CN117270696A - 一种基于无源标签的触摸输入方法和装置 - Google Patents

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金伟强
李燕君
张玉繁
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Abstract

本发明公开了一种基于无源标签的触摸输入方法和系统，通过RFID阅读器持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度，对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。本发明采用射频无源标签技术实现的触摸输入，相比较于传统交互模式，省去了昂贵的传感硬件，去掉了无线传感器节点高功耗和复杂的无线通讯模块，实现无电池应用，具有无源、低成本、可拓展的优点。

Description

一种基于无源标签的触摸输入方法和装置
技术领域
本申请属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于无源标签的触摸输入方法和装置。
背景技术
随着物联网的迅猛发展，全球物联网连接总数快速增加。物联网的未来需要设备与用户之间无缝、便捷的交互，这就需要借助多种人机交互方法。传统的触摸交互需要额外的专用硬件成本和电源，这限制了普适计算应用程序的灵活性和适用性。基于视觉的解决方案来实现触摸输入可以减少触摸对象的额外硬件成本。然而，基于视觉的方法受到视线问题的限制。
UHF RFID技术是一种非接触式的自动识别技术。UHF RFID技术包含阅读器和标签。阅读器是读写标签信息的设备，标签由天线和芯片组成，每个标签具有全球唯一的EPC(电子编码)。UHF RFID系统的工作原理是：阅读器以广播的方式向周围连续发送携带能量和信息的载波信号，标签捕获载波信号能量给自己供能以便于芯片的正常工作，然后将自身携带的数据通过反向散射的方式发送给阅读器。UHF RFID系统主要特点是标签不需要额外的能量供应，它工作的能量来自于阅读器发送的射频信号。主要功能是识别和定位，被广泛应用于物品的追踪、定位、库存的盘点。例如:物流管理，超市管理，仓库管理。UHF RFID技术具有低功耗、低成本、通信协议简单的优点。
但是RFID标签只能够发送标签中固有的数据，不能够发送可变的数据，即不具备发送传感数据的能力。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于无源标签的触摸输入方法和装置，以解决传统交互模式硬件成本高、无线通信模块能耗高、视线受限及UHF RFID技术不能传输传感数据的问题。
为了实现上述目的，本申请技术方案如下：
一种基于无源标签的触摸输入装置，包括：
RFID阅读器，用于持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
反射信号处理模块，用于对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
触摸事件识别模块，用于对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
进一步的，所述反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
进一步的，所述反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
进一步的，所述触摸事件识别模块对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，执行如下的操作：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
进一步的，所述RFID标签阵列中相邻RFID标签两两正交排列。
本申请还提出了一种基于无源标签的触摸输入方法，包括：
通过RFID阅读器持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
进一步的，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
进一步的，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
进一步的，所述对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，包括：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
进一步的，所述RFID标签阵列中相邻RFID标签两两正交排列。
本申请提出的一种基于无源标签的触摸输入方法和系统，利用现有成熟的商用RFID技术，扩展了传统RFID系统的功能，使其能够进行触摸交互，并且相比较于传统交互模式，省去了昂贵的传感硬件，去掉了无线传感器节点高功耗和复杂的无线通讯模块，实现无电池应用。本申请利用UHF RFID技术无源、低成本、可拓展的优点，采用射频无源标签技术实现的触摸输入。
附图说明
图1为本申请基于无源标签的触摸输入装置示意图。
图2为本申请实施例标签矩阵排列示意图。
图3为本申请实施例反射信号强度波形图。
图4为本申请实施例平滑方差数据波形图。
