导轨式无源rfid室内定位系统架构与方法
【专利摘要】本发明提出了一种导轨式无源RFID室内定位系统架构与方法，其特征在于，该系统架构与方法首次运用滑动导轨结合无源标签进行室内定位，创新性地设计了一种无源标签定位算法和一套基于本系统架构的多定位任务调度策略。在该系统架构中，滑动导轨承载单个阅读器在控制电路和步进电机的驱动下，通过连续移动阅读器和横向导轨，使单个阅读器的扫描范围覆盖整个室内。基于该系统架构提出的无源标签定位算法和多定位任务调度策略，能够实现无源标签室内精准定位服务，以及室内定位任务的高效调度。该系统架构与方法只需单一阅读器并且无需部署有源参考标签，能够实现对多个定位目标的精确定位。
【专利说明】导轨式无源RFID室内定位系统架构与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导轨式无源RFID室内定位系统架构与方法。针对RFID室内定位系统的设计目标和设计原则，首次提出了运用滑动导轨结合无源标签进行室内定位的系统架构，创新性地设计了一种可靠的、定位精度高的无源标签定位算法，实现了一套基于本系统架构的多定位任务调度策略。通过滑动导轨承载单个阅读器，移动阅读器和导轨连续扫描无源标签，使阅读器扫描范围覆盖整个室内，从而实现室内定位任务的高效调度，实现RFID室内精准定位服务。
【背景技术】
[0002]随着无线和互联网技术的飞速发展，基于位置服务的新型应用大量涌现，室内定位技术的研究倍受关注。RFID定位技术通过采用RFID阅读器和标签结合计算机硬件和软件，运用阅读器与标签的非接触式双向通信机制，构建了一套室内定位技术。当标签进入阅读器的读取范围时，可以通过阅读器的位置和读取范围来确定标签的位置，达到识别定位的目的。
[0003]RFID定位技术不需要卫星或者手机网络的配合，成本低、传输范围大，同时有非接触和非视距的优点，可以解决短距离尤其是室内物体的定位，弥补了 GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足。而且与其它定位技术相比，具有非视距、非接触、高精度、无盲区、低成本和传输范围大等优点，还能获取位置信息以外的其它相关信息，具有很高的灵活性和可扩展性。
[0004]RFID室内定位系统是一种专门针对RFID定位技术设计的包含硬件、软件的室内综合定位系统。由于室内环境摆设复杂、精密度要求高，室内定位系统在实际应用过程中非常困难。现有的RFID室内定位系统主要针对有源标签，大多采用接收信号强度检测(RSSI)技术。需要部署大量参考标签和多个阅读器，成本比较高，并且由于参考标签之间存在相互干扰，定位精度较低。在实际应用中存在以下一些困难:
[0005](I)通用性不强。RFID室内定位系统的主要追踪技术采用信号强度检测(RSSI)技术。但是目前市场上绝大多数RFID阅读器产品并不具备RSSI功能
[0006](2)部署成本较高。参考标签密度决定了定位精度，因此需要部署大量参考标签和多个阅读器。当前市场价格，单个有源标签价格大概在10美元到34美元之间，单个阅读器价格在1000美元左右。而且，要想带有RFID标签的物品在某一空间内的任意位置都可以被3台以上的RFID阅读器检测，室内需要部署的RFID阅读器至少需要数十台。
[0007](3)定位精度不高。定位精度的提高对参考标签比较依赖，高密度部署参考标签，标签之间会相互干扰，反而影响定位精度。在实验环境下，参考标签间距通常为I米，定位精度也只能达到I米左右。
【发明内容】
[0008]本发明提出了一种导轨式无源RFID室内定位系统架构与方法，通过试验测试，有效地解决了当前定位技术的通用性不强、部署成本高以及定位精度不高的缺点。
