特定环境中基于有源RFID的目标定位方法及其系统

摘要

本发明公布了特定环境中基于有源RFID的目标定位方法及其系统，采用时间反转的手段，在不改造室内环境的前提下能对有源RFID标签实施实时、高精度的定位；在模拟环境中进行时间反转后的电磁波传播过程的仿真，通过读取电磁场能量的峰值点来确定被定位目标的位置，克服了传统的定位精度依赖于环境的复杂程度；时间反转过程并非在被定为目标上完成的，降低了被定位目标的复杂程度和成本；不需要真实存在的发射机，降低了信号处理机构的复杂程度和成本；信号处理机构中建立的模拟环境与真实的特定环境相对应，其多径和多散射情况均可在时间反转过程中被充分利用，相对于传统的定位方式，减少了固定天线的设置数量，降低了系统的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位方法及系统，具体是指一种特定环境中基于有源RFID的目标定位方法及其系统。

背景技术

现在室内环境下的各种基于位置服务的需求日益迫切，在物流领域对物品的实时定位，有利于提高物流的管理水平；在公共安全领域的实时定位，有利于维护社会安全；在日常生活中，可以帮助人们了解小孩、宠物、物品等的状态。然而，现有的卫星定位系统，在室内环境或建筑物密集的地区，卫星信号受到障碍物的阻隔，难以有效定位，此外室内定位技术还有红外技术、超声波技术，但是信号需要视距传播，定位范围相对受限。射频识别（RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种识别技术，能够实现对特定物体的自动识别。RFID特点有：非接触、非视距、短时延、高精度、传输范围大和成本低，所以RFID在室内定位应用中有很强的竞争力。RFID分为无源RFID和有源RFID，无源RFID标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出芯片中存储的信息；而有源RFID是通过自身供电主动发送某一频率的识别信号，识别信号单向的穿过障碍物，它具有更大的阅读距离，更加灵活的发射波形，更广泛的应用潜力，因此有源RFID具备通信距离长、传输数据量大、可靠性高和兼容性好等特点。现有的基于RFID的定位技术多为基于无源RFID。中国发明专利（申请号200910051180.5）公开了一种RFID室内定位系统及技术，该发明采取将短距离RFID读写器及天线安置于机器人底盘，在机器人运动区域的地面上布置无源RFID标签作为定位参考，通过RFID读写器读取RFID标签中的信息来实现移动机器人的定位，但是此种方法要事先在运动区域布置标签，会对室内环境造成一定程度的破坏，实现起来不方便。

中国发明专利（申请号201110005728.X）公开了一种实时定位系统，该系统根据若干个相邻的RFID基站所读取标签的先后次序、信息强度值与时间差来绘制标签运动轨迹与计算移动速度，对于室内定位，信号在传播过程中会经历障碍物的反射、折射，导致信号的多种传播路径，在多径较严重的情况下，这种定位方法的定位精度大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间反转技术的有源RFID定位系统，能在不改造室内环境的前提下能对有源RFID标签实施实时、高精度的定位。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

特定环境中基于有源RFID的目标定位方法，包括以下步骤：

（A）在特定环境中的被定位目标由四部分组成：供电电源、超宽带时域脉冲源、RFID标签、以及天线，在特定环境中设置RFID读卡器，RFID读卡器连接N个固定天线，N为大于1的自然数，N个固定天线同时与信号处理机构连接，N个固定天线的接收范围覆盖整个特定环境，RFID读卡器与信号处理机构连接，在信号处理机构内建立该特定环境、以及固定天线的电磁波传播模型；

（B）RFID读卡器利用RFID的通信协议获取该特定环境空间内所存在的所有被定位目标的RFID标签识别码，并将所获得的信息传输至信号处理机构，信号处理机构得知该特定环境空间内被定位目标的数量和编号；

（C）信号处理机构通过RFID读卡器向其中一个需要定位的被定位目标发送定位指令；

（D）接收到定位指令的被定位目标的超宽带时域脉冲源通过天线发出一个超宽带时域脉冲信号P(t)，波形采用                                                ，该波形的中心频率为2GHz，带宽为1.4GHz~3GHz，其中为信号中心频率，为脉冲峰值所在时刻；

（E）P(t)经过房间墙壁、家具等环境散射、折射后，被N个固定天线接收为R₁（t）～R_N（t），并被信号处理机构存储下来；

（F）信号处理机构将接收到的N个接收信号R₁（t）～R_N（t）进行时间反转变换，变换后的信号分别赋给模拟环境中的各个模拟固定天线，以各个模拟的固定天线为发射端，在运算模型内模拟电磁波的传播过程，并读取运算模型内的空间电磁场能量分布情况，空间电磁场能量的峰值即为被定位的目标。

