一种基于深度感知的rfid室内定位系统及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于深度感知的RFID室内定位系统及其工作方法。系统主要包括射频识别阅读器、射频识别外接天线、无源射频识别标签等。在基于深度感知的室内定位系统及其工作方法中，通过在空间中部署适当的射频识别天线阵列以及参考标签阵列，并通过功率跳变和反馈校正等机制对目标物体所携带的射频识别标签进行定位，从而估算目标物体的位置。该方法的特征在于基于深度感知的方法，针对无源射频识别标签的特性，通过两种多维度、深层次的系统感知深层次数据，提供精确实时的室内定位机制。在空间维度上，系统通过跨层感知、优化参数提高系统性能；在时间维度上，系统通过自适应收集反馈数据，校正下一次定位精确度。
【专利说明】一种基于深度感知的RFID室内定位系统及其工作方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种室内精确定位系统，具体是一种基于无源射频识别技术，并针对无源射频识别技术的特性进行深度感知信息，获取多维度、深层次的信息，综合应用于定位过程中。
【背景技术】
[0003]随着“物联网”的快速发展，以射频识别技术为代表的一系列物联网核心技术得到了快速地发展，基于射频识别技术的非接触式、快速、高效识别技术已引起了广泛关注。与此同时，由于基于位置服务在未来智慧生活中的关键性地位，室内定位系统变得越来越重要。现有的定位技术包括WiF1、iBeacon等室内技术都是基于信号强度(RSSI)这一基准来进行定位，这种单一的、简单的感知渠道无法有效地屏蔽系统内部和环境中的种种不确定性，来提升定位的性能。事实上，针对无源射频识别技术的特性，获取多维度、深层次的信息，深入挖掘多个维度指标的内在规律性特征，将有助于提升定位精度。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于深度感知的室内定位系统及其工作方法，其可以实时地、精确地对所需定位目标进行定位，该定位方法通过对无源标签的深度信息感知，提升定位精度，达到精确室内定位的目的。
[0005]为实现上述目的，本发明所述的一种基于深度感知的室内定位系统，其包括:
射频识别阅读器:部署在室内环境中，通过外接的射频识别天线阵列实时地采集读取范围内射频识别标签的信息，包括标签识别码、标签反射信号能量值；
射频识别天线阵列:部署在室内环境边缘，从不同的角度对读取范围内的射频识别标签进行扫描；每个天线都可以基于阅读器发出指令进行参数调节，用不同的传输功率进行标签扫描工作；同时准确采集射频识别标签的反射信号能量值，并用作定位参考；
射频识别标签:广泛部署于室内环境中，分为目标标签和参考标签，其中目标标签布置在物品上，参考标签布置在固定位置，此种标签是对天线传输功率敏感的无源射频识别标签，通过反向散射射频识别天线的能量进行通信。
[0006]所述室内定位系统还包括用户反馈模块，该模块连接其他行为识别设备，通过射频识别阅读器及射频识别天线阵列对目标标签进行定位后，在实际操作定位结果时依据其他行为识别设备将进一步精确的定位数据反馈给射频识别阅读器。
[0007]所述阅读器可对射频识别天线阵列发射信号的参数进行调制，并对上提供接口方便算法设计调用。
[0008]所述射频识别天线阵列组成方式互补，用以从不同的角度对读取范围内的标签进行扫描。
[0009]本发明所述的基于深度感知的室内定位系统的工作方法，其包括以下步骤:
1)射频识别阅读器通过射频识别天线阵列实时地采集读取范围内标签的信息，包括标签识别码、标签反射信号能量强度值；
2)当需要精确定位某个目标标签的位置时，对射频识别天线阵列的发射功率进行功率跳变，直至使目标标签读取状况处于临界区，此时距离目标标签最近的参考标签会同时达到临界区，而较远的参考标签则处于未激活区、过渡区或饱和区三个状态区；读取处于临界区参考标签的位置，则可以精确确定目标标签的位置。
[0010]上述步骤2)中精确确定目标标签的位置的过程为:根据射频识别天线阵列的跳变功率而过滤出处于临界区的参考标签及其多维信号强度信息，利用参考标签的已知位置，以与目标标签之间的信号强度欧氏距离为权值，加权计算出目标标签的位置，以此作为基于功率跳变的标签信息深层次感知方法的定位结果；
为了提高定位精度，还可以增加步骤3):利用步骤2)定位的后续操作，通过其他行为识别设备自动识别这些操作动作，从而得到目标物体的真实位置，并与步骤2)的定位结果相比较，得到历史反馈信息并记入历史数据库，在下一次定位过程中，将目标标签的多维信号强度信息与历史反馈信息进行比较，获取与目标标签的信号强度欧氏距离最近的历史反馈信息，并用这些信息及其对应的区域位置对定位结果进行调整，以加权方式获取最终的定位结果，作为基于自动反馈信息的多维度校正方法的定位结果，从而进一步提升定位精度。
