CN110119800B - 一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法，该系统包括：RFID标签设在所有待检测物体周围的预定距离处；连接有天线的读写器与数据处理装置通信连接，读写器能读取各RFID标签的反射信号的相位数据；数据处理装置，能经读写器获取RFID标签的反射信号的相位数据，并对相位数据进行压缩感知处理得出包含振动物体频率和噪声频率的原信号，以及对原信号通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。该系统基于商用RFID设备，可在不接触振动物体情况下，利用一个标签测量多个物体的振动频率，操作和部署简单，方便安全，实用性好，普适性好，有无物体视线都可，应用领域广泛。

Description

一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法

技术领域

本发明涉及工业物联网领域，尤其涉及一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法。

背景技术

振动是一种机械现象，发生在平衡点附近，产生基于时间的周期性位移。在许多情况下，振动必须被准确地观察到。例如，广泛用于工业物联网领域中的旋转机械(风机、电机、马达、齿轮等)。类似地，每个建筑物或桥梁都具有振动的频率，这个频率与建筑结构、风、甚至地震等有关。又如，在典型的生产线中，多个工作电机同时振动，都需要测量精确的振动频率来检查这些电机的工作状态。近年来有趣的应用是通过移动电话中的电机或扬声器产生的物理振动来调制信息包以进行近场通信。又如弹奏弦乐器(如吉他)时，不同弦的振动发出声音，构成优美的旋律。这些应用来自完全不同的领域，但有共同的特点：振动频率。

用于测量振动频率的传统方法需要专门的传感器(例如，加速度，速度或位移传感器)，而它们大部分既不是非接触式也不是通用的。例如，激光等速度传感器是高分辨率和高速测量的最佳选择，但在没有物体视线的情况下会失效。高速摄像机可能成为另一种选择，但由于其成本和部署难度，很少在工业中采用。最近有利用无线振动测量法窃听扬声器声音的新方法，然而，它不是测量振动频率的通用解决方案，因为它需要非常安静的环境。任何周围的扰动(例如，风扇的旋转)都会引入大的误差。

目前，采用成熟技术的RFID，正在发展成为识别和跟踪物体的主要技术之一。许多行业已经迅速将RFID标签贴在他们的产品上作为条形码的替代品。使用RFID来感知振动的基本概念是通过标签的随机和低频读数来测量振动频率，其中每个读数被视为振动的一个采样。例如，Tagbeat和Tagtwins提出了一种基于RFID的方法来检测单个物体的振动频率。具体地，振动使附着在振动表面上的标签在小范围内位移，导致反向散射信号的规则变化。其系统可以通过辨别这种通信模式而无需专门的传感器来显示频率信息。然而，目前的这些系统具有有限的适用性，因为都需要将RFID标签贴在被测物体上，而大多数工作对象不能贴上RFID标签。因此，这些系统至少存在以下问题：由于需要在测量过程中附加和取消标签，这会产生额外的成本，对正在高速旋转的物体因温度过高等原因而不能贴标签，而且一个标签只能同时测量一个物体，但实际情况中会有很多物体在同时振动，这也带来了不便性。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法，能以非接触方式同时准确的测量多个物体的振动频率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，包括：

一个RFID标签、连接有天线的读写器和数据处理装置；其中，

所述RFID标签设在所有待检测物体周围的预定距离处；

所述连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接，所述读写器能读取各RFID标签的反射信号的相位数据；

所述数据处理装置，能经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及对所述原信号通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

本发明实施方式提供一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，采用本发明所述的非接触式系统，包括以下步骤：

步骤1，设备部署：将每个RFID标签设在所对应所有待检测物体的周围，所述RFID标签与所述各待检测物体均保持预定的距离；将连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接；

步骤2，信号读取与处理：所述数据处理装置经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统及方法，其有益效果为：

通过在所有待检测物体周围的预定距离处设置一个RFID标签，并通过数据处理装置对经读写器读取RFID标签的反射信号的相位数据依次进行压缩感知处理和信号区分处理，得出振动物体的数量和各自的振动频率，实现了以非接触方式同时测量多个物体的振动频率，由于基于RFID设备，操作和部署简单；RFID标签不必贴在振动物体上，置于被检测物体旁边的预定距离内即可，更加方便安全；实用性好，一个RFID标签可同时测量多个振动物体的频率；普适性好，有无物体的视线都可，应用领域广泛；准确率相对较高，测量精确，误差小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的非接触式系统的构成示意图；

