CN103605126B

CN103605126B - 一种射频识别测速方法及装置

Info

Publication number: CN103605126B
Application number: CN201310597260.7A
Authority: CN
Inventors: 彭天柱; 杨国; 王金龙
Original assignee: ZTE Intelligent IoT Technology Co Ltd
Current assignee: ZTE Intelligent IoT Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: CN103605126A

Abstract

本发明实施例提供了一种射频识别测速方法及装置，高精度，计算方法简单，有很好的环境适应性。该射频识别测速方法包括：获取样本标签的回波信号的信号强度值，并根据获取到的信号强度值，建立所述样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系的样本数据库；识别待测车辆所载的标签的回波信号，确定所述待测车辆所载标签回波信号强度与所述样本数据库中的信号强度值最接近的值，并据此估计所述待测车辆与天线的水平距离；根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置；根据所述待测车辆一定时间间隔内位置的变化，计算出所述待测车辆的运动速度。

Description

一种射频识别测速方法及装置

技术领域

本发明涉及车辆测速技术领域，具体涉及一种射频识别测速方法及装置。

背景技术

射频识别定位技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)，是一种通过无线电信号识别待定目标标签并读写相关数据的技术。RFID技术利用射频方式进行双向通信以达到交换数据、识别标签的目的，不需要识别系统与识别标签之间建立机械或者光学接触等特性，环境适应能力强，有着巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一。RFID技术具有系统构建简单、灵活性强、便于扩展、实用性能优越、成本低等优越特点。目前，RFID被广泛应用于超市物品管理，图书馆管理，仓储管理，交通运输控制管理，工业自动化，商业自动化，动物跟踪和管理，防伪甚至军事等众多领域。同样，也可以利用RFID技术对自由流进行定位、测速。

在定位方法方面，主要的方法有AOA(到达角度)，RSSI(接收信号强度)，TOA(到达时间)、TDOA(到达时差)和混合定位方法等。

现有的基于RFID的自由流定位、测速技术主要有基于多普勒频移的定位、测速方法、以及在定位、测速轨道上布置RFID参考标签以用于对轨道车辆进行定位、测速。多普勒频移法能够获得较高的测速精度，是一种比较好的自由流定位、测速方法。但是其定位精度不高，且计算多普勒频移步骤过于复杂，信号接收系统硬件复杂，成本过高。现有的在定位测速道路上布置RFID参考标签的方法，通过参考标签进行测速，这种方法需要布置大量的参考标签，且只适用于轨道车辆。

RSSI定位方法是一种利用信号传播的强度特性进行定位的技术，定位方法简单，对定位系统定位设备的要求也较低，更适合用于RFID自由流定位、测速。然而在使用RSSI对自由流进行定位、测速时，车道周围的复杂环境会对信号的传播产生严重的干扰，非视距（NLOS）传输效应、多径传播效应、信号强度衰减规律等因素都会影响定位精度。因此提出一种低成本，且能很好的适应道路环境并有效地消除环境因素对定位、测速的影响从而对自由流进行实时测速及定位的方法就具有重要的现实意义。

发明内容

本发明实施例提供了一种射频识别测速方法及装置，高精度，计算方法简单，具有很好的环境适应性。

本发明实施例提供了一种射频识别测速方法，包括：获取样本标签的回波信号的信号强度值，并根据获取到的信号强度值，建立所述样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系的样本数据库；识别待测车辆所载的标签的回波信号，确定所述待测车辆所载标签回波信号强度与所述样本数据库中的信号强度值最接近的值，并据此估计所述待测车辆与天线的水平距离；根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置；根据所述待测车辆一定时间间隔内位置的变化，计算出所述待测车辆的运动速度。

其中，建立所述样本数据库，包括：

对从每个车道上样本标签多次获取的信号强度值取平均，并结合所述样本标签与所述天线的水平距离建立初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系数据库。

其中，建立所述样本数据库，进一步包括：

对多个初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系数据库选取均值，并以小于原来样本标签间距的距离间隔建立最终的样本数据库。

