专利名称：基于相对邻域图的被动式rfid标签定位方法
技术领域：
本发明属于RFID定位技术领域，具体涉及ー种基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法。
背景技术：
在大規模的商场、超市或仓库中，摆放在货架上的物品种类和数量均非常庞大，现有的采用人工的方式从货架上寻找某个特定物品是一件非常耗时费力的事情。因此，如何准确快速的定位某个特定物品，降低工作人员的工作強度具有重要现实意义。为解决上述问题，现有技术中出现了基于RFID (Radio FrequencyIdentification,射频识别)技术的定位方法,具体为在姆ー个物品表面均粘贴RFID标签，其中，RFID标签存储有用于唯一标识该物品的RFID标识信息，然后在每层货架安装一 个读写器，各层货架的读写器均与主机通信；当需要定位某个特定物品时，主机向各个读写器发射定位指令，每ー个读写器在接收到该定位指令后，向周围发射具有一定能量的激励信号；在读写器读取范围内的各RFID标签在接收到激励信号后，向读写器返回携帯有自身RFID标识信息的应答；在读写器接收到各RFID标签返回的RFID标识信息后，将各个RFID标识信息上传给主机；主机通过RFID标识信息与读写器的对应关系可以实现对特定物品的定位。但是，该种定位方法只能将特定物品定位到特定的货架上，具有定位精度低的缺陷。例如如果货架A安装有读写器A，在货架A上一共放置有RFID标识信息从1-100的100个物品；当需要定位RFID标识信息为55的物品吋，则只能得出RFID标识信息为55的物品放置在货架A上，但无法更进一歩定位到位于货架A的具体位置。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，具有定位准确、高效和成本低的优点。本发明采用的技术方案如下本发明提供一种基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，包括以下步骤SI，向位于定位区域内的各个物品表面分别固定RFID标签；其中，所述RFID标签用于唯一标识与所述RFID标签固定连接的物品；所述RFID标签为被动式RFID标签；S2，划分所述定位区域，得到定位子区域集合{第I个定位子区域、第2个定位子区域...第N个定位子区域};其中，N为大于等于I的整数；对于所述定位子区域集合内的任意ー个定位子区域，即第j个定位子区域，其中，I ^ j ^ N，均重复执行S4-S5，得到全局相对邻域图集合{第I相对邻域图、第2相对邻域图...第N相对邻域图};其中，第I相对邻域图与第I个定位子区域对应，第2相对邻域图与第2个定位子区域对应，第N相对邻域图与第N个定位子区域对应；S3，对所述全局相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到所述定位区域的全局相对邻域图；其中，S4和S5分别为S4，对于所述第j个定位子区域，设置与所述第j个定位子区域对应的读写器的方向角集合{> I、ci2... ax};其中，X为大于等于I的整数；对于所述方向角集合内的任意ー个方向角a i，其中，I彡i彡X，均执行S6-S8，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图集合{第j_l相对邻域图、第j_2相对邻域图...第j_x相对邻域图};其中，第j_l相对邻域图与a I对应，第j-2相对邻域图与a 2对应，第j_x相对邻域图与a X对应；S5，对所述第j相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图；
其中，S6、S7和S8分别为S6，当所述读写器的方向角为a i时，所述读写器在固定时间长度内向所述第j个定位子区域发射能量为《的激励信号H次；并根据公式一计算与所述第j个定位子区域对应的各个所述RFID标签的识别率IR ；识别率IR = K/H公式一H-—读写器向第j个定位子区域发射的能量为《的激励信号的次数；K一一每ー个所述RFID标签成功接收到所述激励信号并成功向所述读写器响应自身RFID标识的次数；S7，按识别率IR从大到小的次序排列与所述识别率IR分别对应的RFID标签，得到邻居指纹信息NS ；S8，根据S7得到的所述邻居指纹信息NS建立与方向角a i对应的第j_i相对邻域图。优选的，SI之前，还包括在电波暗室里对所有所述RFID标签分别进行同一性标定。优选的，SI中，向位于定位区域内的各个物品表面分别固定RFID标签之后，各个所述RFID标签位于同一垂直平面内。优选的，S6中，所述《位于20分贝到30分贝之间。