CN106778957B - 一种基于rfid双频技术的定位***及方法 - Google Patents

一种基于rfid双频技术的定位***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于RFID双频技术的定位***，包括服务器、RFID标签、多个RFID阅读器和多个低频触发器，各RFID阅读器分别经由集线器与服务器连接，各RFID阅读器分布设置在定位区域，RFID标签绑定在被定位对象体上，低频触发器内置于RFID阅读器之中，各RFID标签包括低频接收模块和射频发送模块。与现有技术相比，本发明利用RFID低频与微波各自无线特性的有机组合，标签收到RSSI的数据，以及标签天线发出信号增益自动循环的特性，采用网格化的区域设置以及三点定位法，实现室内室外复杂环境的全区域的监测定位。可应用于金融，军队，物流仓储，医疗护理等领域，对于当今物联网时代，具有非常积极的应用意义。

Description

一种基于RFID双频技术的定位***及方法
技术领域
本发明涉及一种无线定位***，尤其是涉及一种基于RFID双频技术的定位***及方法。
背景技术
IOT(Internet Of Things)物联网的广泛使用，进一步推动了传感器技术的发展，而新一代智能传感器以低功耗，近距离，无线通信为特征，不仅具有自动感知，采集数据的能力，而且拥有计算处理，近距通信的功能，由此传感器作为前端节点组成的无线传感器网络(WSN)，对其覆盖区域内的各种监测对象，可采集获得相关数据并由后台计算机进行处理，以得到准确的信息，服务于各类应用领域。
在无线传感器的大部分应用中，传感器节点或监控目标的位置信息都是必不可少的。而RFID射频识别无线传感器，正是新一代传感器的重要代表之一，也已被广泛运用于基于移动，位置信息的各个领域，其应用和发展将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。
RFID***是通过RFID阅读器借由无线频段电磁波信号与RFID电子标签之间进行数据信息交互。RFID电子标签是目前最先进的标识码之一，标签内拥有ID标号(全球唯一代码)，它具备不易破损、数据可靠、使用周期长、有效通讯距离远等特点，可用于任何被监测对象。
目前而言，业界所用的定位***如GPS，北斗导航等均适用于室外空旷环境，定位精度不是太高，很难适合复杂多障碍物环境。而一种基于RFID技术的车位感应***(授权公告号CN 202126762 U)方案是一种仅利用RFID技术对静态车位的感应判断其位置有无车物，既不能对移动物体的跟踪定位，又不是在相对复杂的环境中的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于复杂环境的基于RFID双频技术的定位***及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于RFID双频技术的定位***，包括服务器、RFID标签和多个RFID阅读器，各所述的RFID阅读器分别经集线器与服务器连接，分布设置在定位区域，RFID标签绑定在被定位对象体上，所述的***还包括多个低频触发器，所述的低频触发器与RFID阅读器一一对应，所述的RFID标签包括低频接收模块和射频发送模块。
低频触发器既可内置于RFID阅读器之中，又可设置于RFID阅读器之外。
所述的各RFID阅读器通过通信接口与集线器连接，所述的通信接口包括RS-232接口、RS-485接口、GPRS接口、WIFI接口中的至少一种。
所述的集线器通过RJ-45与服务器连接。
所述的RFID标签中的低频接收模块为125KHz频率的接收模块，所述的阅读器中的低频触发器为125KHz的触发器。
所述的RFID标签中的射频发送模块为2.4GHz的发送模块。
所述的RFID标签为有源标签。其工作方式平时处于节电接收状态，延长标签续航时间，只有得到外来125KHz信号触发后才开始工作。
所述的RFID阅读器包括全向RFID阅读器和定向RFID阅读器，所述的定向RFID阅读器沿定位区域中的墙或门设置。
一种使用所述的基于RFID双频技术的定位***进行定位的方法，包括以下步骤：
S1，RFID标签进入定位区域，定位区域中各RFID阅读器对应的低频触发器始终处于搜索状态；
