一種基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法

2023-07-23 08:11:46

專利名稱：一種基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法
技術領域：
本發明涉及一種無線精確定位的方法，特別涉及一種在室內精確定位 領域，基於射頻識別標籤信號強度值的無線射頻定位方法。
背景技術：
無線定位技術是通過特定算法對接收到的電磁波的某些參數進行處 理，以此來推斷待測對象的位置。測量參數包括測試信號的傳輸時間、幅 度、相位、達到角度和信號強度等。目前，隨著無線技術、移動計算裝置 和網際網路的不斷發展，室內定位服務系統越來越引起人們的注意。常用 的室內無線定位技術有
(1) 室內GPS定位技術GPS是目前應用最為廣泛的定位技術。但是，
當GPS接收機在室內工作時，由於信號受建築物的影響而大大衰減，其定
位精度很低，定位速度也相對較慢，而且定位器終端的成本較高。
(2) 蜂窩定位技術GSM、 CDMA等蜂窩網絡均支持定位技術，但非視距 傳播、多徑效應和多址幹擾等因素降低了其定位精度，且涉及用戶的隱私 問題，使其推廣受到了一定限制。
(3) 紅外技術基於散紅外技術的有源標籤可以用於室內定位，但是
它要求待測對象必須與紅外線閱讀器成一條直線，並且定位距離太近，因 而實際應用的意義不大。
(4) 基於無線區域網的定位技術在一定的區域內安裝適量的無線基
站，根據這些基站獲得的待測對象的相關信息，並結合基站的拓撲結構， 綜合分析，從而確定物體的具體位置。應用此類技術的系統容易建立，但 是測量精度差強人意，有待進一步提高。
(5) 超聲波技術目前成功運用此技術確實可以取得較高的定位精度，
但是需要大量的基礎設施支持，成本昂貴，無法大面積推廣。
與上述定位系統相比，射頻識別標籤RFID技術具有非視距和非接觸
的優點。它能以非凡的速度工作，較大的傳輸範圍以及高性價比也是RFID 的優勢所在。
射頻識別，又稱電子標籤，是一種非接觸式的自動識別技術，它通過 射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工幹預，可 工作於各種惡劣環境。RFID最早的應用可追溯到第二次世界大戰中用於區 分聯軍和納粹飛機的"敵我辨識"系統。隨著技術的進步，RFID應用領域 日益擴大，現已涉及到人們日常生活的各個方面，並將成為未來信息社會 建設的一項基礎技術。RFID技術已廣泛應用於醫療監護，監獄犯人管理、 大型設備固定資產管理、高速公路收費系統、航空物流識別等諸多領域。
隨著晶片技術和生產工藝的不斷發展，標籤成本的降低、讀寫距離的 提高、存儲容量的增大、處理時間的縮短將成為可能，RFID產品的種類將 越來越豐富，應用也越來越廣泛。
基本的RFID系統由三部分組成
1. RFID標籤。RFID標籤由耦合元件及晶片組成，每個標籤具有唯一 的電子編碼。標籤含有內置天線，用於和射頻天線間進行通信。RFID標籤 依據發送射頻信號的方式不同，分為主動式和被動式兩種。主動式標籤主 動向讀寫器發送射頻信號，通常由內置電池供電，又稱為有源標籤；被動 式標籤不帶電池，又稱為無源標籤，其發射電波及內部處理器運行所需能 量均來自閱讀器產生的電磁波。被動式標籤在接收到閱讀器發出的電磁波 信號後，將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量。其中主動式標籤通常 具有更遠的通信距離，其價格相對較高，主要應用於貴重物品遠距離檢測 等應用領域。被動式標籤具有價格便宜的優勢，但其工作距離、存儲容量 等受到能量來源的限制。
RFID標籤根據應用場合、形狀、工作頻率和工作距離等因素的不同採 用不同類型的天線。 一個RFID標籤通常包含一個或多個天線。RFID標籤 和閱讀器工作時所使用的頻率稱為RFID工作頻率。目前RFID使用的頻率 跨越低頻、高頻、超高頻、微波等多個頻段。RFID頻率的選擇影響信號傳 輸的距離、速度等，同時還受到各國法律法規限制。
2. RFID閱讀器。RFID閱讀器的主要任務是控制射頻模塊向標籤發射 讀取信號，並接收標籤的應答，對標籤的對象標識信息進行解碼，將對象 標識信息連帶標籤上其它相關信息傳輸到主機以供處理。根據應用不同，
閱讀器可以是手持式或固定式。當前閱讀器成本較高，且大多只能在單一 頻率點工作。未來閱讀器的價格將大幅降低，並且支持多個頻率點，能自 動識別不同頻率的標籤信息。
3.天線。天線用於在標籤和讀取器間傳遞射頻信號。系統的基本工
