TWI427313B - Ｒｆｉｄ標籤定位演算方法 - Google Patents

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Description

RFID標籤定位演算方法
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，此演算法為結合局部梯度與空間網格兩者之特性，可應用於二維或三維空間定位。
本發明是一種無線射頻辨識(RFID)標籤定位之方法，至少包含以下步驟：(a)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)；(b)將一含有該目標標籤之定位空間切成N個網格；(c)分別計算3個天線距N個網格中心點之直線距離Sik (i=1~N，k=1~3)，可獲得3N個天線至網格中心之實際距離；(d)依據步驟(a)及步驟(c)所得之距離計算均方根誤差εi ，並選擇誤差最小之網格；(e)將誤差最小之網格中心位置設為初始化座標，並預設一停止條件；(f)依據初始化座標與該些天線之距離以及步驟(a)所得之距離來計算均方根誤差ε(j)，判斷是否達到該停止條件，若是，則該初始化座標即為目標標籤之位置，若否，則進行步驟(g)；以及(g)將初始化座標加上修正量，得到一修正後之座標位置，將該修正後之座標位置設為新的初始化座標，重複步驟(f)~(g)。
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3.0(SPA 3.0)，是結合窮舉法及梯度陡降法，取二者之優點，將定位空間切割為多個網格，依序計算每個網格之誤差後，選擇誤差最小者，再結合梯度陡降法，進行迭代修正。本發明之實施例可參考圖2所示之流程圖。
步驟100：佈設複數個參考標籤及4個天線於一含有目標標籤的定位空間內，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105：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，並以此曲線得知第k天線與目標標籤之量測距離sk ，本發明實施例中佈設4個天線於定位空間中，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110：將定位空間三軸等分，切成N個四方體網格，在本實施例中切成八個網格，也可將定位空間切成N個正立方體網格，若有剩餘空間則視為一格，依據使用者所預設之預定平均誤差容許值來決定N的大小，其中預定平均誤差容許值可使用均方根誤差值作為參考；步驟115：分別計算4個天線距N個網格中心點之直線距離Sik (i=1~N，k=1~4)，可獲得4N個天線至網格中心之實際距離；步驟120：計算誤差e ik ，此誤差係為第k天線分別對該目標標籤所做之量測距離sk ，以及，第k天線和該些網格中心之直線距離Sik 二者之差值，即e ik =(s k -S ik )(i=1~N，k=1~4)；步驟125：計算均方根誤差εi ，選擇誤差最小之網格，判斷是否需要再將所述誤差最小的網格再細切成M塊網格，重複步驟110~125以降低後續迭代修正所費時間，判斷之依據為所述誤差最小的網格的空間範圍需小於一第一預定值η1 ，或所述誤差最小的網格中心位置之均方根誤差εi 需小於一第二預定值η2 。若未達此條件，則跳至步驟130。在本發明實施例中，該第一預定值η1 約為103 ~1.25×105 立方公分，該第二預定值η2 約為0.05~0.1，而計算均方根誤差(root mean square error；RMSE)之公式如下：
其中，m為定位空間中RFID天線之數量，sk 為以第k天線量測目標標籤之量測距離，Sik 為所計算之第k天線到第i個網格中心之直線距離。
本發明之另一實施例流程如圖4所示，是對於每一天線所計算出之誤差值e ik 進行比較，可得到4組誤差值最小的網格，每一組中有多個網格之誤差值同為最小；接著，比對不同組中該些誤差值最小的網格，從其中選擇相互交集的網格，判斷是否針對該網格再細切成M塊網格?若是，重複步驟110~125直到所述相互交集的網格之空間範圍或/且所述相互交集的網格位置之均方根誤差小於一第二預定值η2 。而事實上，前一種方式所述之均方根誤差最小之網格即為所述之相互交集之網格。
步驟130：以此網格中心為一初始化位置座標(x i ,y i ,z i )，並預設一停止條件，在本發明實施例中，此停止條件為迭代次數j等於一第三預定值η3 或/且均方根誤差ε(j)小於一第四預定值η4 ，本發明實施例中，第三預定值約為5~15，第四預定值η4 約為0.05~0.1。
步驟135：計算第k天線對目標標籤之測得值sk ，以及，初始化座標與第k天線之間距離Sjk 之差值，j為重複迭代之次數，並算出二者距離的誤差ejk 。
e jk =(s k -S jk )
步驟140：計算均方根誤差ε(j)(Root Mean Square Error,RMSE)，若達到停止條件，則第j次迭代後之座標即為目標標籤i之座標位置，若否，則跳至步驟145進行修正。計算均方根誤差之方式如下式：
其中，m為定位空間中RFID天線之數量。均方根誤差小於第四預定值η4 可確保定位精確度，但定位精確度愈高會增加迭代的次數，所費時間較長，使用者可視需求選擇。
步驟145：將初始化座標加上一修正量(Δx i (j ),Δy i (j ),Δz i (j ))得到另一新座標，以此座標作為新的初始座標，重複步驟135~145。其中修正量(Δx i (j ),Δy i (j ),Δz i (j ))為調整率(α x ,α y ,α z )、初始化座標位置與局部梯度(δ k )三者之乘積，即
α x ,α y ,α z 分別為x 軸、y 軸、z 軸的調整率，調整率約為0.00000005至0.0000001之間，依據該網格空間而調整。只要迭代超出定位空間的範圍就選小1至2數量級的調整值。而RFID天線k之局部梯度(δ k )可經由初始化座標與第k天線之距離S jk 以及步驟135中所算出的誤差e jk 求得，如下式：
δ k =S jk ×e jk
利用本發明之方法最大的優點在於大空間範圍之應用，可先將搜索空間範圍縮小，再逼進目標標籤位置，可縮短時間同時可得到較精確的目標標籤位置。解決僅利用窮舉法所定出的標籤位置不精確的缺點，以及僅利用梯度陡降法逼進目標標籤所費時間過長的問題。
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。
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3.0(SPA 3.0)流程圖。
圖3顯示天線無線訊號衰減曲線。
圖4：依據本發明空間定位演算法3.0(SPA 3.0)另一實施例之流程圖。

