CN109959897B - 一种基于旋转天线的rfid二维位置定位方法 - Google Patents

一种基于旋转天线的rfid二维位置定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，所述方法使用旋转的RFID天线读取待测RFID标签的信号强度信息，并在指定位置设定预设数目的参考标签，结合信号强度信息和参考标签计算RFID天线与待测RFID标签之间的距离和相对方向，具体的，根据旋转台的其实旋转时间戳、终止时间戳和RFID天线正对待测RFID标签时的时间戳来计算对应时刻RFID天线的旋转角度；通过设置两个或三个参考标签来计算得到RFID天线与待测RFID标签所在平面的距离；再结合得到的旋转角度和RFID天线距离待测RFID标签所在平面距离分别得到待测RFID标签的x轴坐标和z轴坐标，实现RFID标签的二维位置定位；本发明的RFID标签定位精确度高，适用范围广。

Description

一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于旋转天线的RFID(RadioFrequency Identification)二维位置定位方法。
背景技术
目前，全球定位系统GPS(Global Positioning System)在室外定位方面已经取得了丰硕的成果，可以达到很高的定位精度，被广泛应用在地图导航等方面。但GPS无法在室内环境中捕获精准信息，难以达到室内定位的精度需求，同时在室内导航，建筑楼宇，仓库管理，停车引导等领域有非常大的室内定位需求，所以室内定位技术的研究非常必要。室内定位相对于室外定位环境更加复杂，信号的干扰因素也更多，定位难度更大且精度要求更高，一旦精度误差较大，整个定位系统就失去了现实意义与应用价值。
目前应用到室内定位的技术主要有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、RFID、ZigBee和超声波等，商用技术基本采用RFID，Wi-Fi等无线通讯基站方案。RFID定位技术通过射频方式进行非接触式双向通信交换数据，实现移动设备识别和定位的目的。目前使用RFID技术构建室内定位系统也具有很大的优势。随着RFID硬件与软件技术的不断发展，RFID标签的制作成本降低到几毛钱一张，多标签识别防碰撞算法越来越成熟，RFID阅读器的性能等方面也更加优越，大大降低了系统部署成本。它可以在几毫秒内快速读取大量标签的数据，效率极高。
RFID无源感知作为物联网感知层的重要组成部分，在室内定位技术有很大的发展空间，是无线定位技术的一个重要分支。从早期的SpotON系统诞生至今，RFID室内定位技术已经经历了十多年的发展历程，期间产生了各式各样的定位系统。但是现有的定位技术存在以下不足之处：
第一，使用许多的固定位置的静止天线来采集数据，天线部署成本高；第二，静态部署的天线定位范围有限，部署的天线即为定位范围的边缘；第三，需要大量的参考标签，增加了部署的成本和难度；第四，部分使用旋转台的方案是将天线放在旋转台的边缘，旋转天线采集数据，但是这需要比较大的旋转台，不方便部署；第五，对于定位来说，精确度和稳定性还是最重要的，虽然有很多方法已经达到了很高的精确度，但是将精确度，稳定性，部署成本综合起来优化是很难的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的在定位过程中天线部署成本高、范围有限的问题，提供一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，该方法以匀速旋转的RFID天线读取RFID标签的信号强度信息，并以设定的参考标签为辅助实现对待测标签的二维位置定位。具体技术方案如下：
一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，所述方法使用旋转的RFID天线读取待测RFID标签的信号强度信息，并在指定位置设定预设数目的参考标签，结合所述信号强度信息和所述参考标签计算所述RFID天线与所述待测RFID标签之间的距离和相对方向，具体包括步骤如下：
S1、将所述RFID天线固定在一匀速旋转的旋转台上，由所述RFID天线定点360°采集所述待测RFID标签的信号强度信息，并记录所述RFID天线的起始旋转时间戳TS以及终止时间戳TE；
S2、测量所述参考标签与所述待测RFID标签之间的直线距离，将所述直线距离作为所述RFID天线到所述待测RFID标签的第一距离d；
S3、根据所述RFID天线在旋转过程中产生的RSSI数据找到所述RFID天线的朝向正对所述待测RFID标签的时刻点，并以所述时刻点为中心截取正负10s内对应的第一RSSI数据；
S4、将所述第一RSSI数据通过一维离散小波变换得到第二RSSI数据；并对所述第二RSSI数据进行二次函数拟合，得到所述待测RFID标签所有所述RSSI数据中的极大值以及所述极大值对应的时间戳TTag；
S5、基于所述起始旋转时间戳TS、终止时间戳TE和时间戳TTag计算所述RFID天线正对所述待测RFID标签时的旋转角度；并测量得到所述待测RFID标签所在二维平面到所述RFID天线的第二距离L；
