一种RFID标签手持定向装置及定向方法与流程

本发明涉及射频识别领域，尤其涉及一种rfid标签手持定向装置及定向方法。
背景技术：
：射频识别(radiofrequencyidentification，rfid)技术作为一种非接触式的自动识别技术，是通过一种射频的方式利用无线通道自动识别目标对象。整个识别过程无需人员参与。rfid对工作环境的要求不高，不但能够识别运动状态下的物体，而且可同时读取多个物体相关数据，其过程都是通过远程操控实现的无需人工干预射频识别，具有非接触、非视距、抗干扰、容量大等优点。现阶段，rfid技术已经涉及到人们日常生活的各个方面，其产品的种类十分丰富，该技术将成为继蜂窝无线通信和无线局域网之后又一个引人注目的新领域，是本世纪最有发展前途的技术之一。随着rfid技术的发展，阅读器可识别范围越来越大，天线有效区域半径也越来越大，其包含在内的电子标签就会更多，特别是在标签密集型产业的应用中，由于阅读器和电子标签共享同一的无线信道，所以阅读器天线辐射范围内可能经常会存在多个待识别的电子标签，如何准确定位每一个标签的位置成为了业界关注的热点。传统rfid定位设备通常通过多基站多参考节点的形式来进行，存在应用场景固定、成本居高不下等问题，难以在实际应用中推广。使用手持设备通过判断是否存在标签返回信号并进行一一查询可以大幅降低成本，但存在效率低、查询失败率高等问题。技术实现要素：本发明的技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种rfid标签手持定向装置及定向方法，克服简单使用rfid标签返回信号强度定向不够精准、定向时间长的问题，为广区域多标签环境下的物品的查找应用提供低成本解决途径。为实现上述目的，本发明所述的rfid标签手持定向装置包括如下组件：a01、mcu单元：接收外部输入指令，控制rfid读写单元工作，从rfid读写单元获取标签信号强度信息，从加速度传感器单元获取定向装置运动状态，向组合提示单元输出信号强度信息(receivedsignalstrengthindication，rssi)、标签方位信息和标签定向结果，向外部输出标签定向结果；a02、rfid读写单元：接收mcu单元控制信息，具有rfid信号的调制和解调功能，通过定向天线发送和接收rfid射频信号；a03、加速度传感器单元：向mcu输出三轴加速度值；a04、定向天线：发送和接收rfid射频信号；a05、组合提示单元：具有显示和声音提示等功能，根据mcu的输出，提示rfid标签返回的信号强度及标签方位信息，提示标签定向结果。进一步地，所述a05组合提示单元的提示模式为：以显示方式，优选led或显示屏，提示移动方向；以显示方式，优选led或显示屏，提示信号强度；以显示方式，优选led或显示屏，提示标签定向结果；以声音方式，优选扬声器或喇叭，提示信号强度；以声音方式，优选扬声器或喇叭，提示标签定向结果。本发明提出的定向方法具有两个阶段：初捕获阶段和精定向阶段。初捕获阶段包括流程：b01、rfid标签手持定向装置上电，各单元进入就绪状态；b02、mcu单元接收外部指令，对编号为x的标签进行定向，mcu单元启动超时值为1分钟的初捕获计时器；b03、mcu单元判断是否满足退出条件，如不退出则执行步骤b04，如退出则执行b10；b04、mcu单元向rfid读写单元发送标签定向指令；b05、rfid读写单元生成rfid射频查询信号；b06、rfid读写单元向定向天线输出rfid射频查询信号；b07、用户手持定向装置，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域，定向天线发送rfid射频查询信号，并接收rfid标签返回信号；b08、rfid读写单元解调标签返回信号，并将解调出的信息发送至mcu单元；b09、mcu单元判断标签返回信息是否正确，如正确则执行b11，如错误则执行b03；b10、初捕获阶段结束，mcu单元向外部输出结束查找信息，mcu单元向组合提示单元输出控制指令，组合提示单元提示本次查找结束，未找到标签x；b11、初捕获阶段结束，mcu单元控制组合提示单元提示进入精定向阶段。进一步地，初捕获阶段b03步骤中所述退出条件为：mcu单元接到外部指令停止本次标签定向查询，或者mcu单元启动的初捕获计时器超时。