專利名稱：特定環(huán)境中基于有源rfid的目標定位方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位方法及系統(tǒng)，具體是指一種特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下的各種基于位置服務(wù)的需求日益迫切，在物流領(lǐng)域?qū)ξ锲返膶崟r定位，有利于提高物流的管理水平；在公共安全領(lǐng)域的實時定位，有利于維護社會安全；在日常生活中，可以幫助人們了解小孩、寵物、物品等的狀態(tài)。然而，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境或建筑物密集的地區(qū)，衛(wèi)星信號受到障礙物的阻隔，難以有效定位，此外室內(nèi)定位技術(shù)還有紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)，但是信號需要視距傳播，定位范圍相對受限。射頻識別 (RFID)是20世紀90年代開始興起的一種識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定物體的自動識別。RFID 特點有非接觸、非視距、短時延、高精度、傳輸范圍大和成本低，所以RFID在室內(nèi)定位應(yīng)用中有很強的競爭力。RFID分為無源RFID和有源RFID，無源RFID標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出芯片中存儲的信息；而有源RFID是通過自身供電主動發(fā)送某一頻率的識別信號，識別信號單向的穿過障礙物，它具有更大的閱讀距離，更加靈活的發(fā)射波形，更廣泛的應(yīng)用潛力，因此有源RFID具備通信距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性高和兼容性好等特點?，F(xiàn)有的基于RFID的定位技術(shù)多為基于無源RFID。 中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00910051180. 5)公開了一種RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)及技術(shù)，該發(fā)明采取將短距離RFID讀寫器及天線安置于機器人底盤，在機器人運動區(qū)域的地面上布置無源 RFID標簽作為定位參考，通過RFID讀寫器讀取RFID標簽中的信息來實現(xiàn)移動機器人的定位，但是此種方法要事先在運動區(qū)域布置標簽，會對室內(nèi)環(huán)境造成一定程度的破壞，實現(xiàn)起來不方便。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?01110005728. X)公開了一種實時定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)若干個相鄰的RFID基站所讀取標簽的先后次序、信息強度值與時間差來繪制標簽運動軌跡與計算移動速度，對于室內(nèi)定位，信號在傳播過程中會經(jīng)歷障礙物的反射、折射，導致信號的多種傳播路徑，在多徑較嚴重的情況下，這種定位方法的定位精度大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的有源RFID定位系統(tǒng)，能在不改造室內(nèi)環(huán)境的前提下能對有源RFID標簽實施實時、高精度的定位。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)
特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，包括以下步驟
(A)在特定環(huán)境中的被定位目標由四部分組成供電電源、超寬帶時域脈沖源、RFID標簽、以及天線，在特定環(huán)境中設(shè)置RFID讀卡器，RFID讀卡器連接N個固定天線，N為大于1 的自然數(shù)，N個固定天線同時與信號處理機構(gòu)連接，N個固定天線的接收范圍覆蓋整個特定環(huán)境，RFID讀卡器與信號處理機構(gòu)連接，在信號處理機構(gòu)內(nèi)建立該特定環(huán)境、以及固定天線的電磁波傳播模型；
(B)RFID讀卡器利用RFID的通信協(xié)議獲取該特定環(huán)境空間內(nèi)所存在的所有被定位目標的RFID標簽識別碼，并將所獲得的信息傳輸至信號處理機構(gòu)，信號處理機構(gòu)得知該特定環(huán)境空間內(nèi)被定位目標的數(shù)量和編號；
(C)信號處理機構(gòu)通過RFID讀卡器向其中一個需要定位的被定位目標發(fā)送定位指令；