[0009]如图1所示，在该RFID室内定位系统中，参与移动定位的设备主要有滑动导轨、步进电机及驱动器、电路控制板、超高频阅读器和无源标签。滑动导轨包括纵向和横向导轨。阅读器通过连续扫描无源标签，结合无源标签定位算法和多任务调度策略来实现室内精确定位和任务调度。阅读器的位置移动和连续扫描在空间上相对独立，通过综合分析横向、纵向移动和扫描标签收集的数据，来获得定位信息。
[0010]导轨式无源RFID室内定位系统架构，首次采用滑动导轨承载阅读器，连续移动扫描室内区域，准确定位无源标签。滑动导轨采用H型布局，包括两根纵向导轨、一根横向导轨、一台超高频阅读器和两个步进电机及其驱动器。阅读器安装在横向导轨上，两个步进电机分别安装在两根导轨上。横向导轨上的电机带动阅读器沿横向移动，横向导轨被安置在纵向导轨上，由纵向导轨上的电机带动沿纵向运动。
[0011]阅读器与横向滑动导轨的移动需要结合有效的定位算法和调度策略进行室内定位。无源标签定位技术，通过沿滑轨横向或纵向移动阅读器，可以让单个阅读器完成多个阅读器才能完成的区域覆盖工作。在实际应用中，阅读器通常采用连续扫描的方式，收集标签信息。超高频阅读器的读取速度，可以达到20张/秒，因此能在移动过程中，可以实现连续扫描。如图3所示的无源标签定位算法，可以减少定位误差和缩短请求响应时间。通过记录阅读器在移动过程中，第一次和最后一次读到标签时的位置，推算出标签的位置。显著提高系统定位精度，缩短定位时间。
[0012]室内物品的多定位任务涉及到调度问题。导轨式无源RFID室内定位系统架构的设计，为多定位任务的调度提供了方便。通过借鉴现有的电梯调度算法，能够有效的实现多任务的实时调度。如图3所示的多任务调度算法结合了分区排序算法和电梯调度算法，实际应用中，室内物品大多是按种类分区域放置的。根据各分区与阅读器之间的距离，采用图的遍历算法，对分区进行遍历和编号，虚构出与楼层数相对应的概念。阅读器沿滑动导轨的移动抽象为电梯的运动，不同的分区抽象为不同的楼层，被查找的物品可以抽象为电梯乘客。经过问题的抽象，发现基于导轨式无源RFID室内定位系统架构运用电梯调度算法，能够快速响应多个定位服务请求，实现快速定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1导轨式无源RFID室内定位系统架构图；
[0014]图2无源标签定位算法图；
[0015]图3多定位任务调度算法图；
[0016]图4无源标签定位实例图；
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。
[0018]如图1所示，在导轨式无源RFID室内定位系统架构中，将滑动导轨引入RFID定位系统中，可以通过在导轨上安装单个阅读器，沿导轨横向或纵向移动阅读器执行室内扫描任务，实现单个阅读器完成多个阅读器的任务。阅读器安装在横向导轨上，两个步进电机分别附加在横向和纵向导轨上，通过控制电路有效调度两个步进电机的运作，从而控制阅读器和横向导轨的运动来实现单个阅读器移动定位的目的。横向滑轨上的电机，带动阅读器横向移动，纵向滑轨上的电机，带动横向滑轨纵向移动，使阅读器能够覆盖扫描整个区域。
[0019]在该体系结构中，步进电机负责控制阅读器和横向导轨的运动，控制电路负责X轴滑轨和Y轴滑轨的移动控制和与上微机程序的串口通信，阅读器负责连续不断地扫描无源标签。当扫描到无源标签时，控制电路通过获得X轴(横向导轨)、Y轴(纵向导轨)步进电机分别在X轴、Y轴方向的位置与初始位置之间的转动步数，从而计算出阅读器的位置。