本发明所述定向方法的精定向阶段包括流程：c01、用户手持定向装置，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域m_i，i＝1，mcu将位置成功查询计数器清零；c02、mcu单元控制rfid读写单元向定向天线输出步骤b05中生成的rfid射频查询信号；c03、定向天线发送rfid射频查询信号，并接收rfid标签返回信号；c04、rfid读写单元解调标签返回信号，并将解调出的信息发送至mcu单元；c05、mcu单元判断标签返回信息是否正确，如正确则执行c06，如错误则执行c03；c06、mcu单元记录标签返回信号强度，并将位置成功查询计数器加1；c07、位置成功查询计数器大于等于10，则跳转执行c08，否则执行c03；c08、mcu单元对记录的标签返回信号强度取平均，并将该平均值设定为当前初始值p_1，p_0值为-100，将峰值可能性tp设置为0；c09、i值加1，用户手持定向装置，根据mcu单元在组合提示单元的移动提示规则，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域m_i，mcu将位置成功查询计数器清零，mcu从加速度传感器读取m_{i-1}向m_i区域变动时三轴变化情况，根据三轴移动记录策略，记录m_{i-1}向m_i移动方向；c10、重复c02至c06，直到获取10个m_i位置的标签信号返回强度；c11、mcu单元对m_i位置的标签信号返回强度取平均，平均值表示为p_i，并于p_{i-1}在信号强弱规则下进行比较，如p_i比p_{i-1}变强或相当，则执行c12，如p_i比p_{i-1}变弱，则执行c13；c12、mcu单元在组合提示单元提示信号强度变强，跳转执行c09；c13、如tp值大于等于4，则跳转执行c15，如小于4，则执行c14；c14、根据c09中记录三轴变化情况，mcu单元在组合提示单元提示信号强度变弱，跳转执行c09；c15、mcu单元在组合提示单元提示已到达信号强度最大位置，结束精定向阶段。进一步地，精定向阶段c09步骤中所述移动提示规则为：将x、y、z三轴分别划分为x+、x-、y+、y-、z+、z-六个自由度，分别表示左、右、上、下、前和后六个移动方位；mcu单元在，根据位置信号强度，移动提示规则如下：m_{i-1}信号变强或相当，m_i信号变强或相当，则根据三轴移动记录值，提示继续沿m_{i-1}朝m_i的方向继续移动，tp＝0；m_{i-1}信号变强或相当，m_i信号变弱，则根据三轴移动记录值，提示沿m_{i-1}朝m_i的反方向移动；m_{i-1}信号变弱，m_i信号变强或相当，则根据三轴移动记录值，随机提示从m_i六个自由度中尚未选择的方位进行移动，tp＝tp+1；m_{i-1}信号变弱，m_i信号变弱，则根据三轴移动记录值，提示沿m_{i-1}朝m_i的反方向移动；首次执行c09时从六个自由度中随机选择一个自由度，在提示单元进行提示。进一步地，精定向阶段c09步骤中三轴移动记录策略为：在从m_{i-1}向m_i位置移动中，按500毫秒或1秒或2秒的固定频率从加速度传感器读取三轴加速度值，令加速度传感器返回的三轴加速度值分别为ax、ay、az；初始化max_a值为0，当其中一轴的加速度绝对值大于其他两轴加速度100倍时，认为手持设备存在移动，并将轴的加速度绝存储为当前最大加速度值max_a，并记录最大加速度轴名称和正负号，并在组合提示单元提示当前移动方向；当max_a>0时，若有一轴的加速度绝对值大于10倍max_a，则用该轴加速度绝对值更新max_a，同时更新最大加速度轴名称和正负号，并在组合提示单元提示当前移动方向。进一步地，精定向阶段c11步骤中信号强弱规则为：信号强度变强：p_i≥p_{i-1}+2；信号强度变弱：p_i≤p_{i-1}-2；信号强度相当：p_{i-1}-2<p_i<p_{i-1}+2。采用本发明获得的有益效果：本发明利用rssi以及加速度传感器信息，通过组合提示单元辅助用户在大范围空间内快速查找具体的rfid标签，避免了用户在无有效空间信息前提下盲目尝试搜寻标签的次数，提升了标签查找的针对性和效率，可在大覆盖范围、密集标签环境下的rfid系统中广泛使用。附图说明图1所示为本发明的rfid手持定向装置组成框图；图2所示为本发明的定向方法初捕获阶段实施流程示意图；图3所示为本发明的定向方法精定向阶段实施流程示意图；图4所示为本发明实施例场景示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图1所示为本发明的rfid手持装置组成框图，其中：a01、mcu单元：接收外部输入指令，控制rfid读写单元工作，从rfid读写单元获取标签信号强度信息，从加速度传感器单元获取定向装置运动状态，向组合提示单元输出rssi、标签方位信息和标签定向结果，向外部输出标签定向结果；a02、rfid读写单元：接收mcu单元控制信息，具有rfid信号的调制和解调功能，通过定向天线发送和接收rfid射频信号；a03、加速度传感器单元：向mcu输出三轴加速度值；a04、定向天线：发送和接收rfid射频信号；a05、组合提示单元：具有显示和声音提示等功能，根据mcu的输出，以led或显示屏等显示方式，提示移动方向；以led或显示屏等显示方式和以扬声器或喇叭等声音方式，提示信号强度和标签定向结果。