一种测量无源UHF RFID标签移动速度和方向的系统及其测量方法与应用

摘要

本发明公开了一种测量无源UHF？RFID标签移动速度和方向的系统，它包括射频收发前端、数字基带信号处理以及微控制器。本发明还公开了该系统在测量无源UHF？RFID标签移动速度和方向时的方法。所述的测量方法包括一个UHF？RFID读写器和一套特殊的算法。与现有技术相比，本发明可解决现有的UHF？RFID读写器没有方法去测量出无源标签的速度和移动方向的问题。且本发明方法准确高效，简单易行，适于大规模推广。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种测量无源UHFRFID标签移动速度和方向 的系统及其测量方法与应用。

背景技术

物联网(Internetofthings)是目前信息网络化发展的重要趋势，被称为计算机、互 联网之后世界信息产业的第三次浪潮，其中无线射频识别技术RFID已经成为物联网关 键技术之一。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目 标对象并获取相关数据，以其识别可无线读写、信号穿透能力强、距离远、使用寿命长、 环境适应性好、可多标签同时识别、信息存储容易大和数据可改写等优点，近年来得到 广泛应用。

在无源UHFRFID系统中，无源标签以某个速度朝着读写器天线或者离开读写器天 线方向移动，传统的UHFRFID读写器没有方法去测量出无源标签的速度和移动方向。 尤其在汽车电子标识的应用中，每辆汽车贴了无源电子标签，它的移动的速度和方向信 息就非常重要，如果路口的读写器设备能够测量出通过电子标签的移动速度和方向信 息，就可以完全知道交通流量信息，是否发生拥堵或者交通事故，是否更多的车进入或 者离开某个路口，是否需要调整防碰撞算法去准确读取每辆汽车的电子标识等等，从而 实现智能交通的管理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量无源UHFRFID标签移动速度和方向的系 统，以解决现有的UHFRFID读写器没有方法去测量出无源标签的速度和移动方向的问 题。

本发明还要解决的技术问题是提供上述系统的测量方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述系统的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种测量无源UHFRFID标签移动速度和方向的系统，它包括两个发射基带数据成 型滤波器，I路信号和Q路信号分别经不同的发射基带数据成型滤波器输出后经数字模 拟转换电路变成模拟信号并由滤波器滤去镜像频率成分和带外的噪声，再经上混频器将 模拟信号调制到所需要的载波上，I和Q路合成后通过驱动放大器以及功率放大器保证 所需要的功率输出后，由耦合器和天线发出；天线接收返回的标签信号经耦合器由下混 频器接收，与锁相环产生的同相信号和正交信号混频后产生基带的I路信号和Q路信号； 基带的I路信号和Q路信号通过电容交流耦合后，依次经放大器放大、滤波器滤波和模 拟数字转换，成为数字基带I路信号和数字基带Q路信号；数字基带I路信号和数字基 带Q路信号经信道滤波器滤除干扰和噪声后，通过帧头判断电路找到标签返回信号，由 能量检测电路完成对数字基带I路信号和数字基带Q路信号的能量检测，并告诉微控制 器当前采集到的数字基带I路信号和数字基带Q路信号的能量对应的时间。

上述系统在测量无源UHFRFID标签移动速度和方向中的方法，它包括如下步骤：

(1)当系统收到标签在位置1的返回信号时，能量检测电路计算数字基带I路信 号和数字基带Q路信号的能量，分别记录为S_{V_i}和S_{V_q}，并向微控制器报告当前时间t₁；

(2)微控制器计算标签处于当前位置时的幅度A₁和角度θ₁；其中， A₁＝sqrt(S_{V_i}²+S_{V_q}²)，θ₁＝arctan(S_{V_q}/S_{V_i})；

(3)系统等待接收标签在位置2的返回信号，若接收到返回信号，则进入步骤(2)； 如未接收到返回信号，则继续等待；

(4)记录下标签在位置2的返回信号并计算能量，分别记录为S_{V_i}和S_{V_q}，并微 控制器报告当前时间t₂；微控制器计算标签处于当前位置时的幅度A₂和角度θ_2，A₂＝sqrt(S_{V_i}²+S_{V_q}²)，θ₂＝arctan(S_{V_q}/S_{V_i})；

(5)若A₂大于A₁，则标签朝着读写器天线方向移动；若A₂小于A₁，则标签背离 读写器天线方向移动；标签移动速度v＝(θ₂-θ₁)*(λ/(2*π))/(t₂-t₁)，λ为载波的波长。

在位置1处的标签返回信号在读写器接收端的信号可以表示为： A₁(1+cos(ω_tagt))cos(ω_ct+θ₁)，通过正交下混频，滤除直流和高频分量，输出的I和Q路 基带信号在极坐标系中分别表示为S_V_i＝A/2*cos(ω_tagt)*sin(-θ)和 S_V_q＝A/2*cos(ω_tagt)*cos(-θ)；

因此极坐标的幅度为A₁为S_{V_i}和S_{V_q}的平方根，角度θ₁为S_{V_q}/S_{V_i}的反正切。当 标签移动到位置2，如果相应的极坐标的幅度A₂大于A₁，则标签朝读写器天线的方向 移动，反之，离开读写器天线的方向移动；另外，标签移动到位置2的时候，相应的极 坐标的角度为θ₂，再结合数字基带信号处理部分报告出在每个位置的时间(位置1的时间 记录为t₁，位置2的时间记录为t₂，所以标签移动的速度为v＝(θ₂-θ₁)*(λ/(2*π))/(t₂-t₁)。λ 为载波对应的波长。