S6、根据所述旋转角度结合所述第二距离L计算所述RFID天线与所述待测RFID标签的水平距离w，以及所述待测标签的x轴坐标；
S7、根据所述水平距离w和所述第一距离d计算所述待测RFID标签的z轴坐标，结合所述x轴坐标和所述z轴坐标得到所述待测RFID标签的平面位置。
进一步的，步骤S1中还包括步骤：以所述RFID天线与旋转台之间的固定点为原点建立三维坐标系。
进一步的，所述参考标签设置有两个或三个。
进一步的，步骤S5中所述旋转角度通过公式
Figure GDA0003618714130000041
其中，φ1表示所述旋转角度。
进一步的，所述步骤S5中还包括对所述旋转角度φ1进行校正：假设所述RFID天线正对所述待检测RFID标签时的理论时间戳为TR1和采集记录得到所述RFID天线朝向正对所述待测RFID标签的记录时间戳为TR2；根据公式
Figure GDA0003618714130000042
进行计算得到校正后的旋转角度φ2。
本发明的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，通过将RFID天线设置在旋转台上，动态采集待测RFID标签的信号强度信息，根据信号强度信息的强弱记录RFID天线的不同朝向，及不同朝向对应的时间戳和旋转台的旋转起点时间和终止时间，基于上述不同时间计算得到RFID天线的旋转角度；同时设置两个或三个参考标签，根据参考标签得到RFID天线与待测RFID标签所在平面的距离；最后，结合得到的旋转角度和RFID天线与待测RFID标签所在平面的距离得到待测RFID标签的x轴坐标和z轴坐标，从而定位待测RFID标签的二维位置；与现有技术相比，本发明对二维平面上的RFID标签进行更加精准的定位，且定位成本较低，适用例如仓库、机场等场景，适用范围广，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中数据采集的展示图示意图；
图2为本发明实施例中进行数据采集的部分装置安装示意图；
图3为本发明实施例中截取关键RSSI数据的结果图；
图4为本发明实施例中RSSI数据一维离散小波变化示例图；
图5为本发明实施例中RSSI数据二次函数拟合示例图；
图6为本发明实施例中所述待测标签二维定位时在x轴上位置的计算示意图；
图7为本发明实施例中所述待测标签二维定位时在z轴上位置的计算示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述。
在本发明实施例中，提供了一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，具体的方法使用旋转的RFID天线读取待测RFID标签的信号强度信息，并在指定位置设定预设数目的参考标签，结合信号强度信息和参考标签计算RFID天线与待测RFID标签之间的距离和相对方向，在具体实施例中，参考标签可设置两个或设置三个，本发明对此并不进行限制和固定；本实施例以设置两个参考标签进行说明，结合图1～图6，具体包括步骤如下：
S1、将RFID天线固定在一匀速旋转的旋转台上，由RFID天线定点360°采集待测RFID标签的信号强度信息，并记录RFID天线的起始旋转时间戳TS以及终止时间戳TE；同时，以RFID天线与旋转台之间的固定点为原点建立三维坐标系，在三维坐标系中实现对待测RFID天线的二维平面定位操作。
在实施例中，通过匀速旋转的方式采集信号强度信息可采集待测RFID标签的相关信息，更加有利于后续定位的操作，提升定位精度。
S2、测量参考标签与待测RFID标签之间的直线距离，将直线距离作为RFID天线到待测RFID标签的第一距离d。
S3、根据RFID天线在旋转过程中产生的RSSI数据找到RFID天线的朝向正对待测RFID标签的时刻点，并以时刻点为中心截取正负10s内对应的第一RSSI数据，如图3所示。
S4、将第一RSSI数据通过一维离散小波变换得到第二RSSI数据，变换结果如图4所示；并对第二RSSI数据进行二次函数拟合，拟合结果如图5所示，得到待测RFID标签所有RSSI数据中的极大值以及极大值对应的时间戳TTag；
基于得到的RSSI数据中的极大值，可计算得到步骤S2中第一距离d，具体过程为：首先将极大值作为待测RFID标签所在平面上每一张标签的RSSI数值，并假设两张参考标签到天线的距离分别为dr1、dr2，则可将第一距离d，以及两张参考标签到天线的距离分别为dr1、dr2定义为：
Figure GDA0003618714130000071
依次通过将待测RFID标签与两个参考标签做差以此消除PL(d0)+Xσ得到：
Figure GDA0003618714130000072
随后，将得到等式相处得到：
Figure GDA0003618714130000073
从而可以得到：
Figure GDA0003618714130000074
即
Figure GDA0003618714130000075
由此实现对第一距离d的求解，即可说明本发明方法通过设置参考标签求解RFID天线与待测RFID标签所在平面距离的有效性。
