丁祺远
（华北计算机系统工程研究所，北京 100083）
0 引 言近年来RFID 技术以其读取速率高、传输范围广、成本低、功耗小等优点，被广泛应用于定位领域，帮助人们快速获取位置信息的同时，提高日常生产生活效率。 RFID（Radio Frequency Identification）定位技术按照环境参照物存在与否可以分为绝对定位技术和相对定位技术。
RFID 绝对定位技术包括利用目标和参考标签间的接收信号强度（Received Signal Strength Indicator, RSSI）相似性定位的LANDMARC 改进方法，利用相位差构建虚拟触摸屏的RF-IDraw 方法以及利用到达角进行标签方位感知等方法。
RFID 绝对定位技术在实际生活有很多应用，例如与人脸识别技术结合实现及早记录人物特征并预判移动方向，与无线通信技术相结合实现仓储智能管理，以及在室内定位和行为分析等方面的应用。绝对定位技术中具有较高精度的绝对物体定位方案PinIt在90%准确率下仅实现了16 cm 的精度，因此RFID 绝对定位技术显然难以应用到精度要求较高的应用中。
在RFID 相对定位方面，较为突出的相对定位解决方案是被2015年NSDI 的一篇论文提出的，利用时空相位（Spatial-Temporal Phase Profiling, STPP）分析来定位二维空间中的对象。而在论文中作者通过实验发现，当标签足够靠近阅读器时，阅读器读取接收率会达到一个临界值。作者通过计算阅读器接收到的时间和RSSI 信息确定标签的相对顺序。RF-Scanner则通过对时间相位信息应用不同数据处理方法，实现标签定位排序功能。
由于RFID 定位技术易受到信号波动、多径效应等因素影响，相较于RFID 绝对定位技术，RFID 相对定位技术通常具有更高的精度和更好的发展方向。因此相对定位技术更适合高动态和时间敏感的应用，例如图书管理、航空行李分拣、工厂装配流水线以及车辆精准停车制动。
本文设计并实现一套基于RFID 的图书馆书籍排列检测系统。该系统主要包括两个技术创新：一是通过改进RFScanner 方法，更有效利用核心V 区域实现相对定位；二是实现标签信息数据存储及标签位置信息的动态和静态显示。
1 RFID 相对定位技术研究利用时间相位计算相对位置的方法大多是基于一个既定事实：平行于标签平面的天线匀速扫过标签，在以时间信息为X 轴、以读取到的相位信息为Y 轴构成的笛卡尔坐标系中相位信息模式如下：天线与标签距离最短点的左侧相位值在周期内递减，右侧相位值在周期内递增，距离最短点为周期内相位值极点。天线与标签距离最短点就是用来确定标签相对位置的参考点。
天线与标签距离最短点附近相位数值呈先减小后增大的趋势（形似“V”型故称V 域），称为核心V 区域，如图1所示，阅读器读取单个标签的时间相位信息。基于这一事实，目前主要有两种通过时间相位信息对标签进行排序定位的方法，它们分别是STPP 和RF-Scanner。
图1 相位呈周期性跳变核心V 区域拟合曲线示意图
1.1 STPP 定位STPP通过动态时间规整（Dynamic Time Warping,DTW）方法将采集的时间相位信息与事先计算好的DTW 模板进行匹配，计算得到核心V 区，再通过二次函数拟合计算最低点的数据作为位置的判别信息。
此方法在实际应用中缺陷在于不同标签的数据量在核心V 区两边分布不均以及不同标签密度下每个标签计算后的数据特征也不相同，因此很难通过通用的DTW 模板进行匹配求解核心V 区。而天线与标签距离选取不当会导致V 区域数据过少，不足以进行位置判别。
1.2 RF-Scanner 定位RF-Scanner认为核心V 区数据对提高准确度必不可少，将数据在周期跳变点进行移动拼接成大“V”形数据，然后进行二次拟合求解最低点值作为标签的位置信息。
通过实验发现，一些不可控因素如标签密度增加、多径干扰、天线运动中的轻微抖动或位置偏移等情况，会导致接收到的时间相位信息出现部分缺失或异常现象，这对数据拼接是一个巨大挑战。如图2图3所示，数据缺失极易导致拼接失败进而影响拟合效果，干扰标签位置判定。
图2 RF-Scanner 读取的原始相位数据
图3 拟合曲线错误的示意图
