无源UHF型RFID变功率定位方法与系统

摘要

一种基于无源UHF型RFID变功率定位方法，包括如下步骤：S1)建立坐标系确定每个RFID监测设备的位置坐标READER

说明书

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，特别是基于无源UHF(Ultra High  Frequency的缩写，即特高频无线电波)型RFID(Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别)定位方法和系统。

背景技术

RFID的精确定位在物联网应用意义重大，如何最大程度地提高定位精度 是当前研究的重点方向之一。目前，基于无源UHF型RFID的定位，主要是 判断在感应区内有无RFID。当定位精度要求较高时，就需要采用数量较多的 监测设备。事实上，监测设备对每个RFID的感应强度是不一样的。显然，应 当充分利用监测设备的各RFID感应强度的差异信息，最大限度地提高定位精 度，使各监测设备的作用得以充分发挥。

相近专利中，专利号为CN201410333682.8的发明专利“一种基于仿真 标签的RFID定位方法”，其采用的RFID是有源RFID。有源RFID较之于无 源RFID存在以下缺陷：必须配备电池，且需要定期更换，使用寿命短；体积 大不易安装；成本高，是无源RFID的10倍以上。

又如专利号为CN201310703262.X的发明专利“物品定点定位管理的监 测装置及其监测方法”，其通过在物品的存放区域依次排列安装集多个识别天 线为一体的监测装置来循环扫描读卡以实现定位。该方法通过直接检测感应 区内有无RFID来定位，精度有限。如需提高定位精度就必须安装大量监测设 备，成本高，工程量大，且不易实施。

其它诸如专利号为CN201410292719.7的发明专利“基于无线射频识别 技术的医疗管理系统”、专利号为CN201410135829.2的发明专利“一种基于 无源RFID的物品管理系统”、专利号为CN201420189184.6的实用新型专利 “基于RFID技术的病员定位系统”以及专利号为CN201210263162.5的实用 新型专利“一种基于RFID的定位识别系统”，都是在特定位置处安装读取终 端，只有当RFID处于读取终端的天线感应范围内时才能获取该RFID的信息， 确定的只是某个范围区域。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于无源UHF型RFID精确定位方法，同 时提供一种基于无源UHF型RFID精确定位系统。

本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种基于无源UHF型RFID 变功率定位方法，包括如下步骤：

S1)将M个RFID电子标签附着与定位对象上，安置N个RFID监测设备， 要求每个所述RFID电子标签在其活动范围内至少能被两个所述RFID监测设 备感应到，并建立坐标系确定每个RFID监测设备的位置坐标READER_j(x_j， y_j，z_j)，j＝1～N，N≥2。

S2)标定关系函数D(Pmin)，关系函数D(Pmin)表示RFID电子标签 与RFID监测设备间的距离D同RFID电子标签的最小感应功率Pmin间的关 系。RFID电子标签的最小感应功率即RFID监测设备刚好能感应到RFID电 子标签时的发射功率。

S3)调整RFID监测设备的发射功率，获取Pmin_ij，i＝1～M,j＝1～N，M≥1， N≥2，Pmin_ij表示RFID监测设备j对于RFID电子标签i的最小感应功率，根 据关系函数D_j(Pmin)，确定RFID监测设备j与RFID电子标签i之间的距 离D_ij，如果RFID监测设备j在其最大发射功率下仍然没有感应到RFID电子 标签i，定义D_ij＝d_OVER，d_OVER是大于最大感应距离的正数。

S4)计算RFID电子标签的坐标RFID_i(x_i，y_i，z_i)，i＝1～M，M≥1。

所述RFID电子标签是指符合EPC Class-1Generation-2标准的无源UHF 型RFID电子标签。

上述S4)具体可包括如下步骤：

S4-1)计算加权因子q_ij

当D_ij＝d_OVER时,q_ij＝0；  ①

当D_ij≠d_OVER时,$q_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k\ne j,k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}}{(N-1)\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}},N\ge 2;$  ②

S4-2)计算RFID_i(x_i，y_i，z_i)

