CN112055409A - 一种基于功率控制的rfid室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率控制的RFID室内定位方法，应用于由RFID阅读器、参考标签、待测标签以及定位服务器组成的RFID室内定位系统，包括以下步骤：扫描获取参考标签的传输功率级别信息；确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库；扫描获取待测标签的传输功率级别集合；确定待测标签的近邻参考标签；计算并输出待测标签的定位结果。本发明采用成本更低无源标签，可以提高参考标签的覆盖密度，进而改进RFID室内定位方法的定位精度。本发明根据不同传输功率级别下读取到相同的标签集合来定位，受环境中的动态因素影响较小，对环境的适应性更好。本发明动态选择邻近参考标签的个数，对边缘节点的定位精度有明显改善。

Description

一种基于功率控制的RFID室内定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于功率控制的RFID室内定位方法，特别涉及一种利用超高频RFID阅读器的传输功率可调节特性实施的高精度室内定位方法。

背景技术

互联网已经从联接“人”转向联接“物”，物联网(Internet of Things,IoT)应运而生。在物联网的实现过程中，主要的联网技术包括IEEE 802.15规范标准中的几个子集，即无线射频识别RFID技术、蓝牙技术、超宽带UWB(802.15.3)技术和zigbee技术(802.15.4)等。而这些技术中，RFID技术具备低成本(RFID标签小、寿命长)、高速率(识别快、同时读取多标签)、可靠性高等特点；此外，RFID标签无需和标签阅读器直接接触、方便快捷，在物流仓储、超市、企业物资管理领域有着不可替代的优势。另一方面，在这些应用中，物品或者说标签的位置十分重要，快速准确的定位有利于提升物流效率、保证物资安全。如果能实现基于RFID系统的可靠定位技术，将极大提升RFID系统的适用性。

目前，室内定位系统大多基于无线信号强度RSSI(Received Signal StrengthIndicator)来辅助定位，其基本原理是：已知传输信号的强度，接收方根据接收到的信号强度估算出通信双方的距离。这是因为RSSI极易获取，不需要额外的设备，相比于其它定位技术成本非常低，因此当前主流RFID定位多是基于RSSI的，其中代表性的是SpotON系统与LANDMARC系统。

SpotON系统基于主动式标签，首先收集多个RFID阅读器的信号强度大小，然后根据提出的聚合算法进行迭代计算，得到定位误差最小的结果。其算法计算量过于庞大，且受步长与初始坐标的影响较大，因此SpotON是一个实验性的原型系统，距离估计和误差处理都停留在比较粗糙的阶段。

LANDMARC系统则引入位置已知的参考标签，实时同步地对参考标签和目标标签进行能量值测算，从而最大限度减少多径效应以及电磁波的不稳定性，提高定位精度。因为参考标签与待定位标签处于相同的环境,该系统可以很好适应环境的变化；同时，LANDMARC算法增加廉价的参考标签代替增加价格昂贵的阅读器，使得系统的成本得以降低。实验结果显示，LANDMARC的定位误差不超过2米，平均在1米左右。

正是因为LANDMAC算法这些优点，因此很多算法都是在LANDMARC算法的基础上进行改进的。香港科技大学的赵弋洋等人在LANDMARC的基础上提出在参考标签中间均匀插入虚拟的参考标签，达到在成本不变的基础上提高定位精度的目的，这就是VIRE(VirtualReference Elimination)定位技术。VIRE算法使用线性插值的方法计算两个实际参考标签中间的虚拟参考标签信号强度值，同时又提出相似地图的方法，缩小待定位标签可能出现的区域，定位的精度有了进一步的提升。

尽管LANDMARC和VIRE有定位精度高的优点，也存在着一些问题，最主要的是室内RSSI值受环境干扰大，尤其是无线信号的“多径效应”、导致边缘节点定位易失效；其次就是该类算法计算复杂度较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于功率控制的RFID室内定位方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于功率控制的RFID室内定位方法，应用于由RFID阅读器、参考标签、待测标签以及定位服务器组成的RFID室内定位系统，所述的RFID室内定位方法包括以下步骤：