其中，对所述多个初步的样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值对应关系的变化趋势取均值后采用线性插值法或多项式拟合方法进行处理。

其中，所述对所述多个初步的样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值对应关系的变化趋势取均值后采用多项式拟合方法进行处理包括：

建立样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值多项式模型p_r(d)＝a_n+1dⁿ+a_nd^n-1+…+a₂d+a₁，其中n为样本标签的数量值，a_i通过样本标签实际测量的平均接收信号强度值确定，d为样本标签与天线之间的水平距离，p_r(d)为距天线水平距离d处的平均接收信号强度值;

将所述多项式模型转换成矩阵形式为：

[\begin{matrix} d_{1}^{n} & d_{1}^{n - 1} & \cdot \cdot \cdot & d_{1} & 1 \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N}^{n} & d_{N}^{n - 1} & \cdot \cdot \cdot & d_{N} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{n + 1} \\ a_{n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ a_{2} \\ a_{1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} p_{r} (d_{1}) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ p_{r} (d_{N}) \end{matrix}] &DoubleRightArrow; Aθ = P;

将解出的多项式系数θ＝(A^TA)^-1A^TP代入所述多项式模型得到p_r(d)的拟合曲线。

其中，所述识别待测车辆所载的标签的回波信号之后，所述确定所述待测车辆所载标签回波信号强度与所述样本数据库中的信号强度值最接近的值之前，进一步包括：对所述天线接收到的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值采用多项式拟合方法进行平滑处理。

其中，所述对所述天线接收到的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值采用多项式拟合方法进行平滑处理之后，进一步包括：对所述经过平滑处理后的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值的最高点归一化为所述样本数据库中的信号强度值最高点。

本发明实施例还提供一种射频识别测速装置，包括：数据获取模块、样本数据库建立模块、存储模块、对比模块及数据处理模块，所述模块依次连接；

数据获取模块，用于获取样本标签及待测标签的回波信号；

样本数据库建立模块，用于根据获取的样本标签的回波信号强度值及样本标签与天线的水平距离建立样本数据库；

存储模块，用于存储所述样本数据库；

对比模块，用于将数据获取模块获取的待测车辆所载待测标签的回波信号强度值与样本数据库进行对比，确定待测车辆与天线的水平距离；

定位模块，用于根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置；

数据处理模块，用于根据所述定位模块确定的待测车辆两相邻时刻的位置计算待测车辆的运动速度。

本发明实施例提供的一种射频识别测速方法及装置，通过建立样本标签与天线间的水平距离和信号强度值对应关系的数据库，对待测车辆所载标签的回波信号进行识别、跟踪，读取标签回波信号的信号强度值并与样本数据库中信号强度值比较来估计距离及测速。该方法是一种高精度，计算方法简单，易于实现的自由流定位、测速方法，有很好的环境适应性。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的射频识别测速系统的结构示意图。

图2所示为本发明一示例提供的天线的方向图。

图3所示为本发明实施例提供的一种射频识别测速方法的流程示意图。

图4所示为本发明一示例提供的接收信号强度测量样本均值曲线及接收信号强度值拟合曲线。

图5所示为本发明具体示例提供的待测车辆所载标签与天线的水平距离的估计值与真实值的比较图，以及待测车辆所载标签的定位误差曲线图。

图6所示为本发明具体示例提供的待测车辆所载标签的真实速度与估计速度的比较图，以及待测车辆所载标签的测速误差曲线图。

图7所示为本发明实施例提供的一种射频识别测速装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明实施例提供的射频识别测速系统的结构示意图。如图1所示，在车道上方的龙骨架上安放阅读器111并在每个车道正上方布置极化定向天线112。根据天线112的方向图以及待测车辆113的位置，调整天线112的位置，使天线的主瓣方向指向待测车辆113所在车道的同一侧。图2所示为本发明一示例中天线的方向图。在待测车辆113所在车道上距天线112一定的水平距离上还布置多个样本标签114（图中示出四个），该样本标签114设置在同待测车辆113相同的型号的车辆中。根据实际情况的需要，该多个样本标签114既可以以固定步进布置，也可以以不固定步进进行布置。阅读器111通过读取样本标签114与天线112之间反馈信号强度以及水平距离的关系，建立样本数据库。待测车辆113上还设置有待测标签115，阅读器111通过读取待测标签115与天线112之间反馈信号强度，利用本发明后续实施例描述的方法来估计待测车辆113的位置及运动速度。

