CN111060870B - 一种基于天线旋转的rfid定位方法 - Google Patents

一种基于天线旋转的rfid定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于天线旋转的RFID定位方法，使用两个旋转的RFID天线，在旋转过程中持续读取RFID标签的信号强度信息，以这些信息为特征，再辅以2‑3张已知位置的参考标签，得到每个天线与待测标签之间的直线距离与相对方向，最终得到待测标签的三维位置。通过上述方式，本发明能够计算出一定三维区域内的一系列RFID标签的位置。

Description

一种基于天线旋转的RFID定位方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于天线旋转的RFID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(Radio Frequency Identification)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。然而由于这些定位系统或多或少地都存在一些问题，在目前十几年的研究过程中仍没有一种被普遍认可的稳定高精度的室内定位系统，室内定位技术尚未得到大规模的应用。
目前定位技术的一些劣势：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
为解决上述问题，本发明的目的提供一种基于天线旋转的RFID定位方法，将天线放置在旋转台上，定点匀速旋转天线360°采集动态数据，相比于静态采集有更多的信息用于定位，而且不是将天线放在旋转台边缘，对旋转台的尺寸要求不高，两个天线旋转过程中相互交叠且低于的扫描区域均是可定位区域。只要知道天线与标签之间的相对入射角度和距离即可定位标签。距离可通过路径损耗模型计算得到。天线正对标签的时候信号值最大。根据RSSI取得最大值时的时间戳，结合旋转台的旋转起止时间可以确定天线在此刻的朝向，从而得到天线和标签之间的相对入射角度。
本发明提供一种基于天线旋转的RFID定位方法，所述定位方法步骤如下：
步骤一：RFID天线匀速旋转采集数据；
步骤二：测量确定参考标签的位置；
步骤三：对于采集到的每一张RFID标签，在天线旋转的过程中产生的RSSI数据序列，找到RFDI数据的极大值，即天线面向RFID标签的时刻；截取该时刻左右5s的区间内的RSSI数据，再通过一维离散小波1-D Discrete Wavelet变换后，得到数据；
步骤四：对步骤三中得到的数据进行二次函数拟合，取得每一张标签RSSI数据的极大值以及取得极大值时刻的时间戳；
步骤五：根据步骤四中取得的RSSI极大值作为每一张标签的RSSI数值，记待测标签和两张参考标签到天线的距离分别为d、dr1、dr2，则：
Figure GDA0002408824580000031
Figure GDA0002408824580000032
Figure GDA0002408824580000033
待测标签与两个参考标签的数据之间作差，直接消除PL(d0)+Xσ得到：
Figure GDA0002408824580000041
Figure GDA0002408824580000042
再两式相除消去n，得到：
Figure GDA0002408824580000043
进一步可以得到：
Figure GDA0002408824580000044
Figure GDA0002408824580000045
Figure GDA0002408824580000046
步骤六：根据步骤五的方法计算出待测标签到两个天线的直线距离，记为d1、d2；记两天线位置为(0,0,H)和(0,L,H)；由此可以得到待测标签可能处于的三位空间点集为：
Figure GDA0002408824580000047
步骤七：根据步骤四中得到的时间戳TTag，再加上天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE，天线方向正对待定位标签时天线旋转的角度φ为：
Figure GDA0002408824580000048
步骤八：天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE存在不可避免的误差，利用位置已知的参考标签进行矫正，记TR1,TR2分别为天线旋转过程中方向正对标签时的理论时间戳与采集到的时间戳φ可以校正为：
Figure GDA0002408824580000049
