一种基于RFID技术的标签定位方法与流程

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术一种基于rfid技术的标签定位方法技术领域1.本发明属于rfid技术领域，尤其是一种基于rfid技术的标签定位方法。背景技术：2.目前随着rfid标签的广泛应用，有越来越多的场景会使用到rfid技术，如动态的仓库物料进出管理，如静态的文件物品等的存放管理。使用时，待管理的对象上通常贴有rfid标签，而rfid读写器及天线则通过发出的电磁波覆盖于贴有rfid标签的对象所在的区域，来实现rfid读写器与标签的通讯，完成标签的读取。但在实际应用过程中，由于rfid读写器及天线发出的电磁波所到达的位置除了待读取标签之外，还有可能到达其他标签所在的位置，从而容易出现串读、漏读等情况。3.具体的，（1）串读：是指天线发出的电磁波覆盖的区域，使得rfid读写器不仅能读到待读取对象的标签，还能读到其周围其他位置的标签。而造成串读的原因在于：天线场强分布特性，不同天线的场强分布范围不同，强弱也不同，由此造成场强区域边界不能完全固定，从而在实际环境中使用时，无法避免读写器会读到周围的标签，引起串读。当其他因素不变时，当天线功率越高时，串读发生的可能性越大，天线功率越低时，串读发生的可能性越低。4.（2）漏读：由于rfid技术的物理特性，当多个标签完全重叠或者重叠率很高的情况下，读写器无法实现对所有目标对象标签的读取/盘点。天线功率越高，漏读率越低，天线功率越低，反之。5.因此，串读和漏读本身是一对矛盾的因子，当天线功率增加时，漏读率会降低，但是串读的情况会更明显，当天线功率降低时，串读的情况会有所改善，但是漏读率会提升。因此，需要从本质上改善天线的场强分布，避免弱区和盲区，使场强尽可能均匀分布，范围距离可控。6.尤其是在物品的存放定位管理上，如果能够准确读取每一个物品的标签，准确定位到每一个物品的所在位置，就可以大大提高对于这些物品的管理效率。7.现有技术中，如中国专利公开号为cn111079874a的《一种基于rfid技术的模块化标签定位系统及方法》，其公开的模块化标签定位方法中，rfid读写器通过天线阵列模块在对标签盘点的过程中，通常存在一个标签被多个天线读取到，而出现干扰值，对标签位置进行定位计算时，就需要结合标签盘点次数结合天线的盘点结果数据进行筛选从而确定标签的定位位置。但该方法的筛选过程中，对于干扰值的排查，只有通过阈值设定的操作，即如果某天线盘点到该标签的次数小于设定的阈值则该天线的盘点结果被丢弃；该操作过程中对于阈值的设定是个非常关键的操作，如果阈值设定不合理，则会把不该丢弃的数据给丢弃了，或者是把本该丢弃的收入数据表中以致于在后续制作抛物线的过程中掺杂了过多的不准确数据，进而导致最终标签的定位不准确。总之，只依靠单纯的阈值设定就将数据进行排除的做法，可能存在较大的遗漏正确数据的风险，进而影响最终的标签定位精确度，从而产生较多误判结果。技术实现要素：8.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于rfid技术的标签定位方法，该rfid标签定位方法对于单标签被多天线读取到所出现的干扰值进行多步排查定位，进一步减少误判结果，提高标签物品的定位精度。9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于rfid技术的标签定位方法，包括以下步骤：①在指定定位区域布置天线阵列模块，对该指定定位区域进行分区形成多个空间位置，并对这些空间位置按顺序编号，称其为空间点位，每一根天线均对应有一个空间点位，将各天线阵列连接至rfid读写器的天线分支器上，②rfid读写器收到上位机对定位区域上的贴有frid标签的物品进行定位盘点的命令后，完成对定位区域中标签的数据盘点，获取定位区域内标签每次被盘点时的rssi信号值、标签单位时间内被各天线盘点的次数以及盘点