(D)接收到定位指令的被定位目標的超寬帶時域脈沖源通過天線發(fā)出一個超寬帶時域
脈沖信號P (t)，波形采用P = realiCj + 2^/4-ic,)/4f)‘該波形的中心頻率為2GHz，帶寬
為1.4GHf 3GHz，其中/為信號中心頻率,為脈沖峰值所在時刻；
(E)P(t)經(jīng)過房間墻壁、家具等環(huán)境散射、折射后，被N個固定天線接收為R1(t) RN (t)，并被信號處理機構(gòu)存儲下來；
(F)信號處理機構(gòu)將接收到的N個接收信號R1(t) RN (t)進行時間反轉(zhuǎn)變換，變換后的信號分別賦給模擬環(huán)境中的各個模擬固定天線，以各個模擬的固定天線為發(fā)射端，在運算模型內(nèi)模擬電磁波的傳播過程，并讀取運算模型內(nèi)的空間電磁場能量分布情況，空間電磁場能量的峰值即為被定位的目標。在特定環(huán)境中布置固定天線，使得固定天線的整體覆蓋范圍遍布該特定環(huán)境區(qū)域，固定天線按照順序可定義為第一固定天線、第二固定天線，依次類推為第N固定天線，N 個固定天線與RFID讀卡器連接，RFID讀卡器與信號處理機構(gòu)連接，在信號處理機構(gòu)中建立被監(jiān)控特定環(huán)境的空間模擬模型，在該模擬模型中，模擬建立有與第一固定天線至第N固定天線相對應(yīng)的模擬天線，在被定位目標上貼付有被測件，被測件包括供電電源、超寬帶時域脈沖源、RFID標簽、以及天線，RFID讀卡器利用RFID的通信協(xié)議獲取該特定環(huán)境空間內(nèi)所存在的所有被定位目標的RFID標簽識別碼，并將所獲得的信息傳輸至信號處理機構(gòu)，信號處理機構(gòu)得知該特定環(huán)境空間內(nèi)被定位目標的數(shù)量和編號，根據(jù)需要，信號處理機構(gòu)通過RFID讀卡器向需要被定位的被測件發(fā)出定位指令，被定位的RFID標簽接收到定位指令后，向外發(fā)出一個超寬帶時域脈沖信號P (t)，N個固定天線分別接收到經(jīng)過室內(nèi)環(huán)境傳播、 散射和反射的形成的超寬帶時域脈沖信號R (t)，P(t)經(jīng)過傳播、散射和反射后轉(zhuǎn)變?yōu)镽 (t)，信號處理機構(gòu)接收到N個信號R1 (t)、R2 (t) RN (t)，信號處理機構(gòu)首先將R1 (t) Rn (t)進行時間反轉(zhuǎn)變換，在信號處理機構(gòu)建立的模擬環(huán)境中，以模擬環(huán)境中模擬的固定天線為發(fā)射天線，將時間反轉(zhuǎn)后的電磁波進行傳輸，在模擬環(huán)境中觀測電磁波的能量時間分布，由各個模擬的電磁波疊加后的能量最強點即為被定位目標發(fā)射超寬帶時域脈沖信號 P(t)時的位置和時間，利用時間反轉(zhuǎn)的手段，通過模擬電磁波的傳輸過程，在模擬環(huán)境中能夠精確定位被定位目標在特定環(huán)境中的位置。進一步講，所述步驟(A)中，在信號處理機構(gòu)中建立特定空間的模擬環(huán)境時，需要將固定天線的位置與性能參數(shù)、墻體厚度、墻體的電參數(shù)、家具布局位置與家具的電參數(shù)均與真實環(huán)境相同。為了使得模擬環(huán)境的仿真效果與實際的一直，在建立模擬環(huán)境空間的時候，需要設(shè)置模擬環(huán)境中的各個參數(shù)，墻體厚度、墻體的電導率、介電常數(shù)、磁導率、家具布局位置與家具的電參數(shù)均與真實環(huán)境相同，如此，仿真效果更具有可靠性。進一步講，所述的信號處理機構(gòu)包括射頻信號接收模塊和數(shù)學運算模塊，數(shù)學運算模塊為電腦或數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。信號處理機構(gòu)包括兩部分，即與N個固定天線相連接的射頻信號接收模塊，、以及處理N個接收信號札(0 &(0 的數(shù)學運算模塊，數(shù)學運算模塊為電腦、數(shù)字信號處理器DSP、以及現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 中的任意一種，在電腦或數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA內(nèi)建立模擬環(huán)境， 可以采用多種途徑方便地建立仿真環(huán)境或模擬環(huán)境，在仿真或模擬環(huán)境中利用電磁波的時間反轉(zhuǎn)傳播，再現(xiàn)電磁波在仿真或模擬環(huán)境中的傳播途徑，時間反轉(zhuǎn)后的電磁波經(jīng)過原途徑反向傳播后在仿真或模擬環(huán)境中相干疊加于其源點，即被測件發(fā)出超寬帶時域脈沖信號 P (t)的位置。進一步講，所述步驟(F)包括以下步驟