图2为本发明实施例提供的非接触式方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，包括：

一个RFID标签、连接有天线的读写器和数据处理装置；其中，

所述RFID标签设在所有待检测物体周围的预定距离处；

所述连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接，所述读写器能读取各RFID标签的反射信号的相位数据；

所述数据处理装置，能经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及对所述原信号通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

上述系统中，RFID标签与各待检测物体的预定距离均为：5～50厘米。

上述系统中，数据处理装置包括：

信号采集单元、压缩感知处理单元、信号区分处理单元和输出单元；其中，

所述信号采集单元，与所述读写器通信连接，能经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据；

所述压缩感知处理单元，与所述信号采集单元通信连接，能对所述信号采集单元得出的相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号；

所述信号区分处理单元，与所述压缩感知单元通信连接，能对所述压缩感知单元进行压缩感知处理得出的原信号进行信号区分处理，区分得出与振动物体数量一致的多个信号；

所述输出单元，与所述信号区分处理单元通信连接，能输出所述信号区分处理单元区分处理得出的全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

上述系统中，压缩感知处理单元对所述信号采集处理单元区分得出的相位数据进行压缩感知处理得出包含振动物体的频率和噪声频率的原信号的方式如下：

步骤A1、利用所述读写器对所述RFID标签的随机读取信号作为向量构建传感矩阵，将应读取信号与随机读取信号的残差作为采样向量，设置初始化为空的频率索引集，设置稀疏度为K；

步骤A2、找出所述残差和传感矩阵某一列的向量积中最大值对应的下标，并将之归入所述频率索引集，通过所述频率索引集记录找到的传感矩阵中的全部重构频率；

步骤A3、将所述频率索引集中重构频率的信号从原残差中减去后更新残差；

步骤A4、重复上述步骤A2和A3，并在迭代K次后终止，找出的所述频率索引集中的各重构频率即为包含振动物体的频率和噪声频率的原信号。

上述系统中，信号区分处理单元对所述压缩感知单元获取的原信号进行信号区分处理，区分得出与振动物体数量一致的多个信号的方式如下：

步骤B1，向所述原信号里添加一个人造的高斯加性白噪声，并保持原信号所对应的总能量不变；

步骤B2，记录所述原信号中能量减弱的信号作为振动信号，所述能量减弱的信号为：用加噪声之后的信号频率对应的能量减去加噪声之前的信号频率对应的能量，如果值为负，则此信号记为振动信号，若值为正，则此信号记为噪声；

步骤B3，对所述步骤B2记录的振动信号多次随机添加不同的高斯加性白噪声，记录每次添加高斯加性白噪声后的结果，若某一振动信号具有70％的概率被记录为振动信号，则该振动信号即为确定的振动信号，得出的全部确定的振动信号的数量即为振动物体的数量。

上述步骤B1中，原信号中包括噪声(即噪声频率)和振动信号(即物体振动频率)。噪声一般认为是高斯加性白噪声。通过向原信号里添加一个人造的高斯加性白噪声，并保持信号总能量不变(归一化)，因此噪声的能量会加强，振动信号的能量会减弱。

优选的，上述系统中的数据处理装置可采用计算机、智能手机和平板电脑等能进行数据处理的装置。

参见图2，本发明实施例还提供一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，采用上述的非接触式系统，包括以下步骤：

步骤1，设备部署：将每个RFID标签设在所对应所有待检测物体的周围，所述RFID标签与所述各待检测物体均保持预定的距离；将连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接；

步骤2，信号读取与处理：所述数据处理装置经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

上述方法的步骤1中，所述RFID标签与所述待检测物体保持预定的距离为：5～50厘米。

上述方法的步骤2中，对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号包括：

步骤2A1、利用所述连接有天线的读写器对所述RFID标签的随机读取信号作为向量构建传感矩阵，将应读取信号与随机读取信号的残差作为采样向量，设置初始化为空的频率索引集，设置稀疏度为K；

步骤2A2、找出所述残差和传感矩阵某一列的向量积中最大值对应的下标，并将之归入所述频率索引集，通过所述频率索引集记录找到的传感矩阵中的全部重构频率；

步骤2A3、将所述频率索引集中重构频率的信号从原残差中减去后更新残差；

步骤2A4、重复上述步骤2A2和2A3，并在迭代K次后终止，找出的所述频率索引集中的各频率即为包含物体振动频率和噪声频率的原信号。

上述方法的步骤2中，对所述原信号进行信号区分处理区分得出与振动物体数量一致的多个信号包括：

步骤2B1，向所述原信号里添加一个人造的高斯加性白噪声，并保持原信号所对应的总能量不变；

步骤2B2，记录所述原信号中能量减弱的信号作为振动信号，所述能量减弱的信号为：用加噪声之后的信号频率对应的能量减去加噪声之前的信号频率对应的能量，如果值为负，则此信号记为振动信号，若值为正，则此信号记为噪声；

