TWI411805B - 使用地理資訊系統定位ｒｆｉｄ標籤的方法 - Google Patents

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TWI411805B TW99121147A TW99121147A TWI411805B TW I411805 B TWI411805 B TW I411805B TW 99121147 A TW99121147 A TW 99121147A TW 99121147 A TW99121147 A TW 99121147A TW I411805 B TWI411805 B TW I411805B
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使用地理資訊系統定位RFID標籤的方法
本發明係關於一種無線射頻辨識標籤(Radio Frequency Identification,RFID)，特別是指一種RFID標籤定位之一種演算法。
在21世紀的今日，無線通訊技術廣泛應用於日常生活之中，帶給我們非常大的便利性，無線技術除通訊外，另一可加以利用的是定位技術，常用的定位技術包含GPS、Cell ID、紅外線、IEEE 802.11、超音波、超寬頻、Zig Bee與無線射頻辨識(Radio Frequency Identification,RFID)等。GPS雖可精準定位且成本低廉，但該技術適用於戶外定位；Cell ID與超寬頻適合大範圍的地區定位；紅外線易受干擾且建構成本高；IEEE 802.11與Zig Bee的定位效果不及預期；超音波系統建置成本高。
RFID無線射頻標籤是一種非接觸式自動識別系統，它是利用無線電波來傳送識別資料，一組射頻識別系統由標籤與讀寫器組成，標籤上裝有電路，讀寫器從一段距離外間歇發射能量給標籤讀寫器交換訊息，標籤基本上是在一塊矽晶片上加裝簡單的天線，然後以玻璃或塑膠組件封裝而成。
RFID室內定位系統是由HighTower與Borriello於2001年提出，該研究發展SpotON定位系統驗證RFID於室內定位之可行性，在SpotON的方法中，未知物件的定位並沒有經過系統中央控管的過程，而是由其他硬體規格相同的感測點，以分散式計算的方式來完成，這些分散在感測環境之中的感測點會將其接收訊號強度(RSSI)資料集合並回報，最後以定位演算法計算出未知物件的預測位置。
RFID天線定位則適用於室內且建置成本低，但三維空間若僅採用單一RFID天線進行定位，所獲得的定位目標位置為一球面，若增加一個RFID天線，可將定位目標位置侷限於兩個球面的交集，即為一個圓弧線，依據無線感測網路增加第三個天線，將會與此一圓弧有兩個交點，此兩點代表定位目標的兩個可能位置，為求得合理解，一般需要4個天線。
如圖1示，該定位概念至少需要三個訊號發射塔且發射塔位置已知，假設每個節點所發出的信號為圖中圓圈所涵蓋的範圍，訊號發射塔的座標分別為(X=0,Y=0)、(X=1,Y=0)與(X=3,Y=0)，三個節點涵蓋範圍為r1、r2與r3，利用三個節點所交叉範圍即可計算出未知物位置，若將此概念運用於四個以上訊號發射塔則稱為Multilateration。
在先前申請專利案97134617中提出的演算法是以空間位置修正的概念，先量測各RFID天線至目標標籤的距離，接著於定位空間產生一起始點，計算此起始點至各RFID天線之直線距離。再計算所有天線與目標標籤之均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)。若均方根誤差小於預設值就結束，否則進行迭代修正，該迭代修正，為運用初始座標值局部梯度、初始座標與調整率運算求得。然而，當於大空間範圍定位時，使用以上方式需重複修正多次才能精確地收歛至目標標籤位置，故較為費時。先前申請專利案97134617具有朝向目標位置逐漸收斂的特點，但趨近過程較費時，而先前申請專利案99102400則有快速趨近目標標籤之特性，但細部收斂的效果較差。
本發明之目的在於提供一種RFID標籤定位演算法，此演算法為結合地理資訊系統(Geographical Information System；GIS)分析功能執行三維空間定位演算法。