[0011]本发明基于射频识别技术的广泛使用，考虑到室内精确定位系统的重要性，利用无线射频识别标签对传输信号的敏感特性，实时地、精确地对所需定位目标进行定位。该系统基于参考标签阵列扫描，跨层感知深层次数据，优化系统参数，提升定位精度。同时通过获取用户对定位结果的反馈信息，对定位结果进行校准，进一步提高定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1系统架构图
图2无源射频识别标签读取特性图，
图3使用不同功率对参考标签进行区分，
图4系统流程图，
图5系统基本场景图。
【具体实施方式】
[0013]本发明在硬件部分主要由以下各部分组成，如图1:
射频识别阅读器:其功能包括:1)实时地采集读取范围内标签的信息，包括标签识别码、标签反射信号能量强度值等；2)阅读器采用外接天线的方式，单个阅读器可以外接多个天线，组成天线阵列；3)可以对天线发射信号的参数，包括发射能量等，进行一定的调制，并对上提供接口方便算法设计调用。
[0014]射频识别天线阵列:上述阅读器外接的天线按照特定方式组成天线阵列。其功能包括:1)天线阵列组成方式互补，可以从不同的角度对读取范围内的标签进行扫描；2)每个天线都可以基于阅读器发出指令进行参数调节，可以用不同的传输功率进行标签扫描工作；3)可以准确采集标签的反射信号能量值，并用作定位参考。
[0015]射频识别标签:无源射频识别标签，可以广泛应用于室内环境中，其特征包括:1)成本低廉，可以大量部署。通过贴附标签，将对目标物体的定位转换为对标签的定位；2)体积微小，如纸片状；3)无需电源，通过反向散射射频识别天线的能量进行通信，对天线传输功率敏感。
[0016]参考标签阵列:基于上述射频识别标签组成的参考标签阵列，阵列中的每个标签都有固定的位置，并且记录在系统中。
[0017]用户反馈模块:通过上述设备及系统进行定位后，用户在实际操作定位结果时进行反馈。反馈信息可以来源于用户手动设置或者自适应识别设备，如红外线等。
[0018]本发明的核心在于基于深度感知的标签信息获取方式及其定位方法。该方法包括两个部分:基于功率跳变的标签信息深层次感知方法，通过自适应的使用不同的功率，提升参考标签区分度。基于自动反馈信息的多维度校正方法，通过记录历史定位数据，对定位结果进行校正。通过优化部署射频识别设备，综合使用两种深度感知方法来获取更为细致的信号强度样本和用户反馈信息提升定位精度，提供一种精确实时的室内定位系统及其工作方法。
[0019]具体体现在:
I)基于功率跳变的标签信息深层次感知方法
如图2所示，在无源射频识别标签实际读取模型中，标签读取状况分为未激活区、过渡区、临界区、饱和区。通过让目标标签处于临界区，从而获取稳定的信号强度，并达到与参考标签最大的区分度。此时，距离目标标签最近的参考标签会同时达到临界区，而较远的则处于另外的三个状态区中。无线射频识别标签根据所获取的阅读器能量的高低往往处于不同的识别区，而相互靠近的标签往往处于相同的识别区。而本方法就是充分利用无线射频识别标签的这一特性，通过改变阅读器的发射功率使得目标标签处于临界区，可以区分出和目标标签同样处于临界区的参考标签，而利用这些参考标签的信号强度信息和已知的位置信息，通过加权就可以估算出目标标签的实际位置，见图3。
[0020]2)基于自动反馈信息的多维度校正方法
如图5所示，在实际系统应用中，我们会部署多个天线来获取多维的信号强度信息，以此对目标标签进行定位。因此每次定位都会留下一个多维的向量作为目标的定位指纹，在实际应用中，定位的后续操作一定是对目标物体进行移动、拿取等操作。通过利用某些技术，例如红外线、行为识别技术等，自动识别这些动作，从而得到目标物体的真实位置，并与定位结果相比较，记入历史数据库。在下一次定位过程中，基于历史数据对定位结果进行校正，达到消除较大定位误差的目的，从而进一步提升定位精度。基于自动反馈信息的多维度校正方法就是将每一次的定位结果和历史反馈信息进行比较，利用历史反馈信息中相近的信息以及相应的反馈区域位置对定位结果进行修正，利用时间维度的指纹信息对结果重新加权求值。通过此种方法，能够更好的区分与目标标签最近的参考标签，从而提升定位精度。
[0021]基于深度感知的室内定位系统，其创新还在于综合使用上述两种方法。在系统实际工作过程中，先通过方法I进行实际定位，然后通过方法2进行校正，最终得出定位结果，其工作流程如附图4所示:
I)通过对阅读器发送功率的跳变设置，调节发送功率，使得目标标签处于临界区，并以此功率读取标签，获得目标标签和参考标签的信号强度。
