專利名稱：基于rfid讀寫器天線功率掃描的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動定位技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，尤其是基于 RFID的標簽定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和泛在計算的出現(xiàn)，越來越多的應用需要知道物體的位置信息，自動定位技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注?，F(xiàn)有的室內(nèi)自動定位系統(tǒng)主要有紅外線、 IEEE802. 11、超聲波和RFID，這些定位系統(tǒng)各有優(yōu)點，與其他技術(shù)相比，RFID技術(shù)利用非接觸式自動識別、適應環(huán)境能力強、操作快捷、可識別高速運動物體和多目標讀取等優(yōu)點而備受關(guān)注。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)的提出與發(fā)展，RFID作為其關(guān)鍵技術(shù)之一廣泛應用于物流、 資產(chǎn)管理、醫(yī)療、零售等領(lǐng)域，其定位技術(shù)也成為人們研究的熱點。就目前的研究進展而言，就目前的研究進展而言，基于RFID的定位方法有很多， 使用不同頻段的RFID可以到達的精度也不經(jīng)相同。總的而言，基于RFID定位方案可以分為兩類標簽定位方案和讀寫器定位方案。其中，前者以標簽作為定位目標，讀寫器及相關(guān)的參考標簽作為參考點分布在監(jiān)控區(qū)域，通過讀寫器和參考標簽的已知位置來估計目標標簽的位置；后者以讀寫器作為定位目標，大量的參考標簽分布在監(jiān)控區(qū)域，每個參考標簽的位置與其ID號對應，目標讀寫器通過讀取這些參考標簽來確定其位置。目前大多的RFID定位技術(shù)的研究主要集中于讀寫器定位系統(tǒng)，且達到較理想的定位精度，現(xiàn)有的UHF RFID讀寫器定位系統(tǒng)在參考標簽間隔60cm時定位精度可達30cm以下。需要得指出的是上述兩種技術(shù)路線都存在各自的局限性。讀寫器定位系統(tǒng)需要大量的參考標簽，且只能夠定位裝有RFID讀寫器的物體，而一般讀寫器成本高且體積大， 因此，類似系統(tǒng)不適合于大量物體的定位和小物品的定位，其應用場景受到極大的限制。標簽定位系統(tǒng)中雖然有效的避免了這些問題，但目前的標簽定位系統(tǒng)的定位精度不夠理想， 現(xiàn)有的UHF RFID標簽定位系統(tǒng)精度只有1. 6m。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明旨在提供一種靈活、高精度的RFID標簽定位方法，以標簽作為定位目標，降低了系統(tǒng)的成本，定位目標不受物體形狀限制，且適用于多目標定位；不需要參考標簽，降低了系統(tǒng)的復雜度，本方法應用于UHF RFID目標定位系統(tǒng)可實現(xiàn)定位精度在30cm以下。本發(fā)明的目的通過如下手段來實現(xiàn)?！N基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，由基于功率可調(diào)的RFID讀寫器， 至少兩個與所述RFID讀寫器連接的極化天線(RFID天線)和若干目標標簽構(gòu)成的RFID定位系統(tǒng)；通過放置于不同方向的極化天線在改變功率的過程中讀取目標標簽狀態(tài)，并將所述目標標簽狀態(tài)輸入數(shù)據(jù)處理器計算各個天線在平面上交叉區(qū)域的中心來估計目標標簽的位置。
本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點在不需要參考標簽的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)多個天線的功率感測到目標標簽，在定位系統(tǒng)的靈活性的前提下，大大的提高了標簽定位系統(tǒng)的定位精度；若定位區(qū)域大小發(fā)生變化，只需增加相應的RFID讀寫器和RFID天線即可增加監(jiān)控區(qū)域，操作簡單高效。


如下圖1.本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.本發(fā)明的具體實施范例。圖3.本發(fā)明的定位原理圖(a)兩個天線；(b)三個天線。圖4.天線功率與其感測范圍直徑關(guān)系模型。圖5.兩個天線定位的實驗結(jié)果(a)目標位置和估計位置的散點圖；(b)目標位置和估計位置間的坐標誤差。圖6.影響天線定位的因素(a)不同天線數(shù)目對定位誤差的影響；(b)天線功率改變步長對定位誤差的影響。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進一步的描述。如圖1所示，定位系統(tǒng)100包括了多個需要定位的RFID標簽(IOl1 101N)、主控計算機102、多個RFID讀寫器(1(^-103),對應的多個天線(106n 1061N由讀寫器IOS1 控制；106N1 10 由讀寫器10 控制)，RFID讀寫器采用天線增益可調(diào)或者固定輸出功率外加可調(diào)衰減器天線完成功率掃描，即天線需要具有增益(或輸出功率)可調(diào)功能(也可以采用固定輸出天線外加可調(diào)衰減器組成，即104和10 。注意RFID讀寫器控制的天線數(shù)量以及天線的數(shù)量根據(jù)需要定位的區(qū)域大小和所需要的定位精度可以調(diào)整。所涉及的類似系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理也在本專利涵蓋范圍內(nèi)。將監(jiān)控區(qū)域根據(jù)RFID讀寫系統(tǒng)的最大感測直徑進行等分，在每個小區(qū)域內(nèi)，將兩個或以上的RFID天線分別固定在小區(qū)域的不同邊長的中心處，以監(jiān)控區(qū)域的一個頂點為坐標原點建立直角坐標系，記錄下每個天線的坐標。首先逐漸改變讀寫器單個端口的功率， 并測量各個功率下讀寫器能夠讀取的最遠距離(垂直天線平面的方向)，建立天線功率與最大讀取距離的關(guān)系模型；其次，對于監(jiān)控區(qū)域中的目標標簽，分別改變各個天線的功率， 直到各個天線正好能夠讀取到目標標簽，記錄此時各個天線端口的功率值，并代入天線功率與讀取距離的模型求出各個天線的當前功率的最大讀取半徑；最后根據(jù)天線的感測直徑和天線的坐標位置做出天線的平面?zhèn)鞑ツＰ停嬎愀鱾€天線的平面?zhèn)鞑ツＰ拖嘟粎^(qū)域的中心即為目標標簽的估計位置。本發(fā)明方法的實驗系統(tǒng)由一個四天線端口的UHF RFID讀寫器、兩個UHF RFID天線(XCAF-12L)、一個目標標簽和面積為400cm*400cm的區(qū)域構(gòu)成，其中RFID讀寫器各天線