本發明所提供之無線射頻辨識(RFID)標籤定位之方法，至少包含以下步驟：(a)透過一地理資訊系統(GIS)軟體的建模工具來對一含有目標標籤的定位空間繪製定位的三維模型，並依據功能需求設計一GIS資料庫；(b)提供4個天線，並分別量取該些天線至一目標標籤之量測距離sk (k=1~4)；(c)透過GIS的三維空間分析功能，以該些天線所在位置為球心，量測距離sk 為半徑畫出一球體，並透過GIS三維空間分析功能，將球體在定位空間以外的部分刪除；(d)判斷該些天線所畫出之球體表面的交集，交集為一點時，則該點即為目標標籤存在位置，若否，則跳到步驟(e)；(e)任意選擇其中三個天線，所定義出的球體表面的交集範圍為交集點A及B，運用GIS三維空間分析功能，分別計算交集點A及B，與最後一個天線在定位空間中所定義弧面的最短距離，得到Sa 及Sb ；及(f)比較Sa 及Sb 的大小，選取距離最短者，並以該交集點作為目標標籤的位置。
關於本發明優點與精神可以藉由以下詳細描述及所附圖示得到進一步的瞭解。
無線射頻辨識(RFID)讀寫器包含一天線，可用以讀取RFID標籤之無線電接受訊號強度(以下簡稱RSSI)，藉由RSSI可推算出距離，但RFID目標標籤的位置仍然未知。因此，一如先前技藝所述，要獲取位置，至少要三個天線(但仍會有兩個可能位置)，為求得合理解，本發明之實施例運用第四個天線，求得三維空間中定位目標的唯一位置。
本發明之方法稱為空間定位演算法4.0(SPA 4.0)，是運用地理資訊系統(Geographical Information System；GIS)分析功能執行三維空間定位演算法。
GIS為整合點、線、面空間資料(Spatial Data)與描述性資料(Description Data)，提供使用者記錄檔案、分析及搜尋地理資訊的電腦系統。GIS與其他資訊系統的主要區別是在於其儲存資料和處理的資訊是經過地理編碼，且地理位置及與該位置有關的屬性資訊，都成為資訊索引的重要部分。
GIS由四個部份構成，包括電腦硬體系統、電腦軟體系統、地理資料庫(空間資訊)及系統開發、管理操作人員。系統開發使用管理人員主要是進行組織、分析、管理、更新、系統擴充和應用程式開發，並且採用空間和地理分析模型來取得多種資訊。而空間資訊中主要包含物件座標位置、實體之間的空間關係與實體幾何位置相關屬性。
並且，GIS主要具有下列功能，包括：(1)具有採集、管理、分析和輸出多種地理資訊的能力，具有空間性和動態性；(2)由電腦系統支援進行空間地理資料管理，並由電腦程式模擬常態的地理分析方法，使空間資料產生有用的資訊；(3)資料儲存組織；(4)空間查詢與分析，GIS能快速精確的整合到複雜的地理系統中，進行空間地位和程序動態分析；(5)圖形與互動式顯示。其中空間查詢為GIS的最基本功能，而空間分析是GIS的關鍵性功能。
若是網路(Web)和GIS技術整合即為網路地理資訊系統(Web GIS)，是利用網路技術達到多人使用GIS的目的。本發明的RFID標籤定位演算法即是結合上述Web GIS的功能，在定出目標標籤的位置之後，再透過伺服器，將結果顯示於瀏覽器，提供多人查詢所定位的物品。
本發明之實施例可參考圖2所示之流程圖。
步驟100： 透過GIS軟體的建模工具來對一含有目標標籤的定位空間繪製定位的三維模型，並依據功能需求設計一GIS資料庫，以提供GIS空間查詢及分析。
步驟105： 佈設複數個參考標籤及4個天線於前述的定位空間內，為使計算過程涵蓋各種訊號，RFID天線採均勻方式分布，盡量設置於定位空間內的不同位置，以不同方位獲得RSSI，減小誤差，此外，由於天線價格較高，均勻分布可減少天線佈置數量，降低無線感測網路建置成本。
步驟110： 由於所有參考標籤之位置為已知，而各天線的位置也是已知，因此，逐一量測這些天線和參考標籤的無線電波接收訊號強度(RSSI)值，再依據天線之RSSI值和參考標籤距離製作RSSI值-距離關係圖，即無線訊號衰減曲線。因為RFID訊號受環境因素影響，RSSI與距離之關係隨環境條件改變，有必要求得RSSI與距離於特定環境之關係。
步驟115 ：以此曲線得知第k天線與目標標籤之量測距離sk 。一開始可選擇佈設3或4個天線於定位空間中，本發明實施例中佈設4個天線，故k=1~4，且以天線量測9個參考標籤，繪出RSSI與距離之特定關係，如圖3所示。
步驟120 ：透過GIS的功能，以天線所在位置為球心，該天線與目標標籤之量測距離sk 為半徑畫出一球體，並透過GIS三維空間分析功能，將球體在定位空間以外的部分刪除。
