★ 实验二演示视频

★ 具体应用场景

行为识别，定位追踪。
这两个应用场景均需要用到对标签位置、状态的感知，而通过标签平移和旋转，可以获取标签在不同位置、状态下的信号值，观察规律，用于行为识别、定位追踪应用场景。

8.2.1 实验目标

通过实验观察RFID标签在线性移动和旋转两种动态场景下的信号变化情况，并分析得到规律。观测信号值包括RSSI (Received Signal Strength Indication)和相位值(Phase)。

8.2.2 实验原理

RFID标签的信号值（RSSI、相位值）与许多因素相关，包括标签与天线的相对距离、相对摆放角度、环境因素等等。本次实验主要考虑的是标签与天线的相对距离对信号值的影响，分别在线性移动和旋转这两种动态场景下进行了实验。

1. 线性移动在线性移动过程实验中，改变标签和天线的相对距离，其他条件保持相对一致，观察标签信号值的变化规律。传输过程中无线信号会发生能量损耗，损耗与路径长度相关，路径越长，损耗越多。也就是说，对于相同能量的初始信号，标签与天线的相对距离越大，标签返回信号的信号强度越小。同时，随着相对距离的改变，电磁波散射与反向散射总路程长度改变，信号相位值也发生相应改变。线性移动过程分为纵向移动和横向移动，分别进行实验，如图8.3所示。两种移动均从初始位置ls移动到终止位置le。纵向移动过程中，天线和标签的相对距离不断增大。横向移动过程中，天线和标签的相对距离先减小后增大，但天线与标签的移动方向的垂距保持不变。

   图8.3

   在纵向移动过程中，单步移动距离i，从初始位置ls移动到终止位置le，并通过阅读器获取标签信号值，图8.4和图8.5的实验结果供参考。随着距离的均匀增大，可以观察到RSSI和相位值均产生线性变化。

   图8.4 

   图8.5

   同样的，在横向移动过程中，单步移动距离i，从初始位置ls移动到终止位置le，并通过阅读器获取标签信号值，图8.6和图8.7的实验结果供参考。随着标签与天线的相对距离先减小后增大，可以观察到RSSI和相位值的变化均为对称图像，对称点在横向移动的垂直点处。注意到两个信号值的变化趋势呈非线性的曲线，即随着标签远离垂直点，信号值的变化越来越快。这是由于在远处，单步移动距离i导致的天线与标签相对距离改变较近处更大，从而使信号变化产生图示非线性规律。

   

   图8.6

   

   图8.7

2. 旋转

在标签旋转实验中，改变标签和天线的相对摆放角度，其他条件保持相对一致，观察标签信号值的变化规律。由于RFID标签（大部分是RFID标签天线）是一个几何面，所以标签和天线的相对摆放角度对于信号有影响。

标签旋转分为标签绕自身长轴旋转和标签绕自身短轴旋转，分别进行实验，如图8.8、图8.9所示。两种旋转均从俯视图中标记的-90°开始，每次顺时针旋转15°，最终完成一周旋转回到-90°，记录不同角度情况下的信号值。

图8.8 图8.9

在标签绕长轴旋转过程中，图8.10和图8.11的实验结果供参考。可以发现，当标签绕自身的长轴旋转时，识别性能几乎不受影响，RSSI值和相位值基本不变，只有小幅震荡。

 

图8.10 图8.11

在标签绕短轴旋转过程中，图8.12和图8.13的实验结果供参考。可以发现，当标签绕自身的短轴旋转时，识别性能受到较大影响，RSSI值和相位值在旋转过程中呈周期性变化。当标签平面与天线的中心辐射方向趋近于平行时，即角度为0°或180°时，RSSI有最小值，相位值变化率最大。反之，当标签平面与天线的中心辐射方向趋近于垂直时，即角度为-90°或90°时，RSSI有最大值，相位值变化率最小。

图8.12图8.13

8.2.3 实验设备

Impinj Speedway R420阅读器1台，Impinj天线1个，笔记本1台，RFID标签1个，路由器1台，移动设备1套。

移动设备如图8.14-8.16所示，该设备可实现物体（RFID标签、手机、平板等）的平移、旋转，该过程可以是连续的，也可以是逐步进行的。

图8.14 线性移动设备远景 图8.15 线性移动设备近景

图8.16 旋转移动设备

8.2.4 实验内容

1. 线性移动

• 实验准备。搭建实验环境，如图1所示。
• 将RFID标签固定在线性移动设备上，部署实验场景，如图3所示。纵向移动实验中，测RSSI时，参数取l_s=60cm，l_e=160cm，i=5cm；测相位值时，由于相位值对于距离变化比较敏感，参数调整为 l_e=80cm，i=1cm。横向移动实验中，测RSSI时，垂直距离取60cm，l_s=l_e=100cm，i=10cm；测相位值时，参数调整为l_s=l_e=40cm，i=2cm。根据实验结果规律明显与否，可动态调整实验参数。
• 运行程序，逐步获取RFID标签的RSSI和相位值。
• 填写表格，并绘制图像观察规律。

 

2. 旋转

• 实验准备。搭建实验环境，如图1所示。
• 将RFID标签固定在旋转设备上，将天线放置于距离移动轨道垂距60cm处，其它实验部署如图8、图8.9所示。
• 长轴/短轴旋转均从部署中-90°位置开始顺时针旋转，每次15°。运行程序，获取各角度的标签RSSI和相位值。

填写表格，并绘制图像观察规律。

3.2.5 实验结果

完成上述实验，分别根据标签线性移动过程和旋转过程得到的结果，填写下表，并绘制坐标图。

1. 线性移动按照表8.5和表8.6的格式，分别记录纵向移动和横向移动的实验结果，并绘制坐标图，分析实验结果。
   

   距离l/cm	le=	…	ls=
   RSSI/dBm

   表8.5 线性移动过程中不同位置的RSSI（横向/纵向）

   距离l/cm	le=	…	ls=
   相位值/rad

   表8.6 线性移动过程中不同位置的相位值（横向/纵向）

2. 旋转按照表8.7和表8.8的格式，分别记录标签绕长轴旋转和标签绕短轴旋转的实验结果，并绘制坐标图，分析实验结果。
   

   角度/°	-90	-75	-60	-45	-30	-15	0	15	30	45
   RSSI/dBm
   角度/°	60	75	90	105	120	135	150	165	180	-165
   RSSI/dBm
   角度/°	-150	-135	-120	-105
   RSSI/dBm

   表8.7 标签旋转过程中不同角度的RSSI（长轴/短轴）

   角度/°	-90	-75	-60	-45	-30	-15	0	15	30	45
   相位值/rad
   角度/°	60	75	90	105	120	135	150	165	180	-165
   相位值/rad
   角度/°	-150	-135	-120	-105
   相位值/rad

   表8.8 标签旋转过程中不同角度的相位值（长轴/短轴）