利用RFID信號相位清洗出入管控設(shè)備數(shù)據(jù)

邵 壯，張 丹，賈俊鋒，王 穎

（北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

0 引 言

RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，具有非接觸、快速識別、自動檢測的特點，被廣泛用于庫房管理、交通監(jiān)管、物流裝配、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域[1]。RFID出入管控設(shè)備集RFID數(shù)據(jù)采集、出入方向判斷、載體信息關(guān)聯(lián)、聲光報警等眾多功能于一體，在庫房、停車場、檔案室、圖書館等有出入管控需求的場景得到廣泛使用。

在實際應(yīng)用中，RFID出入管控設(shè)備常常會識讀到未發(fā)生出入行為的無關(guān)標簽，造成物品管理的混亂，這也成為了行業(yè)中的一個難點。這種多讀現(xiàn)象的產(chǎn)生有兩方面原因：一方面，由于環(huán)境中的干擾產(chǎn)生了反射、衍射等現(xiàn)象，導(dǎo)致原本不在RFID出入管控系統(tǒng)識讀范圍內(nèi)的RFID標簽被識讀到；另一方面，如果RFID出入管控系統(tǒng)部署在較小的空間中，空間中存放的RFID標簽就會不可避免地出現(xiàn)在出入管控系統(tǒng)的識讀范圍內(nèi)。

針對上述第一種多讀現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)做了大量的工作，各種各樣的數(shù)據(jù)清洗方法被提出[2]；針對第二種多讀現(xiàn)象，目前主要的做法是對RFID出入管控設(shè)備的天線做特殊的設(shè)計，控制出入管控設(shè)備的識讀范圍[3]。本文從RFID標簽信號的相位信息入手，深入研究了具有出入行為的RFID標簽與無關(guān)標簽返回信號的相位特征，提出了一種針對RFID出入管控設(shè)備的數(shù)據(jù)清洗方法。實驗結(jié)果表明，該方法能夠在保證準確識讀出入標簽的同時，有效濾除干擾標簽；當環(huán)境中存在10個以內(nèi)干擾標簽時，準確率達到92%以上；當環(huán)境中存在5個以內(nèi)干擾標簽時，準確率能夠達到97%以上，適用于庫房、檔案室、停車場等有出入管控需求的場合，具有很高的實用價值。

1 相關(guān)研究

針對由環(huán)境干擾產(chǎn)生的反射、衍射等現(xiàn)象造成的多讀現(xiàn)象，近年來國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)提出了各種數(shù)據(jù)清洗算法。EPCglobal組織在其Reader Protocol協(xié)議中提出了一種靜態(tài)窗口時間平滑方法用于處理RFID數(shù)據(jù)流，即在一個固定的窗口時間內(nèi)發(fā)生了符合要求的識讀事件（如連續(xù)多次識讀）才會判定標簽數(shù)據(jù)有效，這樣就將波動的、不確定的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、可信性高的數(shù)據(jù)流[4]。但是靜態(tài)窗口平滑時間方法存在問題，由于RFID數(shù)據(jù)流往往都不是均勻的，窗口大小的選擇嚴重影響數(shù)據(jù)清洗方法的性能：如果窗口選得太大，就會產(chǎn)生多讀數(shù)據(jù)，不能對已經(jīng)離開識讀范圍的標簽進行實時反饋；如果窗口選得太小則容易產(chǎn)生漏讀數(shù)據(jù)，不能真實反映識讀范圍內(nèi)標簽的狀態(tài)[5]。

針對這一問題，有學(xué)者提出了動態(tài)滑動窗口算法[6-8]，顯著提升了數(shù)據(jù)清洗算法的準確率，但是這些動態(tài)滑動窗口算法在動態(tài)性、實時性上往往存在問題。有學(xué)者提出了一種基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)清洗方法[9]，該方法利用觀測值和估計值互相修正形成了自回歸的過程，保證了準確性，能夠有效消除多讀和漏讀現(xiàn)象，動態(tài)性能也較好，缺點是算法復(fù)雜度較高。還有學(xué)者提出了一種利用RFID冗余數(shù)據(jù)、先驗知識、環(huán)境約束等信息進行RFID數(shù)據(jù)清洗的方法。該方法通過冗余數(shù)據(jù)、先驗知識、環(huán)境約束估算標簽被識讀的概率和實際RFID數(shù)據(jù)估計真實的RFID標簽識讀情況[10]。