当D_ij＝0时，

RFID_i(x_i,y_i,z_i)＝READER_j(x_j,y_j,z_j)，i＝1～M，j＝1～N，M≥1，N≥2；  ③

当d_OVER≥D_ij>0时，

${\mathrm{RFID}}_i(x_i,y_i,z_i)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{READER}}_j(x_j,y_j,z_j),i=1~M,j=1~N,M\ge 1,N\ge 2.$  ④

为提高本发明RFID精确定位方法的准确性，考虑不同RFID检测设备的 个体差异，步骤S2)中标定关系函数D(Pmin)为在确定N个RFID监测设 备的位置后，对每个RFID监测设备分别标定关系函数，得到关系函数D_j(Pmin)，j＝1～N，N≥2，D_j(Pmin)表示RFID电子标签与RFID监测设备j 间的距离D_j同RFID电子标签的最小感应功率Pmin间的关系。

关系函数D_j(Pmin)通过如下步骤确定：将RFID电子标签从贴近RFID 监测设备j处逐渐向远离RFID监测设备j的方向移动，每移动步距d测定一 次Pmin，直至RFID监测设备j在最大发射功率下也不能感应到RFID电子标 签，记录D与Pmin的对应关系。该方法的测量结果为一表示对应关系的数据 表，可以直接利用该数据表查询，也可以形成函数表达式后再利用。

步骤S3中所述Pmin_ij经连续多次测量，剔除最大和最小值后取其余各值 的平均值得到。

本发明还提供一种基于无源UHF型RFID变功率定位系统，包括用于附 着于定位对象上的M个RFID电子标签、N个发射功率可调的RFID监测设备、 通信网络和定位算法管理装置，所述定位算法管理装置通过所述通信网络与 所述RFID监测设备通信；

所述RFID监测设备将其感应范围内的1～M个RFID电子标签的信息发 送到所述定位算法管理装置以确定需定位的RFID电子标签的个数，N个所述 RFID监测设备分别对第1～M个所述RFID电子标签测量Pmin_ij，i＝1～M， j＝1～N，M≥1，N≥2，Pmin_ij表示RFID监测设备j对于RFID电子标签i的最 小感应功率，若RFID监测设备j在其最大发射功率下仍然无法感应到RFID 电子标签i，则将该Pmin_ij标记为P_OVER，所述RFID监测设备将测量的Pmin_ij发送到所述定位算法管理装置，所述定位算法管理装置根据预设的用于表示 RFID电子标签与RFID监测设备j间的距离D_j同RFID电子标签的最小感应 功率Pmin间的关系的关系函数D_j(Pmin)得到与Pmin_ij对应的D_ij，D_ij表示 RFID监测设备j与RFID电子标签i之间的距离，定义D_j(P_OVER)＝D_ij＝d_OVER， d_OVER是大于最大感应距离的正数,并通过公式①或②计算加权因子q_ij，再通 过公式③或④计算RFID电子标签的坐标RFID_i(x_i，y_i，z_i)；

当D_ij＝d_OVER时,q_ij＝0；  ①

当D_ij≠d_OVER时,$q_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k\ne j,k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}}{(N-1)\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}},N\ge 2;$  ②

当D_ij＝0时，RFID_i(x_i,y_i,z_i)＝READER_j(x_j,y_j,z_j)；  ③

当d_OVER≥D_ij>0时，${\mathrm{RFID}}_i(x_i,y_i,z_i)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{READER}}_j(x_j,y_j,z_j);$  ④