S2，低频触发器搜索到RFID标签，立刻触发RFID标签内的低频接收模块，并向RFID标签发送对应的RFID阅读器的序号；
S3，RFID标签接收RFID阅读器序号，并通过射频发送模块将自身的ID、RSSI值和接收到的RFID阅读器序号打包，发送给附近的RFID阅读器；
S4，RFID阅读器将收到的数据包实时传输至集线器；
S5，集线器将各数据包发送给服务器；
S6，服务器接收到来自三个RFID阅读器的数据包后，根据接收到的数据包进行计算，得到RFID标签所在位置；
S7，返回步骤S2，直到低频触发器无法搜索到RFID标签。
所述的步骤S3中，RFID标签发出多个数据包，各数据包的信号增益大小互不相同，所述的步骤S6中，服务器根据一段时间内各RFID阅读器的数据包出现次数，判断与RFID标签最接近的RFID阅读器，RFID阅读器序号对应的数据包出现次数越多，RFID标签与该RFID阅读器越接近。
优选的，所述的步骤S3中，各数据包的信号增益分别为0db、1db、2db、3db。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)使用低频触发器检测并触发RFID标签，无线低频信号其微波波长可达2500m，具有很好的穿透、绕射及翻墙能力，适用于复杂环境中对被定位对象的初步检测，触发后，RFID标签使用射频发送模块向较近的RFID阅读器发送数据，信号聚焦度高；将低频与射频结合，适用于移动跟踪和实时定位。
(2)在低频覆盖范围，更易测得RSSI参数，从而获得更为精确位置判定，精度可达几十厘米。
(3)RFID标签在被触发前，处于节电模式，射频发送模块不工作，节约能源，延长工作时间。
(4)采用多个RFID阅读器与RFID标签通信，从而结合服务器使用三点定位法，得到的位置数据更精确。
(5)采用RFID标签增益自动循环设计，使得距标签最近的阅读器能收到全部的数据包，而最远的阅读器收到最少的数据包，由此使服务器容易判断标签位置。
附图说明
图1为本实施例定位***的结构示意图；
图2为本实施例RFID阅读器组成结构示意图；
图3为本实施例地下武器库及其定位***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种基于RFID双频技术的定位***，包括服务器1、多个RFID阅读器2和RFID标签3和多个低频触发器4，各RFID阅读器2分别通过集线器5与服务器1连接，各RFID阅读器2分布设置在定位区域，RFID标签3为绑定在被定位对象体上。多个低频触发器4既可内置于RFID阅读器2之中，又可设置于阅读器2之外，RFID标签3包括低频接收模块和射频发送模块。
其中，RFID标签3为有源标签，以2.4GHz作为信息交换载体，标签内置125KHz低频作为标签激活工作手段。其形式为小型的腕带、挂牌、标签等形式，用于穿戴或粘贴在被定位对象上；低频触发器4(125KHz)用于启动被定位标签的激活。可内置于RFID阅读器2中；如图2所示，RFID阅读器2，内置射频接收模块、通信接口和低频触发器4。125KHz低频用于触发在其范围内的标签，2.4GHz射频用于接收标签发送的数据信息(内含标签ID，本阅读器序号和RSSI信号)。
平时被跟踪对象戴有RFID标签3，标签处于节电模式状态，阅读器内125KHz低频触发器4对其覆盖范围的进出对象(戴标签)进行搜索，一当发现对象标签，低频触发器4触发标签内低频接收模块，RFID标签3收到该信号后，同时测出标签本身所在位置的RSSI信号强度参数，触发2.4GHz模块，将标签ID，RSSI值和阅读器序号三参数打包，由2.4GHz射频强信号发射到附近阅读器。在附近的RFID阅读器2如会根据标签发出信号的增益大小而收到相应次数的标签数据，然后各阅读器将采集到数据包通过通信接口模块传输到集中器5，再由其传至服务器1。如图1所示，设定标签发射数据包的信号增益最大时为3db，X、Y和Z阅读器均收到数据报，当信号增益为2db时，X和Z阅读器能收到数据包，当信号增益为1db或0db时，只有X阅读器才能收到数据包，由此因X阅读器与标签最近，收到全部四次数据包，同理，Y阅读器距离最远，则只能收到一次数据包。可见，标签信号增益自动循环特点，能使***更加方便作出定位判断。