針對RFID設(shè)備容易識讀到附近的無關(guān)標簽而產(chǎn)生多讀數(shù)據(jù)的情況，目前主要的解決辦法是設(shè)計近場天線，保證電磁場分布均勻、輻射范圍可控[11-12]，減少或避免RFID設(shè)備對附近無關(guān)標簽的識讀。但是這種做法缺少靈活性，RFID設(shè)備的應(yīng)用受到限制。

2 方法描述

2.1 RFID標簽信號相位特征

RFID讀寫器在工作時會向空間中發(fā)射電磁波信號，空間中的RFID電子標簽接收到讀寫器的電磁波信號后被激活，同時標簽內(nèi)部電路對讀寫器的電磁波信號進行調(diào)制之后反射到空間中，讀寫器最終接收到標簽的反射信號，完成了與RFID標簽的一次交互。

在這次交互過程中，RFID讀寫器發(fā)送信號的相位和接收信號的相位之差可以用下式計算：

其中：θspace為電磁波空間傳播過程中產(chǎn)生的相位偏移；θt、θr分別為電磁波經(jīng)RFID讀寫器發(fā)射電路和接收電路產(chǎn)生的相位偏移；θtag為RFID標簽反向散射調(diào)制電路在反射電磁波時產(chǎn)生的相位偏移。其中，θt、θr、θtag分別是由RFID讀寫器發(fā)射電路、RFID讀寫器接收電路、RFID標簽反向散射電路的特性決定的，這三部分相位偏移具有穩(wěn)定性[13]，基本保持恒定。θspace與讀寫器和標簽間的距離有關(guān)，可用下式表示：

其中：s為RFID讀寫器和RFID標簽之間的距離；θspace與s成正比關(guān)系，因此RFID讀寫器發(fā)送和接收信號的相位差Δθ理論上僅隨s變化，這一特點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于RFID定位系統(tǒng)。本文提出的方法將利用相位差Δθ的這一特點實現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗功能，下文提到的RFID標簽信號相位均是指代相位差Δθ。

2.1.1 有出入行為的RFID標簽相位特征分析

將出入管控系統(tǒng)的應(yīng)用場景抽象為如圖1所示的平面表示。

圖1 出入管控系統(tǒng)示意圖

RFID出入管控設(shè)備設(shè)置在通道一側(cè)，其與通道間的距離為h，RFID標簽與出入管控設(shè)備在通道方向上的距離為d，RFID標簽與RFID出入管控設(shè)備距離，則RFID標簽信號相對于讀寫器信號的相位可由下式求得：

其中：λ為電磁波波長，λ=c/f，c為電磁波傳播速度，對于常用的超高頻RFID系統(tǒng)，其中心頻點為922.625 MHz，可求得電磁波波長約為0.325 m。讀寫器實際測得的RFID標簽信號相對于讀寫器信號的相位Δθ'為：

取RFID出入管控設(shè)備在通道上的投影位置為零點，h=0.5 m，d取通道兩側(cè)2 m范圍內(nèi)，對上述模型進行仿真可得到RFID標簽信號和讀寫器信號的相位差與位置的關(guān)系如圖2所示。由圖可見，隨著標簽沿著通道逐漸靠近出入管控設(shè)備，標簽信號的相位逐漸減小且呈周期性變化；在與RFID出入管控設(shè)備距離比較小的范圍內(nèi)，相位差呈現(xiàn)類似拋物線變化；之后，隨著RFID標簽逐漸遠離RFID出入管控設(shè)備，相位差逐漸增大且呈周期性變化。

圖2 RFID標簽信號相位與位置關(guān)系

本設(shè)備采集到的相位差存在π相位模糊，即標簽相位可能是讀寫器獲取到的相位，也可能是讀寫器獲取到的相位加或減π。本文為了消除這種歧義，取0-π范圍內(nèi)的相位作為參考，對讀寫器獲取到π到2π的相位做減π處理。對于這種情況進行仿真得到如圖3所示的結(jié)果。由上述仿真結(jié)果可知，存在出入行為的RFID標簽，其相位差具有顯著的特征。

