实验4 标签的移动速度感知
★ 具体的应用场景
测速。
利用多普勒效应可以感知，从阅读器中获取标签的多普勒频偏，从而可得到标签的运动速度大小。
8.4.1 实验目标
通过测量运动状态下RFID标签的多普勒频偏，定性感知标签的移动速度。
8.4.2 实验原理
多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率和波源发出的频率不相同的现象。远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细（即频率变高，波长变短），而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变长），就是多普勒效应的现象。
大多数RFID阅读器可以测量信号强度和相位值，并且RFID阅读器可以通过测量不同时刻相位值的差来获得多普勒频偏fD，如图8.22所示。则多普勒频率可以写成右边的公式：fD=Δθ/4πΔT
其中ΔT=t2-t1为时间间隙，Δθ=θ2-θ1是t1和t2时刻的相移。
图8.22
本实验通过阅读器获取的多普勒频偏定性地感知标签的移动速度。由于阅读器接收到的波的频率和发射源频率的关系为：
其中，f‘为阅读器观测的频率，f为发射源频率，v为波在介质中的传播速度，即光速c，vo为阅读器相对于介质的移动速度，本次实验保持不动，即为零，vs为发射源即标签相对于介质的移动速度，若接近阅读器则vs为负数，反之则为正。最后可得，通过阅读器得到的频偏可根据多普勒效应计算公式产生，如下：
则当vs为负数即标签接近阅读器时，频偏大于0，反之频偏小于0，且随着vs绝对值增大，频偏也相应增大。
本次实验对于标签的移动将在两种场景下进行，包括将标签搭载在线性移动设备上和人为手持标签两种场景。
- 标签搭载在线性移动设备上线性移动设备可以保持匀速运动，将RFID标签搭载在上方便于实验的进行。在该场景下，通过获取多普勒频偏，感知标签的运动速度。如图8.23为实验场景。首先让标签以一定速度匀速远离天线，再到达一定距离后，再以同样速度匀速靠近天线。
图8.23
图8.24所示为参考实验结果，实验结果可以分为图中用细实线区分开来的四段，而其频偏对应的是标签静止、标签远离天线、标签靠近天线、静止过程的多普勒频偏。静止状态下的频偏是由于阅读器初始状态下的偏移值问题而不为零，但观察后面两个阶段，可以发现当标签远离天线的时候，频偏小于静止状态频偏，而当标签靠近天线的时候，频偏大于静止状态频偏。
图8.24
- 标签人为手持
由于线性移动设备的速度较小，且仅能匀速，为了观测不同速度情况下的多普勒频移，所以进行人为手持标签，以任意速度随机移动。
参考实验即标签人为手持，不断移动，反复远离、靠近标签，实验结果如图8.25。首先由静止状态到移动远离天线，到达终点停止，这个过程速度先增大后减小，导致频偏呈现抛物线变化。由终点往回移动靠近天线后停止，这个过程速度先增大后减小，同样导致频偏呈现抛物线变化。此二者由于速度方向不同，即远离、靠近天线的方向，导致二者的频偏正负值不一。同理，后面反复的过程，如实验结果所示。可以得到，速度越大，频偏越大。
图8.25
8.4.3 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。
8.4.4 实验内容
- 线性移动设备情境下的多普勒效应
- 实验准备。搭建实验环境，如图8.1所示。
- 部署实验场景，如图8.23所示。将RFID标签粘贴于线性移动设备上，摆放于距离天线中心0.5m处，使标签正对着天线。
- 令标签按图中纵向方向匀速移动（标签由静止先远离天线，再靠近天线），获取RFID标签的多普勒频移。
- 分析数据，并绘制图像观察规律。
- 人为手持情境下的多普勒效应
- 实验准备。搭建实验环境，如图8.1所示。
- 实验者将RFID标签拿在手上，实验者以任意速度随机在纵向移动，获取RFID标签的多普勒频移。
- 分析数据，并绘制图像观察规律。
8.4.5 实验结果
完成上述实验，根据实验数据绘制坐标图，并进行分析。