READER_j(x_j，y_j，z_j)为RFID监测设备j的位置坐标。

所述RFID电子标签是指符合EPC Class-1Generation-2标准的无源 UHF型RFID电子标签。

所述RFID监测设备发射功率的调节由所述RFID监测设备或所述定位算 法管理装置实现。

所述的通信网络是指以网线、光缆、红外线、蓝牙、WiFi、Zigbee或其 它有线、无线方式传送数据的网络。

所述的定位算法管理装置是指安装有完成上述算法的软件的通用计算 机、手持终端、掌上电脑或其他专用计算机装置。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明的无源UHF型RFID 变功率定位方法利用RFID监测设备对离其不同距离的RFID电子标签感应强 度的差别，通过寻找RFID监测设备刚好能感应到RFID电子标签时的发射功 率，即RFID电子标签的最小感应功率Pmin同RFID电子标签与RFID监测 设备间的距离D的对应关系，在测得RFID监测设备对某个RFID电子标签的 Pmin后，即可确定该RFID电子标签离相应RFID监测设备的距离，再通过 加权系数进行修正，从而确定RFID电子标签的位置坐标，使基于无源UHF 型RFID的定位不再只能判断感应区内是否存在RFID电子标签，还可通过各 RFID监测设备对各RFID电子标签感应强度的不同，确定RFID电子标签的 具体坐标，从而精确定位人或物，使各RFID监测设备的作用得以充分发挥； 另外，本发明选用发射功率可调的RFID监测设备，直接利用RFID监测设备 中的已有的功率放大器(即发射功率调节模块)的功率调节功能，在不增加 成本的前提下提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明的原理示意框图；

图2是本发明的定位原理示意图；

图3是本发明的定位处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的无源UHF型RFID变功率定位系统包括M个附着 于定位对象(如人或物)上的RFID电子标签、N个发射功率可调的RFID监 测设备、通信网络和定位算法管理装置。M个RFID电子标签位于N个RFID 监测设备的感应范围内。RFID电子标签是指符合EPC Class-1Generation-2标 准的无源UHF型RFID电子标签。选用的RFID监测设备由依次相连的天线、 发射功率调节模块、CPU控制模块和通信模块组成。本发明直接利用RFID 监测设备中的已有的功率放大器(即发射功率调节模块)的功率调节功能， 在不增加成本的前提下提高了定位精度。定位算法管理装置通过通信网络与 RFID监测设备通信。定位算法管理装置由安装有完成上述算法的软件的通用 计算机构成。

本发明的定位原理图如图2所示，假设空间内有N个RFID监测设备， 对于某一个特定的RFID电子标签，该RFID电子标签处在这N个RFID监测 设备的感应范围内，可以采用图2所示原理对其进行定位，确定其位置坐标x、 y、z。RFID监测设备j本身坐标READER_j(x_j，y_j，z_j)可先确定，通过调节 RFID监测设备j发射功率可测得RFID电子标签的最小感应功率Pmin。由关 系函数D_j(Pmin)可得RFID电子标签距离RFID检测设备j的距离r＝D_ij，即 RFID电子标签处在以RFID检测设备j为圆心、r为半径的球面上。N个RFID 检测设备就可以确定N个球面，它们的交集即是RFID电子标签所在位置， 理想状态下，该交集应为一个坐标点。

实际应用中，由于RFID检测设备的个体差异以及其他各种干扰引起的误 差等原因，导致它们的交集并非为一个确切的坐标点，而是一个空间区域， 甚至根本没有交集，这就需要引入加权算法。

本发明的无源UHF型RFID变功率定位方法具体包括如下步骤：

S1)将M个RFID电子标签附着或内置于人或物上，RFID电子标签是指 符合EPC Class-1Generation-2标准的无源UHF型RFID电子标签，安置N 个RFID监测设备，要求每个所述RFID电子标签在其活动范围内至少能被两 个所述RFID监测设备感应到，并建立坐标系(通常选择直角坐标系，不排除 采用其它坐标系)确定每个RFID监测设备的位置坐标READER_j(x_j，y_j，z_j)， j＝1～N，N≥2。

S2)标定关系函数D_j(Pmin)，D_j表示RFID电子标签与RFID监测设备 间j的距离，Pmin表示RFID电子标签的最小感应功率。

关系函数D_j(Pmin)通常是一个一维数据表，如果考虑多种因素也可以 是多维的，还可以由数据表归纳出或直接给出具体的解析函数表达式。

关系函数D_j(Pmin)的建立过程如下：将RFID电子标签从贴近RFID监 测设备j处逐渐向远离的方向移动，每移动步距0.1m测定一次Pmin，直至 RFID监测设备j在其最大发射功率下也不能感应到RFID电子标签为止，得 到D_j(Pmin)，j＝1～N，N≥2。视精度要求，步距可适当加大。

若不考虑各RFID监测设备间的差异，关系函数D_j(Pmin)可用D(Pmin) 代替，即选择任一RFID监测设备，测定感应距离D与最小感应功率Pmin间 的关系。