在特定环境中布置固定天线，使得固定天线的整体覆盖范围遍布该特定环境区域，固定天线按照顺序可定义为第一固定天线、第二固定天线，依次类推为第N固定天线，N个固定天线与RFID读卡器连接，RFID读卡器与信号处理机构连接，在信号处理机构中建立被监控特定环境的空间模拟模型，在该模拟模型中，模拟建立有与第一固定天线至第N固定天线相对应的模拟天线，在被定位目标上贴付有被测件，被测件包括供电电源、超宽带时域脉冲源、RFID标签、以及天线，RFID读卡器利用RFID的通信协议获取该特定环境空间内所存在的所有被定位目标的RFID标签识别码，并将所获得的信息传输至信号处理机构，信号处理机构得知该特定环境空间内被定位目标的数量和编号，根据需要，信号处理机构通过RFID读卡器向需要被定位的被测件发出定位指令，被定位的RFID标签接收到定位指令后，向外发出一个超宽带时域脉冲信号P(t)，N个固定天线分别接收到经过室内环境传播、散射和反射的形成的超宽带时域脉冲信号R（t），P(t) 经过传播、散射和反射后转变为R（t），信号处理机构接收到N个信号R₁（t）、R₂（t）～R_N（t），信号处理机构首先将R₁（t）～R_N（t）进行时间反转变换，在信号处理机构建立的模拟环境中，以模拟环境中模拟的固定天线为发射天线，将时间反转后的电磁波进行传输，在模拟环境中观测电磁波的能量时间分布，由各个模拟的电磁波叠加后的能量最强点即为被定位目标发射超宽带时域脉冲信号P(t)时的位置和时间，利用时间反转的手段，通过模拟电磁波的传输过程，在模拟环境中能够精确定位被定位目标在特定环境中的位置。

进一步讲，所述步骤（A）中，在信号处理机构中建立特定空间的模拟环境时，需要将固定天线的位置与性能参数、墙体厚度、墙体的电参数、家具布局位置与家具的电参数均与真实环境相同。为了使得模拟环境的仿真效果与实际的一直，在建立模拟环境空间的时候，需要设置模拟环境中的各个参数，墙体厚度、墙体的电导率、介电常数、磁导率、家具布局位置与家具的电参数均与真实环境相同，如此，仿真效果更具有可靠性。

进一步讲，所述的信号处理机构包括射频信号接收模块和数学运算模块，数学运算模块为电脑或数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA。信号处理机构包括两部分，即与N个固定天线相连接的射频信号接收模块，、以及处理N个接收信号R₁（t）～R_N（t）的数学运算模块，数学运算模块为电脑、数字信号处理器DSP、以及现场可编程门阵列FPGA中的任意一种，在电脑或数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA内建立模拟环境，可以采用多种途径方便地建立仿真环境或模拟环境，在仿真或模拟环境中利用电磁波的时间反转传播，再现电磁波在仿真或模拟环境中的传播途径，时间反转后的电磁波经过原途径反向传播后在仿真或模拟环境中相干叠加于其源点，即被测件发出超宽带时域脉冲信号P（t）的位置。

进一步讲，所述步骤（F）包括以下步骤：

（F1）将信号处理机构存储下来的N个接收信号R₁（t）～R_N（t）经过时间反转变换，RE_n（t）= R_n（-t），1≤n≤N；

（F2）模拟环境中的固定天线与实际环境中的固定天线一一对应，将变换后的信号赋给模拟环境中各个模拟的固定天线；

（F3）以模拟环境中各个模拟的固定天线为发射天线，将经过时间反转变换的信号RE_N（t），使用时域有限差分方法FDTD或时域伪谱差分方法PSTD在模拟环境中进行电磁波传播过程的仿真；

（F4）回顾仿真环境中场点的时/空能量分布，仿真过程中对整个环境的电磁场能量进行监视，寻找能量最大点所在的时刻和空间位置，则该位置即为被定位目标发出超宽带时域脉冲信号P（t）时所在的位置，该位置对应的时间即为被定位目标发出超宽带时域脉冲信号P（t）的时刻。

