CN104931925A - 一种基于参考标签rfid定位的自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参考标签RFID定位的自适应方法，包括步骤一)设置环境参数方程、步骤二)单个区域的环境参数确定和步骤三)自适应RFID定位***的设计。本发明技术能自适应地计算定位空间的环境参数，并能实时动态地适应环境，进而可以使定位方法能实时适应环境的变化，更能精确计算定位；与过去方法相比，解决了由于环境动态变化可能造成定位不精确的问题；例如，人员变身的移动，可能阻碍信号的传播，突然的塌方可能使信号传播强度发生变化造成定位精准降低。

Description

一种基于参考标签RFID定位的自适应方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种基于参考标签RFID定位的自适应方法。

背景技术

术语解释：

RFID:射频识别(英文：Radio Frequency IDentification，缩写：RFID)是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别***与特定目标之间建立机械或者光学接触。

RSSI：RSSI(Received Signal Strength Indicator)是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的。

基于参考标签RFID定位方法采用若干个固定标签与待定位的待定位标签通信，待定位标签通过检测到与固定标签的信号强度(RSSI)。根据信号强度计算与待定位标签的距离。RFID阅读器会采集待定位的待定位标签与所有固定参考标签的信号强度，并上传给上位机。根据阅读器采集输出的数据，上位机可作相应处理来获取待定位的待定位标签点对参考标签节点的测距信息。

根据当前待定位标签节点检测来自于参考标签节点的接收信号强度RSSI数值，根据公式(3)求得距离。

$d={10}^{\frac{RSSI\left(d\right)-A}{-10n}}---\left(3\right)$

其中:A代表在距离一米时的信号强度；RSSI(d)代表距离d之间的信号强度；

n代表路径损耗，也即环境对信号的衰减系数，视具体环境而定。

根据信号强度，公式(3)计算距离。当有了这个测距的结果，可以利用一些定位算法定位计算待定位标签的坐标位置。公式(3)来源信号路径损耗原理，在不同环境下在，其参数A和n不同。目前就是要采用人为方法设定参数，再利用公式(3)去测距，从而计算定位坐标。

公式(3)的测距公式是来自基于RSSI的经典信号传播模型(路径-损耗公式)如下式(1)

$RSSI\left(d\right)=RSSI\left(d_0\right)-10\·n\·log\frac{d}{d_0}+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中,n表示路径损耗指数，d为目标距离读写器的距离，d0为近距离地参考距离，RSSI(d)和RSSI(d0)分别表示读写器读取的到与其距离为d和d0处的标签信号强度，xσ→(0,σ²)代表噪声干扰，满足高斯分布。

在传统的基于信号传播模型的定位方法中，路径损耗能数根据理想空间给出一个估计值，并且很多环境中保持不变。在实际应用中，很难达到理想空间状态环境，实际空间中的温度、湿度、空气以及悬浮物等因素，都能造成对信号不同程度的衰减，尤其实际定位空间中，人员的移动也会产生障碍。所以通常路径损耗***估计值会导致定位精度误差很大。

发明内容

为解决上述问题本发明提供了一种基于参考标签RFID定位的自适应方法。本发明减少了基于RSSI公式的测距受环境的影响，提高了定位精度，使测距结果能够自适应地随环境变化而测距公式参数发生变化，在环境发生动态变化下，测距精度能够保持不变，这样使RFID的标签定位***能适应环境动态变化。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种基于参考标签RFID定位的自适应方法，包括如下步骤：

步骤一)设置环境参数方程：

RSSI的经典信号传播模型如下式(1)：

$RSSI\left(d\right)=RSSI\left(d_0\right)-10\·n\·log\frac{d}{d_0}+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，n表示路径损耗指数，d为目标距离读写器的距离，d₀为近距离地参考距离，RSSI(d)为读写器读取的到与其距离为d处的标签信号强度，RSSI(d₀)为读写器读取的到与其d₀处的标签信号强度，X_σ代表环境干扰，满足高斯分布X_σ(0,σ²)；

