一种基于超高频射频识别标签的速度测量系统和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于超高频射频识别标签的速度测量系统和测量方法，属于射频 识别标签读取识别的技术领域。
【背景技术】
[0002] 射频识别（Radio Frequency Identification, RFID)技术，是一种非接触式的自 动识别技术，每个RFID标签都有一个唯一的标识（ID)信息，RFID阅读器通过射频的方式读 取RFID标签的ID信息。该项技术具有识别准确率高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点， 且使用的无源电子标签成本低、安装方便，在各领域也得到了广泛的使用。
[0003] 插值、拟合、滤波与互相关，都是常用的处理数据方法。插值函数是在离散数据的 基础上补插连续数据的函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点，它是离散函 数逼近的重要方法。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项 重要措施。拟合是对原始数据的一种近似，对数据分析有着重要意义。互相关是统计学中 用来表示两个随机矢量X和Y之间的协方差；在信号处理领域中，互相关是用来表示两个信 号之间相似性的一个度量，通常通过与已知信号比较来寻找未知信号中的特性。
[0004] 老年人健康是当前科学研宄的一个热点，随着人口老龄化趋势的加快，老年人保 健变得越来越重要，近年来，研宄者发现老年人行走速度与其健康有着密切联系，因此，对 老年人行走速度的精确测量将变得越来越重要，然而我国在人体行走速度的测量方面的相 关研宄基本处于空白状态，也没有任何研宄给出过一个完整的测速方法。以往的RFID在测 速领域的应用中，多为高速车辆测速，本发明中设计的系统及方法专为行人测速提供。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明的目的在于提供一种超高频射频识别的行走速度测量系统及方 法
[0006] 技术方案：本发明所述的超高频射频识别的行走速度测量系统及方法，射频识别 阅读器经射频与射频识别标签相连接，射频识别阅读器经数据线与数据中心相连接，射频 识别阅读器与微波天线相连接，射频识别标签通过内置的发送天线与阅读器相连接，使用 特定的测量方法获得数据，速度计算方法中依次使用Lagrange插值法对原始数据进行预 处理，后用分区间高斯拟合与卡尔曼滤波器结合的最大值时差法和Phat处理器及SCOT加 权的相关时差法处理插值得到的数据，从而得到行人的行走速度。
[0007] 所述的测量方法为携带电子识别标签的行人沿与两个微波天线平行的直线行走， 在RFID设备工作下，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，电子标签在发射天线 工作区域内经激活后将内置信息发送出去，阅读器对接收到的信息识别，并发送给数据中 心记录，从而获得一系列原始数据。
[0008] 测速算法：
[0009] 1、Lagrange 插值法
[0010] 由于RFID阅读器读取到的信号强度的时间间隔是不恒定的，而且信号强度易受 室内温度、湿度、多径效应等多个因素的影响波动很大，因此需要对读取到的数据作预处 理。为了避免真值的丢失，采用Lagrange插值法对所读数据进行插值，使产生时间间隔为 Δ T的序列。
[0011] 设P、Q、H三点是待插值的序列中相邻的三点，其坐标分别为（X(l，y(l)、（ Xl，yi)、 (X2, y2)，假设χ(!〈χι〈χ2;通过这三点就可以确定一条抛物线y = ax 2+bx+c，三个参数a、b、c 可以通过Lagrange插值公式求得，Lagrange插值公式为：
[0012]
[0013] 求出参数后，在区间[X(1，x2]之间，每隔ΔΤ插一次值。完成后，重新选择三个相邻 的点，不断重复上述做法，使之产生完整的时间间隔为ΛΤ的序列。
[0014] 2、分区间高斯拟合
[0015] 某个位置的信号强度已(d)值可以看成一个概率问题，已(d)值分布越密集表明 P1Xd)值越真实。现对Lagrange插值产生的序列采用分区间高斯拟合，找出概率大的P1Xd) 值，剔除零散的错误数据。拟合函数为：
[0016]
[0017] 现将插值产生的序列划分成多个区间，每个区间可近似表示某一距离d下所产生 的已(d)值，然后将该区间的已(d)值代入拟合函数，保留0. 5〈1〈1的大概率数据。
[0018] 3、卡尔曼滤波器
[0019] 由于高斯拟合法只剔除了零散的错误数据，而一些大概率噪声却不能消除其影 响，现通过卡尔曼滤波器来处理高斯拟合得到的数据，根据系统的测量值来消除随机干扰， 再现系统的真实面目。根据搭建的RFID系统的特点，可用无控制离散型卡尔曼滤波器来处 理，其算法可通过5个方程描述。