进一步讲，所述步骤（F4）中，仿真时间设定为全部模拟天线所发射波形均已传播至仿真环境的边界所需时间的2倍以上，以保证全部的多径和多散射路径已经被遍历。

适用于上述方法的特定环境中基于有源RFID的目标定位系统，包括RFID读卡器，RFID读卡器能命令需要被定位的RFID标签发出电磁波信号，RFID读卡器连接有N个固定天线，N为大于1的自然数，固定天线用于接收有源RFID发射的电磁信号，N个固定天线同时与信号处理机构连接，还包括被定位目标，被定位目标包括供电电源、超宽带时域脉冲源、RFID标签、以及天线，信号处理机构内建立特定环境的模拟空间，在该模拟空间内固定天线、家具、墙体的位置以及其电参数均与实际情况相匹配。本系统按照上述方法进行操作，即可以实现特定区域内的精确定位。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明特定环境中基于有源RFID的目标定位方法，采用时间反转的手段，在不改造室内环境的前提下能对有源RFID标签实施实时、高精度的定位；

2本发明特定环境中基于有源RFID的目标定位方法，在模拟环境中进行时间反转后的电磁波传播过程的仿真，通过读取电磁场能量的峰值点来确定被定位目标的位置，克服了传统方法的定位精度受限于环境的复杂程度；

3本发明特定环境中基于有源RFID的目标定位方法，时间反转过程并非在被定位目标上完成的，降低了被定位目标的复杂程度和成本；

4本发明特定环境中基于有源RFID的目标定位方法，时间反转过程是在信号处理机构中的模拟环境中通过数值仿真实现，不需要真实存在的用于发射时间反转后的波形的发射机，降低了信号处理机构的复杂程度和成本；

5本发明特定环境中基于有源RFID的目标定位系统，信号处理机构中建立的模拟环境与真实的特定环境相对应，现实复杂环境中的多径和多散射情况均可在时间反转过程中被充分利用，相对于传统的定位方式，减少了固定天线的设置数量，降低了系统的成本。  

附图说明

图1为本发明在模拟环境中电磁波的模拟传输定位示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，假设某建筑物内部有8间房间，被定位目标在其中某间房屋内，建筑物整体尺寸为12米长 x 8米宽 x 2.8米高，外围墙体厚度36厘米，内部隔墙厚度12厘米，墙体介电常数为4.2、电导率0.01、导磁率1，8个接收天线放置于楼道中，均匀分布，被定位目标放置在某间房间中，固定天线采用领结型电偶极子宽带天线，-3dB带宽为200-400MHz。RFID读卡器和标签可采用Nordic公司的nRF2401方案或者美国德州仪器公司的CC1100方案等通用方案。

首先，RFID读卡器通过固定天线发射定位指令，被测目标收到定位指令后，发射出定位脉冲信号，其中心频率300MHz，带宽约为250MHz。

信号处理机构中的射频接收单元由可接收频率200~400MHz的宽带低噪声放大器和采样率高于1GSPS的数据采集卡组成，数学演算模块由采用Dell Pricision T7500工作站计算机实现组成。定位脉冲信号经过建筑物内部空间传播后，被固定天线接收，然后经过射频接收单元后变为数字采样序列，进入数学演算模块后存储为R₁（t）～R_N（t）。

在Matlab数学运算软件中，从数据文件中读取R₁（t）～R_N（t），进行时间反转处理，即RE_n（t）= R_n（-t），1≤n≤N；

在基于PSTD的电磁场数值仿真软件Wavenology中，根据建筑物结构布局和墙体电参数建立相匹配的模拟环境，其中用五角星示出被定位目标所在位置（仅为便于描述和观察，并非预知其位置信息），模拟的固定天线为真实环境中的固定天线所在位置，模拟环境中采用性能参数相同的电偶极子天线模型设置在其位置上。

在模拟环境中的每个房间内部均均匀分布有电磁场能量观测点，用于观测时间反转后的被模拟发射出来的电磁波传播过程中整个建筑物内部的电磁场能量分布。

将RE_n（t），1≤n≤N赋给N个模拟环境中的天线并开始发射，Wavenology软件通过PSTD方法对电磁波的传播过程进行仿真，并由观测点记录下来存储在数学演算模块的硬盘文件上。仿真时间设置为电磁波传播过房屋最远传播距离即对角线距离的2倍时间，以保证所有墙体的多散射和多路径效应均被遍历。

仿真结束后，在MATLAB软件中打开全部观测点的数据文件，每个时刻所有的观测点的电磁场能量值组成一幅建筑物内部能量分布图，所有时刻的能量分布图组成一个电磁波传播动画。查找到能量峰值时刻的能量分布图，可以明显看出右下角房间内部出现了能量峰值，即为被定位目标发射定位脉冲时所处的房间，房间内部的能量峰值中心即为其具体位置。

本施例中，Wavenology作为商用三维电磁场数值仿真工具软件（基于PSTD方法），可替换为CST Studio Suit等基于FDTD的仿真工具软件，其在本发明中的作用和效果没有区别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。