根据式(2)推出式(3)：

$d=d_0\·{10}^{\frac{RSSI\left(d_0\right)-RSSI\left(d\right)-x_{\mathrm{\σ}}}{10n}}---\left(2\right)$

d₀为读写器与待定位标签的距离；RSSI(d₀)为读写器与待定位标签距离为d₀且信号是在自由空间传播时的信号强度；x_σ代表环境干扰，满足高斯分布x_σ(0,σ²)；n为环境中信号传播的损耗参数；令A＝RSSI(d₀)+x_σ，则A满足高斯分布(RSSI(d0)，σ²)，则有式(3)：

$d={10}^{\frac{RSSI\left(d\right)-A}{-10n}}---\left(3\right)$

在读写器与待定位标签所在的平面中固定四个定位参考标签，四个定位参考标签形成一个四边形，四个定位参考标签坐标分别为T₁(x₁，y₁)、T₂(x₂，y₂)、T₃(x₃，y₃)、T₄(x₄，y₄)；设置一个参数参考标签，坐标为RT(x₀，y₀)；

设P_it(d_i)为定位参考标签T_i传给参数参考标签RT在时间t的信号强度，d_i为参考标签T_i与参数参考标签RT的实际距离；采集m次信号强度，设实际测得信号强度为P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，则在采集m次信号强度的时间间隔内，参数参考标签接收到定位参考标签传来的平均信号强度P_i如式(4)所示：

${\stackrel{\‾}{P}}_i=\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{it}\left(d_i\right)---\left(4\right)$

将代入(3)，则算得

设T_i的坐标为(x_i，y_i)，则RT与T_i的距离d_i如式(5)所示：

$d_i=\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2}---\left(5\right)$

对两个不同的定位参考标签T_i取值，则可构成关于参数n和A的方程组如下式(6)：

$\{\begin{array}{c}{d}_1={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_1-A}{-10n}}\\ d_2={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_2-A}{-10n}}\end{array}---\left(6\right)$

根据式(6)可求得环境参数n和A；

步骤二)单个区域的环境参数确定：

两个相邻参考标签与参数参考标签RT构成一个三角形区域；所述两个相邻参考标签将信号传给参数参考标签RT得到两个信号P₁和P₂，则这个三角区域内环境参数的计算过程如以下算法：

2.1)在一固定时间内，参数参考标签采集两个定位参考标签传播的信号强度m次，则：P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，P₂＝(P₂₁，P₂₂，…，P_2m)；

2.2)按式(4)计算两定位标签传播的平均信号强度P₁和P₂；

2.3)按式(5)计算参数参考标签分别与两个定位参考标签的距离d₁和d₂；

2.4)按式(6)求得两个定位参考标签与参数参考标签RT构成的三角形区域的环境参数A和n；

步骤三)自适应RFID定位***的设计：

3.2)待定位标签进入四个定位参考标签形成的四边形区域；

3.2)阅读器采集参数参考标签的信号强度获得的数据，根据步骤二)，实时计算各三角区域的环境参数n和A；

3.3)阅读器根据待定位标签的位置，收集对应三角区域的定位参考标签的信号强度，利用实时计算的环境参数，根据公式(3)计算出待定位标签与四个定位参考标签的距离；

3.4)根据待定位标签与定位参考标签的距离，计算出待定位标签的坐标值。

本发明的优点：

本发明技术能自适应地计算定位空间的环境参数，并能实时动态地适应环境，进而可以使定位方法能实时适应环境的变化，更能精确计算定位。与过去方法相比，解决了由于环境动态变化可能造成定位不精确的问题。例如，人员自身的移动，可能阻碍信号的传播，突然的塌方可能使信号传播强度发生变化造成定位精准降低。