服务器1收到各自阅读器传来的数据包，由收到数据次数和信号强度值进行计算、比较、分析，由三点定位法和阅读器序号和物理位置分布映射图，判断出该标签的所在几何位置并显示在屏幕上，同时服务器1根据收到的标签全球唯一ID和名字(或人，或物体)的对应注册表，确定哪个被监测对象是在此位置。由此实现RFID双频技术的定位，跟踪。
本实施例中RFID阅读器2中的低频触发器4带有两路正交天线，其触发半径达到3米，调整天线数或降低低频发射功率和标签接收灵敏度，可使触发范围覆盖从十几米半径到一米左右半径，由此可提高RFID***应用灵活性和监测精度。在阅读器与标签之间无需任何接触即可实现数据通信，并可根据所使用的国际ISM标准中不同的频段，在几十米范围内对RFID标签3进行信息采集。
RFID双频技术充分利用了无线频率的不同特点，无线射频信号具有覆盖距离远，信号聚焦度高，不足是在覆盖范围内，遇有障碍物时，信号衰减较大，尤其是遇有钢筋，金属物等则信号会损失非常严重；而无线低频信号其微波为2500m波长，则具有很好的穿透，绕射及翻墙能力，同时在低频覆盖范围，更易测得RSSI(Received Signal StrengthIndicator)参数，从而获得更为精确位置判定，精度可达几十厘米级。
利用上述二种技术及相应不同特性，有机组合设计而成定位监测***。由此本***更适合应用于移动跟踪，位置定位，实时监视等各类行业的应用，尤其是在环境复杂，室内外兼有区域，和多障碍物的应用场合。
如图3所示，将本定位***应用于武器库定位跟踪管理，为确保武器库，人员及库存物品的绝对安全，对所有进出武器库的人员实行移动实时定位管理。
1)，所有仓库武器管理军人，武器押运军人每人配戴腕带式RFID标签3(拥有全球唯一标识号ID)。
2)，所有进入库区的行政军人和技术监控***军人配戴挂牌式RFID标签3(拥有全球唯一标识号ID)。每个标签ID均与每人的姓名严格保持一一对应，既作为进入库区的考勤卡，又作为工作时库区移动的定位信号源，确保库区人员移动时的有序，严格的实时位置管理。
该库区为室外、室内、地下库兼容的综合性武器库，整个库区占地面积约3.9万平方米，四周围墙为4米2的高墙，库区四个角设有四个哨楼，整区划分为四个区域，G区为室外警卫区包括两侧行政办公楼及管理监控楼，A区为室外武器库区域，B区为室内武器库区域，C区为地下武器库区域约2.8万平方。
武器库定位跟踪管理***组成特征如下：
1，RFID标签，为有源工作标签，包括内置低频接收模块。所有进出库区军人及工作人员每人配戴一个拥有全球唯一标识号的RFID标签3，且与其姓名完全对应。
2，RFID阅读器2，含有低频触发器4和通信接口模块。每个阅读器均有一固定编号，安装在库区相应的物理位置。其中RFID定向阅读器主要布设在四周围墙侧出入口处，全向阅读器设置与室内、室外和地下库区。阅读器对移动对象(标签)进行不同位置的信号数据采集。
3，集线器5，放置于管理控制室。将阅读器发来的信号数据通过通信接口接收，并传送到后台服务器1。
4，服务器1单元，与集中器5连接，安置在管理控制室。将收到的数据组进行计算，比较，并作出判断。然后在显示屏的映照库区物理位置图上，显示出当前移动对象所在的位置。
武器库定位跟踪管理***工作方法步骤特征如下：
S1，RFID标签3配戴在所有出入库人员，并将其唯一ID号与每人姓名作严格捆绑，一一对应。
S2，将整个库区划分为四个区域，在A区室外库区域，外墙两侧阅读器按每50米安装一个，在出入A区域大门口均安装一个阅读器，在A区中央，按网状安置五个阅读器，均匀分割成五个小网区。由于阅读器射频为4.5GHz，其覆盖半径大于25米，由此在每个小网区均有三个阅读器，可实行对进入该区的被测对象(标签)进行三点数据采样。同理，在B区室内区域、C区地下室区域和G区警卫区域，均以此方法安排设置每个阅读器。
S3，平时被跟踪对象戴有RFID标签3，标签处于休眠节电模式工作，阅读器低频激励模块处于搜索工作状态。
S4，当标签进入监测区域时，阅读器低频激励模块就会触发标签低频接收模块，并传送阅读器序号至标签。
S5，标签收到阅读器信号后，同时测出标签本身所在位置的RSSI信号强度参数，再将标签ID、RSSI值和阅读器序号三参数打包，调制在2.4GHz载频上，将数据包信号发送出去。