步骤2B3，对所述步骤2B2记录的振动信号多次随机添加不同的高斯加性白噪声，记录每次添加高斯加性白噪声后的结果，若某一振动信号具有70％的概率被记录为振动信号，则该振动信号即为确定的振动信号，得出的全部确定的振动信号的数量即为振动物体的数量。

上述方法的步骤2中，处理得出的各振动物体的振动频率中，相差频率在0.5Hz以内的振动信号作为一个振动信号。

本发明系统及方法，能以非接触方式同时测量多个物体的振动频率，可基于商用的RFID系统，操作和部署简单；标签不必贴在振动物体上，置于被检测物体旁边的预定距离内即可，更加方便安全；实用性好，一个RFID标签可同时测量多个振动物体的频率；普适性好，有无物体的视线都可，应用领域广泛；准确率相对较高，误差在1Hz以内。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明实施例提供的能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，基于商用RFID设备，可以在不接触振动物体的情况下，利用RFID标签测量多个物体的振动频率。

参见图1和图2，该系统包括：一套完整的RFID设备，包括：读写器(即图1中的Reader or interrogator)、天线(即图1中的Antenna)、RFID标签(即图1中的Tag orTransponder)和一台数据处理装置(可采用商用电脑，即图1中的Computer)，所采用的RFID设备的采样率为200Hz(具体可采用商用RFID设备，通过LLTK(Low Level Tool Kit:底层工具包)将50Hz左右d的采样率提高到200Hz)，采用压缩感知处理，可以测量的频率范围为0～400Hz。本发明包括以下步骤：

(1)设备部署：将RFID标签放置于待检测物体(即图1中的motors(马达))的旁边(不必接触，距离在5～50cm)；将读写器和天线连接、读写器和数据处理装置通信相连，使数据处理装可以顺利的读取标签的相位数据；优选的，读写器所连接的天线与RFID标签的距离为0.5～6m；

(2)信号读取与处理：物体的周期性振动会影响标签的反向散射信号，故通过采集标签信号中的相位信息来计算转动的频率；通过数据处理装置控制读写器读取RFID标签的相位数据，收集到的相位数据进行处理；处理大致分为两个过程：利用压缩感知算法得出原信号、通过信号分离确认振动物体的数量和频率；最终将结果输出(振动物体数量、各自的频率)。

(21)得出原信号频率的方式为：压缩感知处理，由于读写器满足随机读取以及振动信号在频域上稀疏这两个特性，利用压缩感知的知识成功把低采样的信号恢复成原来相对高频的信号。

(22)确认物体数量的方式为：人为增加噪声，原信号中包括振动信号和噪声信号，因此要将二者区分开来。本系统通过人为增加噪声，使噪声能量相对增加，振动信号能量相对下降，成功区分二者，从而得知振动物体的数量。

由于在工业物联网领域中存在电压不稳的现象，同一个物体振动的频率会发生微小的改变，通常在0.5Hz以内。本发明中将相差0.5Hz以内的信号作为一个振动信号。

本发明的优势在于，基于商用的RFID系统，操作和部署简单；标签不必贴在振动物体上，置于旁边即可，更加方便安全；实用性好，一个标签可同时测量多个振动物体的频率(目前做到了可同时测量4个振动物体)；普适性好，有无物体的视线都可，应用领域广泛；准确率相对较高，误差在1Hz以内。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，其特征在于，包括：

一个RFID标签、连接有天线的读写器和数据处理装置；其中，

所述RFID标签设在所有待检测物体周围的预定距离处；

所述连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接，所述读写器能读取各RFID标签的反射信号的相位数据；

所述数据处理装置，能经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及对所述原信号通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率；对压缩感知单元获取的原信号进行信号区分处理，区分得出与振动物体数量一致的多个信号的方式如下：

步骤B1，向所述原信号里添加一个人造的高斯加性白噪声，并保持原信号所对应的总能量不变；

步骤B2，记录所述原信号中能量减弱的信号作为振动信号，所述能量减弱的信号为：用加噪声之后的信号频率对应的能量减去加噪声之前的信号频率对应的能量，如果值为负，则此信号记为振动信号，若值为正，则此信号记为噪声；