图2所示为本发明定向方法的初捕获阶段实施流程示意，其中：b01、rfid标签手持定向装置上电，各单元进入就绪状态；b02、mcu单元接收外部指令，对编号为x的标签进行定向，mcu单元启动超时值为1分钟的初捕获计时器；b03、mcu单元判断是否满足下列条件之一：mcu单元接到外部指令停止本次标签定向查询，或者mcu单元启动的初捕获计时器超时，如不满足则执行步骤b04，如满足则执行b10；b04、mcu单元向rfid读写单元发送标签定向指令；b05、rfid读写单元生成rfid射频查询信号；b06、rfid读写单元向定向天线输出rfid射频查询信号；b07、用户手持定向装置，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域，定向天线发送rfid射频查询信号，并接收rfid标签返回信号；b08、rfid读写单元解调标签返回信号，并将解调出的信息发送至mcu单元；b09、mcu单元判断标签返回信息是否正确，如正确则执行b11，如错误则执行b03；b10、初捕获阶段结束，mcu单元向外部输出结束查找信息，mcu单元向组合提示单元输出控制指令，组合提示单元提示本次查找结束，未找到标签x；b11、初捕获阶段结束，mcu单元控制组合提示单元提示进入精定向阶段。图3所示为本发明定向方法的精定向阶段实施流程示意，其中：c01、用户手持定向装置，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域m_i，i＝1，mcu将位置成功查询计数器清零；c02、mcu单元控制rfid读写单元向定向天线输出步骤b05中生成的rfid射频查询信号；c03、定向天线发送rfid射频查询信号，并接收rfid标签返回信号；c04、rfid读写单元解调标签返回信号，并将解调出的信息发送至mcu单元；c05、mcu单元判断标签返回信息是否正确，如正确则执行c06，如错误则执行c03；c06、mcu单元记录标签返回信号强度，并将位置成功查询计数器加1；c07、位置成功查询计数器大于等于10，则跳转执行c08，否则执行c03；c08、mcu单元对记录的标签返回信号强度取平均，并将该平均值设定为当前初始值p_1，p_0值为-100，将峰值可能性tp设置为0；c09、i值加1，用户手持定向装置，根据mcu单元在组合提示单元的移动提示规则，将定向天线对准编号为x的标签可能存在的区域m_i，mcu将位置成功查询计数器清零，mcu从加速度传感器读取m_{i-1}向m_i区域变动时三轴变化情况，根据三轴移动记录策略，记录m_{i-1}向m_i移动方向；移动提示规则如下：m_{i-1}信号变强或相当，m_i信号变强或相当，则根据三轴移动记录值，提示继续沿m_{i-1}朝m_i的方向继续移动，tp＝0；m_{i-1}信号变强或相当，m_i信号变弱，则根据三轴移动记录值，提示沿m_{i-1}朝m_i的反方向移动；m_{i-1}信号变弱，m_i信号变强或相当，则根据三轴移动记录值，随机提示从m_i六个自由度中尚未选择的方位进行移动，tp＝tp+1；m_{i-1}信号变弱，m_i信号变弱，则根据三轴移动记录值，提示沿m_{i-1}朝m_i的反方向移动；首次执行c09时从六个自由度中随机选择一个自由度，在提示单元进行提示。移动记录策略如下：在从m_{i-1}向m_i位置移动中，按500毫秒或1秒或2秒的固定频率从加速度传感器读取三轴加速度值，令加速度传感器返回的三轴加速度值分别为ax、ay、az；初始化max_a值为0，当其中一轴的加速度绝对值大于其他两轴加速度100倍时，认为手持设备存在移动，并将轴的加速度绝存储为当前最大加速度值max_a，并记录最大加速度轴名称和正负号，并在组合提示单元提示当前移动方向；当max_a>0时，若有一轴的加速度绝对值大于10倍max_a，则用该轴加速度绝对值更新max_a，同时更新最大加速度轴名称和正负号，并在组合提示单元提示当前移动方向。c10、重复c02至c06，直到获取10个m_i位置的标签信号返回强度；c11、mcu单元对m_i位置的标签信号返回强度取平均，平均值表示为p_i，并于p_{i-1}在信号强弱规则下进行比较，如p_i比p_{i-1}变强或相当，则执行c12，如p_i比p_{i-1}变弱，则执行c13；信号强度变强：p_i≥p_{i-1}+2；信号强度变弱：p_i≤p_{i-1}-2；信号强度相当：p_{i-1}-2<p_i<p_{i-1}+2。c12、mcu单元在组合提示单元提示信号强度变强，跳转执行c09；c13、如tp值大于等于4，则跳转执行c15，如小于4，则执行c14；c14、根据c09中记录三轴变化情况，mcu单元在组合提示单元提示信号强度变弱，跳转执行c09；c15、mcu单元在组合提示单元提示已到达信号强度最大位置，结束精定向阶段。以下结合附图，详细介绍本定向装置在某一特地区域内查找指定标签的应用过程，本实例中定向装置的组合提示单元使用扬声器进行声音提示，使用显示屏进行显示提示。图4所示为rfid手持定向系统搜寻编号为x01标签的示意图，以下结合定向天线对不同位置的覆盖图详细介绍两个阶段的定向过程。