此外STPP 和RF-Scanner 两种方法在时效性方面性能较差，都需要接收标签完整的相位信息后才能确定标签位置。相位信息接收完毕，成功识别该标签位置时，天线已距离此标签水平1 m 以上的距离。这种缺陷严重束缚了两种方法在实际场景中的应用，例如图书馆管理员只能等扫描完全结束才能发现书籍位置摆放错误。因此实际场景中定位方法需要在准确度极高的情况下花费尽量短的定位时间实现书籍定位。
注意到核心V 区域外的数据易导致拼接失败或图形扭曲，且使用这部分数据进行定位会带来额外的时间开销，因此去除失效数据可以有效提高定位的准确度和节约定位时间。如图4所示，去除失效数据后再进行数据拼接、二次曲线拟合，曲线拟合效果明显优于图3。数据拼接完成后，对拼接失败的数据进行裁剪并尽量平衡“V”区域两边数据量再进行拟合判断。通过大量实验求证，改进后的RF-Scanner 方法在准确度上提升非常大，并且不使用核心V 区外拼接失败的数据节约了大量时间开销。说明了并非所有的数据都对标签定位有益，核心V 区域的数据足以实现高精度的标签相对定位。
图4 RF-Scanner 改进拼接后示意图
2 书籍排列检测系统功能模块设计书籍排列检测系统主要包含实时定位和存储显示两种功能模块。
2.1 实时定位模块设计以图书馆场景为例，用搭载阅读器和天线的小车模拟检测设备。检测设备开始运行后，小车水平扫描过书籍标签排列，天线覆盖范围内的书籍标签被阅读器不断激活询问，读取到的相位值会随着小车移动而变化。
排列检测系统每接收到标签信息，判别该标签相对位置是否已确定。如果该标签相对位置已确定则仅作数据收集；若相对位置没有确定，回溯收集的该标签相位信息以判断核心V 区域是否可以计算确定。核心V 区一旦确定就进行相对位置判别，否则就继续收集数据等待下一条信息，实时定位模块流程如图5所示。
图5 实时定位模块流程设计
2.2 存储显示模块设计在图书馆场景下，阅读器读取到的标签原始数据信息（未处理过的相位信息）、计算后的拟合曲线、标签书籍相对顺序以及书籍正确顺序构成了图书馆书籍排列检测系统显示模块的主要显示内容。构建时间相位笛卡尔坐标系，用来显示读取到标签相位信息及拟合后曲线信息。
图书管理员可能在使用系统扫描过程中或扫描完毕后更换错误书籍位置，因此系统需要同时具备动态和静态显示两种功能。静态显示将已扫描过的标签顺序显示在屏幕上，因此原始数据信息、曲线信息、标签号以及标签书籍信息等数据都需要存储在数据库中。而动态显示则是在扫描过程中逐步显示当前获取到的标签曲线信息以及位置信息。模块功能设计如图6所示。
图6 存储显示模块功能设计
3 关键技术设计及相关数据处理方法在RFID 系统中，射频信号的相位值表示接收信号与发送信号间的偏移程度，范围为0 到2π。如果阅读器天线到标签的距离为，通过电磁反向散射耦合的方式，超高频阅读器与被动标签间通信信号通信距离为2，阅读器实际读取到的相位值可表示为：
许多现代商用超高频RFID 阅读器，例如IMPINJ R2000，可以检测发送和接收信号间的相位差。相位周期性使得标签相位值表现距离变化的同时呈周期性变化，例如图1中左侧靠近标签相位值呈周期递减，右侧原理标签相位值呈周期递增。此外，超高频RFID 阅读器采样频率高，可以精准采样获取标签时间相位信息变化规律，满足图书排列检测系统对于书籍的及时准确定位需求。
图书馆场景下的小车和阅读器开始运行后，天线功率覆盖范围内的标签会被不断读取。对于每个标签，阅读器会接收到标签数量不等的时间相位信息。将阅读器接收到该标签时间相位信息表示为：
其中表示阅读器接收到到此时刻该标签相位值的时间，表示此时刻读取到的该标签的相位值。
由于书籍排列检测系统在保证精度情况下更注重时效性，如图5所示，获取到新的标签数据就立即判断标签位置是否已经确定，未确定则进行核心V 区域数据查找。
3.1 核心V 区域查找方法为保证相对定位准确度，需要挑选出较为完整可靠的核心V 区域数据进行位置判定。核心V 区域的查找过程主要包括四个部分：起始点查找、数据平滑处理、跨断点数据处理和形状检测。
（1）起始点查找。起始点查找是数据回溯的过程，首先从触发查找点（本次采集到标签相位的时间点）向前回溯若干个数据点，计算这些相位数据方差判断是否在设置的阈值以内，然后计算线性拟合直线趋势判断是否相位值处于递增状态（即核心V 区左侧递增区域）。若方差或拟合直线不满足条件则认为这是一次错误的触发查找，不进行起始点查找，仅做收集数据。若满足上述两项条件，方法回溯收集的数据以找到核心V 区域的起始点。
起始点是旧周期递减趋势结束新周期递减开始的数据点（即核心V 区左侧相位值递减起点），与上周期趋势结束点的相位差值会略小于2π。利用周期性变化特征来对起始点进行判别。