图5为本申请实施例触摸事件识别模块识别触摸事件流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请的总体思路是，通过RFID阅读器读取RFID标签的EPC(电子编码)和RSS值，然后对RSS值进行处理识别该RFID标签是否发生触摸事件。通过多个RFID标签组成标签阵列，识别出每个标签是否发生触摸事件，从而得到触摸对应的具体标签EPC号，实现基于无源标签的触摸输入。
在一个实施例中，如图1所示，提出了一种基于无源标签的触摸输入装置，包括：
RFID阅读器，用于持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
反射信号处理模块，用于对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
触摸事件识别模块，用于对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
具体的，如图1所示，本实施例基于无源标签的触摸输入装置包括RFID阅读器、反射信号处理模块和触摸事件识别模块，对应图1中左边部分。而RFID标签阵列是由多个RFID标签组成的触摸键盘，本实施例中称为RFID标签阵列。
容易理解的是，RFID阅读器读取RFID标签时，RFID阅读器向RFID标签发送射频信号，RFID标签接收到射频信号以后会把自己的EPC号(即电子编码)同射频信号一起反射给RFID阅读器，从而RFID阅读器根据接收到的反射信号，可以解读出EPC号和RSS值(反射信号强度)。
本实施例RFID阅读器周期性持续读取RFID标签阵列，获取每个RFID标签的反射信号，从而获得各个RFID标签的EPC号和RSS值。
在一个具体的实施例中，反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
具体的，反射信号涉及噪声和多路干扰，需要进行预处理，本实施例利用移动平均滤波器对反射信号强度RSS流数据进行平滑处理，平滑数据S(i)由式(1)计算得到：
其中，N为移动平均滤波器滑动窗口大小，R(x)表示反射信号强度数据流，[]表示取整。S(i)表示平滑数据中的第i个数据。
为提高触摸可靠性，采用方差法处理平滑数据，利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据V(i)，由式(2)计算得到：
其中，A(i)为第一滑动窗口大小M时平滑数据的平均值，M为第一滑动窗口大小，[]表示取整。
为了克服部署中的校准操作问题，减少部署所带来的误差，本申请再次采用方差法平滑非触摸时段方差数据，放大触摸时段方差数据，即在另一个具体的实施例中，反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
本实施例利用第二滑动窗口计算平滑方差数据VoV(i)，由式(3)计算：
其中，B(i)为第二滑动窗口大小K时平滑数据的方差平均值，K为第二滑动窗口大小，[]表示取整。
由于第一次方差后得到的数据，对非触摸时段的微小数据变化依旧不能有效去除，本实施例采用第二次方差来得到平滑方差数据，可以有效去除微小数据变化，使得后续的触摸识别更加准确。
本申请基于手指触摸会导致被触摸标签的RSS值大幅上升，进行触摸识别。当检测到某一时刻RSS值大幅上升，根据该RSS值对应的EPC号确定触摸的是哪一个标签。RSS值表示接收到的反射信号的信号强度，由于该值受标签与阅读器天线距离、标签与阅读器天线间遮挡、标签与标签间的耦合等影响，因此，本申请通过对RSS值进行处理来进行触摸识别。
触摸事件识别模块，最简单的方法就是识别RSS值是否大于设定的阈值，大于则判定为发生触摸事件。或者直接识别第一滑动窗口计算的平滑数据的方差是否大于设定的阈值来进行判断。本申请为了触摸识别更加准确，是对RSS值进行处理计算得到VoV(i)后，再进行触摸事件识别。
在一个具体的实施例中，触摸事件识别模块对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，执行如下的操作：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
通过RFID阅读器持续读取一段时间内的反射信号强度波形如图3所示，再经过平滑处理和计算方差后，得到的平滑方差数据VoV(i)波形如图4所示。结合这两个图形，本实施例判断是否发生触摸事件，如图5所示，观察一个时间段内平滑方差数据是否从零点开始经历两个典型波，这里典型波为平滑方差数据，如图4中的m型波，如果经过了两个m型波，且在当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件，否则判断为无触摸事件。
需要说明的是，本申请RFID阅读器在读取RFID标签时，还记录读取时间，持续读取从而获得不同时刻读取的反射信号强度，用于后续的处理和判断。读取时，还读取到RFID标签的EPC信息，从而可以根据所述EPC信息来区分不同的RFID标签，就可以区别标签阵列中哪些标签被触摸。由于每个RFID标签的EPC是唯一的，所以对于不同的标签可以通过EPC区分出来，这样即使在RFID阅读器可读范围内有多个触摸键，也都可以检测触摸并进行区分，从而支持多个触摸键的事件感知。