作流程是閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻標籤進 入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻標籤獲得能量被激活；射頻標 籤將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到 從射頻標籤發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接 收的信號進行解調和解碼然後送到後臺主系統進行相關處理；主系統根據 邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發 出指令信號控制執行機構動作。
在RFID的應用中，出於功耗方面的考慮，電子標籤不能成為定位的 主動方，所以採用基於網絡的方法，即需要在固定位置上部署射頻信號的 接收裝置，而由這些裝置採集附著在待測對象上的電子標籤發出的信息， 然後通過無線/有線網絡將信息發往控制中心作進一步的處理。
因此，在無線定位領域中，提高RFID定位技術的精度與可靠性，降 低定位系統的成本是現有技術中有待解決的問題。

發明內容
本發明需解決的問題是提供一種貝葉斯理論的無線射頻定位方法。基 於該方法，定位信息的精度與可靠性能有效地提高，系統的成本也能進一 步降低。
根據上述需解決的問題設計了一種基於射頻識別標籤信號強度值的 無線射頻定位方法，實施步驟為
(1) 將閱讀器放置於待監測區域邊界；
(2) 參考標籤以矩形網格形式固定於室內待監測區域；
(3) 當帶有射頻標籤的待測對象置於待監測區域時，各個閱讀器通過
各自的天線檢測各射頻標籤的電磁波，將測量得到的參考標籤和待測對象
標籤的射頻信號強度值傳至上位機；
(4) 上位機比較各參考標籤與待測對象標籤的射頻信號強度的絕對差
值以確定待測對象附近的若干個最近參考標籤，並根據其位置信息及其權 重因子得出待測對象的參考位置；
(5) 上位機通過建立具有剔除異常數據能力的傳輸信道損耗模型來得 到待測對象標籤與各個閱讀器間的距離信息；
(6) 基於一種改進的貝葉斯定位理論，上位機對得到的位置信息進行 數據融合，以此來得到待測對象標籤的位置坐標。'
本發明主要具有三個優點-
(1) 定位系統不需要太多數量的閱讀器，取而代之的是便宜的射頻標 籤，有效減少系統成本；
(2) 由於融合了最近鄰居算法和貝葉斯理論的共同優點，該定位系統 在待測對象定位精度方面有較大改善；
(3) 可以較容易地適應環境的動態性。因為參考標籤和待測對象標籤 處於同一環境中，所以許多引起識別範圍的變化的環境因素可以被抵消， 因此，在基於參考標籤的識別範圍內，我們可以動態的實時更新關於査找 的參考信息；
(4) 待測對象的位置信息更加準確和可靠。該系統在抑制噪聲幹擾方 面具有良好的靈活性和適應性，並且在位置感應方面具有良好的精確性和 實時性。
進一步在上述定位方法中，所述的參考標籤矩形網格是長"米，寬6 米的矩形網格，其中1米《"《5米，l米《6《5米。所述的射頻信號強 度的絕對差值根據以下公式計算-
其中，"為閱讀器個數，S,為待測對象標籤在閱讀器/上的射頻信號強 度值，《為參考標籤J'在閱讀器/上的射頻信號強度值。E值可用來表徵參 考標籤和待測對象標籤之間信號距離關係，E越小表示參考標籤和待測對 象標籤相隔越近。所述的位置信息包括已知每個閱讀器和最近鄰居標籤各 自的實際位置以及相互之間的實際距離。所述的待測對象的參考位置是根 據以下公式計算-formula see original document page 8
其中，A為選取的最近參考標籤個數，Wi是第/個最近參考標籤的權重因子，
(X, Y)為待測對象的參考位置坐標，(X1, Y1)為第/個最近參考標籤的實際坐 標。所述的傳輸信道損耗模型根據以下公式獲得
formula see original document page 9
其中，d。是任意的參考距離(通常是i附)，PL(do)是自由空間中傳輸距 離為d0時的路徑損耗，"是路徑損耗指數，x0是均值為零方差為一(必)的 高斯隨機變量。x。被稱為陰影衰落，用來建模多徑衰落、障礙物、標籤方 向性和移動物體等環境因素引起的室內無線信號傳播的隨機衰落。所述的
改進的貝葉斯定位理論通過以下公式表示formula see original document page 9
其中，& ={z,i= l,2,A W}表示到A時刻為止獲得的所有測量值的集合， zi表示i時刻獲得的測量值；P(zK/Xk)表示待測對象標籤處於位置Xk時獲
得測量值Zk的概率；D2表示待測對象標籤與閱讀器間的距離測量值，Q表
