一种基于有源RFID标签的双天线阅读器定位技术的制作方法

一种基于有源rfid标签的双天线阅读器定位技术
技术领域
1.本发明属于超高频有源射频识别领域，具体涉及一种基于不同密度和布设的超高频有源射频标签定位地面双天线阅读器的方法。


背景技术：

2.射频识别技术(rfid)因为具有速度快、成本低和安全性高等优点在室内定位中被广泛采用。在大型室内空间，为定位无源标签标识的物体，由于无源标签读写距离的限制，需要首先定位阅读器的位置，但不同的有源标签布设位置和不同的有源标签密度下，阅读器的定位精度不同，所以必须考虑二维或三维空间中有源参考标签数量和位置对定位精度的影响。
3.传统室内定位中有源参考标签的布设和数量很多情况下都是凭借人为经验处理，不具有唯一性和准确性。因此设计一种确定有源参考标签不同布设和密度的方法具有及其重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的问题之一在于：提供一种通过优化给定几何精度因子(geometric dilution of precision,gdop)来确定有源参考标签最佳布设的方法。
5.本发明要解决的问题之二在于:利用优化得到不同位置和密度的有源参考标签来有效求解室内移动双天线阅读器的二维或三维坐标。
6.本发明的技术方案
7.利用已知位置的有源标签发射简单单频射频信号，阅读器通过测量双天线接收得到的同一有源标签信号相位差，通过布设4个及以上已知位置的有源参考标签，即可有效定位阅读器。
8.一种确定有源标签最佳布设的方法。为确定有源标签的最佳布设，给出了一个修正后几何精度因子的定义，通过优化可以有效的获得当阅读器在整个仓储空间内移动时不同密度标签定位精度最差值达到最小时的有源参考标签布设。
9.假设有n个布设于室内顶部已知位置的有源参考标签，第i个有源标签发射频率f
i
＝f0 (i
‑
1)δf的信号s
i
(t)：s
i
(t)＝a
i
cos(2πf
i
t θ
i0
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中振幅为a
i
，时间为t，初始相位为θ
i0
，δf为频率间隔，i＝1,2,
…
,n。阅读器天线j接收到的第i个有源标签信号为：其中，α
ij
表示标签i到阅读器天线1、2传输过程中的振幅衰减，φ
ij
表示标签i到天线1、2传输过程中的相位延迟，n
ij
(t)表示接收噪声。对阅读器接收到的两路信号利用同一本振源下变频到中频，带通滤波后进行同步采样，由于两根天线相距所发信号载频对应的一个波长以内，两个接收通道特性一致的情
况下，就可以得到阅读器两根天线接收有源标签i的信号初相位的相位差为δφ＜2π，不存在相位模糊，所以有源标签i到阅读器天线1、2之间的距离差在忽略噪声的情况下为：其中λ
i
＝c/f
i
为波长，c是光速。设第i个有源标签坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，阅读器两根天线高度相同为z
pq
，它们的坐标分别为：(x
p
,y
p
,z
pq
)和(x
q
,y
q
,z
pq
)。令令可得：r
i1
‑
r
i2
＝d
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，d
pq
为阅读器两根天线之间的距离。联立(4)、(5)、(6)和(7)构成方程组，观察其中未知量有5个，即x
p
,y
p
,x
q
,y
q
和z
pq
，当有源标签数n≥4时可解出阅读器两根天线坐标。
10.作为本发明第二方面优化gdop确定有源标签最佳布设的方法。具体是对方程(6)微分可得：以n＝4为例，将(8)写成矩阵形式：可得：δd＝a0δh0＝a1δh1 a2(
‑
δh2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)但由于阅读器双天线距离很近，矩阵a0可能奇异，所以将矩阵a0和δh0按如上虚线分割，可得(9)式。两天线位置估计误差相近有：δh1≈(
‑
δh2)＝δh，且令a＝a1 a2,可得：δd＝a1δh1 a2(
‑
δh2)≈(a1 a2)δh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)即δd＝aδh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其最小二乘解为：δh＝(a
t
a)
‑1a
t
δd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
假设δh和δd均值为零
5.，可得：cov(δh)＝(a
t
a)
‑1a
t
cov(δd)a(a
t
a)
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)其中cov(