优选的，S6中，当所述读写器的方向角为a i时，所述读写器在固定时间长度内向所述第j个定位子区域发射能量为《的激励信号H次，之后还包括所述读写器根据各个所述RFID标签的反馈信号判断是否存在不完全读取的RFID标签，如果存在，则根据所述不完全读取的RFID标签的数量确定能量増量A ，然后向所述第j个定位子区域发射能量为《 + A 的激励信号；其中，不完全读取的RFID标签为能够接收到所述读写器发送的激励信号，但只能够向所述读写器返回不完整的RFID标识信息的RFID标签。优选的，所述A Co位于I分贝到2分贝之间。优选的，S7还包括当存在至少两个识别率相同的特定RFID标签吋，按照RSSI值从大到小的次序排列各个所述特定RFID标签；其中，RSSI值为所述读写器接收到的所述特定RFID标签反馈
信号的強度值。
本发明的有益效果如下本发明提供的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，在确保能量有效性的前提下，仅通过初始化过程的扫描以及后续的数据升级，即可以实现准确的定位，具有定位准确、高效和成本低的优点。
图I为本发明提供的完全读取状态下RFID标签反馈的參数状态表；图2为本发明提供的不完全读取状态下RFID标签反馈的參数状态表；图3为本发明提供的一种读写器方向性读取示意图；图4为本发明提供的一种读写器方向性读取范围示意图；
图5为本发明提供的电波暗室中识别率与距离关系图；图6为本发明提供的半开放空间中识别率与距离关系图；图7为本发明提供的室内复杂环境中识别率与距离关系图；图8为本发明提供的一种实际场景中各标签的分布示意图；图9为本发明提供的一种初步形成的相对领域图；图10为本发明提供的一种初步读取时的范围不意图；图11为本发明提供的ー种ニ维图形状态的相对邻域图；图12为本发明提供的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法的流程示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明提供的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法进行详细介绍本发明应用场景主要为大型仓储或超市中的箱式存储，在每个箱体表面都贴有ー个被动式RFID标签，通过手持式RFID读写器定位特定物品。由于只需要一个手持式RFID读写器即可实现对标签定位的作用，所以，具有设备成本低的优点。具体的，如图12所示，本发明提供的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，包括以下步骤SI，向位于定位区域内的各个物品表面分别固定RFID标签；其中，所述RFID标签用于唯一标识与所述RFID标签固定连接的物品；所述RFID标签为被动式RFID标签；本发明中，为保证各个RFID标签的性质相同，在将RFID标签固定到物品表面之前，需要首先对所有的RFID标签在电波暗室里进行同一性标定。此外，本发明中，各个RFID标签固定到物品表面之后，需要保证各个RFID标签位于同一垂直平面内。S2，划分所述定位区域，得到定位子区域集合{第I个定位子区域、第2个定位子区域...第N个定位子区域};其中，N为大于等于I的整数；对于所述定位子区域集合内的任意ー个定位子区域，即第j个定位子区域(l^j ^N)),均重复执行S4-S5，得到全局相对邻域图集合{第I相对邻域图、第2相对邻域图...第N相对邻域图};其中，第I相对邻域图与第I个定位子区域对应，第2相对邻域图与第2个定位子区域对应，第N相对邻域图与第N个定位子区域对应；
本步骤中，读写器通过调整读取方向实现对不同定位子区域内RFID标签的读写，同样的，S4中，读写器也是通过调整读取方向达到不同方向角。也就是说，读写器通过调整读取方向实现对不同区域的读写。如图3所示，为读写器方向性读取示意图，将读写器放置在图3中的圆心，读写器通过改变读取方向，可以实现对全局360度区域的读取。具体的，读写器通过天线向RFID标签发射信号，天线的发射样式类似于束状。从三维角度观察，束状的发射信号类似于ー个锥形体，从ニ维角度观察，束状的发射信号类似于ー个扇形。而读写器投射的发射信号在平面的投影为ー个圆圈，该圆圈即为读写器的读写区域。如图4所示，为读写器方向性读取范围示意图，三个圆圈为读写器在三种不同读取方向下的读取区域。读写器方向性在本发明中起到判别RFID标签相对位置的作用，当以某个标签为中心的读取确定了邻居指纹关系后，可以再通过调整读写器读取角度获得周边RFID标签的信息。例如，图4中的实线方形区域为需要判定标签相对位置的定位区域。读写器第一次读取的为包含标签A的定位子区域，那么该定位子区域内的标签可以建立相对位置的关系。由于一次读取不能确定整个定位区域上所有标签相对位置，因此调整手持式读写器的读取角度向左下方20度左右，进行一次读取，可以获得包含标签B的标签的相对位置。