在一个具体的实施例中，RFID标签可以根据需求选择不同的商用RFID标签，例如采用Alien 9629，因为其标签形状呈矩形，易于组合成阵列部署。RFID阅读器通过商用的RFID协议来读取RFID标签的信息，优选的可以采用合适的超高频阅读器，例如采用ImpinjR420，支持915MHz频段，该阅读器可以支持4根天线，可以扩大覆盖范围。
在一个具体的实施例中，RFID标签阵列如图2所示，相邻RFID标签两两正交排列以消除耦合效应。本实施例不限于一个标签阵列中所包含的标签数量，这里不再赘述。
需要说明的是，本申请所采用的各个滑动窗口的大小，以及RFID标签之间的距离，均可以根据实际的需求，通过实验来得到比较满意的参数，本申请对此不作限制。
在另一个实施例中，本申请还提供了本申请还提出了一种基于无源标签的触摸输入方法，包括：
通过RFID阅读器持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
本实施例的一个具体实现方式，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
本实施例的另一个具体实现方式，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
本实施例的一个具体实现方式，所述对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，包括：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
上述具体实现方式，已经在装置的描述中进行了详细的阐述，这里不再赘述。
在具体的一个典型应用中，本申请基于无源标签的触摸输入装置，可以与电子门锁互联，用户可以提前设置门禁密码，通过对不同标签EPC号命名不同数字序号(1～9)，在检测到多个标签发生触摸事件后，可以得到不同的数字输入，通过对比输入数字与门禁密码异同，实现无源电子密码锁。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于无源标签的触摸输入装置，其特征在于，所述基于无源标签的触摸输入装置，包括：
RFID阅读器，用于持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
反射信号处理模块，用于对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
触摸事件识别模块，用于对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
2.根据权利要求1所述的基于无源标签的触摸输入装置，其特征在于，所述反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
3.根据权利要求1所述的基于无源标签的触摸输入装置，其特征在于，所述反射信号处理模块对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，执行如下操作：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
4.根据权利要求3所述的基于无源标签的触摸输入装置，其特征在于，所述触摸事件识别模块对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，执行如下的操作：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
5.根据权利要求1所述的基于无源标签的触摸输入装置，其特征在于，所述RFID标签阵列中相邻RFID标签两两正交排列。
6.一种基于无源标签的触摸输入方法，其特征在于，所述基于无源标签的触摸输入方法，包括：
通过RFID阅读器持续读取RFID标签阵列中每个RFID标签的电子编码和反射信号强度；
对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据；
对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件。
7.根据权利要求6所述的基于无源标签的触摸输入方法，其特征在于，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差，得到平滑方差数据。
8.根据权利要求6所述的基于无源标签的触摸输入方法，其特征在于，所述对读取的反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据，然后再运用方差法得到平滑方差数据，包括：
利用移动平均滤波器对反射信号强度进行平滑处理，得到平滑数据；
利用第一滑动窗口来计算平滑数据的方差；
利用第二滑动窗口对平滑数据的方差再次进行方差计算，得到平滑方差数据。
9.根据权利要求8所述的基于无源标签的触摸输入方法，其特征在于，所述对持续获得的每个RFID标签的平滑数据及平滑方差数据进行判断，识别每个RFID标签是否发生触摸事件，包括：
对每个RFID标签，持续观察其对应的平滑方差数据，如果平滑方差数据从零点开始经历两个典型波，且当平滑方差数据处于波谷时，平滑数据高于设定的阈值，则判断发生触摸事件。
10.根据权利要求6所述的基于无源标签的触摸输入方法，其特征在于，所述RFID标签阵列中相邻RFID标签两两正交排列。
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