利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方法，属于工业物联网应用领域。系统包括定位系统计算机、三套冗余的射频识别读写器和天线、以及射频识别电子标签。定位系统计算机和读写器及天线安装在移动设备上，射频识别电子标签在需要定位的区域内沿轨道等间隔铺设。定位系统计算机周期性采集三套射频识别读写器读取的电子标签信息，对返回的冗余电子标签数据即对应位置信息进行数据处理，从而得到移动设备的位置。本发明不仅能够一定程度地提高射频识别定位精度，由于采用冗余的读写器配置，还可以有效提高工业恶劣现场环境中的射频识别定位系统的可靠性，因此适用于钢铁企业桥式起重机的定位。
【专利说明】利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方法，属于工 业物联网应用领域。
【背景技术】
[0002] 射频识别定位通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，是一种非接触式 的自动识别技术。采用射频识别技术可以实现轨道移动设备的位置检测，例如，对钢铁企业 桥式起重机，在大车和小车移动轨道边铺设射频识别电子标签，在大车和小车上配置射频 识别读写器，当大车或小车移动时，读写器识别电子标签，通过电子标签与实际位置的映射 关系，可以实现桥式起重机在平面上的定位。由于射频识别技术具有工况适应性好、地址检 测可靠等优点，因此特别适用于钢厂恶劣生产环境下的轨道移动设备位置跟踪。
[0003] 轨道移动设备射频识别定位属于离散式位置检测，位置检测精度主要取决于轨道 上相邻电子标签的间隔，当配置电子标签使得读写器在任意时刻只能获得唯一的电子标签 信息时，则读写器处于电子标签对应位置的某个区域内。由于射频识别技术自身特性，通过 减小标签间隔难以使定位精度无限制增加。这是由于影响射频识别定位性能的因素包括读 写器天线功率、读写器天线与标签之间的距离、以及环境干扰等多种因素。当读写器天线与 标签距离一定时，定位精度与读写器天线功率之间有一定的约束，即当相邻电子标签的间 隔小于一定距离时，通过调节天线功率就无法再区分相邻标签，这时读写器会同时识别到 相邻的两个或多个电子标签，从而无法得到确定的位置映射，加大了定位偏差。
[0004] 对于有源电子标签，人们提出了多种提高定位精度的方法，比如通过获取电子标 签反馈的射频信号强度，根据信号强度衰减与读写器之间距离的关系，采用拟合算法得到 读写器与标签之间的距离，进而提高定位精度。对于无源电子标签，由于射频传输协议中不 具备这种信号传输协议，这些方法无法适用。为满足定位精度要求，一般在应用中综合考虑 成本和精度要求来配置电子标签。而当配置一定，或者在给定环境下，通过配置标签无法进 一步满足应用需求时，必须考虑新的技术手段提高定位精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方 法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0007] 利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统，包括定位系统计算机、三套冗 余的射频识别读写器和天线以及射频识别电子标签。定位系统计算机和读写器及天线安装 在移动设备上。读写器与各自天线相连，读写器与各自天线通过电缆相连，天线极化方向和 安装方向与电子标签安装相适应,确保天线能够感应电子标签。定位系统计算机具有与射 频识别读写器相匹配的通信接口，与三套冗余的射频识别读写器相连进行数据通信，采集 射频识别读写器读取的电子标签序列号数据。
[0008] 为了保证系统长期可靠运行，所选择的射频识别电子标签为无源电子标签。在需 要定位的轨道区域内，将射频识别电子标签沿着轨道等间隔铺设，间隔由定位精度要求选 择，记相邻电子标签间隔为r。电子标签铺设在读写器天线的近场区域内，并使读写器在任 意时刻总是对与其相邻最近的电子标签有最大读取率，即重复成功读取的次数最大。以定 位起点为基准，建立序号、电子标签序列号以及实际轨道位置的映射关系表，第η个电子标 签对应的轨道位置为nr。