步骤B3，对所述步骤B2记录的振动信号多次随机添加不同的高斯加性白噪声，记录每次添加高斯加性白噪声后的结果，若某一振动信号具有70％的概率被记录为振动信号，则该振动信号即为确定的振动信号，得出的全部确定的振动信号的数量即为振动物体的数量。

2.根据权利要求1所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，其特征在于，所述RFID标签与各待检测物体的预定距离均为：5～50厘米。

3.根据权利要求1所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，其特征在于，所述数据处理装置包括：

信号采集单元、压缩感知处理单元、信号区分处理单元和输出单元；其中，

所述信号采集单元，与所述读写器通信连接，能经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据；

所述压缩感知处理单元，与所述信号采集单元通信连接，能对所述信号采集单元得出的相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号；

所述信号区分处理单元，与所述压缩感知单元通信连接，能对所述压缩感知单元进行压缩感知处理得出的原信号进行信号区分处理，区分得出与振动物体数量一致的多个信号；

所述输出单元，与所述信号区分处理单元通信连接，能输出所述信号区分处理单元区分处理得出的全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率。

4.根据权利要求3所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式系统，其特征在于，所述压缩感知处理单元对所述信号采集处理单元区分得出的相位数据进行压缩感知处理得出包含振动物体的频率和噪声频率的原信号的方式如下：

步骤A1、利用所述读写器对所述RFID标签的随机读取信号作为向量构建传感矩阵，将应读取信号与随机读取信号的残差作为采样向量，设置初始化为空的频率索引集，设置稀疏度为K；

步骤A2、找出所述残差和传感矩阵某一列的向量积中最大值对应的下标，并将之归入所述频率索引集，通过所述频率索引集记录找到的传感矩阵中的全部重构频率；

步骤A3、将所述频率索引集中重构频率的信号从原残差中减去后更新残差；

步骤A4、重复上述步骤A2和A3，并在迭代K次后终止，找出的所述频率索引集中的各重构频率即为包含振动物体的频率和噪声频率的原信号。

5.一种能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的非接触式系统，包括以下步骤：

步骤1，设备部署：将每个RFID标签设在所对应所有待检测物体的周围，所述RFID标签与所述各待检测物体均保持预定的距离；将连接有天线的读写器与所述数据处理装置通信连接；

步骤2，信号读取与处理：所述数据处理装置经所述读写器获取所述RFID标签的反射信号的相位数据，并对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号，以及通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号，并输出全部振动物体的数量和各振动物体的振动频率；所述通过信号区分处理得出与振动物体数量一致的多个信号包括：

步骤2B1，向所述原信号里添加一个人造的高斯加性白噪声，并保持原信号所对应的总能量不变；

步骤2B2，记录所述原信号中能量减弱的信号作为振动信号，所述能量减弱的信号为：用加噪声之后的信号频率对应的能量减去加噪声之前的信号频率对应的能量，如果值为负，则此信号记为振动信号，若值为正，则此信号记为噪声；

步骤2B3，对所述步骤2B2记录的振动信号多次随机添加不同的高斯加性白噪声，记录每次添加高斯加性白噪声后的结果，若某一振动信号具有70％的概率被记录为振动信号，则该振动信号即为确定的振动信号，得出的全部确定的振动信号的数量即为振动物体的数量。

6.根据权利要求5所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，所述方法的步骤1中，所述RFID标签与所述待检测物体保持预定的距离为：5～50厘米。

7.根据权利要求5所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，所述方法的步骤2中，对所述相位数据进行压缩感知处理得出包含物体振动频率和噪声频率的原信号包括：

步骤2A1、利用所述连接有天线的读写器对所述RFID标签的随机读取信号作为向量构建传感矩阵，将应读取信号与随机读取信号的残差作为采样向量，设置初始化为空的频率索引集，设置稀疏度为K；

步骤2A2、找出所述残差和传感矩阵某一列的向量积中最大值对应的下标，并将之归入所述频率索引集，通过所述频率索引集记录找到的传感矩阵中的全部重构频率；

步骤2A3、将所述频率索引集中重构频率的信号从原残差中减去后更新残差；

步骤2A4、重复上述步骤2A2和2A3，并在迭代K次后终止，找出的所述频率索引集中的各频率即为包含物体振动频率和噪声频率的原信号。

8.根据权利要求5所述的能同时测量多个物体振动频率的非接触式方法，所述方法的步骤2中，处理得出的各振动物体的振动频率中，相差频率在0.5Hz以内的振动信号作为一个振动信号。

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