同理，如果进行两次读取后，依然不能确定方形区域内所有标签的相对位置关系，则 需要第三次读取，调整读写器的读取角度向右下方20度左右，即为图4中标识为3的读取区域。S3，对所述全局相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到所述定位区域的全局相对邻域图；相对邻域图(Relative Neighborhood Graph, RNG)是利用识别率、方向性读取和不完全读取信息，通过建立邻居指纹信息库，确定货架上标签相对位置，并以图的方式表示各个标签位置的方法。其中，S4和S5分别为S4，对于所述第j个定位子区域，设置与所述第j个定位子区域对应的读写器的方向角集合{> I、ci2... ax};其中，X为大于等于I的整数；对于所述方向角集合内的任意ー个方向角a i (I彡i彡X)，均执行S6-S8，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图集合{第j_l相对邻域图、第j-2相对邻域图...第j_x相对邻域图};其中，第j_l相对邻域图与a I对应，第j-2相对邻域图与a 2对应，第j_x相对邻域图与a X对应；S5，对所述第j相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图；S4与S5主要目的为对于第j定位子区域，仅在ー个方向角下得到的相对邻域图精度较差，所以，本发明中，将多个方向角下得到的相对邻域图结合起来，最終得到一张综合的相对邻域图，从而提闻定位精度。其中，S6、S7和S8分别为S6，当所述读写器的方向角为a i时，所述读写器在固定时间长度内向所述第j个定位子区域发射能量为《的激励信号H次；并根据公式(一)计算与所述第j个定位子区域对应的各个所述RFID标签的识别率IR ；
识别率IR = K/H公式(一)H-—读写器向第j个定位子区域发射的能量为《的激励信号的次数；K一一每ー个所述RFID标签成功接收到所述激励信号并成功向所述读写器响应自身RFID标识的次数；在实际应用中，《位于20分贝到30分贝之间。本发明中，识别率IR是ー个与距离有很强相关性的參数。一般情况下，在通讯过程中，读写器在短时间内发送多次激励信号，例如100次。由于各个RFID标签距离读写器距离的差异性，所以，对于这100次的激励信号，各个RFID标签返回的响应信号的次数不同。通过各个RFID标签的识别率能够反映RFID标签与读写器距离的差异性。本发明中的识别率与读取率有一定的区别，读取率可以理解为读写器同时读写标签的能力，即读写器可识别的标签数量与工作范围内所有标签数量的比例。识别率与读写器的识别范围、读距离、写距离及干扰距离密切相关，可以通过读写器大量发送激励信号，去測量某个距离上的 标签的识别率。图5是电波暗室中识别率与距离关系图，图6是半开放空间中识别率与距离关系图，图7是室内复杂环境中识别率与距离关系图，在三种不同的环境中，识别率表现出与距离的关系，在可控制的无线电波暗室中和半开放的空间里，识别率在到达某个距离后会随着距离增加而出现单调下降，在复杂的室内环境中，由于无线信号的反射等原因，识别率并不是单调下降，在某些位置会突然升高，但总的趋势仍然是下降。虽然识别率不能直接应用于判断标签与读写器的距离，但可以帮助确定各个RFID标签之间的相对位置，为邻居指纹做准备。另外，为保证读写器能量最优化使用，还包括以下步骤读写器根据各个所述RFID标签的反馈信号判断是否存在不完全读取的RFID标签，如果存在，则根据所述不完全读取的RFID标签的数量确定能量増量△ ，然后向所述第j个定位子区域发射能量为 + A co的激励信号；其中，不完全读取的RFID标签为能够接收到所述读写器发送的激励信号，但只能够向所述读写器返回不完整的RFID标识信息的RFID标签。其中，A Co位于I分贝到2分贝之间。下面对不完全读取的RFID标签的含义进行进ー步详细介绍本发明中，RFID标签为被动式RFID标签，其与读写器构成后向反射式的系统，即读写器发出具有一定能量的激励信号，各个RFID标签在接收到该激励信号后，再向读写器返回具有一定能量的响应信号，其中，响应信号中携帯有RFID标签的自身标识信息。在这个过程中，将读写器发射出去的激励信号定义为前向链接，RFID标签的响应信号定义为后向链接。由于随着距离的増加，信号存在衰减的现象，所以，前向链接和后向链接均与距离存在一定的关系。—般情况下，当读写器发射的激励信号的能量足够高吋，能够接收到RFID标签反馈的响应信号，并且，响应信号中携帯有RFID标签的全部标识信息，该种现象为完全读取状态；而当读写器发射的激励信号的能量较低吋，RFID标签不响应读写器的读取请求，因此，读写器完全无法接收到RFID标签反馈的响应信号。