CN110568400B - 抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，包括：获取物体标签的信号强度（RSS）原始数据；对原始RSS数据的预处理；以及根据预处理后的RSS来粗略估计抽屉内物体标签在读写器移动方向轴上的位置。其中：获取标签原始数据的方法是沿着平行于抽屉前板的方向等间隔的移动读写器天线，天线在不同位置来获取抽屉内标签的原始RSS数据；然后对原始RSS数据滤波进行处理；最后根据天线在不同位置时接收的标签RSS估计出物体标签的位置。本发明提供的基于读写器天线移动方向轴的粗定位方法能够在非视距的情况下粗略估计出物体标签的位置。

Description

抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法
技术领域
本发明涉及物联网技术中的自动识别领域，特别涉及一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification)技术利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。RFID系统主要由读写器、以及标签组成。阅读器是可以将标签中的信息读出，或是将需要存储的信息写入标签的读/写装置，是RFID系统的信息控制与处理中心。标签由耦合元件及芯片组成，每一个RFID标签都具有唯一的电子编码(EPC)，可附着在物体上标识目标对象。在物联网飞速发展的时代，RFID技术可以广泛应用于各个领域，其中定位技术是RFID的重要研究领域。
RFID定位方法与传统的无线定位方法类似，一般通过测量射频信号的收发时延，信号强度，相位等参数，估计待定位标签的位置。RFID的主要定位方法分为测距以及非测距两种。
测距法：对于已知位置的读写器天线与待定位标签的距离，可以通过测量射频信号的物理参数间接推算出来，主要包括：信号强度(RSSI)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、相位(POA)等。TOA和TDOA的测量精度对定位精度有较大影响，由于信号传输速度快，时间测量上的很小误差在计算拒绝时都会引起较大误差，所以这种方法要求信号的发送端与接收端有高精度高同步的时钟，实际应用中成本较高，误差也大。POA虽然具有较高的精度，但是相位本身具有周期性，无法根据相位直接映射出阅读器与待定位目标的距离。
非测距法：非测距式的RFID定位方法是基于场景分析的，其原理是对特定的场景进行定位时，用量化参数来描述场景信息，形成场景的信息地图，通过匹配待定位对象与信息地图的特征属性，求出待定位对象的位置。非测距式RFID定位通常选择RSS作为场景特征参数，一般是基于指纹定位法和参考标签法，具体算法包括质心算法、K近邻(KNN)算法、贝叶斯算法、支持向量机(SVM)算法等。参考标签法需要部署大量的参考标签，尤其在标签密度较大的环境中，标签之间的耦合也会影响定位精度，指纹定位法虽然不需要布置大量的参考标签，但是需要线下训练，且在线上定位阶段需要保证定位场景不改变。
抽屉内物体标签的定位场景较小，考虑到标签密度对定位精度的影响，参考标签法不适用；同样地，指纹定位法也不符合实际应用，因为需要考虑许多种线下场景。对于测距法来说，由于距离以及相对方位的不确定，无法有效确定方位。因此，针对现有的定位方法，有必要提出一种原理简单，能够保证较好定位精度，通过差值判定进行相应的改进，并据此提出基于读写器移动的抽屉内标签的粗定位方法。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法。
本发明提供了一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，包括：S1、获取抽屉内所有物体标签的原始接收信号强度(RSS)数据，其中：S11、读写器天线放置在抽屉前板的前方且保证天线平面平行于抽屉前板，等间距的移动天线至不同位置并记录下此时的天线位置坐标；S12、天线在每一个位置时，读写器的发射信号功率保持不变，天线在一定时间内持续盘讯抽屉内的所有标签，并记录下每个标签返回的一组RSS原始数据集。S2、对RSS原始数据进行滤波处理，对于一组RSS原始数据，首先需要通过hampel法剔除异常数据，然后将剩余的RSS数据取平均，得到一个RSS值；这个值即为滤波后的RSS值。S3、根据不同位置获取的RSS数据来估计标签的大致位置，其中：S31、找到RSS序列中最大的RSS值；S32、根据RSS序列中最大值左右相邻RSS值之间的差距判断是否需要进行位置矫正。
进一步地，所述步骤S32可以包括：对于某个标签的RSS序列，将序列中最大值左右相邻的两个RSS值相减，差值的绝对值如果小于预设的阈值，那么认为读取最大RSS值的天线位置即是标签的估计位置；若差值的绝对值大于阈值，则标签的估计位置是在天线位置的基础上进行一定矫正得到的，其中，如果左边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向左偏移一个移动间距；如果右边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向右偏移一个移动间距。
本发明采用的抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，利用不同天线位置时天线读取的标签RSS值，为每个标签建立了一个RSS序列，再利用序列中的RSS最大值对应的天线位置并结合位置矫正，得出标签在读写器移动方向轴上的位置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了根据发明一实施方式的方法流程示意图；
