CN109190423B - 基于通用rfid读写器平台的双天线标签运动方向识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，以通用RFID读写器平台作为核心硬件平台，上位机作为核心控制平台，上位机通过控制通用RFID读写器平台获取标签信息数据，通过控制数据采集卡采集标签信息数据并反馈给上位机，最后上位机分析获取的数据判断标签运动方向。本发明利用标签到双天线的相位差，采用相位补偿简化判断依据，可实现运算量小、方便快捷的标签运动方向识别，同时无需考虑电磁波从发射到反射回来的各种影响，增加了系统的鲁棒性。

Description

基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法
技术领域
本发明属于RFID技术领域，涉及一种双天线标签运动方向识别方法。
背景技术
射频识别技术是伴随着嵌入式和无线通信发展而兴起的一项新技术，并成为现在关注的热点话题，主要应用于自动识别和定位领域。其中，射频识别系统(RFID)以其低功耗、低成本、非视距、非接触、传输距离远等优点，被广泛应用于大型仓储超市和车辆、铁路自动识别系统以及室内定位等。
传统的标签运动方向识别方法有利用RCS计算法和福利斯空间公式计算法算出距离，根据距离变化判断运动方向。这些方法的共性是要考虑电磁波从发射到反射回来的各种影响，计算繁琐，未知量较多，实际操作也不方便。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于通用RFID读写器平台的标签运动方向识别方法，无需考虑电磁波从发射到反射回来的各种影响即可进行正常的标签运动方向识别，计算快，操作方便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：使用至少两个工作在相同频点且处于不同位置的射频天线采集标签信息；对每个射频天线得到的标签信息数据进行AD采样后得到I、Q两路数据，分别对I、Q两路数据进行FIR滤波去噪，分别用标签信号帧头和I、Q两路数据做快速相关，找到相关峰最大值vppi,cormax、vppq,cormax；计算标签信号帧头的电压峰峰值vppant0和vppant1，vpp＝vppi,cormax+j×vppq,cormax；计算标签到射频天线0和射频天线1的相位φant0和
Figure BDA0001762639950000011
计算标签到射频天线0和射频天线1的相位差Δφ＝φant0-φant1，并对相位差Δφ进行补偿，输出
Figure BDA0001762639950000012
根据Δφcomp判断标签运动方向。
所述的射频天线采集标签信息采用双线程，线程1：在标签运动轨迹上选取20个位置，每一个位置分别使能射频天线0和射频天线1阅读标签，并给上位机反馈标签阅读成功信号；线程2：上位机收到标签阅读成功信号，开始发送数据采集命令给数据采集卡，获取标签信息数据，按照USB2.0通信协议上传给上位机。
所述的两个射频天线中心间距10cm，射频天线与标签运动轨迹间距100cm，标签在运动轨迹中点处±100cm内左右运动。
本发明的有益效果是：利用标签到双天线的相位差，采用相位补偿简化判断依据，可实现运算量小、方便快捷的标签运动方向识别。同时无需考虑电磁波从发射到反射回来的各种影响，增加了系统的鲁棒性。经验证，这种方法有效而且容易实施，运动方向识别正确率可达100％。
附图说明
图1是基于通用RFID读写器的硬件平台连接示意图；
图2是标签信息数据获取流程图；
图3是标签信息数据处理流程图；
图4是标签运动测试场景设置图；
图5是标签运动方向识别判据图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明以通用RFID读写器平台作为核心硬件平台，上位机作为核心控制平台，上位机通过控制通用RFID读写器平台获取标签信息数据，通过控制数据采集卡采集标签信息数据并反馈给上位机。最后上位机通过matlab程序分析获取的数据判断标签运动方向，matlab程序封装为可执行文件，使得运动方向判断方便快捷。
本发明主要涵盖四部分：上位机部分、通用RFID读写器平台、数据采集卡部分和天线部分。上位机通过双线程命令，线程1：向通用RFID读写器平台发送标签信息读取命令，通过天线阅读标签信息并将之经射频接口反馈给通用RFID读写器平台；线程2：向数据采集卡发送数据采集命令，从通用RFID读写器平台获取标签信息数据并将之按USB2.0协议数据帧反馈给上位机。
本发明提供的基于通用RFID读写器平台的标签运动方向识别方法包括以下步骤：
步骤一，初始化：利用上位机程序代码初始化通用RFID读写器平台，初始化数据采集卡。
步骤二，参数配置：配置工作信道数、天线数量、工作频点、发射增益、标签位置的采集次数以及内存分配等。
步骤三，上位机发送读取标签信息命令：上位机通过RS232串口向通用RFID读写器平台发送读取标签命令，并等待通用RFID读写器平台反馈标签读取成功的应答帧。
步骤四，上位机发送数据采集命令：上位机收到通用RFID读写器平台反馈标签读取成功的应答帧后，向数据采集卡发送数据采集命令，获取标签信息数据。
步骤五，标签信息数据处理：上位机通过封装为可执行文件的matlab程序分析标签信息数据，获取标签运动方向。
如图1所示，首先对本实施例中的各部件进行介绍：通用RFID读写器平台是读取标签信息的设备，通过阅读器的RS232接口与上位机(外部计算机)连接，进行数据交换。数据采集卡是高精度高速数字化仪，将模拟信号转换为数字信号。标签由耦合元件及芯片组成，标签含有内置无源线极化天线，用于和射频天线间通信。射频天线选用线极化平板天线。