S3)调整RFID监测设备的发射功率，获取Pmin_ij，如果RFID监测设备 j在其最大发射功率下仍然没有感应到RFID电子标签i，将该Pmin_ij标记为 P_OVER，定义D_j(POVER)＝D_ij＝d_OVER，d_OVER是大于最大感应距离的正数。

S4)计算RFID电子标签的坐标RFID_i(x_i，y_i，z_i)

通过①或②式计算加权因子q_ij，再代入③或④式中得到RFID电子标签的 坐标RFID_i(x_i，y_i，z_i)：

当D_ij＝d_OVER时,q_ij＝0；  ①

当D_ij≠d_OVER时,$q_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k\ne j,k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}}{(N-1)\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ik}}},N\ge 2;$  ②

当D_ij＝0时，RFID_i(x_i,y_i,z_i)＝READER_j(x_j,y_j,z_j)；③

当d_OVER≥D_ij>0时，${\mathrm{RFID}}_i(x_i,y_i,z_i)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{READER}}_j(x_j,y_j,z_j);$  ④

READER_j(x_j，y_j，z_j)为RFID监测设备j的位置坐标。

本实施例中直接采用了4个JT-9292R2000一体化读写器作为RFID监测 设备，以及108个Alien Higgs 3型标签作为RFID电子标签，108个电子标签 均处于这4个读写器的感应范围内。JT-9292读写器提供了适合二次开发的 API函数以及通信接口，计算机软件通过RS485网络可以直接调节其发射功 率，其发射功率实际可调范围为20dBm～30dBm，最大感应距离达30m。Alien  Higgs 3型标签频段为860-960MHz。JT-9292R2000一体化读写器仅带有 RS232接口，为其配备了RS485/RS232转换器。

读写器安装时，由上述标定关系函数D_j(Pmin)的方法，得到JT-9292 读写器发射功率和Alien Higgs 3标签到读写器距离的具体函数关系。

在空旷的环境下，以垂直于读写器的方向进行标定，可以得到JT-9292 读写器发射功率和Alien Higgs 3型标签到读写器距离的对应关系见表1：

表1

4个读写器的坐标分别为READER₁(x₁，y₁，z₁)～READER₄(x₄，y₄， z₄)。

定位时，选定某1个(1～4)读写器，以最大发射功率扫描感应范围内的 所有RFID电子标签，记录下所有RFID电子标签的ID，再对具体的某一个 (1～108)RFID电子标签测量Pmin值。由于空间环境干扰的影响，对Pmin 值仅测量一次难以保证精度，在本实施例中对同一RFID电子标签连续测量6 次，剔除最大和最小两值后取平均值作为最终值。以此方法依次测得108个 标签的Pmin，共计测量2592次。当全部读写器扫描完全部RFID电子标签后， 共测得108*4个Pmin值。再由事先标定的D_j(Pmin)得到108*4个RFID电 子标签至读写器的等效距离d，然后通过公式①或②求取加权因子，再通过③ 或④式求出RFID电子标签坐标，计算108个标签坐标RFID₁(x₁，y₁， z₁)～RFID₁₀₈(x₁₀₈，y₁₀₈，z₁₀₈)。

本发明的定位处理流程如图3所示，定位算法管理装置选择1～N个RFID 监测设备，使它们以最大发射功率扫描全部感应区，判断感应范围内是否存 在RFID电子标签并获取其ID信息，选择1～M个RFID电子标签中的一个， 对同一RFID电子标签每个RFID监测设备连续测量6次，剔除最大和最小后 取平均值，得到一个Pmin_ij，M个RFID电子标签全部测完且N个RFID监测 设备全部扫描完，以标定的关系函数D_j(Pmin)计算测得的M*N个Pmin_ij值对应的距离D_ij，以①或②式计算加权因子q_ij，以③或④式计算RFID电子 标签的坐标RFID_i(x_i，y_i，z_i)。

本发明的实施方式不限于上述实施例，凡此种根据本发明的上述内容， 按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想 前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，如通 信网络可以选用以网线、光缆、红外线、蓝牙、WiFi、Zigbee或其它有线、 无线方式传送数据的网络；定位算法管理装置还可选用安装有完成上述算法 的软件的手持终端、掌上电脑或其他专用计算机等；均应落在本发明的保护 范围之内。