初捕获流程：b01、rfid标签手持定向装置上电，各单元进入就绪状态；b02、mcu单元接收外部指令，对编号为x01的标签进行定向，mcu单元启动超时值为1分钟的初捕获计时器；b03、mcu单元判断退出条件不成立，继续执行步骤b04；b04、mcu单元向rfid读写单元发送标签定向指令；b05、rfid读写单元生成rfid射频查询信号；b06、rfid读写单元向定向天线输出rfid射频查询信号；b07、用户手持定向装置，将定向天线对准编号为x01的标签可能存在的区域，定向天线发送rfid射频查询信号，并接收rfid标签返回信号，某个时刻定向天线形成的覆盖移动到如图4(a)所示；b08、rfid读写单元解调标签返回信号，并将解调出的信息发送至mcu单元；b09、mcu单元判断标签返回信息正确，执行b11；b11、初捕获阶段结束，mcu单元控制组合提示单元通过扬声器提示进入精定向阶段。精定向流程：图4(a)所示为位置m_1时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_1p_0tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-71-1000无+右表格中m_{i-1}信号表示上一个位置信号强度变化，+表示信号变强或相当，-表示信号变弱。在m_1位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，在六个自由度中，mcu随机选择了向右移动，通过显示提示向右移动手持定向装置。图4(b)所示为手持定向装置向右移动到位置m_2时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_2p_1tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-67-670++右在m_2位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，通过显示提示向右移动手持定向装置。图4(c)所示为手持定向装置向右移动到位置m_3时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_3p_2tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-62-620++右在m_3位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，通过显示提示向右移动手持定向装置。图4(d)所示为手持定向装置向右移动到位置m_4时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_4p_3tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-66-620+-右在m_4位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向左移动手持定向装置。图4(e)所示为手持定向装置向右移动到位置m_5时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_5p_4tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-63-661-+下在m_5位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，mcu主控单元从尚未移动的方向中随机选择向下移动，通过显示提示向下移动手持定向装置。图4(f)所示为手持定向装置向下移动到位置m_6时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_6p_5tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-70-631+-上在m_6位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向上移动手持定向装置。图4(g)所示为手持定向装置向上移动到位置m_7时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_7p_6tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-62-702-+上在m_7位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，通过显示提示向上移动手持定向装置。图4(h)所示为手持定向装置向上移动到位置m_8时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_8p_7tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-58-620++上在m_8位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，通过显示提示向上移动手持定向装置，并将tp清零。