[0009] 为了提高轨道移动设备位置检测精度，三套冗余的射频识别读写器的天线沿轨道 正向顺序地安装在移动设备上，天线处于沿轨道方向的同一个平面内。以读写器1的天线 位置为基准，沿着轨道正向方向，读写器2的天线与其间隔为（1^+1/3)1%读写器3的天线 与其间隔为（n 2+2/3)r，其中叫為为整数，且η2>ηι。
[0010] 用上述利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统进行轨道移动设备定位 的方法包括如下步骤：
[0011] A、定位系统计算机查询数据采集周期是否已到，若已到，则向冗余读写器发出数 据采集指令,读写器返回各自读取的电子标签的序列号。若采样周期未到，则等待；
[0012] B、定位系统计算机查找映射表，根据电子标签序列号获取电子标签在映射表中的 序号，然后对数据的合理性进行分析，保留合理的电子标签序号及对应的读写器编号；
[0013] C、如果三台读写器返回数据均合理，则以读写器1为位置检测点，记读写器1读取 到的标签为第η个标签：
[0014] 如果读写器2读取的标签为η+ηι，读写器3读取到的标签为η+η2，则读写器1的位 置区域为（n-l/2，n-l/6)r ;
[0015] 如果读写器2读取的标签为η+ηι，读写器3读取到的标签为n+n2+l，则读写器1的 位置区域为（n-l/6，n+l/6)r;
[0016] 如果读写器2读取的标签为η+ηι+1，读写器3读取到的标签为n2，则读写器1的位 置区域为（n+1/6, n+l/2)r。
[0017] D、如果三台读写器返回数据中有两台数据是合理的，或者只有两台读写器返回数 据且是合理的，则以序号较小的读写器为位置检测点，记其读取到的标签为第η个标签， 如果两台读写器相邻，当序号较大读写器读取到的标签为 ηι或η2时，检测点位置区域为 (n-l/2，n+l/6)r，当序号较大读写器读取到的标签为 ηι+?或化+丄时，检测点位置区域为 (n+1/6, n+l/2)r ;如果两台读写器相隔，当序号较大读写器读取到的标签为ηι或％，则检测 点位置区域为（n-1/2, n+1/6)!·，当序号较大读写器读取到的标签为ηι+1或n2+i时，则检测 点位置区域为（n+1/6, n+l/2)r;
[0018] E、如果只有一台读写器返回数据，以该读写器为位置检测点，检测点位置区域为 (n-l/2,n+l/2)r ；
[0019] F、如果三台读写器返回数据但均不合理，或只有两台读写器返回数据且不合理， 首先根据各读写器返回的数据计算移动设备位置，记读写器读取到的标签为第η个标签， 读写器位置区域为（n-l/2，n+l/2)r，以此计算相应的移动设备位置，对求取的移动设备位 置求和，然后根据读写器数量求平均值，得到最终移动设备位置。
[0020] G、计算移动设备位置。返回到步骤A。
[0021]上述步骤A中，为保证从冗余读写器获取的电子标签信息即对应位置具有同步 性，定位系统计算机应同步向读写器发送数据采集指令，读写器返回各自读取的电子标签 序列号。
[0022] 上述步骤B中，电子标签数据的合理性根据读写器的位置相关性进行判断，如果 记第1台读写器读取的电子标签序号为Π ，则第2台和第3台读写器读取的电子标签序号合 理范围分别为η+ηι±1和n+n2±l，三台或任意两台读写器数据满足该约束，则认为满足约 束的数据是合理的。
[0023] 上述移动设备位置一般选择沿轨道平行方向的移动设备几何中心点进行描述，用 几何中心点所处轨道的位置代替移动设备的位置，即几何中心点到轨道定位起点的距离， 记各读写器到几何中心点的偏差分别为屯i = 1，2, 3。移动设备的位置等于位置检测点的 位置加上检测点到几何中心点的距离，位置检测点的位置取其位置区域的中心点代替。如 果位置检测点沿轨道正向偏离几何中心点，距离为正，反之为负。
[0024] 上述轨道正向由电子标签序列号与实际轨道位置关系映射表确定，映射表中第一 个电子标签对应定位系统起点，最后一个电子标签对应定位系统终点。若读写器2或3读 取的电子标签在映射表中的序号比读写器1读取的电子标签大，则移动设备沿轨道正向运 动，反之沿轨道反向运动。