判别完成后，结束点即为后续节点中该周期内相位值递增过程结束点，核心V 区域大致范围就已确定。
（2）数据平滑处理。在确定核心V 区大致范围后，为提高二次拟合曲线准确度对数据进行平滑处理，主要解决由于数据缺失而在核心V 区域之外的数据粘连问题。
采用均值替换法，某个相位值采样点与同周期变化的附近几个采样点均值的绝对差过大（超过设定阈值），根据周围采样点平均值来填充替换掉这个采样点。均值替换完毕后，再次对核心V 区域进行回溯查找，并为防止单侧数据过多干扰，平衡核心V 区左右两侧数据量。
（3）跨断点数据处理。在回溯检测核心V 区过程中，相位数据的少量缺失可能由于环境因素导致，也可能是部分数据相位值发生π 左右的相位翻转造成的（例如，理论相位值为π，而实际测量值约为2π 或者0）。数据缺失会严重影响拟合曲线计算和定位准确度。
采用设置数据窗口处理跨断点，实验表明设置为5 的窗口能够有效解决跨断点带来的数据错误。计算窗口内的五个数据采样点平均值，然后将采样点相位数据与均值进行比较。如果对比结果超过设定阈值，则根据核心V 区域数据量情况使用平均值代替或者删除这个采样点。当窗口内部的数据点处理完毕后，判断窗口中没有其他跨断点，可以继续移动窗口来处理后续数据采样点。
（4）形状检测。数据平滑处理结束后，对核心V 区域数据图像形状以及数据量进行检测，防止由于核心V 区数据形状不合适或数据量不足导致的二次拟合曲线不准确。
若核心V 区数据量少于期望值时则表示该标签查找失败。若数据量足够，计算核心V 区左右两端方差和拟合直线进行判别，方差应在设定的阈值范围内，且左右两侧拟合直线趋势应分别为线性递减和线性递增。只有满足所有条件，才开始计算核心V 区域拟合曲线及标签位置，否则判定本次触发点查找核心V 区失败继续作数据收集，如图5所示。
3.2 二次拟合曲线核心V 区的最低点位于天线到标签距离最短点，在此点左边每相位周期内的具有单调递减的趋势，右边每相位周期内的具有单调递增的趋势。这是由于小车搭载的天线处于从开始检测到某标签到最终此标签远离天线覆盖范围的移动过程中，天线到标签的直线距离是先递减到递增的过程。在此过程中，相位值会反应距离的变化趋势并且根据相位周期性出现分段的现象，所以标签的时间相位数据会出现如图1所示的分周期递增递减现象。根据1.2 的分析，相对定位的关键是找出核心V 区的理论最低点。
既然核心V 区域的最低点对应着标签的相对位置，那么通过直接读取核心V 区相位值最小采样点是否能够找到最低点呢？答案是否定的。
由于无法避免信号波动等误差的影响，阅读器读取到的相位数据值会存在数据波动，并且由于读取标签信息的过程是数据离散采样过程，所以阅读器读取到的最小值点不代表实际相位最小值点。因此计算标签核心V 区二次拟合曲线的相位最低点来作为标签位置，二次函数方程可表示为：
其中表示为常量值，表示时间变量。
通过大量实验，现阶段方法相较于1.2 节中改进的RFscanner 方法实现更快更精准定位，但部分标签由于数据不足不能通过3.1 节的形状检测进行定位。
3.3 周期性处理小车沿标签排列方向运动，阅读器读取的标签时间相位数据呈周期性变化，天线与标签距离变化表现为相位数据图像分段递减递增趋势。而当改变小车与标签排列距离，即改变天线平面与标签平面的距离，则标签相位数据会在周期分段递增递减的同时在0 ～2π 内上下平移。因此小车与标签平面距离选取不当，即天线与标签距离选取不当会导致核心V 区域数据太少，无法正确判定相对位置进而拟合计算失败。如图7所示。
图7 距离选取不合适示意图
为保证核心V 区域的数据量，根据小车不同的运行速度应设置不同的判断阈值。当数据量不足时，降低原始数据的核心V 区域，即降低相位值并将其与核心V 区最新数据拼接，以确保数据充足。尽管会降低3.1形状判断的处理效果，但是可以有效减少定位错误情况发生。
3.4 功率调节由于阅读器的采样频率是固定的，因此标签密度增加或者小车速度增加时，阅读器读取的标签数据量会减少。读取到的离散标签相位点过少，二次拟合计算出的曲线方程准确度有限，无法准确计算得到的曲线最低点位置，严重干扰相对定位准确度。
降低标签密度或扫描速度可以有效增加核心V 区域数据的采样密度，但在实际应用中是不可行的。摆放的书较薄时，书脊上标签的密度就不可避免增加。而在图书管理过程中，小车的行进速度直接影响工作效率。