扫描获取参考标签的传输功率级别信息；

确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库；

扫描获取待测标签的传输功率级别集合；

确定待测标签的近邻参考标签；

计算并输出待测标签的定位结果。

进一步地，所述的扫描获取参考标签的传输功率级别信息的过程如下：

设置RFID阅读器的传输功率参数；

采集参考标签的ID。

进一步地，所述的确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库的过程如下：

汇集所有阅读器采集到的标签集合；

确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库。

进一步地，所述的汇集所有阅读器采集到的标签集合的过程如下：

将RFID阅读器R_i，1≤i≤N在传输功率级别为p_u，1≤u≤L时读取到的参考标签集合记为RT_i,u＝{r_j,1≤j≤M}，其中，N为RFID室内定位系统中RFID阅读器的总个数，L为传输功率的最高级别数，M为参考标签集合中参考标签的总数量；

对于下一传输功率级别p_u+1，RFID阅读器R_i读取得到参考标签集合，该参考标签集合是当前传输功率级别对应的参考标签集合与上一传输功率级别对应的参考标签集合的差集。对于阅读器R_i，其覆盖参考标签r_j的最小传输功率级别q_i,j是唯一的；

当所有的RFID阅读器完成参考标签信息的采集后，汇集得到所有参考标签的传输功率集合,建立功率级别库

表示为：

在指纹图矩阵

中q_m,n,m＝1,2...M，n＝1,2,...N表示第n个RFID阅读器覆盖第m个参考标签的最小传输功率级别，

的每一个行向量代表一个参考标签对应N个RFID阅读器的最小传输功率级别。

进一步地，所述的扫描获取待测标签的传输功率级别集合的过程如下：

利用二分法设置RFID阅读器的传输功率参数；

采集待测标签及相应参考标签的ID。

进一步地，所述的利用二分法设置RFID阅读器的传输功率参数并采集标签信息具体为：

设置RFID阅读器的传输功率级别为最大p_L；如果能读取到待测标签的ID，则将RFID阅读器的传输功率级别调整为

否则说明该待测标签不在RFID阅读器范围内，在传输功率级别p_mid下，如果能读取到待测标签的ID，继续将RFID阅读器的传输功率级别调整为原来一半，即

否则，将RFID阅读器的传输功率级别调整为

并继续读取待测标签的ID信息，重复该过程，直到最后获取到待测标签ID，同时记录此时RFID阅读器的传输功率级别。

进一步地，所述的确定待测标签的近邻参考标签的过程如下：

根据采集到待测标签的传输功率级别，对近邻参考标签进行筛选，选择满足条件的近邻标签；

使用筛选得到的近邻标签，利用基于权重的KNN算法进行位置计算；

输出待测标签的位置信息。

进一步地，所述的根据采集到待测标签的传输功率级别，对近邻参考标签进行筛选，选择满足条件的近邻标签具体为：

对于给定待测标签t，计算其与每个参考标签r_j之间的距离d_j，该距离基于传输功率级别的欧式距离，即：

上式中，q_k、q_k,j分别表示RFID阅读器R_k能覆盖待测标签t和参考标签r_j的最小传输功率级别；

对于计算出来的所有d_j,按照从小到大的顺序排列其对应的参考标签r_j，然后选择其中距离最小的

个参考标签作为最终的候选邻近标签集合

其中，

的值取决于覆盖待测标签的RFID阅读器个数。

进一步地，所述的使用筛选得到的近邻标签，利用基于权重的KNN算法进行位置计算具体为：

针对最终的候选邻近标签集合C，评估待测标签t的位置如下：

其中，(x_e,y_e)表示第e个候选邻接标签的位置，w_e表示第e个候选邻接标签的权重：

其中，d_e表示当前待测标签t到第e个候选邻近标签的欧氏距离。该权重的设置原理，候选标签与待测标签的相似度越高，权重越大。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用成本更低无源标签，可以提高参考标签的覆盖密度，进而改进RFID室内定位方法的定位精度。