图3所示为本发明实施例提供的一种射频识别测速方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括：

步骤100：获取样本标签的回波信号的信号强度值，并根据获取到的信号强度值，建立样本标签与天线的水平距离和信号强度值（RSSI）对应关系的样本数据库。

每个天线会获取各自车道上的样本标签的回波信号，由于各个样本标签与天线间的距离的不同，天线接收到的各个样本标签的回波信号强度也不同，首先获取并记录每个车道上方天线接收到的各个样本标签的回波信号的强度值，然后将多次测量值取平均值结合样本标签与天线的水平距离建立初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系曲线。在本发明一实施例中，还可以对该关系曲线进行进一步处理，以更小的距离间隔建立最终的样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系的样本数据库。

在建立样本标签与天线水平距离和信号强度值的对应关系数据库的同时，可绘制样本标签与天线水平距离和信号强度值对应关系曲线图，使测试结果更加直观，便于数值处理。

由于射频识别有效距离的限制，随着标签与天线的距离的增加，天线接收到的标签回波信号的信号强度值会逐渐减小，在某一临界值距离之后，即使距离发生很大变化，天线接收到的回波信号的信号强度值变化也很微小，不利于距离估计，因此在后续的信号识别及待测车辆距离估计中，将舍弃这部分。

步骤200：识别待测车辆所载的标签的回波信号，确定该回波信号的信号强度值与样本数据库中的信号强度值最接近的值，并据此估计待测车辆与天线的水平距离。

根据待测车辆所载的标签的编码信息识别该标签的回波信号，并记录天线所接收的该标签的回波信号的信号强度值，在测速过程中只对该标签的回波信号进行分析处理，排除其他标签回波信号的干扰。

由于天线的方向指向，天线两端同时接收回波信号，使天线接收到的信号强度值并非与样本标签与天线的水平距离一一对应，同一个天线测量同一个待测车辆所载的标签会产生两个不同的估计距离。

步骤300：根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置。

由步骤200可知，同一个天线测量同一个待测车辆所载的标签会产生两个不同的估计距离，这时，需要根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置，即待测车辆距离天线的实际水平距离。

步骤400：根据待测车辆一定时间间隔内位置的变化，计算出该待测车辆的运动速度。

当利用步骤200和300计算出待测车辆在某一时间的位置后，重复步骤200和300计算出一定时间间隔后该待测车辆的位置，两时刻距离之差即为待测车辆在该时间间隔内移动的水平距离，该时间间隔内移动的水平距离与该时间间隔之商即为该待测车辆在该时间段内的平均速度。如果该时间间隔很小，则认为该平均速度为待测车辆的瞬时运动速度。

本发明一实施例中，通过对建立的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系数据库进行线性插值或者多项式拟合方法处理，建立最终的更小距离间隔的样本数据库，以获得更加细致准确的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系。

当多个初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系曲线的变化趋势基本相同时，可以采用线性插值法进行处理。

当多个初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系曲线的变化趋势不完全一致时，可以采用多项式拟合方法进行处理。

下面以多项式拟合方法为例进行说明建立关系曲线的过程。首先建立样本标签与天线的水平距离和信号强度值多项式模型为：

p_r(d)＝a_n+1dⁿ+a_nd^n-1+…+a₂d+a₁

其中n为样本标签的数量值，a_i可以通过样本标签实际测量的平均接收信号强度值确定。d为样本标签与天线之间的水平距离，p_r(d)为距天线水平距离d处的平均接收信号强度值。

将上述多项式模型转换成矩阵形式为：

[\begin{matrix} d_{1}^{n} & d_{1}^{n - 1} & \cdot \cdot \cdot & d_{1} & 1 \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N}^{n} & d_{N}^{n - 1} & \cdot \cdot \cdot & d_{N} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{n + 1} \\ a_{n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ a_{2} \\ a_{1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} p_{r} (d_{1}) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ p_{r} (d_{N}) \end{matrix}] &DoubleRightArrow; Aθ = P,