[0025] 本发明未特别说明的技术均为现有技术。
[0026]本发明利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统及方法目的是提高射频 识别定位精度。射频识别定位属于非接触式定位，因此特别适用于恶劣环境下的轨道移动 设备定位，但由于该方法是离散式绝对位置检测，且获得的位置为一个区域范围，当定位精 度要求较高时，增加电子标签密度难以有效解决问题。本方法通过配置冗余读写器，并对冗 余数据进行处理，能够一定程度地提高定位精度。另一方面，冗余配置可以提高工业现场恶 劣环境下的定位系统可靠性，只要冗余读写器中有一台能够正常工作，即可实现移动设备 的定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明提供的利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统示意图。 [0028]图2是本发明利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位方法流程图。
【具体实施方式】
[0029]为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的 内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0030] 实施例1
[0031] 如图1所示的利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统，包括定位系统计 算机2、三套冗余的射频识别读写器3和天线4、以及若干射频识别电子标签5。定位系统计 算机和读与器及天线安装在移动设备1上。读写器与各自天线通过电缆相连，定位系统计 算机具有与射频识别读写器相匹配的通信接口，与三套冗余的射频识别读写器相连进行数 据通信，采集射频识别读写器读取的电子标签序列号数据。
[0032] 在需要定位的轨道区域内，将无源射频识别电子标签沿着轨道6等间隔铺设，间 隔由定位精度要求决定，记相邻电子标签间隔为r == 30cm。电子标签铺设在读写器天线的 近场区域内，与天线间距为20cm，使读写器在任意时刻总是对与其相邻最近的电子标签有 最大读取率，即重复成功读取的次数最大。以定位起点为基准，建立序号、电子标签序列号 以及实际轨道位置的映射关系表如表1所示，第η个电子标签对应的轨道位置为30*ncm。
【权利要求】
1. 一种利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统，其特征在于：系统包括定位 系统计算机、三套冗余的射频识别读写器及其天线、以及若干射频识别电子标签；其中，定 位系统计算机、读写器及其天线安装在移动设备上，每台读写器与其天线通过电缆相连，天 线极化方向和安装方向与电子标签安装相适应，确保天线能够感应电子标签；定位系统计 算机具有与射频识别读写器相匹配的通信接口，与三套冗余的射频识别读写器相连进行数 据通信，采集射频识别读写器读取的电子标签数据。
2. 根据权利要求1所述的利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统，其特征在 于：所述的射频识别电子标签为无源电子标签，在需要定位的轨道区域内，将电子标签沿着 轨道距离为r等间隔铺设，间隔根据定位精度选择，电子标签铺设在读写器天线的近场区 域内，以定位起点为基准，建立序号、电子标签序列号以及实际轨道位置的映射关系表，第η 个电子标签对应的轨道位置为nr。
3. 根据权利要求2所述的利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统，其特征在 于：所述的三套冗余的射频识别读写器的天线沿轨道正向顺序地安装在移动设备上，天线 处于沿轨道方向的同一个平面内；三套冗余的射频识别读写器分别为读写器1、读写器2和 读写器3,以读写器1的天线位置为基准，沿着轨道正向方向，读写器2的天线与其间隔为 ( ni+l/3)r，读写器3的天线与其间隔为（n2+2/3)r，其中ηι、η 2为整数，且η2>ηι。