附图说明

图1为平面RFID定位模型示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种基于参考标签RFID定位的自适应方法，包括如下步骤：

步骤一)设置环境参数方程：

RSSI的经典信号传播模型如下式(1)：

$RSSI\left(d\right)=RSSI\left(d_0\right)-10\·n\·log\frac{d}{d_0}+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，n表示路径损耗指数，d为目标距离读写器的距离，d₀为近距离地参考距离，RSSI(d)为读写器读取的到与其距离为d处的标签信号强度，RSSI(d₀)为读写器读取的到与其d₀处的标签信号强度，X_σ代表环境干扰，满足高斯分布X_σ(0,σ²)；

根据式(1)推出式(2)：

$d=d_0\·{10}^{\frac{RSSI\left(d_0\right)-RSSI\left(d\right)-x_{\mathrm{\σ}}}{10n}}---\left(2\right)$

d₀为读写器与待定位标签的距离；RSSI(d₀)为读写器与待定位标签距离为d₀且信号是在自由空间传播时的信号强度；x_σ代表环境干扰，满足高斯分布x_σ(0,σ²)；n为环境中信号传播的损耗参数；令A＝RSSI(d₀)+x_σ，则A满足高斯分布(RSSI(d0)，σ²)，则有式(3)：

$d={10}^{\frac{RSSI\left(d\right)-A}{-10n}}---\left(3\right)$

在读写器与待定位标签所在的平面中固定四个定位参考标签，四个定位参考标签形成一个四边形，四个定位参考标签坐标分别为T₁(x₁，y₁)、T₂(x₂，y₂)、T₃(x₃，y₃)、T₄(x₄，y₄)；设置一个参数参考标签，坐标为RT(x₀，y₀)；

设P_it(d_i)为定位参考标签T_i传给参数参考标签RT在时间t的信号强度，d_i为参考标签T_i与参数参考标签RT的实际距离；采集m次信号强度，设实际测得信号强度为P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，则在采集m次信号强度的时间间隔内，参数参考标签接收到定位参考标签传来的平均信号强度P_i如式(4)所示：

${\stackrel{\‾}{P}}_i=\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{it}\left(d_i\right)---\left(4\right)$

将代入(3)，则算得

设T_i的坐标为(x_i，y_i)，则RT与T_i的距离d_i如式6所示：

$d_i=\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2}---\left(5\right)$

对两个不同的定位参考标签T_i取值，则可构成关于参数n和A的方程组如下式(6)：

$\{\begin{array}{c}{d}_1={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_1-A}{-10n}}\\ d_2={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_2-A}{-10n}}\end{array}---\left(6\right)$

根据式7可求得环境参数n和A；

步骤二)单个区域的环境参数确定：

两个相邻参考标签与参数参考标签RT构成一个三角形区域；所述两个相邻参考标签将信号传给参数参考标签RT得到两个信号P₁和P₂，则这个三角区域内环境参数的计算过程如以下算法：

2.1)在一固定时间内，参数参考标签采集两个定位参考标签传播的信号强度m次，则：P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，P₂＝(P₂₁，P₂₂，…，P_2m)；

2.2)按式(4)计算两定位标签传播的平均信号强度和

2.3)按式(5)计算参数参考标签分别与两个定位参考标签的距离d₁和d₂；

2.4)按式(6)求得两个定位参考标签与参数参考标签RT构成的三角形区域的环境参数A和n；

步骤三)自适应RFID定位***的设计：

3.3)待定位标签进入四个定位参考标签形成的四边形区域；

3.2)阅读器采集参数参考标签的信号强度获得的数据，根据步骤二)，实时计算各三角区域的环境参数n和A；

3.3)阅读器根据待定位标签的位置，收集对应三角区域的定位参考标签的信号强度，利用实时计算的环境参数，根据公式(3)计算出待定位标签与四个定位参考标签的距离；

3.4)根据待定位标签与定位参考标签的距离，计算出待定位标签的坐标值。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于参考标签RFID定位的自适应方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)设置环境参数方程：