圖4至圖7為本發明實施例中以GIS分析天線所定義的範圍之流程圖。如圖4A，以其中一天線1為例，在一定位空間10內，以天線1為圓心，天線1與目標標籤之量測距離s1 為半徑，畫出一球體11。在球體11表面皆為目標標籤t可能位置。由於目標標籤不可能位於定位空間之外，因此透過GIS三維空間分析功能，將定位空間以外的部分刪除，如圖4B所示。
其他的天線並依照同樣方式，在定位空間內畫出目標標籤可能存在的範圍，直至所有天線都完成這個步驟。如圖5至圖7，分別為天線2~4的球體定義範圍12~14。
步驟125： 任意選擇k個天線其中三個天線所畫出之球體表面的交集，判斷是否交集為一點，若是，則該點即為目標標籤存在位置，跳至步驟145。若否，則跳至下一步驟130。
步驟130： 判斷第4個天線在定位空間內定義出球體範圍，與前一步驟的三個天線所畫出的球體表面的交集是否為一點，若是，則該點位置即為目標標籤存在位置，跳至最後一步驟145。若否，則跳至下一步驟135。
前一步驟所定義的三個球體表面的交集如圖6A所示，天線1~3所定義的球體11~13表面在定位空間內會交集於A及B兩點。
當第4個天線定義出球體14後，理論上球體14的表面圓弧應該會交於A或B其中一點。但是，因為在實際情況中，RSSI值受環境因素與硬體設備誤差的影響，並不一定能夠與先前所定義出的交集點相交。因此需要進一步的分析計算。
步驟135： 運用GIS三維空間分析功能，分別計算兩個交集點A及B，與第4個天線在定位空間中所定義的弧面之最短距離，得到Sa 及Sb 。比較Sa 及Sb 的大小。
步驟140： 選取與第四天線所定義球體表面最短距離較小者，以其位置作為目標標籤的位置。
步驟145： 得出的目標標籤位置後，可透過一三維GIS方式顯示於瀏覽器。
在本發明實施例中，並利用網路地理資訊系統(Web GIS)的技術，將該目標標籤位置上傳到網路平台。透過伺服器，經由伺服網路讓多位使用者同時連接伺服器端來瀏覽資料。由於傳統的GIS大多都是獨立單機系統，使用者只能透過自身GIS軟體才能觀看資料。因此，本發明結合Web GIS的技術可不受限於單一電腦，使使用人員在任何時間、地點或系統等條件下都可透過管理系統查核以及掌控設施設備的維護管理資料。除此之外，利用Web GIS可透過分散式資料管理，大幅提昇資料的安全性。
本發明運用RFID技術配合空間資訊分析，協助管理人員定位、搜尋相關人員與物品，可提升管理績效。本發明並具有下列優點：
(1)GIS多層空間分析，可提供安全有組織的地圖。
(2)透過GIS定位分析功能，可查詢、瀏覽、定位設施設備位置，並配合網路技術，提供多人查詢所定位的物品。即使更換設備管理者，新的設備管理者也能藉此輕易找到設施設備。
(3)使用不同圖資顯示物件資訊，提升管理績效。
(4)透過GIS整合三維空間建模元件，可減小維護空間模型所需要之時間。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
S100~S145．．．流程步驟
1~4．．．天線
10．．．定位空間
s1 ~s4 ．．．量測距離
11~14．．．球體
圖1：示RFID三維空間定位的示意圖；
圖2：依據本發明空間定位演算法4.0(SPA 4.0)流程圖。
圖3顯示天線無線訊號衰減曲線。
圖4A至圖4B以GIS分析定位空間中第1天線定義的範圍之流程；
圖5A至圖5B以GIS分析定位空間中第2天線定義的範圍之流程；
圖6A至圖6B以GIS分析定位空間中第3天線定義的範圍之流程；及
圖7A至圖7B以GIS分析定位空間中第4天線定義的範圍之流程。
S100~S145．．．流程步驟

Claims (10)