4. 一种用权利要求3所述的利用数据冗余的轨道移动设备射频识别定位系统进行轨 道移动设备定位的方法，其特征在于：包括如下步骤： A、 定位系统计算机查询数据采集周期是否已到，若已到，向冗余读写器发出数据采集 指令，读写器返回各自读取的电子标签的序列号；若采样周期未到，则等待； B、 定位系统计算机查找映射表，根据电子标签序列号获取电子标签在映射表中的序 号，然后对数据的合理性进行分析，保留合理的电子标签序号及对应的读写器编号； C、 如果三台读写器返回数据均合理，则以读写器1为位置检测点，记读写器1读取到的 标签为第η个标签： 如果读写器2读取的标签为η+ηι，读写器3读取到的标签为η+η2，则读写器1的位置区 域为（n-1/2, n-l/6)r ; 如果读写器2读取的标签为η+ηι，读写器3读取到的标签为n+n2+l，则读写器1的位置 区域为（n-l/6，n+l/6)r; 如果读写器2读取的标签为η+ηι+1，读写器3读取到的标签为n2，则读写器1的位置区 域为（n+1/6, n+l/2)r ; D、 如果三台读写器返回数据中有两台数据是合理的，或者只有两台读写器返回数据 且是合理的，则以序号较小的读写器为位置检测点，记其读取到的标签为第η个标签，如 果两台读写器相邻，当序号较大读写器读取到的标签为 ηι或％时，检测点位置区域为 (n-l/2，n+l/6)r，当序号较大读写器读取到的标签为ηι+1*η 2+1时，检测点位置区域为 (n+l/6，n+l/2)r ;如果两台读写器相隔，当序号较大读写器读取到的标签为^或％，则检测 点位置区域为（n-1/2, n+l/6)r，当序号较大读写器读取到的标签为ηι+1*η2+1时，则检测 点位置区域为（n+1/6, n+l/2)r; E、 如果只有一台读写器返回数据，以该读写器为位置检测点，记读写器读取到的标签 为第η个标签，检测点位置区域为（n-1/2, n+l/2)r ; F、 如果三台读写器返回数据但均不合理，或只有两台读写器返回数据且不合理，首先 根据各读写器返回的数据计算移动设备位置，记读写器读取到的标签为第η个标签，读写 器位置区域为（η-1/2, η+1/2) 1，以此计算相应的移动设备位置，对求取的移动设备位置求 和，然后根据读写器数量求平均值，得到最终移动设备位置； G、 计算移动设备位置，移动设备位置等于移动设备位置区域的中心点，返回到步骤Α。
5. 根据权利4所述的进行轨道移动设备定位的方法，在步骤Α中，为保证从冗余读写器 获取的电子标签信息即位置信息具有同步性，定位系统计算机同步向读写器发送数据采集 指令。
6. 根据权利4所述的进行轨道移动设备定位的方法，在步骤B中，电子标签数据的合理 性根据读写器的位置相关性进行判断，如果记第1台读写器读取的电子标签序号为n，则第 2台和第3台读写器读取的电子标签序号合理范围分别为η+ ηι±1和n+n2±l，如果三台或 任意两台读写器数据符合相关约束关系，则认为满足约束的数据是合理的。
7. 根据权利4所述的进行轨道移动设备定位的方法，移动设备位置选择沿轨道平行 方向的移动设备几何中心点进行描述，用几何中心点所处轨道的位置代替移动设备的位 置，即几何中心点到轨道定位起点的距离，记各读写器到几何中心点的偏差分别为屯，i = 1，2, 3,移动设备的位置等于位置检测点的位置加上检测点到几何中心点的距离，如果位置 检测点沿轨道正向偏离几何中心点，距离为正，反之为负。
8. 根据权利4所述的进行轨道移动设备定位的方法，轨道正向由电子标签序列号与实 际轨道位置关系映射表确定，映射表中第一个电子标签对应定位系统起点，最后一个电子 标签对应定位系统终点；若读写器2或3读取的电子标签在映射表中的序号比读写器1读 取的电子标签大，则移动设备沿轨道正向运动，反之沿轨道反向运动。
【文档编号】G06K7/00GK104268491SQ201410477994
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】方仕雄, 钱王平, 李奇, 邓多洪 申请人:东南大学