(2)本发明的RFID室内定位方法根据不同传输功率级别下，读取到相同的标签集合来定位，受环境中的动态因素影响较小，对环境的适应性更好。

(3)本发明的RFID室内定位方法动态选择邻近参考标签的个数，对于一些边缘节点的定位精度有明显改善。

附图说明

图1是本发明中实施例中的RFID室内定位系统的部署图；

图2是本发明中实施例中的RFID室内定位方法的流程图；

图3是本发明中实施例中的TransRange＝6m时定位示意图；

图4是本发明中实施例中的TransRange＝6m时定位误差比较示意图；

图5是本发明中实施例中的TransRange＝10m时定位示意图；

图6是本发明中实施例中的TransRange＝10m时定位误差比较示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种基于功率控制的RFID室内定位方法，应用于由RFID阅读器、参考标签、待测标签以及定位服务器组成的RFID室内定位系统。

如图1所示，该RFID室内定位系统由4个RFID阅读器R_i(i＝1,2,3,4),每个RFID阅读器R_i有L(L＝31)个离散的传输功率级别p_u(u＝1,2,…,31)，p_u取值1,2,...,31，对应的输出功率为0～30dbm。另外，该RFID室内定位系统中部署有参考标签r_j(j＝1,2,…,M)及待测标签t。

具体的定位方法包括以下步骤：

T1、每个RFID阅读器R_i轮流以不同传输功率级别p_u读取参考标签的信息，并获得成功读取的参考标签集合，记作：RT_i,u＝{r_j,1≤j≤M}；

T2、针对每个RFID阅读器R_i，其给定传输功率级别p_u覆盖的参考标签集合T_i,u是当前传输功率级别p_u对应的参考标签集合(RT_i,u)与上一传输功率级别p_u-1对应的参考标签集合(RT_i,u-1)的差集，即T_i,u＝{RT_i,u-RT_i,u-1,j>1}。对于最低传输功率级别u＝1，其对应的覆盖标签集合T_i,u＝{RT_i,u}；

T3、待获取到RFID室内定位系统中所有参考标签的信息后，建立参考标签r_j与传输功率对应集合：

T31、对应阅读器R_i，参考标签r_j的首次覆盖传输功率记为q_j,i＝p_iu,(iu＝1,2,…,L)；

T32、收集N个RFID阅读器R_i(i＝1,2,…,N)对应的首次覆盖功率，获得参考标签r_j与传输功率对应集合。如果没有被某个阅读器覆盖，相应的功率设置为0。

T4、与处理参考标签类似，实施以下定位方法：

T41、RFID阅读器R_i读取待测标签t的信息，据此判定该待测标签的首次覆盖功率q_k＝p_iu(iu＝1,2,…,L)；

T42、根据每个RFID阅读器R_i的处理信息，建立待测标签t的最小传输功率集合。

T43、对于给定待测标签t以及RFID阅读器R_i，选取RFID阅读器R_i对应功率集合p_j覆盖标签集合T_i,j中的标签作为候选标签，计算候选标签与待测标签之间的功率级别相似度，即基于传输功率级别的欧式距离d_j：

式中，q_k、q_k,j分别表示RFID阅读器R_k能覆盖待测标签t和参考标签r_j的最小传输功率级别；

T44、根据d_j的值，选取其中距离最小的

个参考标签作为最终的候选邻接标签集合

T5、根据候选邻接标签集合C，提取集合C中候选邻接标签r_e相应的位置(x_e,y_e)，最后评估待测标签的位置如下：

其中，w_e是对应候选邻接标签r_e的权重，此权重计算如下：

该权重的设置原理，当某个候选标签与待测标签的相似度越高，权重越大。

实施例二

本实施例对室内RFID定位系统进行优化与性能改进，为了便于比较，工作环境与LANDMARC和VIRE系统类似，均由RFID阅读器、参考标签和待测标签组成。实际应用中根据需求可以配置N个阅读器、M个参考标签及K个待测标签，阅读器和参考标签可以放置在不同的位置。阅读器假定有L个不同的传输功率级别，TransRange是RFID阅读器在最大功率级别(L)时对应的传输距离。

如图1所示是该RFID室内定位方法的一个实施例，在本实施例中，4个RFID阅读器，分布在房间平面图上四个顶点。每个阅读器的可用传输功率为0～30dbm，根据使用天线不同，最大识别距离可达6或10米。假设功率级别是线性递增的，每一个传输级别的递增读取距离为6/30＝0.2米。本实施例中，共设置225个无源参考标签，均匀分布在8*8的正方形区域内，相邻标签间距为0.5米，20个待测标签随机分布。