·
)表示取协方差。d
i
的测量误差d的估计标准差最小值，即crlb界(cram
é
r
–
rao lower bound)
[6
‑
7]
，以采样时间间隔为单位的延迟值为：其中，是用采样率归一化的角频率n是用于延迟估计的采样数据点数，snr单频信号的信噪比。对应δk0的实际延迟时间为秒，对应的距离值为：米，其中f
s
是采样频率，c为光速。因此可得：其中f
i
是标签频率，i＝1,2,
…
,n，由于接收信号功率与收发信机之间距离平方成反比，snr要根据路径实时更新:其中snr为有源标签所发信号在距有源标签1m处的信噪比。由于各个有源标签到阅读器两天线间距离差的估计互不影响，将cov(δd)用对角阵diag(δkδk
t
)近似替代，其中δk＝[δk1δk2…
δk
n
]
t
，t表示转置。所以给出适于本文且修正后的gdop定义式：式(17)反映了有源标签的空间布局对阅读器位置解算的误差放大特性，因此，需要优化布设方式减小gdop。最终提出如下优化过程以获得第n个有源标签最佳布设位置(x
gi
,y
gi
,z
gi
)，i＝1,2,
…
,n：
[0011]
通过如上技术方案，可有效定位符合本发明背景下最佳标签布设下双天线阅读器的位置。本发明的优点在于确定了室内环境中不同密度标签具体的位置布设，为实际中有源参考标签的布设提供了参考依据。
附图说明
[0012]
图1为系统整体定位示意图。
[0013]
图2四个有源参考标签gdop优化结果图。
具体实施方式
[0014]
为使本发明的目的、技术方案更加明白易于了解，下面将结合具体图示对本发明进行详细阐述。本次仅举例在给定体积室内的4个有源标签的布设情况，该方法同样可以推广到更大的室内、更多有源标签的情况进行分析处理。
[0015]
图1为系统整体定位示意图。假设在一个大型图书馆中，为定位贴有无源标签的书籍，由于无源标签读写距离的限制，需要首先定位阅读器的位置，通过布设好4个及以上已知位置的有源标签独立发射简单单频射频信号，阅读器通过测量双天线接收得到该信号的相位差，进而得到距离差，通过遗传优化算法即可有效获得双天线阅读器的室内二维或三维坐标。
[0016]
遗传算法一种是通过对种群个体进行选择、交叉和变异等来寻求全局最优解的仿生算法。针对本文问题，其具体包括以下几个步骤：(1)使用典型的二进制编码以便有足够的染色体表示特征。(2)设置初始种群大小，由室内硬件条件决定的初始种群范围和所求各变量的上下界。(3)对种群个体选择用随机竞争策略，即通过轮赌选出最佳个体，逐一比较再从中择优；交叉用启发式算法，其交叉算子将解空间中较好的的适应度解空间传递给子代，从而加快收敛速度；变异用自适应变异函数，将少量种群个体二进制编码中的几位进行取反，产生一个新个体，以便跳出局部最优。(4)计算种群适应度并记录最佳染色体。(5)设置迭代停止标准，如停止迭代次数和迟滞代数内适应度函数值的改变值等，将达到停止条件时未知数的解作为为各参数下的全局最优解。
[0017]
根据iso/iec18000
‑
7协议，有源标签的发射频段为433.00mhz
‑
434.79mhz，假定第一个有源标签发射频率为433mhz，剩余标签在该频段内依次递增0.1mhz，两根天线之间的距离取为0.15m，在一个长宽高为5m
×
10m
×
5m空间内，有源标签布置于天花板上，即z
gi
＝5m,i＝1,2,
…
,n，每个有源标签发射信号在距离1m处的信噪比snr均为45db。本实施例中遗传算法参数则如表1所示：表1遗传算法参数当n取4时，将方程(19)作为代价函数，调用优化算法获得最优有源标签布设位置
(x
gi
，y
gi
，z
gi
)，i＝1，2，...，n：
[0018]
图2为n＝4个有源参考标签gdop优化结果图。图中给出了四个有源标签的最佳布设位置以及gdop误差分布图，实际中可以根据成本或室内形状及硬件条件等来决定标签密度和进行优化布设。
[0019]
根据优化后有源标签坐标求阅读器精确位置。相同实验条件下，阅读器天线1和2分别接收到有源标签发射的信号利用同一本振源进行下变频到中频，带通滤波后，计算该标签在两个接收通道下的相位差，进而可以得到其距离差d1，依次求出剩余标签到阅读器双天线的距离差，然后可通过求解上述(4)、(5)、(6)和(7)联立的方程组来获得阅读器两根天线坐标。
[0020]
将方程(20)作为寻优代价函数：采用遗传算法，取代价函数式(20)最小时各变量的值作为阅读器天线坐标，并与理想位置对比，以前述n＝4个有源标签优化布设和发射信号功率情况下，解算结果在厘米量级，满足室内定位要求且优于非最优布设下解算结果，验证了基于gdop进行有源标签优化的有效性。
[0021]
本发明不受上述实施例的限制，还会有多种变化，因此本领域的技术人员根据本发明原理所做的修改都应该在本发明的保护范围内。