一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和载波相位的室内多目标3D定位系统及方法，涉及RFID和室内定位技术领域。针对室内多目标定位时效性和精度技术难题，本发明专利技术借助射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术优势搭建定位平台，利用无源标签实现定位目标区分，并将定位问题转为优化问题，通过融合多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法测向原理、多载波相位测距原理及粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法，提出联合粒子群优化(Joint Particle Swarm Optimization,JPSO)算法，省略了测向和测距的检索过程，降低了PSO算法定位精度对迭代次数和粒子群数量的依赖，直接实现多目标同步定位。本发明专利技术提供了一种有效的室内多目标快速高精度定位模型，系统结构简单，部署方便，可在大多数典型室内环境中提供定位服务。多数典型室内环境中提供定位服务。多数典型室内环境中提供定位服务。

【技术实现步骤摘要】
一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位系统及方法


[0001]本专利技术涉及射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和室内定位
，特别是涉及一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位系统及方法。

技术介绍

[0002]随着时代发展，诸如购物中心、物流中心等大型建筑群体越来越多，室内空间逐渐增大，对室内定位服务的需求也正日益提高，因此室内定位系统和方法成为近年来的研究热点，但就目前而言，室内定位面临着很多挑战。首先，受建筑墙体影响，室内卫星信号衰减严重，导致例如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)等基于卫星的常规定位服务在室内环境中效果较差；其次，即使室内空间比以往增大了很多，也无法像室外环境那样部署大规模天线阵列，故室内定位系统需要考虑占地面积大小和部署难易度；再次，根据不同使用环境，室内定位系统可能需要对人或书等不易携带电源的目标和小物体进行定位，这意味着定位目标可能无法携带天线之类的信源设备，使得定位系统无法使用WiFi等对信源进行定位的常用技术；最后，室内定位目标可能存在多个，若使用传统几何定位依次对多个目标完成定位，系统的时效性会骤降。因此，需设计一种新的室内定位系统和室内定位方法，以克服上述问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种基于载波相位的RFID室内多目标定位系统及方法，能够利用RFID无源标签完成多目标识别，并实现对多个无源标签的3D定位，定位系统部署灵活，定位目标只需附着一张无源标签，系统便可提供高精度定位信息。
[0004]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0005]一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位系统；
[0006]一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位系统，包括一个RFID读写器、一个一发多收的跳频收发设备、多个RFID无源标签、若干天线、一个千兆交换机、一台数据处理终端、若干千兆网线和若干射频电缆。
[0007]所述室内定位系统基于RFID技术，所述基于RFID的室内定位系统采用跳频技术，所述基于RFID的室内定位系统的RFID读写器负责与RFID无源标签建立通信并实现多标签防碰撞，所述基于RFID的室内定位系统的一发多收的跳频收发设备由一个射频信号发射端、多个射频信号接收端，所述一发多收的跳频收发设备的一个发射端由一个软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)设备通过射频电缆连接至一个天线组成，所述一发多收的跳频收发设备的多个接收端由多个软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)设备通过射频电缆连接至多个天线组成，所述一发多收的跳频收发设备的发射端和接收端通过千兆交换机和千兆网线连接至数据处理终端，所述基于RFID的室内定位系统的数据处理终端负责数据处理终端负责控制硬件控制及后续的数据处理和定位。
[0008]可选的，所述RFID读写器型号为Impinj R420；
[0009]可选的，所述RFID无源标签型号为商用标签Impinj M4H47；
[0010]可选的，所述天线型号为VERT 900全向天线；
[0011]可选的，所述SDR设备型号为通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral，USRP)N210；
[0012]可选的，所述千兆交换机型号为TL
‑
SG1005D；
[0013]可选的，所述数据处理终端配置为i7
‑
9700处理器、16G运行内存、以及包含了控制SDR设备3D跳频、预处理接收信号以及后续定位算法执行所需代码的存储设备；
[0014]本专利技术第二方面提供了一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位方法；
[0015]一种基于载波相位的RFID室内多目标3D定位方法，步骤如下：
[0016](1)使用RFID读写器与定位范围内所有RFID无源标签建立通信并实现防碰撞，保证在同一时刻只会由一个无源标签在进行通信；
[0017](2)利用跳频技术获取RFID无源标签在多个不同频点载波下的反射信号。由于通信设备使用IQ调制，且同一时刻只有一个标签处于通信状态，故可以从标签反射信号中解析出当前通信标签的电子产品代码(Electronic Product Code，EPC)，又因SDR设备的跳频频率和时间间隔可控，故可分频点保存当前通信标签各频点对应的反射信号；
[0018](3)利用联合粒子群优化算法(Joint Particle swarm optimization，JPSO)完成多目标3D定位。
[0019]进一步地，在所述步骤(3)中，JPSO算法的具体步骤为：
[0020]首先，在一轮跳频结束后，根据系统解出的EPC个数对粒子群进行分组，每个分组负责一个目标的定位；