S5、基于起始旋转时间戳TS、终止时间戳TE和时间戳TTag计算RFID天线正对待测RFID标签时的旋转角度；并测量得到待测RFID标签所在二维平面到RFID天线的第二距离L；其中，旋转角度通过公式
Figure GDA0003618714130000076
其中，φ1表示计算得到的旋转角度。
在实施例中，为避免因为记录的始旋转时间戳TS、终止时间戳TE的误差，本发明方法利用设定好的参考标签对旋转角度φ1进行矫正操作，具体的，首先，假设RFID天线正对待检测RFID标签时的理论时间戳为TR1和采集记录得到RFID天线朝向正对待测RFID标签的记录时间戳为TR2；然后，根据公式
Figure GDA0003618714130000077
进行计算得到校正后的旋转角度φ2。
S6、参阅图6，在本发明实施例中，根据旋转角度结合第二距离L计算RFID天线与待测RFID标签的水平距离w＝|L/cosφ2|，以及待测标签的x轴坐标XT＝L×tanφ2。
S7、参阅图7，在本发明实施例中，根据水平距离w和所述第一距离d计算待测RFID标签的z轴坐标
Figure GDA0003618714130000081
结合x轴坐标和z轴坐标得到待测RFID标签的平面位置
Figure GDA0003618714130000082
本发明的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，通过将RFID天线设置在旋转台上，动态采集待测RFID标签的信号强度信息，根据信号强度信息的强弱记录RFID天线的不同朝向，及不同朝向对应的时间戳和旋转台的旋转起点时间和终止时间，基于上述不同时间计算得到RFID天线的旋转角度；同时设置两个或三个参考标签，根据参考标签得到RFID天线与待测RFID标签所在平面的距离；最后，结合得到的旋转角度和RFID天线与待测RFID标签所在平面的距离得到待测RFID标签的x轴坐标和z轴坐标，从而定位待测RFID标签的二维位置；与现有技术相比，本发明对二维平面上的RFID标签进行更加精准的定位，且定位成本较低，适用例如仓库、机场等场景，适用范围广，具有良好的应用前景。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，其特征在于，所述方法使用旋转的RFID天线读取待测RFID标签的信号强度信息，并在指定位置设定预设数目的参考标签，结合所述信号强度信息和所述参考标签计算所述RFID天线与所述待测RFID标签之间的距离和相对方向，具体包括步骤如下：
S1、将所述RFID天线固定在一匀速旋转的旋转台上，由所述RFID天线定点360°采集所述待测RFID标签的信号强度信息，并记录所述RFID天线的起始旋转时间戳TS以及终止时间戳TE；
S2、测量所述参考标签与所述待测RFID标签之间的直线距离，将所述直线距离作为所述RFID天线到所述待测RFID标签的第一距离d；
S3、根据所述RFID天线在旋转过程中产生的RSSI数据找到所述RFID天线的朝向正对所述待测RFID标签的时刻点，并以所述时刻点为中心截取正负10s内对应的第一RSSI数据；
S4、将所述第一RSSI数据通过一维离散小波变换得到第二RSSI数据；并对所述第二RSSI数据进行二次函数拟合，得到所述待测RFID标签所有所述RSSI数据中的极大值以及所述极大值对应的时间戳TTag；
S5、基于所述起始旋转时间戳TS、终止时间戳TE和时间戳TTag计算所述RFID天线正对所述待测RFID标签时的旋转角度；并测量得到所述待测RFID标签所在二维平面到所述RFID天线的第二距离L；
S6、根据所述旋转角度结合所述第二距离L计算所述RFID天线与所述待测RFID标签的水平距离w，以及所述待测RFID标签的x轴坐标；
S7、根据所述水平距离w和所述第一距离d计算所述待测RFID标签的z轴坐标，结合所述x轴坐标和所述z轴坐标得到所述待测RFID标签的平面位置。
2.如权利要求1所述的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，其特征在于，步骤S1中还包括步骤：以所述RFID天线与旋转台之间的固定点为原点建立三维坐标系。
3.如权利要求1所述的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，其特征在于，所述参考标签设置有两个或三个。
4.如权利要求1所述的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，其特征在于，步骤S5中所述旋转角度通过公式
Figure FDA0003627661600000021
其中，φ1表示所述旋转角度。
5.如权利要求4所述的基于旋转天线的RFID二维位置定位方法，其特征在于，所述步骤S5中还包括对所述旋转角度φ1进行校正：假设所述RFID天线正对所述待测RFID标签时的理论时间戳为TR1和采集记录得到所述RFID天线朝向正对所述待测RFID标签的记录时间戳为TR2；根据公式
Figure FDA0003627661600000022
进行计算得到校正后的旋转角度φ2。
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