Claims (13)

  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)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)；(b)將一含有該目標標籤之定位空間切成N個網格；(c)分別計算該3個天線距N個網格中心點之直線距離Sik (i=1~N，k=1~3)，可獲得3N個天線至網格中心之實際距離；(d)依據步驟(a)及步驟(c)所得之距離計算均方根誤差εi ，並選擇一誤差最小之網格；(e)將該誤差最小之網格中心位置設為一初始化座標，並預設一停止條件；(f)依據該初始化座標與該些天線之距離以及步驟(a)所得之距離來計算均方根誤差ε(j)，判斷是否達到該停止條件，若是，則該初始化座標即為目標標籤之位置，若否，則進行步驟(g)；以及(g)將該初始化座標加上修正量，得到一修正後之座標位置，將該修正後之座標位置設為新的初始化座標，重複步驟(f)~(g)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在上述(a)步驟前，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，其中步驟(b)中將該定位空間切成N個網格時，可選擇將定位空間之三軸等分切成N個四方體網格，或切成N個正立方體網格，若有剩餘空間則視為一格，並依使用者所預設之一預定平均誤差容許值來決定步驟(b)中該定位空間的網格數量N。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中更提供一第4天線，依照(a)~(g)之步驟，以更加確定該目標標籤之位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(d)更包括判斷該誤差最小的網格之空間範圍是否小於一第一預定值或/且該誤差最小的網格的誤差值是否小於一第二預定值，若是，則跳至步驟(e)，若否，針對該網格再細切成M塊網格，重複上述步驟(b)~(d)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(e)中該停止條件為迭代次數j等於一第三預定值或/且該均方根 誤差ε(j)小於一第四預定值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，步驟(g)中該修正量為一調整率(α x ,α y ,α z )、一局部梯度(δ k )與該初始化座標位置三者之乘積。
  8. 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)提供3個天線，並分別量取該些天線至一目標標籤的一量測距離sk (k=1~3)；(b)將一含有該目標標籤的定位空間切成N個網格；(c)分別計算該3個天線距N個網格中心點之直線距離Sik (i=1~N，k=1~3)，可獲得3N個天線至網格中心之實際距離；(d)計算誤差e ik ，該誤差係為該些天線所做之量測距離sk 和該些網格中心之直線距離Sik 之誤差，即e ik =sk -Sik (i=1~N，k=1~3)；(e)對於每一天線所計算出之誤差值進行比較，可得到3組誤差值最小的網格，每一組中有複數個網格的誤差值同為最小；(f)比對不同組中該些誤差值最小的網格，從其中選擇一相互交集的網格；(g)將該相互交集的網格的中心位置設為一初始化座標，並預設一停止條件；(h)依據該初始化座標與該些天線之距離S jk 以及步驟(a)所得的該量測距離sk (k=1~3)來計算均方根誤差 ε(j)，並判斷是否已達到該停止條件，若是，則該初始化座標即為該目標標籤之位置，若否，則進行步驟(i)；以及(i)將該初始化座標加上修正量，得到一修正後之座標位置，將該修正後之座標位置設為新的初始化座標，重複步驟(h)~(i)。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中上述之步驟(a)之前更包含以下步驟：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，再分別依據每一天線之RSSI值和該些參考標籤距離製作一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RSSI值-距離關係圖得到該目標標籤之量測距離sk 。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中步驟(b)中將該定位空間切成N個網格時，可選擇將定位空間之三軸等分切成N個四方體網格，或切成N個正立方體網格，若有剩餘空間則視為一格。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，步驟(f)中該相互交集的網格亦同時為計算均方根誤差後，誤差最小之網格， 並判斷該相互交集的網格的空間範圍是否小於一第一預定值，若是，則跳至步驟(g)，若否，回到步驟(b)，針對該相互交集的網格再細切成M塊網格，重複步驟(c)~(f)。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，步驟(g)中該停止條件為迭代次數j等於一第三預定值或/且該均方根誤差ε(j)小於一第四預定值。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該修正量為一調整率、一局部梯度(δ k )與該初始化座標位置三者的乘積。
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