一种物联网物体位置感知方法

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一种物联网物体位置感知方法 \n技术领域\n[0001] 本发明属于一种物体位置测试技术，具体的是一种物联网物体位置感知方法。 技术背景\n[0002] 近年来，物联网技术得到很大的发展，物联网，顾名思义，就是“物物相连的互联网”，是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 \n[0003] 物联网的位置感知，是对接入网络中的物体的位置进行精确的定位，目前已经有一些较为成熟的定位技术可以使用，GPS作为目前应用广泛的定位技术，被应用于各种场合，但在室内等卫星信号无法准确视距传播的范围内，GPS无法达到较高的定位精度，甚至失效。RFID技术是一种较为成熟的识别技术，也是物联网的关键技术之一，它具有非接触，携带方便，数据容量大，具有唯一标识物体的ID等优点。RFID定位技术是目前室内小范围定位研究的热门，工作于UHF频段的RFID系统识别距离可以达到10米以上，基本符合室内定位环境，因此，在物联网的室内位置感知中采用RFID技术是一个非常合适的方法。 [0004] RFID测距的技术主要有基于到达信号强度(RSSI)，信号到达时间(TOA)，信号到达时间差(TDOA)，信号到达相位差(PDOA)等方法。RSSI受传播环境等影响较大，精度低；\n室内定位传播距离较短TOA和TDOA对硬件要求太高，因此难于实现；由于阅读器向标签发送信号的过程中，载波给标签充电，同时标签通过反向散射方式将载波反射回去，阅读器根据标签反向散射的信号载波与发送信号载波的相位相比较得到一个相位差，根据相位差就可以得到距离信息，即使在较复杂的传播环境中，只要能够读取到标签都能够得到较高的测距精度，因此采用PDOA方法对标签进行测距较适合室内环境的测距。 \n[0005] (2)PDOA测距原理 \n[0006] 假设读写器发送出的信号为s(t)，在不考虑标签调制和噪声影响的情况下，读写器接收到的标签反射回来的信号可以写为： \n[0007] \n[0008] 其中ρ与传播距离相关的幅度， 是接收到的信号的相位。于是，标签与阅读器之间的距离可以表示为： \n[0009] \n[0010] 如果系统选用UHF的频段是900MHz左右，波长大约是33cm左右，而对于室内的定位环境，一般是几米到几十米，因此，相位 存在2nπ的相位模糊，从而导致测距不准确， 发明内容\n[0011] 本发明的目的是提供一种物联网物体位置感知方法，具有动态频率差的PDOA测距方法，能够保证测量系统的相对误差稳定，在实际距离较小时，减小测距误差。 [0012] 为达到上述目的，本发明表述一种物联网物体位置感知方法，其关键在于按以下步骤进行： \n[0013] 步骤一：建立一个三维坐标体系，三维坐标体系内定位一个物联网物体位置感知系统，物联网物体位置感知系统主要由四个UHF RFID读写器，电子标签和总节点组成；各个UHF RFID读写器之间通过CAN总线相互连接，并都接到总节点上面，总节点和互联网相连接，确定每个UHF RFID读写器在三维坐标体系中的三维坐标位置； \n[0014] 步骤二：将电子标签附着在被测物体上； \n[0015] 步骤三：初次距离测试，每个UHF RFID读写器发送射频信息到电子标签上，初步获得每个UHF RFID读写器到电子标签的初测距离值d； \n[0016] 设置第一初始测量频率f1，设定初始测量的最大距离是dmax， \n[0017] 读写器分别以2个频率：第一初始测量频率f1和第二初始测量频率f2发送信号，对应的标签反射回来的信号的相位分别为 和 电子标签处于最大距离是dmax时的相位差 为2π，于是可得： \n[0018] \n[0019] C为光速值； \n[0020] 从而得到UHF RFID读写器到电子标签的初测距离值d为： \n[0021] \n[0022] 步骤四：根据初测距离值d，重新设定最大距离d′max＝d+1.5m；据(4)式可求出相应的Δf′max，第一初始测量频率f1不变，也就能确定第二二次测量频率f′2；写器分别以2个频率f1和f′2发送信号，测量标签反射回来的信号的相位分别为 和 求出 据(4)式可求出精确的实际距离d′； \n[0023] 步骤五：四个UHF RFID读写器通过总节点发送精确的实际距离d′到中央控制器，中央控制器结合四个UHF RFID读写器在三维坐标体系中的三维坐标位置，求得电子标签在三维坐标体系中的准确位置。 \n[0024] 所述UHF RFID读写器由主控制模块，射频电路模块，功率放大模块，CAN通信模块，环行器，相位差获取模块和天线组成； \n[0025] 主控制模块与CAN通信模块双向连接，主控制模块还与射频电路模块双向连接，射频电路模块单向连接到功率放大模块，功率放大模块单向连接到环行器的输入端，环行器连接有天线，环行器的输出端单向连接到射频电路收发模块和相位差获取模块，相位差获取模块的输出端连接主控制模块。 \n[0026] 所述主控制模块：用于对标签的读取，和总节点通信； \n[0027] 所述射频电路模块：用于实现编解码，调制解调生成射频信号，采用集成芯片AS3992和相应的外围电路实现； \n[0028] 但射频模块出来的功率小，功率放大模块增加发射的功率； \n[0029] 所述CAN通信模块，由独立CAN收发控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250组成，用于和总节点进行数据通信； \n[0030] 所述环行器用于收发信号分离； \n[0031] 所述相位差获取模块：用于获取发送信号载波和标签反向散射回来的载波直接的相位差。 \n[0032] 所述总节点设置有CAN模块与所述UHF RFID读写器连接； \n[0033] 所述总节点设置有互联网通信模块与互联网连接； \n[0034] 所述总节点设置有中央控制器：中央控制器计算电子标签在三维坐标体系中的准确位置。 \n[0035] 中央控制器与CAN模块双向连接，中央控制器还与互联网通信模块双向连接，中央控制器还连接有人机接口设备。 \n[0036] 本发明的显著效果是：提供了一种物联网物体位置感知方法，具有动态频率差的PDOA测距方法，能够保证测量系统的相对误差稳定，在实际距离较小时，减小测距误差。 [0037] 物联网的迅速发展，必然对精确的位置感知服务产生需求，本文提出基于UHF RFID方案的物联网位置感知系统，工作在860～960MHz范围，在位置感知精度，系统可扩展性，组网等方面都较符合物联网发展的需要，在医院病人定位跟踪，物流管理，机器人控制等领域有较大的应用价值。由于本系统的设计未考虑标签和阅读器之间有障碍物的情况，如果有障碍物，时间测得的距离应该是电磁波信号通过衍射或者是绕射到达的，从而使得定位精度误差较大，因此，将在下一步的工作中分析这种情况的精确位置感知的方法。 [0038] 附图说明\n[0039] 图1是物联网物体位置感知系统图； \n[0040] 图2是UHF RFID读写器的结构图； \n[0041] 图3是总节点的结构框图； \n[0042] 图4是总节点程序流程图； \n[0043] 图5是读写器程序流程图； \n[0044] 图6是待测距离和最大不模糊频率差的关系图； \n[0045] 图7是测距的绝对误差关系图； \n[0046] 图8是测距的相对误差关系图。 \n[0047] 具体实施方式\n[0048] 下面就具体实施例对本发明作进一步详细说明。 \n[0049] 物联网位置感知系统主要由4个UHF RFID读写器，天线，电子标签和总节点组成。\n图1所示的是一个区域内的系统结构，UHF RFID读写器，分别安放在定位是范围的合适的位置，各个UHF RFID读写器之间通过CAN总线相互连接，并都接到总节点上面，总节点和互联网相连接，在定位前建立一个三维坐标轴，每一个读写器的坐标是已知的，标签或者携带了标签的目标在位置感知的区域时，4个UHFRFID读写器分别获取到标签的位置信息，然后与总节点通信，将获取到的位置信息，发送给总节点，总节点通过相应的算法计算出标签的位置坐标，并将得到的结果通过互联网传送给相应的服务器。由服务器计算出电子标签的三维位置。 \n[0050] 总节点设置CAN模块与所述UHF RFID读写器连接； \n[0051] 总节点设置有互联网通信模块与互联网连接； \n[0052] 总节点设置有中央控制器。 \n[0053] 中央控制器与CAN模块双向连接，中央控制器还与互联网通信模块双向连接，中央控制器还连接有人机接口设备。也可以由中央控制器计算电子标签在三维坐标体系中的准确位置。 \n[0054] UHF RFID读写器主要由主控制模块，射频电路模块，功率放大模块，CAN通信模块，环行器，相位差获取模块和天线组成。读写器的结构框图如图2所示。 \n[0055] CAN通信模块，主要由独立CAN收发控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250组成，负责和总结的进行数据通信；主控模块主要负责阅读器对标签的读取，和总节点通信等数据处理功能，控制器采用程序存储量较大，处理速度和IO接口都相对满足设计要求的PIC的单片机PIC24FJ192GB106；射频收发模块主要实现编解码，调制解调生成射频信号等功能，采用集成芯片AS3992和相应的外围电路实现；工作在UHF频段的无源RFID系统要实现在一定区域内对标签进行定位，需要较远的识别距离，但射频模块出来的信号的功率较小，需要放大模块增加发射的功率；相位差获取模块是获取发送信号载波和标签反向散射回来的载波直接的相位差，因此采用可以获取2路信号相位差的集成芯片AD8302实现；\n读写器需要获取标签反向散射回来的信号获取相位差信息，射频模块也需要独立的接收信号，而系统只有一个收发复用的天线，为了不至于反射回来的信号被发送的信号所干扰，采用环行器将收发信号分离。 \n[0056] 总节点在位置感知系统中的主要功能是通过CAN总线协调读写器的工作，将读写器传送过来的位置信息通过计算处理得到被定位目标的位置坐标，并且还要和互联网上的某一个服务器或者终端进行通信，从而实现物联网中的各种位置感知应用，另外为了应用安装的方便，需要设置人机接口对总节点进行设置。总节点的结构框图如图3所示。 [0057] 图3中CAN通信模块是总节点和安装好的各个读写器通信的模块；人机接口包括按键和显示；互联网通信模块是总节点与互联网通信的模块；主控制器由于需要一些计算和控制，而且还需要网络通信，因此选用功能较为强大的ARM7系列的处理器。 [0058] 系统主要由总节点协调每一个节点的工作，因此系统的工作流程主要分总节点和读写器2部分的工作。总节点和读写器的程序流程分别如图4，图5所示。 \n[0059] 图4中，总节点首先需要对系统的参数进行配置，比如系统的工作环境，位置感知的相关信息，阅读器的相应的位置坐标等信息，然后轮询CAN总线上是否有读写器发送的已经读取到标签的信息，当每个阅读器都能读取到同一个ID的标签的时候，则总节点通过CAN总线给每一个读写器发送测量标签距离的命令，当每一个读写器都返回了同一个ID的标签距离信息后，总节点就开始计算标签的位置信息，计算出标签的位置信息之后，就通过互联网接口和服务器通信，将标签的ID和位置信息传给服务器。 \n[0060] 图5中，读写器首先做相关的初始化操作，然后，就开始轮询定位环境中是否可以得到标签，当有标签进入可读写范围的时候，就将标签的ID信息通过CAN总线发送给总节点，然后等待总节点返回命令，如果，总节点返回定位的命令时，读写器开始测量标签的距离，然后将标签的距离信息通过CAN总线发送给总节点。 \n[0061] 本系统采用的UHF射频频段，目前在该频段的RFID定位原理主要有基于测角和基于测距两种技术，基于测角需要天线的方向感知灵敏才能达到定位精度，天线复杂且成本高，因此一般都采用基于测距的方法。 \n[0062] 三维空间中要通过距离来对目标进行定位，需要至少4个阅读器才能解出唯一的坐标值，由于，距离的测量总存在误差，因此不采用直接解方程组，而采用梯度下降法来逐渐逼近目标的坐标值。其原理是，首先在定位区域内选定一个初始的坐标，然后分别计算量每一个读写器与初始的坐标点间的距离，然后不断调整选定的坐标值，通过迭代的方法逐渐使得坐标距离各个读写器的距离逼近实际测得的距离。采用梯度下降法的位置感知过程 [0063] 即本方法中的步骤3、步骤4可根据需要多次循环使用。 \n[0064] 测距方法的选择 \n[0065] RFID测距的技术主要有基于到达信号强度(RSSI)，信号到达时间(TOA)，信号到达时间差(TDOA)，信号到达相位差(PDOA)等方法。 \n[0066] RSSI受传播环境等影响较大，精度低；室内定位传播距离较短TOA和TDOA对硬件要求太高，因此难于实现；由于阅读器向标签发送信号的过程中，载波给标签充电，同时标签通过反向散射方式将载波反射回去，阅读器根据标签反向散射的信号载波与发送信号载波的相位相比较得到一个相位差，根据相位差就可以得到距离信息，即使在较复杂的传播环境中，只要能够读取到标签都能够得到较高的测距精度，因此采用PDOA方法对标签进行测距较适合室内环境的测距。 \n[0067] 假设读写器发送出的信号为s(t)，在不考虑标签调制和噪声影响的情况下，读写器接收到的标签反射回来的信号可以写为： \n[0068] \n[0069] 其中ρ与传播距离相关的幅度， 是接收到的信号的相位。