入，将目标标签存储的识别信息输入到装置中，从而在后续的搜寻中进行自动过滤查找；所述三维正交旋转体(4)用于实现定向天线的全域旋转搜寻，旋转体由水平旋转轴和垂直旋转轴构成，两者结合旋转便能覆盖整个空间范围。
2.根据权利要求1所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述信息处理单元(5)对RFID标签(1)所返回的电磁波信号进行非目标标签过滤和目标标签距离和方向计算，具体包括：采用接收信号强度算法测量RFID标签与搜寻人员间的相对距离，全向接收天线(3)在捕捉到RFID标签返回的信息时，将该RFID标签返回的信息和接收到的信号强度一并传输到信息处理单元(5)，信息处理单元(5)首先判定该RFID标签是否为遗失手机的，如若不是则将其过滤掉，随后，信息处理单元(5)将该信号强度带入建立的信号强度衰减模型进行计算，得到RFID标签的大致距离。
3.根据权利要求2所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述信息处理单元(5)将该信号强度带入建立的信号强度衰减模型进行计算，计算公式为：d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))
其中d为计算所得距离、RSSI为信号接收强度、A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度、n为环境衰减因子。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述RFID标签(1)的方向主要依靠定向发射天线(2)进行测量，定向发射天线(2)以某一固定角速度进行旋转发射电磁波信号，RFID标签(1)接收到来自定向发射天线的电磁波信号后，利用自身电源驱动天线返回其所存储的识别信息，当全向接收天线捕捉到RFID标签所返回的信息时，根据定向发射天线的发射角度确定RFID标签所在方向。
5.根据权利要求1-3之一所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述RFID标签(1)为1.5cm*3cm尺寸的有源抗金属电子标签，所用电源为微型纽扣电池。
6.根据权利要求1所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述定向发射天线(2)采用的天线为八木天线或平板天线。
7.根据权利要求1所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述三维正交旋转体包括水平方向上顺时针旋转的转轴、在垂直方向上顺时针旋转的转轴及八木定向天线，水平方向的转轴与垂直方向的转轴连接后，形成能够旋转覆盖全域空间的三维正交旋转体，带动八木天线进行旋转定向搜寻。
8.根据权利要求6或7所述的基于RFID全域正交旋转天线的手机精确定位搜寻装置，其特征在于，所述八木定向天线尺寸为20cm*15cm，所述全向接收天线采用橡胶鸭嘴全向天线，橡胶鸭嘴全向天线尺寸为1cm*10cm，装置采用可充电的锂电池进行供电。
9.一种基于前述装置的搜寻方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先打开装置电源，通过信息输入单元录入遗失手机的RFID标签存储的信息即手机IMEI码，随后选择开始搜寻；搜寻装置驱动三维正交旋转体以固定角速度进行全域旋转，与此同时，旋转体上所安置的八木定向天线向外发送电磁信号，当八木定向天线旋转到遗失手机所在方向时，遗失手机内嵌入的RFID标签接收到由定向天线传来的电磁信号，随即利用自身搭载的电源驱动天线，将标签内存储的手机IMEI码发射出去；随后，安装在RFID读写器上的橡胶鸭嘴全向天线捕捉到由RFID标签所发出的信息以及此时获取到的信号强度，RFID读写器随即将这两个参数以及当前时刻八木定向天线的方位角传递给信息处理单元，信息处理单元首先判断捕捉到的RFID标签信息是否与操作人员录入的RFID标签存储的信息相一致，如果一致，则确定该信息是由遗失手机内的RFID标签所发来的，否则将该信息过滤，继续处理下一条信息；信息得到确认后，信息处理单元根据构建的RSSI模型将获取到的信号强度带入模型进行运算，得到该RFID标签与RFID读写器的相对距离，随后，将该距离信息和八木天线的方位角信息发送到信息显示单元；信息显示单元接收到信息后，以当前位置为中心点生成平面地图，将遗失手机的距离和方向显示在屏幕上。
10.根据权利要求9所述的搜寻方法，其特征在于，当确认目标RFID标签信息后，定向天线将对准目标RFID标签，不再转动，同时持续的估算RFID标签的距离并将其传递给信息显示单元。
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