本发明涉及射频识别在轨道交通中的应用，更具体地说，涉及一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法及装置。
背景技术：
作为物联网的感知层，作为基础信息的收集来源，rfid系统(射频识别系统)的应用是越来越广泛。目前，rfid系统只能对实现rfid标签和读出器之间无线数据的传递，rfid标签和读出器的位置关系以及相对的运动方向是无法感知的。例如，在出、入库(包括列车车辆的出、入库)的管理应用中实现对rfid标签(实际上是对物品或车辆)的出、入库管理，要不是通过额外的行程开关或感应传感器来进行辅助判别，要不就是约束标签的操作行为，只能从单一的出库通道出，或从单一的入库通道入。这些应对措施使得系统的构成越来越复杂，成本越来越高。且当其它辅助传感器故障，或标签未按要求使用时，系统就会出现认知盲区，造成后台的数据记录和实际库存出现偏差，出现严重的系统错误。rfid系统不能对标签进行直接定位，制约了信息化管理系统的可靠性、实用性，制约了rfid的发展空间。所以，现有的系统使用到列车车辆上时，不能单独对其实现准确的位置确定，也不能单独判断其运动方向。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不能单独实现位置确定、不能判断运动方向的缺陷，提供一种能够单独实现位置确定、能判断运动方向的一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法，包括如下步骤：
a)通过激活信号给按设定的方向和距离排列的多个rfid标签矩阵中的一个rfid标签发送指令，要求其返回该标签的状态；
b)所述标签在收到指令且发现激活信号中不再存在调制信号时，将返回的数据调制在其接收到的激活信号上返回；
c)接收所述rfid标签返回的信号，并取得该返回信号上的数据以及该返回信号和激活信号之间的相位差，设置为第一相位差；
d)对所述rfid标签矩阵中该rfid标签相邻的下一个rfid标签重复上述步骤，得到第二相位差；
e)比较所述第一相位差和第二相位差，当二者相同时，判断设置在所述物体设定位置上的、接收所述返回信号的天线处于上述两个相邻的rfid标签的中间位置的正上方；
其中所述rfid标签矩阵设置在铁轨的中间，接收所述返回信号的天线安装在所述物体的设定位置；所述rfid标签矩阵中，rfid标签的设置方向平行于所述物体运行方向，两个相邻rfid标签之间的距离小于激活信号波长的一半。
更进一步地，所述步骤e)中，进一步包括如下步骤：
e1)使用第一相位差减去第二相位差，得到本次测量的两个rfid标签之间的返回信号相位差；
e2)保存所述返回信号相位差。
更进一步地，还包括如下步骤：
f)在设定时间内多次重复执行所述步骤a)到步骤e)，得到多个包括其值为零的返回信号相位差，并根据在所述返回信号相位差的值为零之前和之后的返回信号相位差值的符号，确定所述物体的运行方向。
更进一步地，所述步骤f)中，在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为负，而在之后为正，则所述列车车辆运行方向由所述第一个rfid标签指向第二个rfid标签；在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为正，而在之后为负，则所述物体运行方向由所述第二个rfid标签指向第一个rfid标签。
更进一步地，还包括如下步骤：
g)在设定时间内多次重复执行所述步骤a)到步骤e)，直到得到其值为零的返回信号相位差，并输出所述物体到位信号，防止所述物体再次移动。
本发明还涉及一种实现上述方法的装置，包括：
指令发送单元：用于通过激活信号给按设定的方向和距离排列的多个rfid标签矩阵中的一个rfid标签发送指令，要求其返回该标签的状态；
返回信号单元：用于使所述标签在收到指令且发现激活信号中不再存在调制信号时，将返回的数据调制在其接收到的激活信号上返回；
返回信号接收单元：用于接收所述rfid标签返回的信号，并取得该返回信号上的数据以及该返回信号和激活信号之间的相位差，设置为第一相位差；