到各标签的天线号,并输入到运行于上位机的数据处理模块；其特征在于，③将天线阵列中各天线的空间点位输入到数据处理模块中的天线阵列三维空间生成模块中形成天线阵列的三维空间模型，其中天线以天线馈点为单位分布于空间点位中，且天线的空间点位离三维空间模型的中心越近则其位置越优；④将各个标签每次被盘点时的rssi信号值、各个标签单位时间被各天线盘点的次数信息以及盘点到标签的天线号输入到数据处理模块中的标签数据信息表生成模块中生成每个标签的标签数据信息表，且根据标签数据信息表中rssi信号值强弱不同进行排序计算后，获得标签数据信息表的rssi排序表；⑤数据处理模块中的标签定位算法模块通过天线阵列三维空间模型中天线的空间点位优劣、以及结合标签数据信息表的rssi排序表，进行标签定位处理后输出最优的天线空间点位作为该标签的定位位置并传输到上位机。10.进一步的，所述步骤⑤中，标签定位算法处理包括如下过程：（1）如在标签数据信息表的rssi排序表中存在某天线号读取的标签rssi信号值、该标签的被读取次数排序均为最优的标签数据信息表，则输出该标签数据信息表中的天线号所在空间点位作为标签的定位位置；（2）如在标签数据信息表的rssi排序表中存在某天线号读取的标签rssi信号值、该标签的被读取次数排序非均为最优的情况，则根据标签数据信息表中rssi信号值、被读取次数以及天线号的空间点位的权重总分排序来输出最优的标签数据信息表中的天线号所在空间点位作为标签的定位位置。11.再进一步的，所述步骤⑤中出现第（2）情况时，则从标签数据信息表的rssi排序表中选择排在最前的2个rssi信号值所对应的2个天线号，且该2个天线号的空间点位若一致则输出该天线的空间点位作为标签的定位位置；如标签数据信息表的rssi排序表中排在最前的2个rssi信号值所对应的2个天线号的空间点位不一致，则当其中一个rssi信号值比另一个rssi信号值多出设定的阈值ω时，选择数值大的rssi信号值所对应的天线号空间点位作为标签的定位位置；如标签数据信息表的rssi排序表中排在最前的2个rssi信号值之差小于设定的阈值ω，则选择与该2个rssi信号值对应的2个被读取次数进行比较，当其中一个被读取次数比另一个高出设定的阈值σ时，选择数值大的被读取次数所对应的天线号的空间点位作为标签的定位位置；如该2个被读取次数之差小于设定的阈值σ时，则根据该2个标签数据信息表中的rssi信号值、被读取次数以及天线号的空间点位的权重总分排序先后来输出最优的天线号所在空间点位作为标签的定位位置。12.更进一步的，所述步骤⑤中的权重总分按照权重公式：权重（天线号空间点位）×系数（天线号空间点位）+权重（rssi）×系数（rssi）+权重（被读取次数）×系数（被读取次数）=总分，其中，权重（天线号空间点位）＞权重（rssi）＞权重（被读取次数），2个标签数据信息表按照权重公式计算所得的总分按高低进行排序，选择总分最高的标签数据信息表中的天线号所在空间点位作为标签的定位位置。13.采用上述方案，本发明对于单个标签被多个天线读到后引起的干扰值，采用三维空间模型结合定位算法进行判断，利用天线空间点位优劣、以及结合标签数据信息表的rssi排序表、以及标签数据信息三大影响因子的权重总分进行排除干扰值，实现了在所述应用场景下对多标签的精确定位，进一步提高标签的定位精度。14.下面结合附图对本发明作进一步描述。附图说明15.附图1为本发明建立天线阵列三维空间模型及结合标签定位算法输出标签的定位结果的流程图；附图2为本发明在天线阵列算法得出了已有的标签所在的精确位置后单天线的定位结果流程框图。16.附图3为本发明具体实施例的天线阵列三维空间模型图；附图4为本发明具体实施例的标签数据信息表按照rssi值进行强弱排名，形成的rssi排序表；附图5为本发明具体实施例的定位算法过程流程图。具体实施方式17.