圖3 讀寫器采集到的RFID標簽相位與位置關(guān)系

然而，在實際應(yīng)用場合中，一方面，用戶攜帶的RFID標簽往往不會只有一個；另一方面，RFID出入管控設(shè)備周邊可能會存在干擾標簽。由于讀寫器對多標簽的識讀不是并行的，各個RFID標簽之間存在競爭關(guān)系，多標簽的存在將直接影響RFID出入管控設(shè)備對每一個標簽的識讀效率。隨著干擾標簽數(shù)量的增加，采集到各標簽的相位信息在時間上變得不連續(xù)，相位的特征變得不明顯，這對基于相位特征的數(shù)據(jù)清洗方法將產(chǎn)生很大的影響。

2.1.2 無出入行為的RFID標簽相位特征分析

無出入行為的RFID標簽通常是RFID出入管控設(shè)備周邊的標簽，通常是靜止的或者是由于與RFID出入管控設(shè)備距離較遠，所以相對RFID出入管控設(shè)備運動速度較小。在通道上無出入行為時，讀寫器采集到的這種標簽的相位較為穩(wěn)定或者變化很小。但是由于周邊環(huán)境的微小擾動及RFID出入管控設(shè)備的相位測量誤差，相位數(shù)據(jù)始終存在較小的波動。當通道上發(fā)生出入行為時，若貼有出入標簽的載體及載體攜帶者（如人、叉車等）經(jīng)過了RFID出入管控設(shè)備與干擾標簽傳播路徑上的菲涅爾區(qū)時，出入管控設(shè)備采集到的干擾標簽的相位將發(fā)生顯著波動；另外，載體及載體攜帶者也有可能因為反射、衍射等效應(yīng)對出入管控設(shè)備采集到的干擾標簽相位產(chǎn)生影響[9]。因此，盡管RFID出入管控設(shè)備周邊的干擾標簽相對RFID出入管控設(shè)備沒有明顯的相對移動，干擾標簽的相位在通道上發(fā)生出入行為時仍會受到有出入行為的攜帶者或載體的影響而產(chǎn)生波動。因為貼有標簽的載體以及載體攜帶者對RFID標簽和出入管控設(shè)備之間電磁波傳播路徑的影響都是比較連續(xù)的，所以干擾標簽的相位波動都是簡單的起伏或者突變且持續(xù)時間較短。干擾標簽的相位也有可能是存在波動的，增大了區(qū)分出入標簽和干擾標簽的難度。下面提出一種方法對干擾標簽做過濾處理。

2.2 干擾標簽過濾方法

通過前面分析可知，出入標簽和干擾標簽相位上存在很大的不同：由于RFID出入管控設(shè)備采集到相位的周期性，在出入標簽相位的兩個周期相接處會出現(xiàn)一個相位突變的邊沿，且該邊沿在出入標簽相對出入管控設(shè)備每移動四分之一波長（約8.1 cm）就會出現(xiàn)一次，在出入標簽經(jīng)過出入管控設(shè)備的整個過程將出現(xiàn)很多的相位突變邊沿；而干擾標簽由于沒有穩(wěn)定地相對于出入管控設(shè)備移動，雖然其相位有波動也有可能出現(xiàn)邊沿，但其邊沿數(shù)量、邊沿的跨度都會與出入標簽產(chǎn)生明顯區(qū)別。同時，出入標簽在邊沿方向上有先出現(xiàn)上升沿再出現(xiàn)下降沿的特點。基于這一特點設(shè)計如下方法對無出入行為的多讀標簽進行過濾，具體算法代碼如下：

上述算法利用相位突變的幅度和方向來區(qū)分出入標簽和干擾標簽。算法中引入了兩個閾值edge_height_threshold和edge_count_threshold。edge_height_threshold表示算法檢測邊沿的變化量閾值，當某標簽前后兩個采樣點差值的絕對值大于該閾值時，算法將對該邊沿的方向進行判斷。如果在處理過程中出現(xiàn)上升沿晚于下降沿的現(xiàn)象，則清空之前關(guān)于邊沿的記錄；如果沒有出現(xiàn)上升沿晚于下降沿的現(xiàn)象，則當前邊沿被判定為有效。edge_count_threshold是邊沿數(shù)閾值，如果RFID出入管控設(shè)備識讀過程中獲取到的有效邊沿數(shù)大于edge_count_threshold，則該標簽被判定為出入標簽，反之則被判定為干擾標簽。