上述系统汽车电子标识和交通监控中的应用也在本发明的保护范围之内。

有益效果：

与现有技术相比，本发明可解决现有的UHFRFID读写器没有方法去测量出无源标 签的速度和移动方向的问题。且本发明方法准确高效，简单易行，适于大规模推广。

附图说明

图1传统的无源UHFRFID系统示意图；

图2本发明的硬件电路框图；

图3I和Q路基带信号的极坐标示意图；

图4本发明的算法流程图。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的传统的无源UHFRFID系统中，无源标签以某个速度朝着读写器天线 或者离开读写器天线方向移动，传统的UHFRFID读写器没有方法去测量出无源标签的 速度和移动方向。

本发明提出了一个应用在无源UHFRFID读写器系统中测量移动标签的速度和方向 的算法，如图2给出该方法实施例的硬件电路图。

其中，UHFRFID读写器包括射频收发前端、数字基带信号处理以及微控制器，其 运作关系是：

1、数字基带信号处理部分中的发射基带数据成型滤波器产生所需要编码过的基带 数据送给数字模拟转换电路变成模拟信号，经过模拟的基带滤波器滤除镜像频率成分和 带外的噪声，上混频器将模拟基带信号调制到所需要的载波上，I和Q路合成后然后通 过驱动放大器以及功率放大器保证所需要的功率输出；

2、功率放大器后面的耦合器完成收发双工；

3、下混频器接收来自标签的返回信号与锁相环产生的同相(sin(ω_ct))和正交信号 (cos(ω_ct))混频产生基带的I和Q信号，通过电容交流耦合后，基带I和Q信号分别经过 放大，滤波和模数转换转成数字基带信号；

4、数字基带I和Q信号通过信道滤波器滤除信号带宽外的干扰和噪声，通过帧头 判断电路一旦找到标签返回信号，能量检测电路完成I和Q信号的能量检测，I和Q路 信号能量分别记为S_V_i和S_V_q，并告诉微控制器当前采集到的I和Q信号能量对应的 时间；

5、微控制器接收来自数字基带I和Q路的信号S_V_i和S_V_q；

6、运行本发明提出算法，可以计算出移动标签的速度和方向。

a)在位置1处的标签返回信号在读写器接收端的信号可以表示为： A₁(1+cos(ω_tagt))cos(ω_ct+θ₁)，通过正交下混频，滤除直流和高频分量，输 出的I和Q路基带信号在极坐标系中分别表示为 S_V_i＝A/2*cos(ω_tagt)*sin(-θ)和S_V_q＝A/2*cos(ω_tagt)*cos(-θ)；极坐标系中表 示I和Q路信号如图3所示；

b)因此极坐标的幅度为A₁为S_{V_i}和S_{V_q}的平方根，角度θ₁为S_{V_q}/S_{V_i}的反正 切。当标签移动到位置2，如果相应的极坐标的幅度A₂大于A₁，则标签 朝读写器天线的方向移动，反之，离开读写器天线的方向移动；另外， 标签移动到位置2的时候，相应的极坐标的角度为θ₂，再结合数字基带 信号处理部分报告出在每个位置的时间(位置1的时间记录为t₁，位置2的 时间记录为t₂，所以标签移动的速度为v＝(θ₂-θ₁)*(λ/(2*π))/(t₂-t₁)。λ为载 波对应的波长。

c)微控制器中运行的计算标签移动方向和速度可以按照以下算法流程进 行，如图4：

i.当标签在位置1有返回信号，数字基带计算I和Q的信号能量，分别 记录为S_{V_i}和Sv_q，并报告当前时间t₁；

ii.微控制器计算出当前位置的幅度A₁和角度q₁，并保存 A₁＝sqrt(S_{V_i}^2+S_{V_q}^2)，θ₁＝arctan(S_{V_q}/S_{V_i})；

iii.等待数字基带报告标签在位置2的信号能量，若有信号能量，则进入 下一步；若没有信号能量，则继续等待；

iv.数字基带报告出的I和Q信号能量为S_{V_}i和S_{V_q}，并且当前时间为t₂；

v.微控制器计算出当前位置的幅度A₂和角度θ₂，并保存 A₂＝sqrt(S_{V_i}^2+S_{V_q}^2)，θ₂＝arctan(S_{V_q}/S_{V_i})；

vi.如果A₂大于A₁，标签朝着读写器天线方向移动，反之背离读写器天 线方向移动；标签移动速度：v＝(θ₂-θ₁)*(λ/(2*π))/(t₂-t₁)。

实施例2

上述测量无源UHFRFID标签移动速度和方向的方法可应用在汽车电子标识中： 每辆汽车贴了无源电子标签，路口的读写器设备能够测量出通过电子标签的移动速度 和方向信息，就可以完全知道交通流量信息，知道是否发生拥堵或者交通事故，是否 有更多的车进入或者离开某个路口，是否需要调整防碰撞算法去准确读取每辆汽车的 电子标识，从而实现智能交通的管理。