步骤九：根据步骤八中得到的角度计算方法计算得到待测标签相对于两个天线的角度分别为α1和α2，两个天线分别可以计算出一个x坐标，取两个坐标的平均值作为x轴坐标：
Figure GDA0002408824580000051
步骤十：根据步骤九中等得到的x轴坐标和步骤六中的圆方程，解得待测标签在三维空间中的位置G1、G2。保持天线高于所有待测标签，G1即为待测标签所在位置。
进一步改进在于：所述步骤一中使用两个匀速旋转的RFID天线，在旋转过程中持续读取RFID标签的信号强度信息和对应的时间戳。
进一步改进在于：所述步骤一中记录天线旋转朝向指定位置时的时间戳，从而得到任意时刻天线的朝向。
进一步改进在于：所述步骤二中使用两张参考标签用来计算标签到天线的直线距离，且两张参考标签不宜距离过近；使用一张标签用来修正标签相对天线的角度。
进一步改进在于：所述步骤二中使用两张参考标签用来计算标签到天线的直线距离时需要测量量参考标签到天线的直线距离；使用一张标签用来修正标签相对天线的角度时需要测量参考标签相对天线的角度。
本发明的有益效果：将天线放置在旋转台上，定点匀速旋转天线360°采集动态数据，相比于静态采集有更多的信息用于定位，而且不是将天线放在旋转台边缘，对旋转台的尺寸要求不高，两个天线旋转过程中相互交叠且低于的扫描区域均是可定位区域。只要知道天线与标签之间的相对入射角度和距离即可定位标签。距离可通过路径损耗模型计算得到。天线正对标签的时候信号值最大。根据RSSI取得最大值时的时间戳，结合旋转台的旋转起止时间可以确定天线在此刻的朝向，从而得到天线和标签之间的相对入射角度。能够更准确地对三维空间内的RFID标签进行定位。
附图说明
图1是本发明的数据采集部分结构示意图。
图2是本发明的RSSI数据一维离散小波1-D Discrete Wavelet变换示例图。
图3是本发明的RSSI数据二次函数拟合示例图。
图4是本发明的待测标签位置计算俯视图。
图5是本发明的待测标签位置计算主视图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1所示，本实施例提供一种基于天线旋转的RFID定位方法，通过旋转RFID天线采集数据，从而得到天线与待测标签之间的直线距离与相对方向，最终计算出标签在三维空间内的位置。具体步骤如下：
步骤一：如图1所示，RFID天线匀速旋转采集数据。实物演示如图2所示。
步骤二：测量确定参考标签的位置。
步骤三：对于采集到的每一张RFID标签，在天线旋转的过程中产生的RSSI数据序列，找到RFDI数据的极大值，即天线面向RFID标签的时刻。截取该时刻左右5s的区间内的RSSI数据，再通过一维离散小波1-D Discrete Wavelet变换后，得到数据图3所示。
步骤四：对步骤三得到的数据进行二次函数拟合，如图4所示。取得每一张标签RSSI数据的极大值以及取得极大值时刻的时间戳。
步骤五：根据步骤四中取得的RSSI极大值作为每一张标签的RSSI数值，记待测标签和两张参考标签到天线的距离分别为d、dr1、dr2，则有：
Figure GDA0002408824580000071
Figure GDA0002408824580000072
Figure GDA0002408824580000073
待测标签与两个参考标签的数据之间作差，直接消除PL(d0)+Xσ得到：
Figure GDA0002408824580000074
Figure GDA0002408824580000075
再两式相除消去n，得到：
Figure GDA0002408824580000076
进一步可以得到：
Figure GDA0002408824580000077
Figure GDA0002408824580000078
Figure GDA0002408824580000079
步骤六：如图5所示，根据步骤五的方法计算出待测标签到两个天线的直线距离，记为d1、d2。记两天线位置为(0,0,H)和(0,L,H)。由此可以得到待测标签可能处于的三位空间点集为：
Figure GDA0002408824580000081
步骤七：根据步骤四中得到的时间戳TTag，再加上天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE，天线方向正对待定位标签时天线旋转的角度φ为：
Figure GDA0002408824580000082
步骤八：天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE存在不可避免的误差，利用位置已知的参考标签进行矫正。记TR1,TR2分别为天线旋转过程中方向正对标签时的理论时间戳与采集到的时间戳，φ可以校正为：