3 實 驗

實驗設(shè)備選取的是基于Impinj R2000射頻芯片讀寫器的出入管控設(shè)備，如圖4所示。

圖4 出入管控設(shè)備

本設(shè)備安裝有熱紅外傳感器用于提前感應(yīng)到出入事件，開啟其上的RFID讀寫器進行盤點，并判斷出入事件結(jié)束，控制其上的RFID讀寫器結(jié)束盤點。當設(shè)備得知出入事件結(jié)束后，即可將盤點得到的所有數(shù)據(jù)送入本文設(shè)計的算法中進行數(shù)據(jù)清洗，最終將有效的數(shù)據(jù)傳給后臺程序處理并顯示在設(shè)備的屏幕上。另外，該設(shè)備上有兩側(cè)紅外線傳感器用于判斷出入的方向即物品是被帶入管理區(qū)域還是帶出了管理區(qū)域。該出入管控設(shè)備內(nèi)置的超高頻RFID讀寫器的性能參數(shù)見表1所列。

表1 超高頻RFID讀寫器性能參數(shù)

本設(shè)備的RFID天線增益較大，能夠保證對出入標簽識讀的準確性，但是由于天線增益較大，很容易將周邊環(huán)境中的無關(guān)標簽納入輻射范圍之中，導(dǎo)致多讀現(xiàn)象。

實驗中將RFID出入管控設(shè)備的讀寫器配置為ISO 18000-6C工作模式；為了排除不同頻率下讀寫器電路、標簽電路等其他因素對相位偏移的影響導(dǎo)致測量誤差，實驗中RFID出入管控設(shè)備采用定頻工作模式，頻點設(shè)置為922.625 MHz；為了保證能夠正確識讀出入標簽，功率設(shè)置為最大功率30 dBm。

測試選用的RFID無源標簽芯片采用的是Impinj Monza R6，該標簽符合ISO 18000-6C空口協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于物品管理領(lǐng)域。為了模擬真實的應(yīng)用場景，實驗中RFID標簽被粘貼到A4紙上，并裝到檔案袋內(nèi)。

首先測試在環(huán)境中存在不同數(shù)目干擾標簽時出入標簽相位的變化情況，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 出入標簽相位變化情況

由圖5可以看出，當環(huán)境中沒有干擾標簽時，出入標簽的相位變化情況與圖3的仿真結(jié)果基本一致；當環(huán)境中存在5個干擾標簽時，由于干擾標簽的存在，出入管控設(shè)備采集出入標簽信息的效率降低，采樣點變少，但是出入標簽的相位仍明顯具有圖3所示特征；干擾標簽數(shù)增加至10個時，出入管控設(shè)備采集效率進一步降低，出入標簽相位數(shù)據(jù)變得不連續(xù)，特征變得不明顯，與前文分析相符合。

環(huán)境中干擾標簽在出入管控設(shè)備中有出入行為時的相位變化情況如圖6所示。

圖6 干擾標簽的相位變化情況

圖6給出了干擾標簽在出入管控設(shè)備中有出入行為時相位變化的兩種情況。當出入行為產(chǎn)生的影響不足以使干擾標簽相位達到下界0或者上界π時，干擾標簽的相位變化情況表現(xiàn)為較為平緩的上下起伏，如圖6（a）所示；當出入行為產(chǎn)生的影響使干擾標簽相位達到了上界0或者下界π時，由于相位的周期性，干擾標簽的相位會陡然上升或下降，如圖6（b）所示，這種上升或者下降的邊沿將會對本文提出方法的有效性產(chǎn)生挑戰(zhàn)。

在出入管控設(shè)備兩側(cè)2 m范圍內(nèi)隨機布置若干干擾標簽，測試者手持單個RFID標簽以正常步速勻速通過通道，針對不同數(shù)目干擾標簽、閾值edge_height_threshold和edge_count_threshold分別進行100次實驗，當出入管控系統(tǒng)既沒有少讀出入標簽也沒有多讀干擾標簽即認為本次實驗出入管控準確。實驗結(jié)果如圖7所示。