S5，在标签附近的阅读器，如图A1、A2、A3会根据标签发出信号的增益大小而收到相应标签数据信号的次数，由于标签移动的物理位置，三个阅读器收到的信号次数也不同，A2因与标签最近故收到标签信号四次(信号增益从0db，1db，2db，3db自动循环)，而A1只能收到2db和3db信号，A3只能收到3db信号。然后各阅读器将采集到数据包通过接口模块传输至服务器1。
S6，服务器1收到各自阅读器数据包，由收到数据次数(即信号强度值)进行计算，比较，判断标签离A2最近。
S7，再由阅读器序号和物理位置分布映射图，显示该标签的所在几何位置。
S8，同时服务器1根据收到的标签唯一ID和姓名的对应表，确定哪个被测对象是在此位置。由此实现RFID技术的定位、跟踪。
由于整个武器库区是个室外、室内和地下库区的综合监控区域，RFID的低频模块能确保在室内环境，尤其是地下库区的复杂多障碍环境，确保标签和阅读器的消息传递。
由此可见，本专利的RFID双频技术定位***不仅可用于银行金库、海关仓储、监狱领域，还可应用于博物馆、机关要地、养老护理院等等领域。而且当标签用于被移动的重要物体或则珍贵动物领域时，又可引伸出无数的实际应用。因此本发明专利对于如今数据时代的信息社会具有十分深远的积极意义。

Claims (7)

1.一种基于RFID双频技术的定位方法，使用一种基于RFID双频技术的定位***，***包括服务器、RFID标签和多个RFID阅读器，各所述的RFID阅读器分别经集线器与服务器连接，分布设置在定位区域，RFID标签绑定在被定位对象体上，其特征在于，所述的***还包括多个低频触发器，所述的低频触发器与RFID阅读器一一对应，所述的RFID标签包括低频接收模块和射频发送模块；
该方法包括以下步骤：
S1，RFID标签进入定位区域，定位区域中各RFID阅读器对应的低频触发器始终处于搜索状态；
S2，低频触发器搜索到RFID标签，立刻触发RFID标签内的低频接收模块，并向RFID标签发送对应的RFID阅读器的序号；
S3，RFID标签接收RFID阅读器序号，并通过射频发送模块将自身的ID、RSSI值和接收到的RFID阅读器序号打包，发送给附近的RFID阅读器；
S4，RFID阅读器将收到的数据包实时传输至集线器；
S5，集线器将各数据包发送给服务器；
S6，服务器接收到来自三个RFID阅读器的数据包后，根据接收到的数据包进行计算，得到RFID标签所在位置；
S7，返回步骤S2，直到低频触发器无法搜索到RFID标签；
所述的步骤S3中，RFID标签循环发出多个数据包，各数据包的信号增益大小互不相同，所述的步骤S6中，服务器根据一段时间内各RFID阅读器的数据包出现次数，判断与RFID标签最接近的RFID阅读器，RFID阅读器序号对应的数据包出现次数越多，RFID标签与该RFID阅读器越接近；
所述的步骤S3中，各数据包的信号增益分别为0db、1db、2db、3db。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各RFID阅读器通过通信接口与集线器连接，所述的通信接口包括RS-232接口、RS-485接口、GPRS接口、WIFI接口中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的集线器通过RJ-45与服务器连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的RFID标签中的低频接收模块为125KHz频率的接收模块，所述的阅读器中的低频触发器为125KHz的触发器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的RFID标签中的射频发送模块为2.4GHz的发送模块。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的RFID标签为有源标签。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的RFID阅读器包括全向RFID阅读器和定向RFID阅读器，所述的定向RFID阅读器沿定位区域中的墙或门设置。
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