本实施例提供的RFID室内定位方法的流程如图2所示。

R1、从图2中可知，参考标签间距为0.5，因此可获取标签的位置(xr,yr)；

R2、给各个阅读器设置不同的传输功率，读到的相应参考标签ID集合。以阅读器R₁为例，其在功率级别为2时对应的集合为{1}，但是在功率级别3时对应标签集合{1,2,16}。因此，阅读器R₁在功率级别4时的覆盖标签集是上述两集合的差{2,16}。

R3、因此，参考标签16相对于阅读器R₁的最小可读功率级别为4。每个阅读器扫描完成后，可获得每个参考标签相对于每个阅读器的最小可读功率级别。如图1中，参考标签16的可读功率集合是{3，21，22，0}，其中0表示阅读器R₄即使以最大传输功率也无法读取到标签16的信息。

R4、以同样的方式，可以获取到待测标签的可读功率集合。例如，图1中，待测标签7的可读功率集合是{9,20,16,24}，对应阅读器R1,R2,R3,R4的最小可读功率。

R5、从参考标签中选取与待测标签可读功率集合相同或相似的作为候选参考标签。

首先，计算他们的功率欧式距离。例如，参考标签16与待测标签7的距离为25.47。为了降低算法的复杂度，本发明并不需要计算待测节点与所有参考标签的距离，而只计算与待测标签读取功率相近的那些标签即可。仍以待测标签7为例，它到阅读器R₁的可读功率级别是9，因此只需要计算R₁在传输功率为8～10时所覆盖的参考标签集即可。

根据相似度，选取k个参考标签作为候选标签，其中参数k由待测标签被阅读器覆盖的个数决定。如待测标签7可被4个阅读器读取，因此设定k＝4。

R6、对候选标签计算各自的权重，最后计算出待测标签的位置。到此，定位过程结束。

下面进行性能分析，为便于比较，本实施例中的RFID室内定位方法与经典的LANDMARC和VIRE系统对比，比较定位精度。本实施例中RFID室内定位方法与经典的LANDMARC和VIRE系统在阅读器个数、待测标签数上数目相同，但是本发明采用无源标签，成本低，因此部署密度更大，整个区域部署了15*15个参考标签，而LANDMARC和VIRE系统部署4*4个有源标签。

根据MATLAB的仿真运行，仿真结果如图3和图4所示，图3显示当最大传输距离为6m时，待测标签与实际位置间的差距。而图4则显示了本实施例中RFID室内定位方法(简称TPBL)远远好于LANDMARC算法，并且也在大多数情况下优于VIRE算法，其中20个待测标签中有13个优于后者。值得一提的是，在边缘标签的定位过程中，本实施例中RFID室内定位方法要优化前两者，代表性的是节点1、14和20。从统计结果来看，本实施例中只有25％的标签定位误差超过0.5m，而LANDMARC有50％标签误差超过1m,而VIRE的定位误差均过0.5m的有10％，均是边缘节点。

图5和图6显示当最大传输距离调整为10m时，本实施例中RFID室内定位方法的精确度进一步提升，85％的节点定准超过其它两种算法，并且所有标签的定位误差都不超过0.5。这种性能提升原因是因为所有的参考标签都能被所有的阅读器覆盖，因而提高了标签间相似度的判定，进而提高定位精度。

综上，上述实施例公开的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，该定位方法从RFID设备和算法两个方面进行优化。硬件上采用超高频RFID阅读器，读写速率更高、且具备更多可调传输功率级别。例如，工作频率在920～925MHZ的RFID阅读器的读取距离可达12米，同时具备传输功率可调节功能，可调级别多达30级。同时，采用无源标签而不是成本更高的有源标签，有效降低成本。另一方面，在定位算法设计上，采用传输功率级别作为衡量标准，在不增加网络成本的基础上，实现高效的标签辅助定位算法。综合而言，本发明提出一种基于超高频RFID的室内定位方法，提高定位精度，同时能够降低定位算法的复杂度及不稳定性，较好地适应室内环境。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于功率控制的RFID室内定位方法，应用于由RFID阅读器、参考标签、待测标签以及定位服务器组成的RFID室内定位系统，所述的RFID室内定位方法包括以下步骤：