图4(i)所示为手持定向装置向上移动到位置m_9时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_9p_8tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-61-580+-下在m_9位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向下移动手持定向装置。图4(j)所示为手持定向装置向下移动到位置m_10时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_10p_9tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-57-611-+左在m_10位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，从未移动的方向上随机选择一个方向移动，通过显示提示向左移动手持定向装置。图4(k)所示为手持定向装置向左移动到位置m_11时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_11p_10tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-60-571+-右在m_11位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向右移动手持定向装置。图4(l)所示为手持定向装置向右移动到位置m_12时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_12p_11tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-57-602-+右在m_12位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，从未移动的方向上随机选择一个方向移动，通过显示提示向右移动手持定向装置。图4(m)所示为手持定向装置向右移动到位置m_13时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_13p_12tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-61-572+-左在m_13位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向左移动手持定向装置。图4(n)所示为手持定向装置向左移动到位置m_14时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_14p_13tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-58-613-+下在m_14位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，根据移动提示规则，从未移动的方向上随机选择一个方向移动，通过显示提示向下移动手持定向装置。图4(o)所示为手持定向装置向下移动到位置m_15时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_15p_14tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-62-583+-上在m_15位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变弱，根据移动提示规则，通过显示提示向上移动手持定向装置。图4(p)所示为手持定向装置向上移动到位置m_16时的定向天线覆盖图，执行精定向流程，得到如下数据：p_16p_15tpm_{i-1}信号m_i信号方向提示-57-624-+最大位置在m_16位置上，mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示信号强度变强，并提示本位置正前方为x01标签所在位置。mcu主控单元在组合提示单元通过声音和显示提示结束精定向流程。传统的单设备rfid读写器仅无法做到上述的精准定向，通过多个rfid读写器可以做到精准定向，但其成本远大于本方法。本发明利用加速度信息和组合提示单元的提示，有助于在大空间范围内快速的寻找指定标签，有助于降低超高频rfid读写系统的建设和维护成本，对推广和普及超高频rfid系统具有十分重要意义。以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。当前第1页12