标签切换单元：用于选中所述rfid标签矩阵中该rfid标签相邻的下一个rfid标签并重复调用上述单元，得到第二相位差；
相位比较单元：用于比较所述第一相位差和第二相位差，当二者相同时，判断设置在所述物体的设定位置上的、接收所述返回信号的天线处于上述两个相邻的rfid标签的中间位置的正上方；
其中所述rfid标签矩阵设置在铁轨的中间，接收所述返回信号的天线安装在所述物体的设定位置；所述rfid标签矩阵中，rfid标签的设置方向平行于所述物体运行方向，两个相邻rfid标签之间的距离小于激活信号波长的一半。
更进一步地，所述相位比较单元中，进一步包括：
返回信号相位差模块：用于使用第一相位差减去第二相位差，得到本次测量的两个rfid标签之间的返回信号相位差；
存储模块：用于保存所述返回信号相位差。
更进一步地，还包括：
物体运行方向确定单元：用于在设定时间内多次重复调用上述单元，得到多个包括其值为零的返回信号相位差，并根据在所述返回信号相位差的值为零之前和之后的返回信号相位差值的符号，确定所述物体的运行方向。
更进一步地，所述物体运行方向确定单元中，在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为负，而在之后为正，则所述物体运行方向由所述第一个rfid标签指向第二个rfid标签；在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为正，而在之后为负，则所述物体运行方向由所述第二个rfid标签指向第一个rfid标签。
更进一步地，还包括：
物体到位信号输出单元：用于在设定时间内多次重复调用上述单元，直到得到其值为零的返回信号相位差，并输出所述物体到位信号，防止所述物体再次移动。
实施本发明的一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法及装置，具有以下有益效果：由于将读出器及其天线设置在沿轨道运动的物体上的设定位置，同时，采用分时的方式要求rfid标签矩阵中相邻的两个标签返回信号，由于标签矩阵的设置方向及其标签之间的距离的约束，这两个返回信号的相位差就等于天线到这两个标签之间的距离差，据此，就能够准确地判断天线是不是在两个标签的中点以及天线的运动方向。因此，其能够单独实现位置确定、能判断运动方向。
附图说明
图1是本发明一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法及装置实施例中的方法流程图；
图2是所述实施例中天线和标签的位置关系示意图；
图3是所述实施例中的装置结构示意图；
图4是所述实施例中计算出的距离差和标签相对天线的位置关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，在本发明的一种精准确定沿轨道运行的物体位置的方法及装置实施例中，以在铁轨上运行的列车车辆为例，说明其实施过程。在本发明中，当然实施的对象并不仅仅限于上述列车车辆，还包括一切沿轨道运行的物体，例如，某种在轨道上传输的货物、包裹、小车或集装箱等等。在本实施例中，该方法包括如下步骤：
步骤s11通过激活信号要求标签矩阵中的一个标签返回信号：在本实施例中，通过一个包括两个rfid标签的标签矩阵，确定列车车辆的确切位置的例子，说明该精确确定列车车辆位置的方法。在本实施例中，所述rfid标签矩阵设置在铁轨的中间，与读出器连接并接收所述返回信号的天线安装在列车车辆设定位置；所述rfid标签矩阵中，包括多个rfid标签，其均匀地、等距离地设置，多个rfid标签的设置方向平行于列车运行方向，两个相邻rfid标签之间的距离小于激活信号波长的一半。在本步骤中，(读出器)通过激活信号给按设定的方向和距离排列的多个rfid标签矩阵中的一个rfid标签发送指令，要求其返回该标签的状态；在本实施例中，rfid标签矩阵中每个标签的设置位置和其身份信息(识别码)是已知的，在本步骤中首先给哪个rfid标签发送指令要求其返回信号，是可以事先设定的；但是首先被要求返回信号的标签不同，其后续的处理步骤可能就有一些却别，特别是在判断运行方向时。当然，在本实施例中的一些情况下，读出器也可以随机通知标签工作，具体是哪个标签工作是随机的，但每次只能有一个标签工作。读出器通过识别标签返回的数据来辨别是哪个标签在工作，先工作的那个标签可以设置为第一标签，后工作的设为第二标签。由于标签的位置是确定的，所以物体(此处是列车车辆)的运动方向也是可以采用本实施例中的方法实现的，只是后续的判断程序稍有差别而已。