(Fl)將信號處理機構(gòu)存儲下來的N個接收信號R1 (t) RN (t)經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)變換， REn (t) = Rn (_t)，l 彡 η 彡 N;
(F2)模擬環(huán)境中的固定天線與實際環(huán)境中的固定天線一一對應(yīng)，將變換后的信號賦給模擬環(huán)境中各個模擬的固定天線；
(F3)以模擬環(huán)境中各個模擬的固定天線為發(fā)射天線，將經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)變換的信號REn (t)，使用時域有限差分方法FDTD或時域偽譜差分方法PSTD在模擬環(huán)境中進行電磁波傳播過程的仿真；
(F4)回顧仿真環(huán)境中場點的時/空能量分布，仿真過程中對整個環(huán)境的電磁場能量進行監(jiān)視，尋找能量最大點所在的時刻和空間位置，則該位置即為被定位目標發(fā)出超寬帶時域脈沖信號P (t)時所在的位置，該位置對應(yīng)的時間即為被定位目標發(fā)出超寬帶時域脈沖信號P (t)的時刻。進一步講，所述步驟(F4)中，仿真時間設(shè)定為全部模擬天線所發(fā)射波形均已傳播至仿真環(huán)境的邊界所需時間的2倍以上，以保證全部的多徑和多散射路徑已經(jīng)被遍歷。
適用于上述方法的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位系統(tǒng)，包括RFID讀卡器， RFID讀卡器能命令需要被定位的RFID標簽發(fā)出電磁波信號，RFID讀卡器連接有N個固定天線，N為大于1的自然數(shù)，固定天線用于接收有源RFID發(fā)射的電磁信號，N個固定天線同時與信號處理機構(gòu)連接，還包括被定位目標，被定位目標包括供電電源、超寬帶時域脈沖源、RFID標簽、以及天線，信號處理機構(gòu)內(nèi)建立特定環(huán)境的模擬空間，在該模擬空間內(nèi)固定天線、家具、墻體的位置以及其電參數(shù)均與實際情況相匹配。本系統(tǒng)按照上述方法進行操作，即可以實現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的精確定位。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果
1本發(fā)明特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，采用時間反轉(zhuǎn)的手段，在不改造室內(nèi)環(huán)境的前提下能對有源RFID標簽實施實時、高精度的定位；
2本發(fā)明特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，在模擬環(huán)境中進行時間反轉(zhuǎn)后的電磁波傳播過程的仿真，通過讀取電磁場能量的峰值點來確定被定位目標的位置，克服了傳統(tǒng)方法的定位精度受限于環(huán)境的復雜程度；
3本發(fā)明特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，時間反轉(zhuǎn)過程并非在被定位目標上完成的，降低了被定位目標的復雜程度和成本；
4本發(fā)明特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，時間反轉(zhuǎn)過程是在信號處理機構(gòu)中的模擬環(huán)境中通過數(shù)值仿真實現(xiàn)，不需要真實存在的用于發(fā)射時間反轉(zhuǎn)后的波形的發(fā)射機，降低了信號處理機構(gòu)的復雜程度和成本；
5本發(fā)明特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位系統(tǒng)，信號處理機構(gòu)中建立的模擬環(huán)境與真實的特定環(huán)境相對應(yīng)，現(xiàn)實復雜環(huán)境中的多徑和多散射情況均可在時間反轉(zhuǎn)過程中被充分利用，相對于傳統(tǒng)的定位方式，減少了固定天線的設(shè)置數(shù)量，降低了系統(tǒng)的成本。


圖1為本發(fā)明在模擬環(huán)境中電磁波的模擬傳輸定位示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例