示待測對象標籤與閱讀器間的實際距離，^表示測量距離的不確定方差， 其值與待測對象的運動模型、室內的噪聲環境等有關；K表示最近鄰居算 法得到的待測對象標籤的參考位置，A表示i^到i;的距離，^表示加權 因子的加權強度。所述的閱讀器通過傳輸控制協議和網際協議把射頻信號 強度值傳至上位機。所述的射頻標籤可主動地向閱讀器發射電磁波。所述 的上位機是電腦處理器。 '


附圖1是本發明定位系統硬體布局示意圖； 附圖2是本發明實施例流程示意圖。
具體實施例方式
本發明的主旨是設計一個技術方案以使利用無線射頻技術進行室內 精確定位時，能有效提高測量的精度和可靠性。下面結合實施例參照附圖 進行詳細說明，以便對本發明方法的技術特徵及優點進行更深入的詮釋。
本發明無線射頻定位方法的具體實施步驟為其一，將閱讀器放置於 待監測區域邊界；其二，參考標籤以矩形網格形式固定於室內待監測區域，
每個閱讀器和參考標籤各自的位置以及相互之間的距離已知；其三，當帶 有射頻標籤的待測對象置於待監測區域時，各個閱讀器通過各自的天線接 收各射頻標籤主動發出的電磁波，將測量得到的參考標籤和待測對象標籤 的射頻信號強度值通過傳輸控制協議和網際協議傳至上位機；其四，上位 機比較各參考標籤與待測對象標籤的射頻信號強度的絕對差值以確定待 測對象附近的若干個最近參考標籤，並根據其位置信息及其權重因子得出 待測對象的參考位置；其五，上位機通過建立具有剔除異常數據能力的傳 輸信道損耗模型來得到待測對象標籤與各個閱讀器間的距離信息；其六， 基於一種改進的貝葉斯定位理論，上位機對得到的位置信息進行數據融. 合，以此來得到待測對象標籤的位置坐標。
無線射頻定位系統硬體布局如圖l所示。將參考標籤布為長5米，寬 5米的矩形網格，並固定於室內待監測區域；將一射頻標籤縛於待測對象 處；將四個閱讀器放置於待監測區域邊界，確保閱讀器的識別範圍可以覆 蓋監測區域；該系統有16個參考標籤和1個待測對象標籤，各個閱讀器 和參考標籤各自的位置以及相互之間的距離需作為己知條件。
參照圖l的系統布局，如果需要定位待測對象1標籤時，具體的交互 流程如圖2所示
(步驟201)將4個閱讀器放置於待監測區域邊界；並將16個射頻標籤 作為參考標籤以矩形網格形式固定於室內待監測區域，每個閱讀器和參考 標籤各自的位置以及相互之間的距離己知；
(步驟202)當帶有射頻標籤的待測對象1置於待監測區域時，各個閱
讀器通過各自的天線接收各射頻標籤主動發出的電磁波，將測量得到的參 考標籤和待測對象1標籤的射頻信號強度值通過傳輸控制協議和網際協議 傳至電腦處理器；
(步驟203)定義待測對象1標籤的信號強度矢量為5 = (&,52，53,54)，其 中S,表示待測對象1標籤在閱讀器/上的標籤信號強度值，e (1,4)。對於 參考標籤，定義相應的信號強度矢量^ =(《,《，《,&)，其中《表示參考標籤 在閱讀器/上的標籤信號強度值，/ e (1,4);
對於待測對象l標籤，定義formula see original document page 11
E值可用來表徵參考標籤和待測對象標籤之間信號距離關係，￡越小表示參考標籤和待測對象標籤相隔越近；
有16個參考標籤，因此待測對象1標籤有￡矢量
formula see original document page 11由於這些五值僅用來反應標籤之間的關係，因此，我們可以從中選擇 4個擁有較小￡值的參考標籤，即將距離待測對象1標籤較近的參考標籤 的坐標作為參考位置坐標；
(步驟204)待測對象1標籤的參考位置坐標是根據以下公式計算
formula see original document page 11
其中，W是i個最近參考標籤的權重因子，(x,，x)為第z'個最近參考標籤 的實際坐標，Oc,力為待測對象1標籤的參考位置坐標；
(步驟205)定位系統的傳輸信道損耗模型是根據以下公式建立
formula see original document page 11其中，A是任意的參考距離(通常是i附)，Pi:w。)是自由空間中傳輸距離為A
時的路徑損耗，"是路徑損失指數。是均值為零方差為CT2(必)的高斯隨
機變量。x。被稱為陰影衰落，用來建模多徑衰落、障礙物、標籤方向性和 移動物體等環境因素引起的室內無線信號傳播的隨機衰落。
若令/Uc/)為接收器與發射器的距離為時接收器接收到的信號強度
(i 然)， s為發射器的發射信號強度，a^p,-p"d。)，則cw)是根據以下
公式計算
formula see original document page 11
為了建立d和c之間確定的映射關係，需要得到w和w的具體值。