RSSI的经典信号传播模型为：

$RSSI\left(d\right)=RSSI\left(d_0\right)-10\·n\·log\frac{d}{d_0}+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，n表示路径损耗指数，d为目标距离读写器的距离，d₀为近距离地参考距离，RSSI(d)为读写器读取的到与其距离为d处的标签信号强度，RSSI(d₀)为读写器读取的到与其d₀处的标签信号强度，X_σ代表环境干扰，满足高斯分布X_σ(0,σ²)；

根据式(1)推出式(2)：

$d=d_0\·{10}^{\frac{RSSI\left(d_0\right)-RSSI\left(d\right)-x_{\mathrm{\σ}}}{10n}}---\left(2\right)$

d₀为读写器与待定位标签的距离；RSSI(d₀)为读写器与待定位标签距离为d₀且信号是在自由空间传播时的信号强度；x_σ代表环境干扰，满足高斯分布x_σ(0,σ²)；n为环境中信号传播的损耗参数；令A＝RSSI(d₀)+x_σ，则A满足高斯分布(RSSI(d0)，σ²)，则有式(3)：

$d={10}^{\frac{RSSI\left(d\right)-A}{-10n}}---\left(3\right)$

在读写器与待定位标签所在的平面中固定四个定位参考标签，四个定位参考标签形成一个四边形，四个定位参考标签坐标分别为T₁(x₁，y₁)、T₂(x₂，y₂)、T₃(x₃，y₃)、T₄(x₄，y₄)；设置一个参数参考标签RT，坐标为RT(x₀，y₀)；

设P_it(d_i)为定位参考标签T_i传给参数参考标签RT在时间t的信号强度，d_i为参考标签T_i与参数参考标签RT的实际距离；采集m次信号强度，设实际测得信号强度为P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，则在采集m次信号强度的时间间隔内，参数参考标签接收到定位参考标签传来的平均信号强度P_i表达为式(4)：

$\stackrel{\‾}{P_i}=\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{it}\left(d_i\right)---\left(4\right)$

将代入式(3)，则算得

设T_i的坐标为(x_i，y_i)，则RT与T_i的距离d_i表达为式(5)：

$d_i=\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2}---\left(5\right)$

对两个不同的定位参考标签T_i取值，则可构成关于参数n和A的方程组为式(6)：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_1-A}{-10n}}\\ d_2={10}^{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_2-A}{-10n}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据式(6)可求得环境参数n和A；

步骤二)单个区域的环境参数确定：

两个相邻参考标签与参数参考标签RT构成一个三角形区域；所述两个相邻参考标签将信号传给参数参考标签RT得到两个信号P₁和P₂，则这个三角区域内环境参数的计算过程如以下算法过程：

2.1)在一固定时间内，参数参考标签采集两个定位参考标签传播的信号强度m次，则：P₁＝(P₁₁，P₁₂，…，P_1m)，P₂＝(P₂₁，P₂₂，…，P_2m)；

2.2)按式(4)计算两定位标签传播的平均信号强度和

2.3)按式(5)计算参数参考标签分别与两个定位参考标签的距离d₁和d₂；

2.4)按式(6)求得两个定位参考标签与参数参考标签RT构成的三角形区域的环境参数A和n；

步骤三)自适应RFID定位***的设计：

3.1)待定位标签进入四个定位参考标签形成的四边形区域；

3.2)阅读器采集参数参考标签的信号强度获得的数据，根据步骤二)，实时计算各三角区域的环境参数n和A；

3.3)阅读器根据待定位标签的位置，收集对应三角区域的定位参考标签的信号强度，利用实时计算的环境参数，根据公式(3)计算出待定位标签与四个定位参考标签的距离；

3.4)根据待定位标签与定位参考标签的距离，计算出待定位标签的坐标值。