[0020] 状态的一步预测方程：
[0021]
[0022] 均方误差的一步预测方程：
[0023]
[0024] 滤波增益方程（权重）：
[0025]
[0026] 滤波估计方程（K时刻的最优值）：
[0027]
[0028] 均方误差更新矩阵（K时刻的最优均方误差）：
[0029]
[0030] 4、Phat处理器及SCOT加权的广义互相关
[0031] 广义互相关是基于两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权，可对信 号和噪声进行白化处理，增强信号中信噪比较高的频率成分，从而抑制噪声的影响，再通过 离散傅里叶反变换（IDFT)到时域，得到两信号的广义互相关函数为：
[0032]
[0033] 其中，G12GO为两信号之间的互功率谱密度，A(k)为广义互相关加权函数。加权 函数的选取是根据不同的噪声和混响情况而定，对于本系统，Phat处理器及SCOT加权比较 合适。
[0034] Phat 处理器：
[0035] A(k) = l/|G12(k)
[0036] SCOT ：
[0037]
[0038] 两个离散信号频域特性的相关关系可用自功率谱密度和互功率谱密度来描述，而 自功率谱密度与自相关函数是一对傅里叶变换对，互功率谱密度与互相关函数也是一对傅 里叶变换对，得：
[0039] R12 (n) = IDFT [G12 (k)]
[0040] 根据离散傅里叶变换的时域圆周卷积特性，上式可变为：
[0041]
[0042] 其中，A(n)可通过A(k)离散傅里叶变换（DFT)得到；?表示圆周卷积运算符； R12p (n-m) Rn (η)表示圆周移位序列；RN (η)为矩形序列。
[0043] 为了简化圆卷积的计算，可以用矩阵相乘来实现，矩阵表示为：
[0044] Y = HX
[0045] 其中：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 本发明提出了一种超高频射频识别的行人测速系统及方法，其有益效果是在测速 过程中不但可以有效地降低误差，提高精度，而且不需要大的计算量。
[0050] 本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、可以有效地降低误差，提高精度，而且 不需要大的计算量。
[0051] 2、传统的测速方法（如秒表测速）的测量精度往往不高，精度较高的测量仪器因 成本较高而无法大量推广使用，而且这些方法都很难准确测量老年人的日常行走速度。超 高频RFID标签具有体积小、价格低，读取距离远等优点，适合作为传感器穿戴在老年人身 上进行行走速度的准确测量。
[0052] 3、本发明的测速方法精度比较高，整个系统价格也比较适中，可用于医疗保健。
[0053] 4、本系统可以同时对多个人进行测速，RFID标签保存受测人的资料，借助标签识 别不同受测人。
【附图说明】
[0054] 图1为本发明的速度测量系统结构框图；
[0055] 图2为本发明的速度测量系统原理示意图；
[0056] 图3为本发明的速度测量系统实验示意图；
[0057] 图4为本发明的实施例1插值预处理数据图；
[0058] 图5为本发明的实施例1的高斯拟合数据图；
[0059] 图6为本发明实施例1的卡尔曼滤波器处理数据图；
[0060] 图7为本发明实施例1的相关时差法处理数据图。
【具体实施方式】
[0061] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。
[0062] 实施例1 :
[0063] 如图1所示，本系统由射频识别标签、射频识别阅读器（微波天线）和数据中心组 成，射频识别标签内保存有标识信息，射频识别阅读器通过射频识别的方法读取射频标识 标签的标识信息并通过数据线发送到数据中心，数据中心对数据进行显示和记录。
[0064] 如图2所示，射频识别阅读器经射频与射频识别标签相连接，射频识别阅读器经 数据线与数据中心相连接，射频识别阅读器与微波天线相连接，射频识别标签通过内置的 发送天线与阅读器相连接。行人携带电子标签从两个微波天线前沿与两天线平行的直线经 过，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时 产生感应电流，电子标签获得能量被激活，将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出 去；系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读 器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理。信号传播损耗模型反 映信号传播路径损耗与传播距离的关系，电子标签与天线的距离越近，信号传播过程中的 损耗就