[0022]2)根据跳变功率而过滤出的处于临界区的参考标签及其多维信号强度信息，利用参考标签的已知位置，以与目标标签之间的信号强度欧氏距离为权值，加权计算出目标标签的位置，以此作为基于功率跳变的标签信息深层次感知方法的定位结果。
[0023]3)将目标标签的多维信号强度指纹信息与历史反馈指纹信息进行比较，获取与目标标签的信号强度欧氏距离最近的历史反馈指纹信息，并用这些指纹及其对应的区域位置对定位结果进行调整，以加权方式获取最终的定位结果，作为基于自动反馈信息的多维度校正方法的定位结果。
[0024]4)根据其他行为识别技术(例如:红外线)获取目标的实际区域位置，并将目标标签的多维信号强度指纹与实际区域位置作为反馈信息存入数据库，供以后校准后续定位结果O
[0025]本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于深度感知的RFID室内定位系统，其特征在于包括: 射频识别阅读器:部署在室内环境中，通过外接的射频识别天线阵列实时地采集读取范围内射频识别标签的信息，包括标签识别码、标签反射信号能量值； 射频识别天线阵列:部署在室内环境边缘，从不同的角度对读取范围内的射频识别标签进行扫描；每个天线都可以基于阅读器发出指令进行参数调节，用不同的传输功率进行标签扫描工作；同时准确采集射频识别标签的反射信号能量值，并用作定位参考； 射频识别标签:广泛部署于室内环境中，分为目标标签和参考标签，其中目标标签布置在物品上，参考标签布置在固定位置，此种标签是对天线传输功率敏感的无源射频识别标签，通过反向散射射频识别天线的能量进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度感知的室内定位系统，其特征在于，所述室内定位系统还包括用户反馈模块，该模块连接其他行为识别设备，通过射频识别阅读器及射频识别天线阵列对目标标签进行定位后，在实际操作定位结果时依据其他行为识别设备将进一步精确的定位数据反馈给射频识别阅读器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于深度感知的室内定位系统，其特征在于，所述阅读器可对射频识别天线阵列发射信号的参数进行调制，并对上提供接口方便算法设计调用。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于深度感知的室内定位系统，其特征在于，所述射频识别天线阵列组成方式互补，用以从不同的角度对读取范围内的标签进行扫描。
5.权利要求1所述基于深度感知的室内定位系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤: 1)射频识别阅读器通过射频识别天线阵列实时地采集读取范围内标签的信息，包括标签识别码、标签反射信号能量强度值； 2)当需要精确定位某个目标标签的位置时，对射频识别天线阵列的发射功率进行功率跳变，直至使目标标签读取状况处于临界区，此时距离目标标签最近的参考标签会同时达到临界区，而较远的参考标签则处于未激活区、过渡区或者饱和区三个状态区；读取处于临界区参考标签的位置，则可以精确确定目标标签的位置。
6.根据权利要求5所述基于深度感知的室内定位系统的工作方法，其特征在于步骤2)中精确确定目标标签的位置的过程为:根据射频识别天线阵列的跳变功率而过滤出处于临界区的参考标签及其多维信号强度信息，利用参考标签的已知位置，以与目标标签之间的信号强度欧氏距离为权值，加权计算出目标标签的位置，以此作为基于功率跳变的标签信息深层次感知方法的定位结果。
7.根据权利要求6所述基于深度感知的室内定位系统的工作方法，其特征在于还包括步骤3):利用步骤2)定位的后续操作，通过其他行为识别设备自动识别这些操作动作，从而得到目标物体的真实位置，并与步骤2)的定位结果相比较，得到历史反馈信息并记入历史数据库，在下一次定位过程中，将目标标签的多维信号强度信息与历史反馈信息进行比较，获取与目标标签的信号强度欧氏距离最近的历史反馈信息，并用这些信息及其对应的区域位置对定位结果进行调整，以加权方式获取最终的定位结果，作为基于自动反馈信息的多维度校正方法的定位结果，从而进一步提升定位精度。
8.根据权利要求7所述基于深度感知的室内定位系统的工作方法，其特征在于，所述其他行为识别设备包括红外设备。
【文档编号】G01S13/75GK104199023SQ201410467592
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】谢磊, 王楚豫, 陈曦, 陆桑璐 申请人:南京大学