扫描获取参考标签的传输功率级别信息；

确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库；

扫描获取待测标签的传输功率级别集合；

确定待测标签的近邻参考标签；

计算并输出待测标签的定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的扫描获取参考标签的传输功率级别信息的过程如下：

设置RFID阅读器的传输功率参数；

采集参考标签的ID。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库的过程如下：

汇集所有阅读器采集到的标签集合；

确定参考标签的传输功率级别集合，建立功率级别库。

4.根据权利要求3所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的汇集所有阅读器采集到的标签集合的过程如下：

将RFID阅读器R_i，1≤i≤N在传输功率级别为p_u，1≤u≤L时读取到的参考标签集合记为RT_i,u＝{r_j,1≤j≤M}，其中，N为RFID室内定位系统中RFID阅读器的总个数，L为传输功率的最高级别数，M为参考标签集合中参考标签的总数量；

对于下一传输功率级别p_u+1，RFID阅读器R_i读取得到参考标签集合，该参考标签集合是当前传输功率级别对应的参考标签集合与上一传输功率级别对应的参考标签集合的差集；对于阅读器R_i，覆盖参考标签r_j的最小传输功率级别q_i,j是唯一的；

当所有的RFID阅读器完成参考标签信息的采集后，汇集得到所有参考标签的最小覆盖传输功率集合,建立覆盖功率级别库

表示为：

在覆盖功率级别库

中q_m,n,m＝1,2...M，n＝1,2,...N表示第n个RFID阅读器覆盖第m个参考标签的最小传输功率级别，

的每一个行向量代表一个参考标签对应N个RFID阅读器的最小覆盖传输功率级别。

5.根据权利要求1所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的扫描获取待测标签的传输功率级别集合的过程如下：

利用二分法设置RFID阅读器的传输功率参数；

采集待测标签及相应参考标签的ID。

6.根据权利要求5所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的利用二分法设置RFID阅读器的传输功率参数并采集标签信息具体为：

设置RFID阅读器的传输功率级别为最大p_L；如果能读取到待测标签的ID，则将RFID阅读器的传输功率级别调整为

否则说明该待测标签不在RFID阅读器范围内，在传输功率级别p_mid下，如果能读取到待测标签的ID，继续将RFID阅读器的传输功率级别调整为原来一半，即

否则，将RFID阅读器的传输功率级别调整为

并继续读取待测标签的ID信息，重复该过程，直到最后获取到待测标签ID，同时记录此时RFID阅读器的覆盖该标签的最小传输功率级别。

7.根据权利要求1所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的确定待测标签的近邻参考标签的过程如下：

根据采集到待测标签的传输功率级别，对近邻参考标签进行筛选，选择满足条件的近邻标签；

使用筛选得到的近邻标签，利用基于权重的KNN算法进行位置计算；

输出待测标签的位置信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的根据采集到待测标签的传输功率级别，对近邻参考标签进行筛选，选择满足条件的近邻标签具体为：

对于给定待测标签t，计算其与每个参考标签r_j之间的距离，该距离基于传输功率级别的欧式距离d_j，即：

上式中，q_k、q_k,j分别表示RFID阅读器R_k能覆盖待测标签t和参考标签r_j的最小传输功率级别；

对于计算出来的所有d_j,按照从小到大的顺序排列其对应的参考标签r_j，然后选择其中距离最小的

个参考标签作为最终的候选邻近标签集合

其中，

的值取决于覆盖待测标签的RFID阅读器个数。

9.根据权利要求7所述的一种基于功率控制的RFID室内定位方法，其特征在于，所述的使用筛选得到的近邻标签，利用基于权重的KNN算法进行位置计算具体为：

针对最终的候选邻近标签集合C，评估待测标签t的位置如下：

其中，(x_e,y_e)表示第e个候选邻接标签的位置，w_e表示第e个候选邻接标签的权重：

其中，d_e表示当前待测标签t到第e个候选邻近标签的欧氏距离。

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