图2示出了根据发明一实施方式的实验场景示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当本发明称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
针对现有技术存在的问题以及在实际程序测试中得到的结果，本发明提供了一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法。
本发明提供了一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，分为三个阶段。前两个阶段是采集RSS数据以及对RSS数据的预处理，第三个阶段是对RSS数据的分析以得出物品标签的定位结果。下面列出三个阶段的实施步骤。
如图1所示，对抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法进行实施，具体流程如下：
(1)建立坐标系
如图2所示，根据抽屉的内部结构建立坐标系，其中X轴沿着抽屉的短边，Y轴沿着抽屉的长边，抽屉的左下角设为坐标系原点O。
(2)读写器天线的位置部署
如图2所示，读写器天线放置在抽屉前，天线平面平行于抽屉前板且与抽屉前板的距离保持在3cm，读写器天线以2cm为固定间隔沿着X轴移动，从原点O移动到X轴28cm，即抽屉的内部右边界处。因此，在整个移动过程中，读写器天线等间距的停留在以下位置：A1,A2,…,A15。
(3)读写器天线接收标签的返回信号
天线每移动到一个位置，读写器天线会发送功率为20dBm，频率在920～928MHZ之间的跳频信号，抽屉内的RFID标签都处在可激活区域，标签会产生感应电流将自身信息通过内置天线返回给读写器天线，再通过连接读写器的主机系统进行处理后，得到每个标签的原始RSS返回数据。
(4)对原始RSS数据进行滤波处理
读写器天线完成了在不同位置的标签信息读取后，每个标签都会得到15组原始RSS数据。为了能够表征读写器天线在不同位置时的RSS特征，需要对原始数据进行处理，首先通过hampel法剔除异常数据，然后将剩余的RSS数据取平均，得到一个RSS值。这样，对于任意一个标签，天线在15个位置就有相应的15个RSS值。
(5)为每个标签组成RSS序列
对于抽屉内任一个标签k，它在15个位置处返回的RSS值组成的集合表示为{RSSk(1),RSSk(2),…,RSSk(15)}，其中，k表示第k标签的序号，RSSk(1)、RSSk(2)…、RSSk(15)分别表示天线在位置A1、A2和A15时接收到标签k的返回信号强度，相应地天线位置集合为{xk(1),xk(2),…,xk(15)}，其中，xk(1)、xk(2)…、xk(15)分别表示天线在位置A1、A2和A15时在X轴上的坐标值。将上述两集合中的元素对应就组成了标签k的RSS序列表示为{(xk(1),RSSk(1)),(xk(2),RSS(2)),…(xk(15),RSSk(15))}。
(6)根据RSS序列估计标签在读写器移动方向上的位置
对于在抽屉内靠前的标签，标签与读写器天线之间的距离相对较小，使得标签返回信号中的多径分量少，RSS数据也比较正常。因此，当读写器天线正对着标签时，天线与标签之间距离最小，相应地RSS值也是最大的。然而，对于靠近抽屉后部分的标签来说，通信路径的增加使得信号衰减较大且多径分量增多，使得RSS值受到干扰，此时当标签与天线正对时，RSS读数不一定最大。
为了能够解决这个问题，提出了一个名为最大值对称因子(peak asymmetricfactor,PAF)的度量标准，如式(1)所示：
PAF＝RSS(x*/G+1)-RSS(x*/G-1) (1)
其中，x*表示获取RSS最大值对应的天线X轴坐标，G表示天线的移动间距(2cm)，x*/G表示获取RSS最大值天线的位置序号，RSS(x*/G+1)表示RSS序列中最大值右侧相邻值，RSS(x*/G-1)表示RSS序列中最大值左侧相邻值。式(1)表示RSS序列中的RSS最大值左右相邻RSS值的差，如果PAF小于预设的阈值θPAF，那么认为标签在读写器移动方向轴(X轴)的位置xtag就是x*；如果PAF的绝对值大于θPAF，那么需要在x*的基础上进行一个移动间距的矫正：当最大值右侧的值RSS(x*/G+1)大于左侧的值RSS(x*/G-1)时，估计标签的位置需要在x*的基础上右移一个移动间距；如果是RSS(x*/G-1)大于RSS(x*/G+1)，则需要左移一个移动间距。标签在X轴上的粗定位位置xrel表示如下：
实验结果分析如表1所示，在利用最大值的天线位置x*进行粗定位时，在抽屉内靠后位置的标签定位误差较大，当引入了PAF矫正后，抽屉靠后位置标签的定位误差有所减小。
表1本发明定位误差分析
标签 |x*-xtag|(cm) |xrel-xtag|(cm)
tag1,tag2,tag3,tag4 2,2,2,4 2,2,2,4
tag5,tag6,tag7,tag8 2,2,2,4 2,2,2,4
tag9,tag10,tag11,tag12 8,4,2,4 6,2,2,4
tag13,tag14,tag15,tag16 4,4,4,2 4,4,4,2