本发明提出一种基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，其硬件平台连接示意图如图1所示。通用RFID读写器平台通过RS232串口与上位机相连，通过SMA接口连接数据采集卡，通过SMA接口连接标射频天线(标签阅读天线)。数据采集卡同时通过USB2.0接口与上位机连接。通用RFID读写器平台接收上位机下发的读取标签信息命令，向上位机反馈读取是否成功应答帧，并对阅读器、天线进行参数配置以及切换操作。通用RFID读写器平台通过串口协议接收上位机下发的命令帧，并执行不同命令操作。数据采集卡通过USB2.0协议接收上位机下发的命令帧，获取通用RFID读写器平台阅读的标签信息，向上位机反馈数据帧。
下面对通用RFID读写器平台和数据采集卡连接使用到的管脚进行定义，通用RFID读写器平台的管脚01SE为I路数据信号，与数据采集卡的J1口连接，通用RFID读写器平台的管脚23SE为Q路数据信号，与数据采集卡的J2口连接。
本发明提出一种基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，该方法包括两部分内容，第一部分内容是标签信息数据获取，其流程图如图2所示；第二部分内容是标签信息数据处理，其流程图如图3所示。下面分别详述两部分内容。
标签信息数据采集包括以下步骤：
步骤一：初始化通用RFID读写器平台。在本实施例中，初始化内容包括信道数、天线端口数、天线收发端口增益、标签阅读方式等。
步骤二：初始化数据采集卡。在本实施例中，初始化内容包括设备的句柄、工作时钟、工作通道数和ADC采样位宽。
步骤三：通用RFID读写器平台工作在单信道模式下，即天线0和天线1工作在相同频点。假设标签匀速运动，速度为1m/s，使能射频天线0阅读标签和使能射频天线1阅读标签的间隔时间可以忽略，即标签位置相对射频天线0和射频天线1是同一个位置。该步骤采用双线程，线程1：在标签运动轨迹上选取20个位置，每一个位置分别使能射频天线0和射频天线1阅读标签，并给上位机反馈标签阅读成功信号；线程2：上位机收到标签阅读成功信号，开始发送数据采集命令给数据采集卡，获取标签信息数据，按照USB2.0通信协议上传给上位机。
标签运动场景设置如图4所示。其中，射频天线0和射频天线1中心间距10cm，射频天线与标签运动轨迹间距100cm，标签在运动轨迹中点处±100cm内左右运动。定义向左运动为沿-100cm方向，向右运动为沿+100cm方向。
标签信息数据处理包括以下步骤：
步骤一：加载标签信息数据文件。本实施例中，AD数据采用16进制小端模式，故加载数据时，按16进制小端模式读取。
步骤二：AD数据转换为物理量，AD数据和物理量计算方法为
v_value＝2.0×addat/0xFFF-1.0 (1)
其中，AD量程为2V，位宽为12bit，addat为AD数据，v_value为计算结果。
步骤三：分别对I、Q两路数据进行FIR滤波，去除噪声干扰。
步骤四：分别用帧头和I、Q两路数据做快速相关，找到相关峰最大值，记作vppi,cormax、vppq,cormax。
步骤五：计算标签信号帧头的电压峰峰值。
vpp＝vppi,cormax+j×vppq,cormax (2)
步骤六：计算标签到射频天线0和射频天线1的相位，记作φant0，φant1。
Figure BDA0001762639950000051
步骤七：计算标签到射频天线0和射频天线1的相位差，记作Δφ，并对相位差Δφ进行补偿，输出Δφcomp。
Δφ＝φant0-φant1 (4)
Figure BDA0001762639950000052
步骤八：根据Δφcomp判断标签运动方向。判断依据如图5所示。图5(a)分别为标签到天线0和天线1的相位。图5(b)是标签到天线0和天线1的相位差。由图5(b)可知，Δφcomp为正时，标签在中点左边；Δφcomp为负时，标签在中点右边。当Δφcomp逐渐减小时，可以判断标签运动方向为从左到右；当Δφcomp逐渐增大时，可以判断标签运动方向为从右到左。
为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行了详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其他的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，其特征在于包括下述步骤：使用至少两个工作在相同频点且处于不同位置的射频天线采集标签信息；对每个射频天线得到的标签信息数据进行AD采样后得到I、Q两路数据，分别对I、Q两路数据进行FIR滤波去噪，分别用标签信号帧头和I、Q两路数据做快速相关，找到相关峰最大值vppi,cormax、vppq,cormax；计算标签信号帧头的电压峰峰值vppant0和vppant1，vpp＝vppi,cormax+j×vppq,cormax；计算标签到射频天线0和射频天线1的相位φant0和φant1，
Figure FDA0001762639940000011
计算标签到射频天线0和射频天线1的相位差Δφ＝φant0-φant1，并对相位差Δφ进行补偿，输出
Figure FDA0001762639940000012
根据Δφcomp判断标签运动方向。
2.根据权利要求1所述的基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，其特征在于：所述的射频天线采集标签信息采用双线程，线程1：在标签运动轨迹上选取20个位置，每一个位置分别使能射频天线0和射频天线1阅读标签，并给上位机反馈标签阅读成功信号；线程2：上位机收到标签阅读成功信号，开始发送数据采集命令给数据采集卡，获取标签信息数据，按照USB2.0通信协议上传给上位机。
3.根据权利要求1所述的基于通用RFID读写器平台的双天线标签运动方向识别方法，其特征在于：所述的两个射频天线中心间距10cm，射频天线与标签运动轨迹间距100cm，标签在运动轨迹中点处±100cm内左右运动。
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