[0020]阅读器和步进电机的协作运行按照如图2所示的无源标签定位算法。该算法要求阅读器能够连续扫描标签，在阅读器移动过程中，连续读取目标标签的ID，通过记录阅读器第一次和最后一次读到标签时的位置，准确推算标签的位置。通过沿滑轨横向或纵向移动阅读器，可以让单个阅读器完成多个阅读器才能完成的区域覆盖。将标签的可能位置，从面缩小到点，极大提高了定位精度。算法具体实现如下:
[0021]1.假设阅读器沿横向滑轨向左移动，当第一次读到标签ID时，阅读器位置为P，如图4所示；
[0022]2.记录当前的阅读器位置P，继续沿滑轨向左移动阅读器(若到达导轨的拐点，则沿纵向导轨向上移动阅读器);
[0023]3.当第二次读到标签ID时，阅读器位置为Q ；
[0024]4.记录阅读器的位置Q，并确定标签的位置应在两次阅读器读取范围边界的交点上；
[0025]5.假设两次阅读器读取范围边界的交点分别为a和b，如图4使阅读器(位置Q)沿纵
[0026]向轨道向上移动，到达位置Q'；
[0027]6.如果阅读器在Q'仍可读到标签，则可确定标签位置为a;否则，确定标签位置为b。
[0028]多定位任务的调度策略包括两个子算法:分区排序算法和电梯调度算法，如图3所示。该调度策略通过结合分区排序和电梯调度算法，将室内物品进行按种类分区编号虚构出与楼层数相对应的概念，将被查找的物品抽象为电梯乘客，在调度过程中结合电梯调度算法有效的提高了多标签定位的速度。多定位任务调度策略的具体实现如下:
[0029]1.根据室内物品种类进行分区；
[0030]2.根据阅读器与分区之间的距离，运用深度优先算法对分区进行遍历使相邻分区距离最短；
[0031]3.对遍历后得到的结果集编号；
[0032]4.编号后的分区抽象为楼层，查找的物品抽象为电梯乘客；
[0033]5.当接收到多个定位服务请求时，运用电梯调度算法按照先后顺序完成定位服务。
【权利要求】
1.导轨式无源RFID室内定位系统架构与方法，其特征在于: 该系统架构运用滑动导轨结合无源标签进行室内定位，通过滑动导轨承载单个阅读器使阅读器扫描范围覆盖整个室内； 设计了一种基于本系统结构的高定位精度的无源标签定位算法，通过滑动导轨结合无源标签定位算法可以实现室内物品的精准定位； 实现了一套基于本系统架构的多定位任务调度策略，该调度策略主要结合分区排序算法和电梯调度算法进行多任务调度。
2.如权利要求1所述，在该RFID室内定位系统中，滑动导轨包括纵向导轨和横向导轨。通过在导轨上安装单个阅读器，沿导轨横向或纵向按照一定的运动轨迹移动阅读器执行全室内任务扫描，实现单个阅读器完成多个阅读器才能完成的区域覆盖。消除了多个阅读器的扫描冲突，将标签的可能位置，从面缩小到点，使阅读器的位置移动和室内定位在空间上相对独立。
3.如权利要求1所述，无源标签定位算法要求阅读器能够连续扫描标签，在阅读器移动过程中通过连续读取目标标签的ID同时记录阅读器第一次和最后一次读到标签时的位置，准确计算标签的实际位置。
4.如权利要求1所述，室内物品的多定位任务涉及到调度问题。导轨式无源RFID室内定位系统架构的设计为多定位任务的调度提供了方便，通过借鉴现有的分区排序和电梯调度算法，能够有效的实现多任务的实时调度。多定位任务调度策略通过结合分区排序和电梯调度算法，将室内物品进行按种类分区编号虚构出与楼层数相对应的概念，将被查找的物品抽象为电梯乘客，在调度过程中结合电梯调度算法有效的提高了多标签定位的速度。
【文档编号】G06K7/00GK103679095SQ201310639729
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】罗嘉庆, 周世杰, 陈超, 邓伟伟, 张悦涵, 张萌洁, 张文清, 吴斗 申请人:电子科技大学