通过大量实验，发明人发现，当读写器发射的激励信号的能量达到某个特定值时，能够接收到RFID标签反馈的响应信号，并且，响应信号中携帯有RFID标签的部分标识信息，该种现象即为RFID标签的不完全读取现象。如图I所示，为完全读取状态下RFID标签反馈的參数状态表,EPC參数为完整RFID标签标识信息；如图2所示,为不完全读取状态下RFID标签反馈的參数状态表,EPC參数为部分RFID标签标识信息。出现这种中间状态的原因为读写器发射的激励信号的能量仅仅可以激活RFID标签,但RFID标签并不具有足够能量将全部RFID标签标识信息反馈给读写器。也可以理解为读写器发射的激励信号的能量能够满足前向链接衰减需求，但不能够满足后向链接的衰减需求。在本发明中，不完全读取的信息仅仅作为判断在感知区域中心附近还存在标签数量的依据，当读写器向感知区域发射能量为《的一次激励信号后，如果接收到的RFID标签的响应信号中都携帯有完整标签标识信息，则可以近似认为感知区域不存在不完全读取的标签，本次发射的激励信号能量能够满足标签读写需求，所以，不需要调整激励信号发射的能量值；而如果接收到的RFID 标签的响应信号中存在携带有不完整标签标识信息的RFID标签，即感知区域存在不完全读取的标签，此时，表明本次发射的激励信号能量较低，不能够满足标签读取需求，所以，下次发射激励信号时，需要増加激励信号发射的能量值，从而读取到感知区域内更多的标签信息。并且，増加能量的值根据不完全读取标签的数量确定。S7，按识别率IR从大到小的次序排列与所述识别率IR分别对应的RFID标签，得到邻居指纹信息NS ;其中，当存在至少两个识别率相同的特定RFID标签吋，按照RSSI值从大到小的次序排列各个所述特定RFID标签；其中，RSSI值为所述读写器接收到的所述特定RFID标签反馈信号的強度值。邻居指纹信息NS (Neighboring Signature)是指读写器一次读取后，按照读取到的RFID标签识别率及信号強度等信息，给出的以某个RFID标签为中心的一组有序的标签数列。邻居指纹信息NS从ー个侧面反映了读取时RFID标签与读写器位置之间的关系。比如，如果第一个标签的识别率为99%，而第二个标签的识别率为50%，则说明第一个标签比第二个标签更靠近读写器读取范围的中心位置。当读写器在短时间内发送出多个激励信号时，读取范围内的标签会返回各自的标识信息。表I为读取器一次读取后，5个RFID标签AB⑶E的识别率。表I
标签B I CD I E '
识别率(％ ) 100 ' 50147098从表I可以看出，RFID标签A距离读写器距离最近，可以认为是以RFID标签A为中心的一组标签，邻居指纹信息可以标识为NSA= [A，E，D，B，C]。在判断邻居指纹信息吋，信号強度RSSI也可以作为參考指标，帮助确定邻居指纹中标签的前后位置。例如，当两个标签的识别率相同时，可以通过比较两个标签的RSSI值，确定它们在邻居指纹中的位置，其中RSSI值较高的一个可以认为是更靠近读写器的，较低的一个是远离读写器的。传统的定位方法中，采用信号強度RSSI、到达角度差异AOA和到达时间差异TOA等參数，实现标签定位。由于RSSI值不稳定，易受外界干扰，所以本发明中，与其它现有方法不同的是，仅将RSSI值作为辅助判断标签相对位置的參考，可以提高定位精度。在仓库或超市的环境中，由于每个箱子的体积较大，因此标签的分布比较稀疏，这样可以保证读写器采用不同能量和角度读取时所获得的邻居指纹信息是不同的。邻居指纹信息具有以下便于定位的特性I.在特定读取角度和特定读取能量条件下，邻居指纹信息是唯一的；2.利用不完全读取特性，邻居指纹信息包含了隐藏在附近的标签信息；3.当读写器读取能量增强时，邻居指纹信息中的序列有可能増加。S8，根据S7得到的所述邻居指纹信息NS建立与方向角a i对应的第j_i相对邻域图。下面列举ー个通过相对邻域图定位的具体实施例图8为本实施例实际场景中各标签的分布示意图，针对该场景，对各RFID标签进 行定位包括以下步骤(I)读写器在方向角A下发射一定能量的激励信号，根据接收到的各RFID标签的反馈信号，得到RFID标签识别率列表,如表2所示。表 权利要求