步骤s12该标签收到指令后，等待该指令发送完毕，发送返回信号：在本步骤中，所述标签在收到指令且发现激活信号中不再存在调制信号时，将返回的数据调制在其接收到的激活信号上返回。一般来讲，上述读出器通过天线发出的指令会持续一个设定时间，以保证被rfid标签收到；当其发送完成后，将会停止发送指令，此时，激活信号恢复纯载波形式，不再具有调制信号；这样当一个rfid标签收到指令，判断其要求自己返回信号或数据，并检测到激活信号是纯载波时，就知道该指令发送完成，需要开始发送返回信号。返回的信号是通过将数据调制到激活信号上的形式发送的。
步骤s13接收该返回信号，并取得其中数据和该信号与激活信号的相差，得到第一相位差：在本步骤中，读出器通过天线接收所述rfid标签返回的信号，并取得该返回信号上的数据以及该返回信号和激活信号之间的相位差，设置为第一相位差；由于rfid标签使用数据对其收到的激活信号进行调制，且调制后的信号由rfid标签传输到天线，因此，该信号的相位和激活信号的相位之间是存在差别的，在本步骤中，就是取得二者的差值，得到上述第一相位差。
步骤s14要求相邻的下一个标签返回信号，并重复上述步骤，得到第二相位差：在本步骤中，对所述rfid标签矩阵中该rfid标签(即在上述步骤中被要求发送返回信号的那个标签)相邻的下一个rfid标签重复上述步骤，得到第二相位差。具体来讲就是要求该标签矩阵中的相邻的下一个rfid标签发回返回信号，针对该下一个标签重复上述步骤，同样得到一个相位差，为第二相位差。
步骤s15判断第一相位差和第二相位差的差值是否为零，如是，判断天线位置在上述两个标签位置的中点上：在本步骤中，比较所述第一相位差和第二相位差，当二者相同时，判断设置在列车车辆设定位置上的、接收所述返回信号的天线处于上述两个相邻的rfid标签的中间位置(即两个标签的连线的中点)的正上方。具体来讲，在本步骤中，首先，使用第一相位差减去第二相位差，得到本次测量的两个rfid标签之间的返回信号相位差；然后，保存所述返回信号相位差。后续的步骤，可能根据不同的应用场景，会有微小的差别。例如，如果用于准确停车，则判断存储的返回信号相位差是否为零，为零则表示停车到位，不再进行位置检测，而执行相关的动作；如果不为零，则表示尚未停车到位，需要返回并重复上述步骤，直到该返回信号相位差为零为止。而在判断列车的运行方向时，则需要重复上述步骤一个设定的时间，取得多个按照时间顺序排列的返回信号相位差的值，在这些值中，返回信号相位差为零前和为零后均有多个值，然后处理这些数据，根据返回相位差为零之前和之后的值的正负来判断其运行的方向。
更具体地讲，在本实施例中的一种情况下，使用上述方法判断列车运行的方向，即在设定时间内多次重复执行上述步骤，得到多个包括其值为零的返回信号相位差，并根据在所述返回信号相位差的值为零之前和之后的返回信号相位差值的符号，确定所述列车车辆的运行方向。在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为负，而在之后为正，则所述列车车辆运行方向由所述第一个rfid标签指向第二个rfid标签；在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为正，而在之后为负，则所述列车车辆运行方向由所述第二个rfid标签指向第一个rfid标签。在本实施例中，之所以用标签之间的方向来表示列车运行方向，是因为标签的设置位置和标签之间的位置关系是已知的，而且没有限定首先被要求发送返回信号的rfid标签。当这个rfid标签被确定后，实际上上述方向是确定的。
而在本实施例中的另外一种情况下，使用上述方法实现轨道交通，例如，地铁或高铁，的准确定位停车则又稍有差别，即在设定时间内多次重复执行上述步骤，直到得到其值为零的返回信号相位差，此时，停止执行上述步骤，并输出列车停车到位信号，防止车辆再次移动。