端口功率可調(diào)。如圖2示，首先將兩個天線分別固定在監(jiān)控區(qū)域的兩邊上(對于功率固定的讀寫器，可以在讀寫器與天線之間添加可調(diào)衰減器)，天線的坐標分別為(210，0)和(0，230)(單位為厘米)；然后將目標標簽隨機放置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，部署完成后測量建立天線端口的輸出功率與天線感測范圍的關(guān)系模型。由上述介紹可知，天線的最大讀取距離是沿著垂直于天線面的正前方。分別對χ軸和y軸兩個方向的天線端口功率以Icffim為步長變化，測量 IOdBm到17daii范圍內(nèi)最大讀取距離的值，最后對每個功率的測量值求平均，并通過曲線擬合推導出功率與感測直徑的關(guān)系如圖4所示，即D(p) = 38. 71ρ-319· 37 (1)其中D(p)表示感測直徑，即當前功率下天線輻射圖的直徑(cm)，ρ表示天線的功率(dBm)?；诠β省袦y直徑模型，可以對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標標簽進行定位估計。首先， 逐漸改變X軸方向上的天線的功率直到感測到目標標簽，記下此時的功率值Px，同樣地，改變y軸方向上的天線功率并記錄感測到目標標簽的最小功率值py。其次，將Px和Py代入式 (1)得到天線輻射圖的直徑Dj^PDp最后，通過天線坐標、圓心方向和直徑分別做出兩個天線當前功率的輻射圖和小于當前功率0. 5daii的輻射圖，如圖2所示，由式(2)可求得相交區(qū)域，計算該區(qū)域的中心即可得目標點的估計位置。為驗證方案的可行性，我們進行了十次實驗，實驗結(jié)果如下圖5所示，(a)為目標位置與估計位置的散點分布圖，(b)為估計位置的坐標誤差曲線。
權(quán)利要求
1.一種基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，由基于功率可調(diào)的RFID讀寫器，至少兩個與所述RFID讀寫器連接的極化天線和若干目標標簽構(gòu)成的RFID定位系統(tǒng)；通過放置于不同方向的極化天線在改變功率的過程中讀取目標標簽狀態(tài)，并將所述目標標簽狀態(tài)輸入數(shù)據(jù)處理器計算各個天線在平面上交叉區(qū)域的中心來估計目標標簽的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，包括以下步驟將至少兩個極化天線分別固定在監(jiān)控區(qū)域的不同邊的中心處，以所述監(jiān)控區(qū)域的一個頂點為坐標原點建立直角坐標系，記錄下每個天線的坐標；之后逐漸改變讀寫器單個端口的功率并測量各個功率下讀寫器能夠讀取的最遠距離，建立天線功率與最大讀取距離的關(guān)系模型；其次，對于監(jiān)控區(qū)域中的目標標簽，分別改變各個天線的功率，直到各個天線正好能夠讀取到目標標簽，記錄此時各個天線端口的功率值，并代入天線功率與讀取距離的模型求出各個天線的當前功率的最大讀取半徑；最后根據(jù)天線的感測直徑和天線的坐標位置做出天線的平面?zhèn)鞑ツＰ?，計算各個天線的平面?zhèn)鞑ツＰ拖嘟粎^(qū)域的中心即為目標標簽的估計位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，在一個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設(shè)置三個極化天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，所述RFID讀寫器采用天線增益可調(diào)或者固定輸出功率外加可調(diào)衰減器天線完成功率掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，所述目標標簽可為無源標簽或有源標簽。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，所述天線可為高頻、超高頻和微波頻段。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，所述天線可以是圓極化天線、線極化天線或二者的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法，其特征在于，可是一個具有至少兩個天線端口的RFID讀寫器，也可由至少兩個單一天線端口的讀寫器系統(tǒng)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于RFID讀寫器天線功率掃描的定位方法。首先建立讀寫器天線功率與其感測范圍直徑的關(guān)系模型，然后基于此提出根據(jù)功率掃描的定位估計算法。在監(jiān)控區(qū)域放置若干個RFID天線，通過多個天線功率掃描對同一目標標簽進行狀態(tài)讀取，進而根據(jù)天線的輻射圖在平面上的相交區(qū)域來確定目標標簽。本發(fā)明在以標簽為定位目標的基礎(chǔ)上，以UHF RFID標簽定位系統(tǒng)進行試驗，結(jié)果證明本方法進一步提高了UHF RFID標簽定位系統(tǒng)的定位精度，且根據(jù)目標標簽的位置實時調(diào)節(jié)天線的功率，降低了定位系統(tǒng)的能耗。
文檔編號G06K17/00GK102183760SQ20101028615
公開日2011年9月14日 申請日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者李曉銀, 潘煒, 羅斌, 閆連山 申請人:西南交通大學