本发明的具体实施例如图1-5所示是基于rfid技术的标签定位方法，其包括以下步骤：首先，在指定定位区域布置天线阵列模块，对该指定定位区域进行分区形成多个空间位置，天线阵列中的每一根天线对应定位区域中的某一空间位置，对这些空间位置按顺序编号，称其为空间点位ox，故每一根天线均对应有一个空间点位ox。天线阵列模块与rfid读写器的天线分支器连接，rfid读写器与运行有人机交互模块、数据处理模块的上位机连接，用户通过人机交互模块操作该系统对放置于定位区域上的贴有rfid标签的物品进行定位，rfid读写器收到上位机发来的定位物品的命令后，由rfid读写器上的天线分支器遍历每一个天线阵列上的每一个天线盘点标签，获取定位区域内各个标签每次被盘点时的rssi信号值、各个标签单位时间（如一个轮巡周期）被各天线盘点的次数以及盘点到标签的天线号，并输入到运行于上位机的数据处理模块。18.其次，数据处理模块中的天线阵列三维空间生成模块根据天线阵列中各天线的空间点位形成天线阵列的三维空间模型，其中天线以各自馈点为点单位分布于空间点位中，因此，本实施例中如图3所示，一个空间点位有2个天线号，即有12个空间点位，24个天线编号。具体模型设计时，可以根据定位区域的具体结构通过三维软件1:1设计三维结构，同时可以基于三维坐标系对天线馈点在定位区域的具体位置中进行定位或者也可以根据三维结构的具体形态如本实施例中的文件柜已经自行分区，形成12个空间位置，则对这个12个空间位置进行编号，并将分布于其中的2个天线号进行对应即可，如图3中，天线号1、2（ant、1ant2）所在的空间点位为o1，依次顺序对应分布。19.其中，当rfid读写器收到上位机盘点标签的命令时，rfid读写器遍历将天线阵列中每一根天线所读取到的所有标签信息，标签信息包括每个标签被天线阵列中的所读到的rssi信号值、标签被读取到的次数、哪些天线读到标签等信息，将上述标签信息输入到数据处理模块中的标签数据信息表生成模块中后，形成标签数据信息表，该标签数据信息表包含各个标签每次被盘点时的反射信号值rssix、各个标签单位时间被各天线盘点的次数cntx以及盘点到标签的天线号antx（即该标签数据信息表均包含rssix、cntx、antx）。此外，根据其中的天线号antx对应其在三维空间模型（三维立体文件柜）中的空间点位（空间位置）ox。优选的，将天线号所对应的空间点位也加入到标签数据信息表中更有助于后续的定位结果计算；然后，对标签数据信息表按照rssi值进行强弱排名，形成rssi排序表如图4所示。20.接下来通过定位算法结合标签数据信息表的rssi排序表、以及盘点到标签的天线号在天线阵列的三维空间模型中的空间点位的优劣，进行整合处理后输出最优的天线空间点位作为该标签的定位位置并传输到上位机。21.当然，如果标签只被1个天线读取到，则可以直接输出该天线号所在的空间点位作为标签位置。但是，同一个标签常会被一定范围内的多根天线读到，在此，就需要对干扰信息作出排除。22.具体的定位算法过程如下：在正常情况下，根据天线阵列设计，rssi值和次数的分布规律为：标签离天线阵列距离越近，rssi值越好，同一个盘点周期内读到的次数越多，反之同理。因此，出现情况（1）在标签数据信息表的rssi排序表中存在某天线号读取的标签rssi信号值、该标签的被读取次数排序均为最优的标签数据信息表时，则说明该天线号距离该标签最近，即输出该标签数据信息表中的天线号所在空间点位作为标签的定位位置；（2）如在标签数据信息表的rssi排序表中存在某天线号读取的标签rssi信号值、该标签的被读取次数排序非均为最优的情况，则从标签数据信息表的rssi排序表中选择排在最前的2个rssi信号值所对应的2个天线号，且该2个天线号的空间点位若一致则输出该天线的空间点位作为标签的定位位置；（3）如标签数据信息表的rssi排序表中排在最前的2个rssi信号值所对应的2个天线号的空间点位不一致，则当其中一个rssi信号值比另一个rssi信号值多出设定的阈值ω时（该设定的阈值ω初始化为5db，后续可以根据调试和测试过程，再依经验调整初始化赋