由於室內的環境因素是隨時間變化的(障礙物的布局可能改變，移動物體 在不同的地方走動)，我們必須及時更新W和W的值，以反映環境因素的改 變；由於室內無線電信號存在非視距傳播，閱讀器可能接收到一些比正常 信號弱很多的信號，我們稱這些信號為異常數據。異常數據的存在嚴重影. 響參數估計的精度。在這裡我們使用一種帶異常數據剔除的參數估計算 法。
設閱讀器獲得A:組信號強度和距離的數據對K/u《;u,)^i,2,A ，w (這
些數據對可通過參考標籤獲得)。為敘述方便，令
formula see original document page 12
若formula see original document page 12，則認為Pr,(di)是異常數據，必須剔除。a由下面兩式決定
formula see original document page 12其中r為正常數據個數，w為異常數據個數，/ -ra"/^X)。
在工程實踐中，依大概率一般取"=!就可以在有效保護正常數據的
r 一 p
同時剔除異常數據。另外在動態數據處理建立的模型中， 一般均滿足
r》^r》p，因此可取a=7.29/7
去除掉所有異常數據之後，根據最小二乘法便可得到參數w和w的估
12
計
formula see original document page 13(步驟206)融合最近鄰居算法和貝葉斯理論的各自優勢，提出改進的 貝葉斯定位理論，根據以下公式計算-
formula see original document page 13
其中，Zk= {zi, i=l,2,A k}表示到k時刻為止獲得的所有測量值的集合，z,表
示/時刻獲得的測量值；IA)表示待測對象1標籤處於位置XJ寸獲得
測量值^的概率；￡>2表示待測對象1標籤與閱讀器間的距離測量值，2表
示待測對象1標籤與閱讀器間的實際距離，c^表示測量距離的不確定方差，
其值與待測對象的運動模型、室內的噪聲環境等有關；K表示最近鄰居算
法得到的待測對象1標籤的參考位置，A表示A到K的距離，ct;表示加
權因子的加權強度。
基於上述改進的貝葉斯定位理論來導出計算待測對象1標籤位置的線
性方程組。
如圖1所示，待測區域邊界放置4個閱讀器，設它們的坐標分別為 (a1, b1), (a2, b2) A, (a4, b4)，並設formula see original document page 13.考慮4 個閱讀器，則待測對象1標籤位置的概率分布函數是根據以下公式計算
formula see original document page 13 其中C是常數, formula see original document page 13是一個非線性函數。
使K^,力具有極大值的坐標",力可認為是待測對象1標籤的計算位 置。指數函數是單調函數，因此只須求出使目標函數/(x，力具有極大值的 坐標(x,y)，力即可。在這裡，我們使用以下公式對目標函數f(x,y),力進行近似 處理formula see original document page 13
令上式對xj的一階導數等於0，可得
formula see original document page 13
;上面的線性方程組可得
求解極值時對目標函數/(x，力進行了近似，為進一步提高定位精度， 可對上式進行迭代。g卩
formula see original document page 14設置迭代結束條件l巧-i,, | + -, H^和最大迭代次數max ，利用初值 Oc。,y。)，即可通過上式進行迭代以求解待測對象1標籤的位置坐標。
總之，本領域的技術人員可以對本發明的無線射頻定位方法進行的各 種改動和變形而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修 改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖 包含這些改動和變型在內。
權利要求
1、一種基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，實施步驟為(1)將閱讀器放置於待監測區域邊界；(2)參考標籤以矩形網格形式固定於室內待監測區域；(3)當帶有射頻標籤的待測對象置於待監測區域時，閱讀器通過自身的天線檢測射頻標籤的電磁波，將測量得到的參考標籤和待測對象標籤的射頻信號強度值傳至上位機；(4)上位機比較參考標籤與待測對象標籤的射頻信號強度的絕對差值以確定待測對象附近的最近參考標籤，並根據其位置信息及其權重因子得出待測對象的參考位置；(5)上位機通過建立具有剔除異常數據能力的傳輸信道損耗模型來得到待測對象標籤與閱讀器間的距離信息；(6)基於一種貝葉斯定位理論，上位機對得到的位置信息進行數據融合，以此來得到待測對象標籤的位置坐標。
