一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，内设有参考读头，目标标签位于三维定位区域内；每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，估算出参考读头与目标标签之间的实际距离。本发明专利技术的有益效果是减少定位过程中的能耗和时间，提高定位效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物联网
，涉及一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定 位方法。
技术介绍
近年来随着物联网技术的不断更新和发展，RFID广泛应用于工业生产过程中，大 幅度提高了工业生产效率。然而，大规模RFID广泛应用的主要制约因素之一就是其三维定 位能力，即对三维RFID系统中的标签或者读头进行快速准确定位的能力。目前，研宄人员 已经提出了一些三维RFID定位方法，但是仍然存在一些不足，尤其是定位效率较低，很难 满足实际应用需求。与传统的三维RFID定位方法不同，本专利技术提出的基于跳跃式查询的被 动式三维RFID定位方法能够在不降低定位精度的前提下，有效提高定位效率，降低定位过 程的能耗并且加快定位速度，理论和仿真结果显示本专利技术所提出的被动式三维RFID定位 方法在性能上优于已有的方法。 RFID定位系统中，通常会部署一些位置信息已知的参考标签（reference tag)或 者参考读头（reference reader)，定位目标通过测得与参考标签或者参考读头之间的特性 关系来估计自身位置。基于RFID的定位方法主要包括两大类：基于测距的（range-based) 和距离无关的（range-free)。基于距离的定位方法主要是通过测量目标与参考标签或者 参考读头之间的距离，基于该距离信息和参考点的位置信息来定位。距离无关的定位方 法则主要通过测量其他网络参数来对目标定位。目前已有的典型的RFID定位方法包括 LANDMARC，Collect All和Probe Some三种。距离无关的定位方法有LANDMARC方法（参 JAL L. Ni, Y. Liu, Y. Lau, and A. Patil. LANDMARC: Indoor Location Sensing Using Active RFID. In Proceedings of IEEE PerCom，2003.)，通过在特定位置安装参考读头，并且选取 了一些位置已知的点作为参考点，并离线测得标签在各个参考点上接收到的来自各个参考 读头的信号强度，以此构建离线地图。在定位过程中，目标标签在区域内移动，参考读头 与目标标签周期性通信并测得其信号强度，然后将实时测得的信号强度与离线地图匹配， 选取与目标标签最近的K个参考点，用K个参考点的位置信息的加权平均作为其位置估 计。基于距离的定位方法有Collect All和Probe Some。其中，Collect All方法（参见 C.Wang, H. ffu, and N. Tzeng. RFID-Based 3-D Positioning Schemes. In Proceedings of IEEE Infocom，2007.)在定位区域的天花板部署网格状参考标签，并且在天花板的特定位 置部署一些参考读头，这些参考标签和参考读头都是位置已知的，而每个参考读头都能够 获取系统中所有参考标签和参考读头的位置和ID的对应关系。定位过程中，参考读头首先 确定能够与目标标签进行通信的最小发射功率等级，然后估计该最小发射功率等级对应的 传输距离。参考读头在估计最小发射功率等级对应的传输距离时，参考读头通过计算功率 发射等级所对应的通信区域内的参考标签的圆环半径来获得。最后，根据多个参考读头的 位置信息以及对应的距离信息，估计出目标标签的位置。另外一种方法Probe Some(参见 K.Bu,X. Liu, J. Li, and B.Xiao. Less is More:Efficient RFID-based 3D Localization. In Proceedings of IEEE MASS, 2013.)则是在Collect All方法的基础上，进一步降低定 位过程的能耗和加快定位速度。Probe Some方法同样也是在天花板部署参考读头和参考标 签。参考读头首先确定能够与目标标签通信的最小发射功率等级，然后估计该最小发射功 率等级对应的传输距离。在距离估计过程中，参考读头采用一对一的直线查询，最后确定能 够与之通信的最远的参考标签，进而估计出最小发射功率等级对应的距离，然后基于多个 参考读头的位置信息和对应的距离信息，估计出目标标签的坐标。 然而，上述RFID定位方法都存在一定的缺陷。LANDMARC方法需要构建离线地图， 工作量比较大，而且离线地图构建完之后，并不能克服环境温度、湿度等因素变化对定位过 程的影响。Collect All方法在估计传输距离的过程中参考读头需要收集所有通信范围内 的参考标签的信息，因此引入的参考标签个数比较多，能耗以及定位时间也比较大。Probe Some方法虽然能够在Collect All基础上降低能耗和定位时间，但效率仍然不高，而且 Probe Some方法是以当前发射功率等级的最大传输距离来作为节点间距离的估计，引入的 误差较大。而我们所提出的基于跳跃式查询的被动式三维RFID定位方法能在很大程度上 降低定位过程中的能耗和时间，提高定位效率，更适用于能量有限的大规模RFID系统。 近年来射频识别（Radio Frequency Identification, RFID)技术的大力发展，推 动了物联网技术的发展和应用。RFID系统一般由读头（Reader)和标签（Tag)组成，读头 通过发射射频信号与标签进行通信，完成特定功能。RFID系统的可扩展性使其成为物联网 的一大组成部分。然而，大规模RFID系统在物联网领域广泛应用的主要制约因素之一就是 其三维定位能力，即对三维RFID系统中的标签或者读头进行快速准确定位的能力。目前， RFID系统中的三维定位问题面临着诸多挑战：（1)降低定位过程中的能耗，即减少参与定 位过程的被动式标签个数；（2)加快定位速度，即缩短定位过程所需的时间；（3)在降低能 耗和加快定位速度的同时提高或者至少不降低定位精度。因此，需要设计一种有效的三维 RFID定位方法以满足越来越广泛的物联网应用的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，解 决了现有的三维RFID标签定位方法能耗高、效率低，并且不适用于能量有限的大规模RFID 系统的问题。 本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行： 步骤1 :若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络， 每个网格的边长为d，少于参考标签数量的参考读头分散在参考标签构成的网络中，其中每 个参考读头均与一个参考标签位置相同，目标标签位于三维定位区域内； 步骤2 :设距离目标标签最近的一个参考读头与目标标签能够通信的最小发射功 率等级为1，IVdP L分别为参考读头在发射功率等级为1-1和1时的通信半径，每个参考 读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，功率级数根据参考读头实际情况设定，发送 一个带有目标标签ID的查询信号，并且监听目标标签的应答信号，如果目标标签接收到查 询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射 功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够 与目标标签通信的最小发射功率等级后，用-来估算出参考读头与目标标签之间的 实际距离。 进一步，所述RpdPRi的计算方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于跳跃式查询的被动式三维射频识别定位方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：若干个参考标签以网格状部署于三维定位区域的顶层，形成网格状网络，每个网格的边长为d，少于参考标签数量的参考读头分散在参考标签构成的网络中，其中每个参考读头均与一个参考标签位置相同，目标标签位于三维定位区域内；步骤2：设距离目标标签最近的一个参考读头与目标标签能够通信的最小发射功率等级为l，Rl‑1和Rl分别为参考读头在发射功率等级为l‑1和l时的通信半径，每个参考读头首先将发射功率等级调整到最低即1级，功率级数根据参考读头实际情况设定，发送一个带有目标标签ID的查询信号，并且监听目标标签的应答信号，如果目标标签接收到查询信号，立即返回一个应答信号，如果参考读头没有收到目标标签的应答信号，则提高发射功率等级，重新发送查询信号，直至接收到来自目标标签的应答信号，参考读头确定其能够与目标标签通信的最小发射功率等级后，用来估算出参考读头与目标标签之间的实际距离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鸿龙，马国蕾，李晓辉，田力丹，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37