如圖ι所示，假設(shè)某建筑物內(nèi)部有8間房間，被定位目標在其中某間房屋內(nèi)，建筑物整體尺寸為12米長χ 8米寬χ 2. 8米高，外圍墻體厚度36厘米，內(nèi)部隔墻厚度12厘米，墻體介電常數(shù)為4. 2、電導率0.01、導磁率1，8個接收天線放置于樓道中，均勻分布，被定位目標放置在某間房間中，固定天線采用領(lǐng)結(jié)型電偶極子寬帶天線，"3dB帶寬為200-400MHZ。 RFID讀卡器和標簽可采用Nordic公司的nRF2401方案或者美國德州儀器公司的CC1100方案等通用方案。首先，RFID讀卡器通過固定天線發(fā)射定位指令，被測目標收到定位指令后，發(fā)射出
定位脈沖信號=丄Λ ,其中心頻率300MHz，帶寬約為250MHz。信號處理機構(gòu)中的射頻接收單元由可接收頻率20(Γ400ΜΗζ的寬帶低噪聲放大器和采樣率高于IGSPS的數(shù)據(jù)采集卡組成，數(shù)學演算模塊由采用Dell Pricision Τ7500工作站計算機實現(xiàn)組成。定位脈沖信號經(jīng)過建筑物內(nèi)部空間傳播后，被固定天線接收，然后經(jīng)過射頻接收單元后變?yōu)閿?shù)字采樣序列，進入數(shù)學演算模塊后存儲為R1 (t) RN (t)。在Matlab數(shù)學運算軟件中，從數(shù)據(jù)文件中讀取R1 (t) RN (t)，進行時間反轉(zhuǎn)處理，即 REn (t) = Rn (_t)，1 彡 η 彡 N ；
在基于PSTD的電磁場數(shù)值仿真軟件Wavenology中，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)布局和墻體電參數(shù)建立相匹配的模擬環(huán)境，其中用五角星示出被定位目標所在位置(僅為便于描述和觀察， 并非預知其位置信息)，模擬的固定天線為真實環(huán)境中的固定天線所在位置，模擬環(huán)境中采用性能參數(shù)相同的電偶極子天線模型設(shè)置在其位置上。在模擬環(huán)境中的每個房間內(nèi)部均均勻分布有電磁場能量觀測點，用于觀測時間反轉(zhuǎn)后的被模擬發(fā)射出來的電磁波傳播過程中整個建筑物內(nèi)部的電磁場能量分布。將REn (t)，1 < η < N賦給N個模擬環(huán)境中的天線并開始發(fā)射，Wavenology軟件通過PSTD方法對電磁波的傳播過程進行仿真，并由觀測點記錄下來存儲在數(shù)學演算模塊的硬盤文件上。仿真時間設(shè)置為電磁波傳播過房屋最遠傳播距離即對角線距離的2倍時間，以保證所有墻體的多散射和多路徑效應(yīng)均被遍歷。仿真結(jié)束后，在MATLAB軟件中打開全部觀測點的數(shù)據(jù)文件，每個時刻所有的觀測點的電磁場能量值組成一幅建筑物內(nèi)部能量分布圖，所有時刻的能量分布圖組成一個電磁波傳播動畫。查找到能量峰值時刻的能量分布圖，可以明顯看出右下角房間內(nèi)部出現(xiàn)了能
7量峰值，即為被定位目標發(fā)射定位脈沖時所處的房間，房間內(nèi)部的能量峰值中心即為其具體位置。本施例中，Wavenology作為商用三維電磁場數(shù)值仿真工具軟件(基于PSTD方法)， 可替換為CST Studio Suit等基于FDTD的仿真工具軟件，其在本發(fā)明中的作用和效果沒有區(qū)別。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)上對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，其特征在于，包括以下步驟(A)在特定環(huán)境中的被定位目標由四部分組成供電電源、超寬帶時域脈沖源、RFID標簽、以及天線，在特定環(huán)境中設(shè)置RFID讀卡器，RFID讀卡器連接N個固定天線，N為大于1 的自然數(shù)，N個固定天線同時與信號處理機構(gòu)連接，N個固定天線的接收范圍覆蓋整個特定環(huán)境，RFID讀卡器與信號處理機構(gòu)連接，在信號處理機構(gòu)內(nèi)建立該特定環(huán)境、以及固定天線的電磁波傳播模型；(B)RFID讀卡器利用RFID的通信協(xié)議獲取該特定環(huán)境空間內(nèi)所存在的所有被定位目標的RFID標簽識別碼，并將所獲得的信息傳輸至信號處理機構(gòu)，信號處理機構(gòu)得知該特定環(huán)境空間內(nèi)被定位目標的數(shù)量和編號；(C)信號處理機構(gòu)通過RFID讀卡器向其中一個需要定位的被定位目標發(fā)送定位指令；(D)接收到定位指令的被定位目標的超寬帶時域脈沖源通過天線發(fā)出一個超寬帶時域脈沖信號P (t)，波形采用P = reali:Cj + 27r/4-lc,)/4f)‘該波形的中心頻率為2GHz，帶寬為1. 