2、 根據權利要求1所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其 特徵在於所述的參考標籤矩形網格是長"米，寬6米的矩形網格，其中 l米《a《5米，l米《6《5米。
3、 根據權利要求2所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其特徵在於所述的射頻信號強度的絕對差值根據以下公式計算其中，W為閱讀器個數，^為待測對象標籤在閱讀器i上的射頻信號強度值，《為參考標籤y在閱讀器/上的射頻信號強度值。^值可用來表徵參考標籤和待測對象標籤之間信號距離關係，^越小表示參考標籤和待測對象標籤 相隔越近。
4、 根據權利要求3所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其特徵在於所述的位置信息包括已知每個閱讀器和最近鄰居標籤各自的實 際位置以及相互之間的實際距離。
5、 根據權利要求4所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其特徵在於所述的待測對象的參考位置是根據以下公式計算formula see original document page 3其中，A為選取的最近參考標籤個數，^是第i個最近參考標籤的權重因子， (j,力為待測對象的參考位置坐標，(x,，少,)為第/個最近參考標籤的實際坐 標。
6、 根據權利要求5所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其特徵在於所述的傳輸信道損耗模型根據以下公式獲得formula see original document page 3其中，c/。是任意的參考距離(通常是lm) ， ^W。)是自由空間中傳輸距離為d。時的路徑損耗，"是路徑損耗指數，；^是均值為零方差為cr2(必)的高斯隨機變量。Z。被稱為陰影衰落，用來建模多徑衰落、障礙物、標籤方向性和 移動物體等環境因素引起的室內無線信號傳播的隨機衰落。
7、 根據權利要求6所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其 特徵在於所述的貝葉斯定位理論通過以下公式表示formula see original document page 3其中，Z4 ={^ = 1，2,A W表示到fc時刻為止獲得的所有測量值的集合，^表示z時刻獲得的測量值；i ;^)表示待測對象標籤處於位置x,時獲得測量值^的概率；1)2表示待測對象標籤與閱讀器間的距離測量值，2表示待 測對象標籤與閱讀器間的實際距離，^表示測量距離的不確定方差，其值 與待測對象的運動模型、^內的噪聲環境等有關；K表示最近鄰居算法得 到的待測對象標籤的參考位置，A表示^t到K的距離，c^表示加權因子 的加權強度。
8、 根據權利要求1至7中任意一項所述的基於貝葉斯理論的無線射 頻定位方法，其特徵在於所述的閱讀器通過傳輸控制協議和網際協議把 射頻信號強度值傳至上位機。
9、 根據權利要求7所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其 特徵在於所述的射頻標籤可主動地向閱讀器發射電磁波。
10、根據權利要求8所述的基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，其 特徵在於所述的上位機是電腦處理器。
全文摘要
一種基於貝葉斯理論的無線射頻定位方法，步驟為將閱讀器放置於待監測區域邊界；參考標籤以矩形網格形式固定於室內待監測區域；當帶有射頻標籤的待測對象置於待監測區域時，閱讀器將參考標籤和待測對象標籤的射頻信號強度值傳至上位機；上位機比較參考標籤與待測對象標籤的射頻信號強度的絕對差值以確定待測對象附近最近參考標籤，得出待測對象的參考位置；然後，上位機得到待測對象標籤與各個閱讀器間的距離信息；最後，基於一種貝葉斯定位理論，上位機對得到的位置信息進行數據融合，以此來得到待測對象標籤的位置坐標。藉助本發明方法，定位系統在抑制噪聲幹擾方面具有良好的靈活性和適應性，並且在位置感應方面具有良好的精確性和實時性。
文檔編號G01S5/02GK101363910SQ20081019890
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者劉宗元, 黃以華 申請人:黃以華