本发明还涉及一种实现上述方法的装置，如图2所示，该装置包括指令发送单元21、返回信号单元22、返回信号接收单元23、标签切换单元24以及相位比较单元25；其中，指令发送单元21用于通过激活信号给按设定的方向和距离排列的多个rfid标签矩阵中的一个rfid标签发送指令，要求其返回该标签的状态；返回信号单元22用于使所述标签在收到指令且发现激活信号中不再存在调制信号时，将返回的数据调制在其接收到的激活信号上返回；返回信号接收单元23用于接收所述rfid标签返回的信号，并取得该返回信号上的数据以及该返回信号和激活信号之间的相位差，设置为第一相位差；标签切换单元24用于选中所述rfid标签矩阵中该rfid标签相邻的下一个rfid标签并重复调用上述单元，得到第二相位差；相位比较单元25用于比较所述第一相位差和第二相位差，当二者相同时，判断设置在列车车辆设定位置上的、接收所述返回信号的天线处于上述两个相邻的rfid标签的中间位置的正上方；其中所述rfid标签矩阵设置在铁轨的中间，接收所述返回信号的天线安装在列车车辆设定位置；所述rfid标签矩阵中，rfid标签的设置方向平行于列车运行方向，两个相邻rfid标签之间的距离小于激活信号波长的一半。而在所述相位比较单元25中，进一步包括返回信号相位差模块251用于使用第一相位差减去第二相位差，得到本次测量的两个rfid标签之间的返回信号相位差；以及存储模块252用于保存所述返回信号相位差。
同样地，在本实施例中一种情况下，该装置还包括车辆运行方向确定单元(图中未示出)用于在设定时间内多次重复调用上述单元，得到多个包括其值为零的返回信号相位差，并根据在所述返回信号相位差的值为零之前和之后的返回信号相位差值的符号，确定所述列车车辆的运行方向。所述车辆运行方向确定单元中，在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为负，而在之后为正，则所述列车车辆运行方向由所述第一个rfid标签指向第二个rfid标签；在所述返回信号相位差值为零之前的返回信号相位差值为正，而在之后为负，则所述列车车辆运行方向由所述第二个rfid标签指向第一个rfid标签。
在本实施例中的另外一种情况下，上述装置还包括停车到位信号输出单元(图中未示出)用于在设定时间内多次重复调用上述单元，直到得到其值为零的返回信号相位差，并输出列车停车到位信号，防止车辆再次移动。
图3示出了本实施例中标签矩阵、天线以及读出器在一种情况下的位置关系，在图3中示出了rfid读出器1、天线2和标签阵列3的位置。读出器3通过天线2和标签阵列1进行无线数字通讯。读出器3通过天线输出射频激励信号，标签从射频激励信号中感应提取能量供自身工作。读出器3在射频激励信号(及激活信号)上加载调制信号输出控制指令，使标签阵列3中的标签分时工作，逐个反馈数据。标签反馈数据时是在射频激励信号上进行反射调制方式实现。读出器和标签之间采用半双工通讯模式。在本发明中rfid读出器除能获取标签内数据功能，还能将标签的反射信号和自身输出的激励信号进行比较得出相位差。以图3为例，标签a到天线的距离为da，标签b到天线的距离为db；射频激励信号的波长为λ；读出器计算出两个标签反射信号和射频激励信号的相位差分别为θa和θb。这几个参数的关系如公式1所示。
当标签a和标签b中心间距d小于λ/2时，即两个标签距离天线的距离差值不超过λ/2，即m＝n，m和n分别是天线到该标签的波长数，均为正整数。两个标签相对天线的距离差，等效于标签反射信号和读出器射频激励信号的相位差的差值。即
δd＝da-db＝θa-θb＝δθ。式2
当标签阵列沿标签排列方向相对天线做水平运动时(或天线沿标签排列方向运动时)，读出器计算出的距离差和标签相对天线的位置关系如图4所示。根据图4所示的关系，读出器可将相位差信息转化为位置信息，实现对标签阵列的定位。在标签阵列平面和天线平面的垂直距离已知的情况下，读出器可对标签阵列进行精确定位。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。