本发明提供了一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，包括：S1、获取抽屉内所有物体标签的原始接收信号强度(RSS)数据，其中：S11、读写器天线放置在抽屉前板的前方且保证天线平面平行于抽屉前板，等间距的移动天线至不同位置并记录下此时的天线位置坐标；S12、天线在每一个位置时，读写器的发射信号功率保持不变，天线在一定时间内持续盘讯抽屉内的所有标签，并记录下每个标签返回的一组RSS原始数据集。S2、对RSS原始数据进行滤波处理，对于一组RSS原始数据，首先需要通过hampel法剔除异常数据，然后将剩余的RSS数据取平均，得到一个RSS值；这个值即为滤波后的RSS值。S3、根据不同位置获取的RSS数据来估计标签的大致位置，其中：S31、找到RSS序列中最大的RSS值；S32、根据RSS序列中最大值左右相邻RSS值之间的差距判断是否需要进行位置矫正。
进一步地，所述步骤S32可以包括：对于某个标签的RSS序列，将序列中最大值左右相邻的两个RSS值相减，差值的绝对值如果小于预设的阈值，那么认为读取最大RSS值的天线位置即是标签的估计位置；若差值的绝对值大于阈值，则标签的估计位置是在天线位置的基础上进行一定矫正得到的，其中，如果左边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向左偏移一个移动间距；如果右边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向右偏移一个移动间距。
本发明采用的抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，利用不同天线位置时天线读取的标签RSS值，为每个标签建立了一个RSS序列，再利用序列中的RSS最大值对应的天线位置并结合位置矫正，得出标签在读写器移动方向轴上的位置。
本技术领域技术人员可以理解，本发明可以涉及用于执行本申请中所述操作中的一项或多项操作的设备。所述设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备，所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、CD-ROM、和磁光盘)、随即存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存、磁性卡片或光线卡片。可读介质包括用于以由设备(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机构。例如，可读介质包括随即存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置、以电的、光的、声的或其他的形式传播的信号(例如载波、红外信号、数字信号)等。
本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来生成机器，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行的指令创建了用于实现结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方法。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种抽屉内物品标签在读写器移动方向轴的粗定位方法，其特征在于，包括：
S1、获取抽屉内所有物体标签的接收信号强度(RSS)原始数据，其中：
S11、读写器天线放置在抽屉前板的前方且保证天线平面平行于抽屉前板，等间距的移动天线至不同位置并记录下此时的天线位置坐标；
S12、天线在每一个位置时，读写器的发射信号功率保持不变，天线在一定时间内持续盘讯抽屉内的所有标签，并记录下每个标签返回的一组RSS原始数据集；
S2、对RSS原始数据进行滤波处理，对于一组RSS原始数据，首先需要通过hampel法剔除异常数据，然后将剩余的RSS数据取平均，得到一个RSS值；这个值即为滤波后的RSS值；
S3、根据不同位置获取的RSS数据来估计标签的大致位置，其中：
S31、找到RSS序列中最大的RSS值；
S32、根据RSS序列中最大值左右相邻RSS值之间的差距判断是否需要进行位置矫正；对于某个标签的RSS序列，将序列中最大值左右相邻的两个RSS值相减，差值的绝对值如果小于预设的阈值，那么认为读取最大RSS值的天线位置即是标签的估计位置，若差值的绝对值大于阈值，则标签的估计位置是在天线位置的基础上进行一定矫正得到的；其中，如果左边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向左偏移一个移动间距；如果右边的相邻RSS值较大，则估计位置在天线位置的基础上向右偏移一个移动间距；采用一个名为最大值对称因子(peak asymmetric factor,PAF)的度量标准，如下式所示：
PAF＝RSS(x*/G+1)-RSS(x*/G-1)
其中，x*表示获取RSS最大值对应的天线X轴坐标，G表示天线的移动间距为2cm，x*/G表示获取RSS最大值天线的位置序号，RSS(x*/G+1)表示RSS序列中最大值右侧相邻值，RSS(x*/G-1)表示RSS序列中最大值左侧相邻值；上式表示RSS序列中的RSS最大值左右相邻RSS值的差，如果PAF小于预设的阈值θPAF，那么认为标签在读写器移动方向轴(X轴)的位置xtag就是x*；如果PAF的绝对值大于θPAF，那么需要在x*的基础上进行一个移动间距的矫正：当最大值右侧的值RSS(x*/G+1)大于左侧的值RSS(x*/G-1)时，估计标签的位置需要在x*的基础上右移一个移动间距；如果是RSS(x*/G-1)大于RSS(x*/G+1)，则需要左移一个移动间距。
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