Figure GDA0002408824580000083
步骤九：如图5所示，根据步骤八别为α1和α2。两个天线分别可以计算出一个x坐标，取两个坐标的平均值作为x轴坐标：
Figure GDA0002408824580000084
步骤十：根据步骤九中得到的x轴坐标和步骤六中的圆方程，可以解得待测标签在三维空间中的位置G1、G2。保持天线高于所有待测标签，G1即为待测标签所在位置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于天线旋转的RFID定位方法，其特征在于：所述定位方法步骤如下：
步骤一：RFID天线匀速旋转采集数据；
步骤二：测量确定参考标签的位置；
步骤三：对于采集到的每一张RFID标签，在天线旋转的过程中产生的RSSI数据序列，找到RFDI数据的极大值，即天线面向RFID标签的时刻；截取该时刻左右5s的区间内的RSSI数据，再通过一维离散小波1-D Discrete Wavelet变换后，得到数据；
步骤四：对步骤三中得到的数据进行二次函数拟合，取得每一张标签RSSI数据的极大值以及取得极大值时刻的时间戳；
步骤五：根据步骤四中取得的RSSI极大值作为每一张标签的RSSI数值，记待测标签和两张参考标签到天线的距离分别为d、dr1、dr2，则：
Figure RE-FDA0003782201700000011
Figure RE-FDA0003782201700000012
Figure RE-FDA0003782201700000013
待测标签与两个参考标签的数据之间作差，直接消除PL(d0)+Xσ得到：
Figure RE-FDA0003782201700000014
Figure RE-FDA0003782201700000015
再两式相除消去n，得到：
Figure RE-FDA0003782201700000016
进一步得到：
Figure RE-FDA0003782201700000021
Figure RE-FDA0003782201700000022
Figure RE-FDA0003782201700000023
步骤六：根据步骤五的方法计算出待测标签到两个天线的直线距离，记为d1、d2；记两天线位置为(0,0,H)和(0,L,H)；由此得到待测标签可能处于的三位空间点集为：
Figure RE-FDA0003782201700000024
步骤七：根据步骤四中得到的时间戳TTag，再加上天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE，天线方向正对待定位标签时天线旋转的角度φ为：
Figure RE-FDA0003782201700000025
步骤八：天线匀速旋转的开始和结束时间戳TS，TE存在不可避免的误差，利用位置已知的参考标签进行矫正，记TR1,TR2分别为天线旋转过程中方向正对标签时的理论时间戳与采集到的时间戳φ校正为：
Figure RE-FDA0003782201700000026
步骤九：根据步骤八中得到的角度计算方法计算得到待测标签相对于两个天线的角度分别为α1和α2，两个天线分别计算出一个x坐标，取两个坐标的平均值作为x轴坐标：
Figure RE-FDA0003782201700000027
步骤十：根据步骤九中得到的x轴坐标和步骤六中的圆方程，解得待测标签在三维空间中的位置G1、G2， 保持天线高于所有待测标签，G1即为待测标签所在位置。
2.如权利要求1所述的一种基于天线旋转的RFID定位方法，其特征在于：所述步骤一中使用两个匀速旋转的RFID天线，在旋转过程中持续读取RFID标签的信号强度信息和对应的时间戳。
3.如权利要求1所述的一种基于天线旋转的RFID定位方法，其特征在于：所述步骤一中记录天线旋转朝向指定位置时的时间戳，从而得到任意时刻天线的朝向。
4.如权利要求1所述的一种基于天线旋转的RFID定位方法，其特征在于：所述步骤二中使用两张参考标签用来计算标签到天线的直线距离，且两张参考标签不宜距离过近；使用一张标签用来修正标签相对天线的角度。
5.如权利要求4所述的一种基于天线旋转的RFID定位方法，其特征在于：所述步骤二中使用两张参考标签用来计算标签到天线的直线距离时需要测量参考标签到天线的直线距离；使用一张标签用来修正标签相对天线的角度时需要测量参考标签相对天线的角度。
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