4GHf 3GHz，其中/為信號中心頻率，&為脈沖峰值所在時刻；(E)P(t)經(jīng)過房間墻壁、家具等環(huán)境散射、折射后，被N個固定天線接收為R1(t) RN (t)，并被信號處理機構(gòu)存儲下來；(F)信號處理機構(gòu)將接收到的N個接收信號R1(t) RN (t)進行時間反轉(zhuǎn)變換，變換后的信號分別賦給模擬環(huán)境中的各個模擬固定天線，以各個模擬的固定天線為發(fā)射端，在運算模型內(nèi)模擬電磁波的傳播過程，并讀取運算模型內(nèi)的空間電磁場能量分布情況，空間電磁場能量的峰值即為被定位的目標。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，其特征在于所述步驟(A)中，在信號處理機構(gòu)中建立特定空間的模擬環(huán)境時，需要將固定天線的位置與性能參數(shù)、墻體厚度、墻體的電參數(shù)、家具布局位置與家具的電參數(shù)均與真實環(huán)境相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，其特征在于所述的信號處理機構(gòu)包括射頻信號接收模塊和數(shù)學運算模塊，數(shù)學運算模塊為電腦或數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，其特征在于所述步驟(F)包括以下步驟(Fl)將信號處理機構(gòu)存儲下來的N個接收信號R1 (t) RN (t)經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)變換， REn (t) = Rn (_t)，l 彡 η 彡 N;(F2)模擬環(huán)境中的固定天線與實際環(huán)境中的固定天線一一對應(yīng)，將變換后的信號賦給模擬環(huán)境中各個模擬的固定天線；(F3)以模擬環(huán)境中各個模擬的固定天線為發(fā)射天線，將經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)變換的信號REn (t)，使用時域有限差分方法FDTD或時域偽譜差分方法PSTD在模擬環(huán)境中進行電磁波傳播過程的仿真；(F4)回顧仿真環(huán)境中場點的時/空能量分布，仿真過程中對整個環(huán)境的電磁場能量進行監(jiān)視，尋找能量最大點所在的時刻和空間位置，則該位置即為被定位目標發(fā)出超寬帶時域脈沖信號P(t)時所在的位置，該位置對應(yīng)的時間即為被定位目標發(fā)出超寬帶時域脈沖信號p(t)的時刻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法，其特征在于所述步驟(F4)中，仿真時間設(shè)定為全部模擬天線所發(fā)射波形均已傳播至仿真環(huán)境的邊界所需時間的2倍以上，以保證全部的多徑和多散射路徑已經(jīng)被遍歷。
6.適用于上述方法的特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位系統(tǒng)，其特征在于包括 RFID讀卡器，RFID讀卡器能命令需要被定位的RFID標簽發(fā)出電磁波信號，RFID讀卡器連接有N個固定天線，N為大于1的自然數(shù)，固定天線用于接收有源RFID發(fā)射的電磁信號，N 個固定天線同時與信號處理機構(gòu)連接，還包括被定位目標，被定位目標包括供電電源、超寬帶時域脈沖源、RFID標簽、以及天線，信號處理機構(gòu)內(nèi)建立特定環(huán)境的模擬空間，在該模擬空間內(nèi)固定天線、家具、墻體的位置以及其電參數(shù)均與實際情況相匹配。
全文摘要
本發(fā)明公布了特定環(huán)境中基于有源RFID的目標定位方法及其系統(tǒng)，采用時間反轉(zhuǎn)的手段，在不改造室內(nèi)環(huán)境的前提下能對有源RFID標簽實施實時、高精度的定位；在模擬環(huán)境中進行時間反轉(zhuǎn)后的電磁波傳播過程的仿真，通過讀取電磁場能量的峰值點來確定被定位目標的位置，克服了傳統(tǒng)的定位精度依賴于環(huán)境的復雜程度；時間反轉(zhuǎn)過程并非在被定為目標上完成的，降低了被定位目標的復雜程度和成本；不需要真實存在的發(fā)射機，降低了信號處理機構(gòu)的復雜程度和成本；信號處理機構(gòu)中建立的模擬環(huán)境與真實的特定環(huán)境相對應(yīng)，其多徑和多散射情況均可在時間反轉(zhuǎn)過程中被充分利用，相對于傳統(tǒng)的定位方式，減少了固定天線的設(shè)置數(shù)量，降低了系統(tǒng)的成本。
文檔編號G06K7/00GK102509059SQ201110334009
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者張胤, 朱曉章, 楊偉, 歐陽駿, 聶在平, 趙志欽 申請人:電子科技大學