考虑到计算该方法只需要核心V 区域以及其周围的数据，将有效数据读取集中到核心V 区域是最佳解决方案。
因为阅读器频率固定且标签天线间距保持不变，天线覆盖范围内标签数量越少，阅读器对每个标签采样率越高，读取到的有效数据就集中在标签响应更快的核心V 区。因此减小天线覆盖范围即减小功率，可以减少环境中距离过近的标签的干扰，提高系统的处理效率。而增大处理功率则可以增加单位时间内获取数据量，解决小车速度过快带来读取时间减少的问题。
通过功率调节，选择合适的功率，控制天线覆盖范围，在保证核心V 区域数据量同时，增加核心V 区数据密度。
4 书籍排列检测系统测试与分析4.1 测试环境图书排列检测系统将会运行在图书馆这类物品分布较为密集且单个物品体积较小识别实时性要求高的应用场景下。系统要求每个书籍贴附一个超高频标签，每个标签拥有各自的ID，ID 是图书的唯一标识，ID 及图书标签相关信息提前存储在数据库中。在图书馆检测场景中，标签附在书脊上（或书籍最外层），阅读器和天线搭载在移动小车上，使阅读器和天线匀速直线运动扫过标签书架。
硬件：系统包括电脑、ImpinJR420商用阅读器、定向天线、可调节移动速度的小车和一组UHF 超高频被动标签。将天线和阅读器固定在小车上，使小车沿标签排列平面匀速直线运动，模拟图书扫描过程。
软件：基于JDBC 的显示界面程序，MySQL 存储书籍标签相关信息。实时定位界面程序通过电脑以太网连接到RFID 阅读器，来得到每个标签应答的信号相位信息。
4.2 统计方式采用标准肯得尔距离评估定位精度，该距离可衡量两个序列间的偏差，当序列完全相同时相似度为1，当序列完全颠倒时相似度为0，定位精度直接取决于距离数据大小。假设序列为标签实际排序，序列为方法测量序列。计算出的肯德尔距离为：
其中为标签总个数，为肯得尔函数。
此外进行绝对定位准确度评估，以第一个标签为起点，累计（-1）组标签宽度和实验安排的标签间距计算求得第个标签的实际位置l，根据小车速度、拟合曲线最低点的值（小车到对应位置的时间值）计算得到的第个标签位置测量值l，绝对平均误差计算为：
4.3.1 界面运行情况
连接电脑、读写器和天线，在排列好的标签队列上平行移动天线。拟合后曲线依次从左往右动态实时显示（曲线最低点代表各个标签的相对位置），标签序列在下方实时显示（10XX 代表读取到的标签相对顺序，20XX 代表标签序号顺序）。而不同于动态打印，静态打印直接显示标签序列位置信息，可选择是否打印拟合后曲线信息或原始数据信息。拟合曲线（不同标签颜色不同）及标签顺序打印效果如图8所示。
图8 部分动态静态显示效果
4.3.2 准确度实时性对比
在此部分中，通过重复多组实验评估了我们方法的表现。对标签阵列进行实验，此场景下标签间距分别为0.7 cm、 1 cm、2 cm、，小车速度从0.1 m/s 到0.3 m/s，每次增加5 cm/s，标签数量为100 个，阅读器天线到标签平面的直线距离为45 cm。部分测试结果对比如表1、表2和表3所示。
表1 0.7 cm 标签间距，0.1 m/s 小车速度，不同方法对比
表2 1 cm 标签间距，0.1 m/s 小车速度，不同方法对比
表3 2 cm 标签间距，0.1 m/s 小车速度，不同方法对比
经过实验证明，RF-Scanner 明显准确度偏低，正如在1.2节分析的，多径干扰、天线运动中轻微抖动或位置偏移等情况非常容易使读取的数据缺失或者发生错误，而改进后的RF-Scanner 明显弥补了其中的很多缺陷。我们的方法基于改进后的RF-Scanner，通过核心V 区平滑处理、二次拟合和周期性处理等方法使得所获得的核心V 区数值更加精准易算，进一步提高了准确性和实时性。
5 结 论基于RFID 的图书馆书籍排列检测系统在实时定位方面，实现了一种有效利用核心V 区域相位信息的方法，该方法相较于现有的RF-Scanner 方法在更短的时间内更有效地确定标签的位置，且通过数据平滑处理等方式排除天线标签抖动、数据波动等情况影响，因此排列检测系统可以有效实现书籍定位节约图书检测的人力物力。
在实现标签信息的数据存储显示方面，将书籍信息、标签信息及拟合曲线等信息存储在数据库中，将读取到的原始数据、拟合曲线以及书籍排序可供选择动态或静态在界面上显示。可选择动态或静态显示书籍排序情况使得系统使用更人性化，图书管理员可以更加简便直观的在排列检测系统上了解书架书籍的排序情况。