求解出多项式系数为：

θ＝(A^TA)^-1A^TP，

然后，将θ代入多项式模型得到p_r(d)的拟合曲线，得到最终的关系样本数据库。

由于不同的车辆型号不同，当样本标签放在不同的车辆型号时，得到的样本数据库的曲线也会不同。在本发明一实施例中，为了获得更精确的样本数据库，将样本标签放置于至少两种不同型号的车辆上，在与天线一定水平距离处的定点上进行多次测量，并利用多项式拟合方法获得最终的关系曲线。其中图4为以将样本标签置于三种不同型号车辆的信号强度测量样本均值曲线及接收信号强度值拟合曲线。

从图4可以看出，因车辆的差异，三组初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系曲线不完全一致，都有偏差，且有些距离点上偏差较大。因此采用多项式拟合的方法进行处理，以每组11个样本标签为例计算得到θ，

θ＝[-0.000820.04224-0.9215011.06510-79.22234340.40560

-824.27242907.76303-146.55774182.7281830.60253]^T

利用θ可得到p_r(d)，再以0.05m的间隔进行距离取样进而可得到相对应的信号强度样本值，从而建立标签与天线水平距离和信号强度值对应关系数据库，即信号强度值拟合曲线，如图6所示。从图中可看出，模型较好的将三次测试曲线拟合起来。值得注意的是在距天线[4575]m的范围内接收信号强度值的变化值不大，接收信号强度值的微小变化都可能引起距离估计大的偏差，因此在后续测速过程中，将舍弃这部分，只采用距天线[-2545]m区间的信号强度值样本数据库进行距离估计。

本发明一实施例中，对于上述步骤200中“识别待测车辆所载的标签的回波信号”时，对记录的回波信号强度值采用多项式拟合方法进行平滑处理，以消除在信号强度数据测量过程中，一些偶然的因素带来的测量误差的影响。

由于在测试过程中车型的不同，车辆对所载标签回波信号的衰减也不一样，在同一个测量点不同的车辆所载的标签回波信号的信号强度也不尽相同。在本发明一实施例中，将经过平滑处理后的测试数据的最高点归一化为最终的样本标签与天线水平距离和信号强度值对应关系的数据库中的信号强度值最高点，有效消除车型不同对接收信号强度值的影响。

在本发明一实施例中，对于上述步骤300中“根据待测车辆的运动方向以及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系确定待测车辆的位置”时，如果待测车辆从车道向x轴负方向行驶，则待测车辆这一时刻的估计位置一定在上一时刻估计位置的左方，则可根据这一时刻待测车辆的估计位置确定上一时刻的正确位置，同时确定待测车辆这一刻的估计位置。

在本发明一具体示例中，叉车从天线右方距天线44m处向x负半轴匀加速运动，初速度为1m/s、加速度为2.5m/s。5秒内，每隔0.1秒测量一次。图5为待测车辆所载标签与天线间的水平距离的估计值与真实值的比较图，以及待测车辆所载标签的定位误差曲线图。图6为待测车辆所载标签的真实速度与估计速度的比较图，以及待测车辆所载标签的测速误差曲线图。从图5、图6可以看出，采用本发明提供的方法可以有效解决复杂的车道环境对测距及测速产生的严重影响，可对载有标签的车辆进行精确的测速。

本发明实施例还提供一种射频识别测速装置，如图7所示，该装置包括：数据获取模块701、样本数据库建立模块702、存储模块703、对比模块704、定位模块705及数据处理模块706。

数据获取模块701用于获取样本标签及待测标签的回波信号，样本数据库建立模块702根据获取的样本标签的回波信号强度值并结合样本标签与天线的水平距离建立样本数据库，并将该样本数据库存储在存储模块703中，对比模块704将数据获取模块701获取的待测车辆所载标签的回波信号强度值与样本数据库进行对比，确定待测车辆与天线的水平距离，定位模块705根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系确定待测车辆的位置，数据处理模块706根据待测车辆两相邻时刻的位置计算得到待测车辆的运动速度。