  1. 一種無線射頻辨識(RFID)標籤定位之方法，至少包含以下步驟：(a)透過一地理資訊系統(GIS)軟體的建模工具來對一含有目標標籤的定位空間繪製定位的三維模型，並依據功能需求設計一GIS資料庫；(b)　提供4個天線，並分別量取該些天線至一目標標籤之量測距離sk (k=1~4)；(c)　透過GIS的功能，以該些天線所在位置為球心，量測距離sk 為半徑畫出一球體；(d)　判斷該些天線所畫出之球體表面的交集，交集為一點時，則該點即為目標標籤存在位置，若否，則跳到步驟(e)；(e)任意選擇其中三個天線，所定義出的球體表面的交集範圍為交集點A及B，運用GIS三維空間分析功能，分別計算交集點A及B，與最後一個天線在定位空間中所定義弧面的最短距離，得到Sa 及Sb ；及(f)比較Sa 及Sb 的大小，選取距離最短者，並以該交集點作為目標標籤的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在上述(a)步驟之後，更包含以下步驟：佈設複數個參考標籤及複數個天線於一含有該目標標籤的定位空間內，其中該些天線以均勻方式分布於該定位空間內，並設置於不同位置，以不同方位獲得該參考標籤或該目標標籤之RSSI值；逐一量測該些天線和該些已知位置之參考標籤之無線電波接收訊號強度(RSSI)值，再依據該些天線之RSSI值和該些參考標籤距離製作RSSI值-距離關係圖；以及依據該些天線所測得該目標標籤之RSSI值，再依據該些天線所對應之RSSI值-距離關係圖得到該目標標籤的量測距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，在步驟(d)或(f)得出該目標標籤位置後，更包括透過一三維GIS方式顯示該目標標籤於一瀏覽器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，更包括利用網路地理資訊系統(Web GIS)，將該目標標籤位置上傳到網路平台，讓多位使用者可同時瀏覽資料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，步驟(c)中，透過GIS的功能，以該些天線所在位置為球心，量測距離sk 為半徑畫出一球體同時，並透過GIS三維空間分析功能，將該球體在定位空間以外的部分刪除。
  6. 一種無線射頻辨識(RFID)標籤定位之方法，至少包含以下步驟：(a)透過一地理資訊系統(GIS)軟體的建模工具來對一含有目標標籤的定位空間繪製定位的三維模型，並依據功能需求設計一GIS資料庫；(b)　提供3個天線，並分別量取該些天線至一目標標籤之量測距離sk (k=1~3)；(c)　透過GIS的三維空間分析功能，以該些天線所在位置為球心，量測距離Sk 為半徑畫出一球體；(d)　判斷該些天線所畫出之球體表面的交集，交集為一點時，則該點即為目標標籤存在位置，跳至步驟(f)，若該些天線的交集為兩點A及B，則跳到步驟(e)；(e)提供一第四天線，重複步驟(b)至(d)，判斷該第四天線所定義出的球體表面，是否交集於A或B點，若是，則該交集點即為該目標標籤的位置；及(f)透過一三維GIS方式顯示該目摽摽籤於一瀏覽器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，步驟(c)中，透過GIS的功能，以該些天線所在位置為球心，量測距離sk 為半徑畫出一球體同時，並透過GIS三維空間分析功能，將該球體在定位空間以外的部分刪除。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的方法，步驟(e)中，若該第四天線不與該A或B點交集時，更包括運用GIS三維空間分析功能，分別計算交集點A及B，與該第四天線在定位空間中所定義的球體表面的最短距離，得到Sa 及Sb ，並比較Sa 及Sb 的大小，選取距離最短者，以該交集點作為目標標籤的位置。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，更包括利用網路地理資訊系統(Web GIS)，將該目標標籤位置上傳到網路平台，讓多位使用者可同時瀏覽資料。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中在上述(a)步驟之後，更包含以下步驟：佈設複數個參考標籤及複數個天線於一含有該目標標籤的定位空間內，其中該些天線以均勻方式分布於該定位空間內，並設置於不同位置，以不同方位獲得該參考標籤或該目標標籤之RSSI值；逐一量測該些天線和該些已知位置之參考標籤之無線電波接收訊號強度(RSSI)值，再依據該些天線之RSSI值和該些參考標籤距離製作RSSI值-距離關係圖；以及依據該些天線所測得該目標標籤之RSSI值，再依據該些天線所對應之RSSI值-距離關係圖得到該目標標籤的量測距離。
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