值），选择数值大的rssi信号值所对应的天线号空间点位作为标签的定位位置；（4）如标签数据信息表的rssi排序表中排在最前的2个rssi信号值之差小于设定的阈值ω，则选择与该2个rssi信号值对应的2个被读取次数进行比较，当其中一个被读取次数比另一个高出设定的阈值σ时（次数阈值σ设定跟驻留时间有关系，即当天线阵列中每块天线的盘点时间/驻留时间为2000ms时，该次数阈值σ设定为3次，后续可以根据调试和测试过程，再依经验调整），选择数值大的被读取次数所对应的天线号的空间点位作为标签的定位位置；（5）如该2个被读取次数之差小于设定的阈值σ时，则根据该2个标签数据信息表中的rssi信号值、被读取次数以及天线号的空间点位的权重总分排序先后来输出最优的天线号所在空间点位作为标签的定位位置。23.更进一步的，步骤⑤中的权重总分按照权重公式：权重（天线号空间点位）×系数（天线号空间点位）+权重（rssi）×系数（rssi）+权重（被读取次数）×系数（被读取次数）=总分，其中，权重（天线号空间点位）＞权重（rssi）＞权重（被读取次数），2个标签数据信息表按照权重公式计算所得的总分按高低进行排序，选择总分最高的标签数据信息表中的天线号所在空间点位作为标签的定位位置。例如：标签tag1在一个完整周期内，同时被三根天线antx,anty,antz读到，根据rssi值排序后，分别为（antx，rssix=-64.5，cntx=8,空间点位为8），（anty，rssiy=-66.2，cnty=7,空间点位为10）, （antz，rssiz=-66.9，cntz=9,区域号为7），每一项排名谁第1名，得3分，第2名得2分，第3名得1分。权重系数：rssi值为0.3，次数为0.2，位置为0.4。得分和权重系数可以通过人工设定，依靠经验设定；但更为可靠的是基于大量数据样本通过bp神经网络训练后得出该设定值。在实际调试和测试中，可以进行n组测试，挑选出上述rssi值和次数均接近的数据，然后根据其真实值，反推系数。选出多组这类需要权重计算的数据以及其真实结果，通过bp神经网络训练，训练出得分和权重系数。神经网络训练的技术已属常见手段，故此不再赘述训练方法过程。由于上述定位算法中，当到达需要通过权重总分进行区别的时候，就表明，当只有rssi值和次数进行比较时，已经不能直接得出结果了，即这一步骤的比较基于标签rssi值差异性和次数差异性都较小，因此权重系数最高的为位置，其次为rssi值、次数。位置的判断标准为离最中间位置的距离远近,由图3可知，空间点位8距离最靠近文件柜中心位置，空间点位9次之，空间点位7最后。则：antx=3×0.3+2×0.2+3×0.4=2.5anty=2×0.3+1×0.2+2×0.4=1.6antz=1×0.3+3×0.2+1×0.4=1.3因此输出最优结果为antx所在区域为8.根据上述天线阵列三维空间模型以及标签定位算法可以得出已有的标签所在的精确位置。由于天线阵列的使用范围较广，其可以用在整柜盘点中，也可以用在具有多个柜格的智能柜体中做定位标签或物体使用。两者的区别在于：整柜盘点时需要将所有天线阵列轮询一遍，因此耗时较长；而当具有多个柜格的智能柜的某个柜格被单独打开时，可以只对该柜格对应的双馈点天线进行触发盘点，这样时间周期就可以做到相对很短。当触发单根天线读取标签时，如果标签发生了增加或者减少，只需要根据单天线读取的标签信息和原天线阵列的数据信息库，设计定位逻辑算法，得到标签的增减变化结果。具体描述：（1）天线阵列中的天线号分布为ant1，ant2，ant3... antn（2）天线阵列数据库中的标签数据定义为：ant1天线号的数据：ant1-tag1, ant1‑ꢀtag 2,... ant1‑ꢀtag m1ant2天线号的数据：ant2‑ꢀtag 1, ant2‑ꢀtag 2,... ant2‑ꢀtag m2...antn天线号的数据：antn‑ꢀtag 1, antn‑ꢀtag 2,... antn‑ꢀtag mn（3）天线阵列中的某根天线antx的一次读取标签数据的周期内，读取到w个标签数据，命名为r1,r2,...,rw.