本发明实施例提供的一种射频识别测速装置通过将获取的待测车辆所载标签的回波信号强度值与建立的样本数据库进行对比处理，能得到高精确度的待测速车辆的运动速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频识别测速方法，其特征在于，包括：

获取多个样本标签的回波信号的信号强度值，所述多个样本标签放置于至少两种不同型号的车辆上，并根据获取到的信号强度值，建立所述多个样本标签与天线的水平距离和信号强度值对应关系的样本数据库，其中对从每个车道上的所述多个样本标签中的各个样本标签多次获取的信号强度值取平均，并结合所述多个样本标签与所述天线的水平距离建立初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系数据库，并且对所述多个初步的样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值对应关系的变化趋势取均值后采用多项式拟合方法进行处理，建立最终的样本数据库，其中在每个车道上方布置极化定向天线，并且每个天线获取各自车道上的样本标签的回波信号；

识别待测车辆所载的标签的回波信号，确定所述待测车辆所载标签回波信号强度与所述最终的样本数据库中的信号强度值最接近的值，并据此估计所述待测车辆与天线的水平距离；

根据待测车辆的运动方向及两相邻测量时刻待测车辆的相对位置关系来确定待测车辆的位置；

根据所述待测车辆一定时间间隔内位置的变化，计算出所述待测车辆的运动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多个初步的样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值对应关系的变化趋势取均值后采用多项式拟合方法进行处理，包括：

建立样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值多项式模型p_r(d)＝a_n+1dⁿ+a_nd^n-1+…+a₂d+a₁，其中n为样本标签的数量值，a_i通过样本标签实际测量的平均接收信号强度值确定，d为样本标签与天线之间的水平距离，p_r(d)为距天线水平距离d处的平均接收信号强度值；

将所述多项式模型转换成矩阵形式为：

[\begin{matrix} d_{1}^{n} & d_{1}^{n - 1} & ... & d_{1} & 1 \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N}^{n} & d_{N}^{n - 1} & ... & d_{N} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{n + 1} \\ a_{n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ a_{2} \\ a_{1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} p_{r} (d_{1}) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ p_{r} (d_{N}) \end{matrix}] &DoubleRightArrow; A θ = P;

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述识别待测车辆所载的标签的回波信号之后，所述确定所述待测车辆所载标签回波信号强度与所述最终的样本数据库中的信号强度值最接近的值之前，进一步包括：对所述天线接收到的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值采用多项式拟合方法进行平滑处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述天线接收到的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值采用多项式拟合方法进行平滑处理之后，进一步包括：对所述经过平滑处理后的待测车辆所载标签的回波信号的信号强度值的最高点归一化为所述最终的样本数据库中的信号强度值最高点。

5.一种射频识别测速装置，其特征在于，包括：数据获取模块、样本数据库建立模块、存储模块、对比模块及数据处理模块，所述模块依次连接；

数据获取模块，用于获取多个样本标签的回波信号及待测标签的回波信号，所述多个样本标签放置于至少两种不同型号的车辆上；

样本数据库建立模块，用于根据获取的多个样本标签的回波信号强度值及多个样本标签与天线的水平距离建立样本数据库，其中对从每个车道上的所述多个样本标签中的各个样本标签多次获取的信号强度值取平均，并结合所述多个样本标签与所述天线的水平距离建立初步的样本标签与天线的水平距离和信号强度值的对应关系数据库，并且对所述多个初步的样本标签与天线的水平距离和接收信号强度值对应关系的变化趋势取均值后采用多项式拟合方法进行处理，建立最终的样本数据库，其中在每个车道上方布置极化定向天线，并且每个天线获取各自车道上的样本标签的回波信号；

存储模块，用于存储所述最终的样本数据库；

对比模块，用于将数据获取模块获取的待测车辆所载待测标签的回波信号强度值与最终的样本数据库进行对比，确定待测车辆与天线的水平距离；