由實驗數(shù)據(jù)可知，無干擾標簽時，隨著閾值edge_count_threshold和edge_height_threshold增大，準確率逐漸降低，這是因為兩個閾值的增大都會導(dǎo)致算法判定標簽有效的條件變得苛刻。當兩個閾值大到一定程度時，出入標簽的相位特征也不能滿足算法的要求，嚴重影響出入管控的準確率。

當環(huán)境中存在干擾標簽時，若閾值edge_height_threshold較小，因為干擾標簽的存在和讀寫器的識讀效率降低，導(dǎo)致對標簽相位信息采樣不連續(xù)而出現(xiàn)的一些邊沿會被算法判定為有效，進而導(dǎo)致干擾標簽被判定為出入標簽的多讀現(xiàn)象發(fā)生，使出入管控準確率顯著降低，這種現(xiàn)象在edge_count_threshold較小時更容易出現(xiàn)；當閾值edge_height_threshold較大時，同樣會因為識讀效率降低引起采樣不連續(xù)，進而導(dǎo)致無法采集到完整的相位變化邊沿，而將出入標簽誤判為干擾標簽，這種現(xiàn)象在edge_count_threshold較大時更易出現(xiàn)。同樣，閾值edge_count_threshold過小，會使得因采樣不連續(xù)產(chǎn)生的邊沿恰巧滿足被判定為出入標簽的條件，這種現(xiàn)象在edge_height_threshold較小時更容易出現(xiàn)；而edge_count_threshold過大則會因為對出入標簽相位采樣的不連續(xù)而導(dǎo)致其有效邊沿數(shù)量不能滿足條件而被判定為干擾標簽，這種現(xiàn)象在edge_height_threshold較大時更容易出現(xiàn)。edge_height_threshold和edge_count_threshold相互影響，兩個閾值既不能過大也不能過小。當環(huán)境中干擾標簽數(shù)量增大時，相位采樣的不連續(xù)性逐漸增強，出入管控的準確率逐漸下降，如圖7所示，當環(huán)境中存在10個干擾標簽時，實驗中能達到的最大準確率為92%（edge_count_threshold=4，edge_height_threshold=π/4），實際上92%的準確率在實際出入管控系統(tǒng)應(yīng)用中僅僅是勉強可用，參考行業(yè)相關(guān)標準，出入管控系統(tǒng)的管控準確率要在95%以上為良好。

圖7 出入管控設(shè)備管控準確率

從實驗結(jié)果來看，本文提出的方法中兩個閾值edge_height_threshold和edge_count_threshold的設(shè)置是影響出入管控系統(tǒng)管控準確率的關(guān)鍵。對于實驗中采用的出入管控設(shè)備，edge_height_threshold=π/4，edge_count_threshold=4的閾值設(shè)置能夠達到最佳效果，在出入管控設(shè)備周邊存在10個以內(nèi)干擾標簽時，采用該閾值配置能夠達到92%以上的準確率。相比于準確率直接受干擾標簽影響的常規(guī)出入管控設(shè)備，采用了本方法的出入管控設(shè)備能夠有效濾除多讀的干擾標簽數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文針對RFID出入管控設(shè)備的應(yīng)用中常遇到的多讀問題提出了一種數(shù)據(jù)清洗方法。該方法利用有無出入行為的RFID標簽信號的相位特征有顯著區(qū)別這一特點，將未發(fā)生出入行為的標簽數(shù)據(jù)濾除。經(jīng)實驗驗證，當環(huán)境中存在10個以內(nèi)干擾標簽時，采用該方法的出入管控設(shè)備管控準確率達到92%以上；當環(huán)境中存在5個以內(nèi)干擾標簽時，準確率能夠達到97%以上，具有實用價值。但是，在一些要求嚴格的場合，出入管控設(shè)備的管控準確率應(yīng)達到99%以上，本文方法無法滿足；同時，在部分應(yīng)用場合可能涉及大量標簽的出入行為，本文提出的方法的性能對于出入標簽和干擾標簽總數(shù)量較為敏感，不能滿足需求。本文方法證明了相位信息對于出入管控設(shè)備的數(shù)據(jù)清洗具有很高的利用價值。如果將相位信息與一些更為復(fù)雜的方法相結(jié)合一定能取得更好的效果。