第一步，判断ri是否在antx信息库中（antx‑ꢀtag 1, antx‑ꢀtag 2,... antx‑ꢀtag m1）：如果ri在antx信息库中，则ri=》状态未改变；如果ri不在antx信息库中，则查看ri是否在所有天线阵列数据库(ant1-antn)中，如果在数据库中，说明ri是串读到的其他天线中的标签，ri=》状态未改变；如果ri不在整库中，则ri=》新增；从r1轮询到rw结束。24.第二步，提取出antx中原数据库中的标签数据，记录为：antx‑ꢀtag 1, antx‑ꢀtag 2, antx‑ꢀtag k,..., antx‑ꢀtag mx;依次在r1-r30中查找antx‑ꢀtag 1, antx‑ꢀtag 2,..., antx‑ꢀtag k,..., antx‑ꢀtag mx,如果在r1~r30中能找到antx‑ꢀtag k，则antx‑ꢀtag k =》状态未改变；如果在r1~r30中找不到antx‑ꢀtag k，则antx‑ꢀtag k=》取出；通过上述比较分析可以得出单天线读取标签后，准确定位出新增和减少的标签。25.具体试验效果验证：以智能文件定位柜（长×宽×高 = 900mm×475×1985mm）为指定区域，其分为6层12个区域格，每个区域格布置2块普通的圆极化uhf天线。每个区域放置2根天线的原因是，采用一对天线对射形成较强场强，能最大程度降低区域内rfid文件堆叠摆放时的漏读问题。26.天线采用普通的近场天线应用在天线阵列定位标签位置的场景下，12个区域格，共24个近场天线阵列，依次在每个区域中放入rfid文件，逐步增加本数，进行盘点测试，每一组样本进行500次测试。测试结果如下：平均每个区域放置20本rfid文件时，整柜共240本rfid文件时，真实串读发生的概率超过80%，漏读发生的概率为0.1%；仅采用简单的rssi值和次数的阈值比较输出的结果，串读率超过7.5%；采用本文所述的算法输出后定位结果串读发生概率低于0.1%；平均每个区域放置30本rfid文件时，整柜共360本rfid文件时，真实串读发生的概率超过76%，漏读发生的概率为0.2%；仅采用简单的rssi值和次数的阈值比较输出的结果，串读率超过5.1%；采用本文所述的算法输出后定位结果串读发生概率低于0.1%；平均每个区域放置40本rfid文件时，整柜共480本rfid文件时，真实串读发生的概率超过63%，漏读发生的概率低于0.5%；仅采用简单的rssi值和次数的阈值比较输出的结果，串读率超过4.5%；采用本文所述的算法输出后定位结果串读发生概率低于0.1%。27.上述的测试数据中，采用普通的圆极化天线进行标签盘点，其功率较大，场强覆盖范围大，而柜体每个区域无法做到绝对的信号屏蔽，因此各区域之间的物理串读十分严重。随着rfid文件的数量增多，漏读率略有增加，各区域之间的串读现象依然很严重。仅采用简单的阈值比较输出的定位结果，串读率较高。28.采用所述定位算法后，将rssi值，次数结合空间点位的模型进行综合计算，输出的正确定位结果准确率超过99.9%，串读率低于0.1%。29.由此可见，上述天线组形成的天线阵列用在文件定位/物品定位等应用场景时，天线本身无法保证每一个天线在本区域内的场强分布的均匀度，也无法保证各区域之间的绝对屏蔽，所以不同区域之间存在物理上的明显的串读。仅采用比较rssi值和次数的阈值来输出定位结果，存在串读率高的问题。采用本发明所述的定位算法，能够结合空间点位模型进行综合分析，输出的定位结果准确率大幅提升。30.本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。









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