1.一种基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在于，包括以下步骤 SI，向位于定位区域内的各个物品表面分别固定RFID标签；其中，所述RFID标签用于唯一标识与所述RFID标签固定连接的物品；所述RFID标签为被动式RFID标签； S2，划分所述定位区域，得到定位子区域集合{第I个定位子区域、第2个定位子区域...第N个定位子区域};其中，N为大于等于I的整数； 对于所述定位子区域集合内的任意ー个定位子区域，即第j个定位子区域，其中，I ^ j ^ N，均重复执行S4-S5，得到全局相对邻域图集合{第I相对邻域图、第2相对邻域图...第N相对邻域图};其中，第I相对邻域图与第I个定位子区域对应，第2相对邻域图与第2个定位子区域对应，第N相对邻域图与第N个定位子区域对应； S3，对所述全局相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到所述定位区域的全局相对邻域图； 其中，S4和S5分别为 S4，对于所述第j个定位子区域，设置与所述第j个定位子区域对应的读写器的方向角集合{ a I、a 2... ax};其中，x为大于等于I的整数； 对于所述方向角集合内的任意ー个方向角a i，其中，I < i < X，均执行S6-S8，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图集合{第j_l相对邻域图、第j_2相对邻域图...第j_x相对邻域图};其中，第j_l相对邻域图与a I对应，第j-2相对邻域图与a 2对应，第j_x相对邻域图与a X对应； S5，对所述第j相对邻域图集合中的各个相对邻域图进行重叠操作，得到与所述第j个定位子区域对应的第j相对邻域图； 其中，S6、S7和S8分别为 S6，当所述读写器的方向角为a i时，所述读写器在固定时间长度内向所述第j个定位子区域发射能量为《的激励信号H次；并根据公式一计算与所述第j个定位子区域对应的各个所述RFID标签的识别率IR ； 识别率IR = K/H公式一 H-—读写器向第j个定位子区域发射的能量为《的激励信号的次数； K-一每ー个所述RFID标签成功接收到所述激励信号并成功向所述读写器响应自身RFID标识的次数； S7,按识别率IR从大到小的次序排列与所述识别率IR分别对应的RFID标签，得到邻居指纹信息NS ； S8，根据S7得到的所述邻居指纹信息NS建立与方向角a i对应的第j_i相对邻域图。
2.根据权利要求I所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，SI之前,还包括 在电波暗室里对所有所述RFID标签分别进行同一性标定。
3.根据权利要求I所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，SI中，向位于定位区域内的各个物品表面分别固定RFID标签之后，各个所述RFID标签位于同一垂直平面内。
4.根据权利要求I所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，S6中，所述Co位于20分贝到30分贝之间。
5.根据权利要求I所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，S6中，当所述读写器的方向角为a i时，所述读写器在固定时间长度内向所述第j个定位子区域发射能量为《的激励信号H次，之后还包括 所述读写器根据各个所述RFID标签的反馈信号判断是否存在不完全读取的RFID标签，如果存在，则根据所述不完全读取的RFID标签的数量确定能量増量A ，然后向所述第j个定位子区域发射能量为《 + A co的激励信号；其中，不完全读取的RFID标签为能够接收到所述读写器发送的激励信号，但只能够向所述读写器返回不完整的RFID标识信息的RFID标签。
6.根据权利要求5所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，所述A Co位于I分贝到2分贝之间。
7.根据权利要求I所述的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，其特征在干，S7还包括 当存在至少两个识别率相同的特定RFID标签时，按照RSSI值从大到小的次序排列各个所述特定RFID标签；其中，RSSI值为所述读写器接收到的所述特定RFID标签反馈信号的強度值。
全文摘要
本发明提供的基于相对邻域图的被动式RFID标签定位方法，是一种非测距型的方法，首先发现并将不完全读取的RFID标签数据作为判断附近可能存在标签数量的参考，再利用RFID读写器发射不同能量时读取距离不同的特性，结合有向天线的范围特征，确定每个标签的邻居关系，并以此作为指纹特征信息，完成对全局标签相对位置关系的判定。本发明在确保能量有效性的前提下，仅通过初始化过程的扫描以及后续的数据升级，即可以实现准确的定位。具有定位准确、高效和成本低的优点。
文档编号G06K17/00GK102831451SQ20121028818
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者赵戈洋, 杨峥, 刘云浩 申请人:无锡儒安科技有限公司