[0021]其次，对每个粒子的位置和速度进行初始化，随后进入迭代计算，在每次迭代中，每个粒子会根据所在分组负责的定位目标的多频点反射信号信息、多载波相位测距原理、多信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法原理分别计算距离权重和方向权重，并根据计算结果进行移动；
[0022]再次，每一轮迭代完毕，JPSO算法会根据权重计算结果更新每个粒子的历史最优坐标和每个分组的全局最优坐标，并根据每个分组的全局最优坐标更新情况对每个分组进行“重震”计数更新，若计数器达到一定值，该组粒子群触发“重震”，重新随机分配位置和速度，其它分组不受影响，迭代继续；
[0023]最后，迭代结束时，JPSO记录的每组历史全局最优坐标即为多目标定位结果。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025](1)本专利技术的定位系统整体框架简单，部署灵活，设备无需复杂的事先校准，能运用于大部分典型室内环境；
[0026](2)本专利技术借助RFID技术优势，只用在多个待定位目标上附着成本极低的RFID标签即可实现目标区分和定位，待定位目标不需要携带其他设备；
[0027](3)本专利技术的JPSO算法可以对多个目标实现3D地位，省略了传统定位中的几何检索过程，定位速度更快，时效性更高；
[0028](4)本专利技术的定位方法中，JPSO算法考虑了当定位目标增多，每组粒子群数量过少时容易陷入局部最优的情况，并针对该情况提出“重震”机制，减少了传统粒子群优化算法(Particle swarm optimization，PSO)定位精度对迭代次数和粒子群数量的依赖，进一步
提高系统时效性。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的系统结构图。
[0030]图2是JPSO算法工作流程图。
[0031]图3是MUSIC算法示意图。
具体实施方式
[0032]下面将结合说明书附图对本专利技术做出进一步的详细说明。所述实施例只是本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于载波相位的射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)室内单站多目标3D定位系统，其特征在于系统包括一个RFID读写器、一个一发多收的跳频收发设备、多个RFID无源标签、若干天线、一个千兆交换机、一台数据处理终端、若干千兆网线和若干射频电缆。RFID读写器通过射频电缆与天线连接，发射携带RFID命令信息的信号并接收RFID无源标签反射的信号，实现读写器与标签之间的信息交互；跳频收发设备有一个射频信号发射端和多个射频信号接收端，射频信号发射端通过射频电缆与天线连接，发射跳频信号，射频信号接收端通过射频电缆与天线连接，接收标签反射的信号；数据处理终端通过千兆网线和千兆交换机与跳频收发设备连接，接收端接收到的标签反射信号数据通过网线和交换机发送至数据处理终端，数据处理终端负责控制硬件控制及后续的数据处理和定位。2.根据权利要求1所述的一种基于载波相位的RFID室内单站多目标3D定位系统，其特征在于包含一种基于载波相位的RFID室内单站多目标3D定位方法，其特征在于包含以下步骤：(1)使用读写器与RFID无源标签建立通信，读写器通过防碰撞检测实现多标签的识别；(2)一发多收跳频收发设备采用跳频技术获取当前处于通信状态的RFID无源标签在多个不同载波频率下的反射信号，并根据RFID协议解析反射信号中的标签电子产品代码(Electronic Product Code，EPC)信息，随后根据EPC分别保存各频点反射信号信息；(3)利用不同的EPC实现不同目标的识别，并将每个EPC下的各频点反射信号信息带入联合粒子群优化算法(Joint Particle swarm optimization，JPSO)完成多目标3D定位。3.根据权利要求2所述的一种基于载波相位的RFID室内单站多目标3D定位方法，其特征在于步骤(3)中，JPSO算法的具体步骤为：首先，JPSO算法初始化。令一轮跳频结束后共解析出M个EPC，JPSO算法最大迭代次数为W，粒子群粒子数量为G，将G个粒子划分为M组，每组G/M个粒子，每个粒子有位置和速度两个属性，在初始化时，所有粒子的位置和速度将随机分配。记m组中第g个粒子的三维坐标位置为pos
g,m
＝(x
g
,y
g
,z
g
)，速度向量为v
g
＝(v
xg
,v
yg
,v
zg
)，在初始化完成后，开始JPSO算法的迭代；其次，多目标3D定位。JPSO算法迭代过程中，粒子g位置pos
g,m
下一状态pos
’
g,m
更新公式为：pos'
g,m
＝pos
g,m
+v
g
＝(x
g
+v
xg
,y
g
+v
yg
,z
g
+v
zg
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)相应地，v
g
下一状态v
’
g
更新公式为：v'
g
＝α*v
g
+c
pb
*(pb
g
‑
pos'
g,m
)+c
gb
*(gb
m
‑
pos'
g,m
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，α代表粒子g上一状态速度v
g
的影响因子，c
pb
代表粒子历史最优位置的影响因子，坐标pb
g
代表粒子g历史最优位置，c
gb
代表全局最优的影响因子，坐标gb
m
代表第m组的全局历史最优位置。在第w次迭代计算中，pb
g
的更新公式为：其中，F(x,y,z)是权重计算函数，其参数为坐标点。首次迭代时，pb
g
＝pos
g,m
；后续迭代
中，如果粒子g当前位置pos
g,m
通过F(x,y,z)得到的权值大于pb
g
当前记录位置通过F(x,y,z)得到的权值，即F(pos
g,m
)>F(pb
g
)，则将pb
g
记录的位置更新为粒子g当前位置，否则pb
g
保持不变。相应的，gb
m
的更新公式为：最后，在迭代计算过程中，JPSO算法会根据全局最优坐标更新情况对每个分组进行“重震”计数更新，若计数器达到阈值N，该组粒子群触发“重震”，该组中各粒子重新随机分配位置和速度进行迭代，其它分组不受影响，迭代继续；迭代结束时，JPSO记录的每组历史全局最优坐标即为多目标3D定位结果。4.根据权利要求3所述的JPSO算法，其特征在于JPSO算法具体步骤中，权重函数F(x,y,z)的具体公式为：其中，D
ij
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢良波，朱子越，何维，杨小龙，周牧，聂伟，王勇，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：