于是，标签与阅读器之间的距离可以表示为： \n[0070] \n[0071] 由于本系统选用UHF的频段是900MHz左右，波长大约是33cm左右，而对于室内的定位环境，一般是几米到几十米，因此，相位 存在2nπ的相位模糊，从而导致测距不准确，采用双频率可以消除相位模糊。 \n[0072] 假没，读写器分别以2个频率f1和f2发送信号，对应的标签反射回来的信号的相位分别为 和 如果这2个相位产生的相位模糊的周期一样，将这2个相位相减就可以消除式(2)的相位模糊问题，于是可得： \n[0073] \n[0074] 从而得到距离d的值为： \n[0075] 综上所述，采用双频率PDOA测距可以在一定范围内有效的消除相位模糊的问题，只要根据需要测量的最大距离选定相应的频率差，就可以在无相位模糊的情况下较准确测量标签与阅读器之间的距离。 \n[0076] PDOA测距的误差分析 \n[0077] 在式(4)中，当 的取最大值2π时，距离和最大不模糊频率差的关系如图6所不。 \n[0078] 由图6可知，待测量的距离越大，最大不模糊的频率差就越小，通常选定频率差的方法是，根据需要位置感知环境的最大需要测距的距离来确定一个最大频率差。例如，如果位置感知环境中需要测量的最大距离是15m，由式(4)可以得最大不模糊频率为10MHz。 [0079] 系统获取的相位总存在一定的误差，假如系统获取的相位的误差为 那么，由(4)式得最终测距的误差为： \n[0080] 由式(5)可以得知，当 的值一定，测距的误差和测距时选定的频率差成反比例关系。但由于实际不知道标签和读写器之间的距离，如果按照位置感知环境的最大需要测量的距离来选择频率，则选择的频率差会较小，从而导致最终的误差较大。 [0081] 这样，在待测量距离较小的时候，使得相对误差较大。假设实际待测距离为d0，则相对误差表示为： \n[0082] \n[0083] 由式(6)知，当实际距离较小时，得到距离的相对误差就会较大。 [0084] 因此，如果能按照图6中的距离和频率差的关系来选择频率差，就可以减小相对误差，即，在测量距离较小时，选定较大的频率差，即式(6)中的Δf较大，相对误差也较小。 [0085] 由式(5)和(6)可知，在相同的相位检测误差的条件下，减小测距所用的频率差可以同时减小绝对误差和相对误差。由图6可知，不同的距离都对应一个最大频率差，因此，可以根据距离范围的不同采用动态频率差来进行测距，关键就在于这个距离范围的获取。\n另一方面，在PDOA测距中，直接选择位置感知需要的最大测距距离对应的频率差Δfm只是误差较大，故可以先用Δfm进行测量获得一个距离d0，然后根据获得的d0可以由式(4)中令 得到一个新的频率差为： \n[0086] \n[0087] 式(7)中，由于用Δfm估算的距离会有误差，为了保证所得到的频率差不引起相位模糊，需要在预测量的距离上加上一个最大误差Ed max。Min的意思是取最小的意思，因为dmax是位置感知环境中需要测距的最大距离，由于事先限定了位置感知环境中的最大测距距离，因此，如果d0+Edmax的值超过了dmax时，应该直接取dmax的值。 \n[0088] 然后根据式(7)得到的频率差再一次对距离进行测量，在整个位置感知环境中，根据标签的位置范围的不同，由预估算法来动态的改变实际测距的频率差，频率差的值在整个感知环境中是动态的改变的，这就是动态频率差测距法的原理。 \n[0089] 由于本系统的位置感知算法采用了梯度下降法，只要标签与读写器之间的距离的误差不大，位置感知的精度就比较高，因此，标签与阅读器之间的距离的测量的准确性决定了系统的定位性能。下面对本系统的测距误差进行分析。 \n[0090] 假设PDOA测距的中相位获取的最大绝对误差 由动态频率差测距原理以及式(4)～(7)可得采用了动态频率差和没有采用动态频率差2种方法测距的绝对误差和相对误差分别如图7和图8所示。 \n[0091] 从图7中可以得知，使用了动态频率差测距方法的产生的绝对误差总是比不使用动态频率差测距方法的产生的绝对误差要小，只有在距离接近最大测距距离时才和不使用动态频率差的方法的绝对误差逐渐接近。而且从图8可以得知，在距离较小的时候，没有使用动态频率差测距方法的相对误差误差很大，最大可达90％，而使用了动态频率差测距方法的相对误差则在一个不超过5％的一个较小的范围内，而且随着测距距离的增大，很快降低。由此可见，本文提出的动态频率差测距的方法可以有效的减小测距中的误差，提高系统位置感知的精度。