CN101911093A - 评估电磁门装置的电磁场强度 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于评估电磁门装置(120)的电磁场强度/场几何特征的设备(110)，该设备(110)包括：测量单元(112)，适于接收来自电磁门装置(120)的测量信号，并确定所述测量信号的场强度值；通信单元(114)，适于接收来自电磁门装置(120)的命令数据，并适于向电磁门装置(120)发送响应数据。可选地，该设备(110)包括评估单元(116，118)，所述评估单元适于根据从测量单元(112)接收的所述场强度值，评估电磁门装置(120)的电磁场几何特征。

Description

评估电磁门装置的电磁场强度

技术领域

本发明涉及一种用于评估电磁门装置的电磁场强度的设备。此外，本发明涉及一种评估电磁门装置的电磁场强度的方法。

背景技术

自动识别系统的重要性尤其在服务业、后勤领域、商业领域以及工业生产领域中增大。识别系统的进一步应用涉及人和动物的识别。

特别是，例如应答器(transponder)系统(例如，使用RFID标签)之类的无接触识别系统适于数据的快速无线传输，而无需令人烦扰的电缆连接。这种系统使用电磁波(特别是高频域)的发射和吸收。

RFID技术的一个缺陷在于：当一个或多个RFID标签由读取器设备(也可以被称作电磁门装置)读取时，读取速率可能取决于各RFID标签相对于读取器设备的位置，这是由于电磁门装置工作范围内的位置相关或空间相关的场分布造成的。为了分析该特性，可能希望具有关于电磁门装置的电磁场强度或场几何特征(geometry)的准确信息。

发明内容

本发明的目的在于以低成本、高精度来评估电磁门装置的电磁场强度。

为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的用于评估电磁门装置的电磁场强度的设备以及评估电磁门装置的电磁场强度的方法。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于评估(例如，确定量值，确定空间依赖性，关于应答器在具体位置处的操作性进行认定)电磁门装置(例如，用于从应答器读取信息和/或向应答器写入信息的装置)的电磁场强度(例如，根据位置和/或时间的电场和/或磁场分布)的设备，该设备包括：测量单元，适于(例如，专用于，即，不提供接收之外的其他服务)接收来自电磁门装置(可以在功能上耦合至该设备)的测量信号(例如，未调制的载波或调制后的信号)，并确定所述测量信号的场强度值；通信单元，适于接收来自电磁门装置的命令数据(例如，捕获电磁信号，所述电磁信号包括来自电磁门装置的关于测量的命令)，并适于向电磁门装置发送响应数据(例如，响应于接收到命令数据而发射电磁信号)。

在优选实施例中，本发明的设备包括评估单元(例如，处理器，如微处理器或中央处理单元CPU)，所述评估单元适于根据由测量单元所确定的所述场强度值，评估电磁门装置的电磁场几何特征。为了获得场几何特征，即具体位置处的具体场强度，设置用于确定所述设备的位置/地点和/或取向的装置。确定位置/地点和取向的方法本身是已知的，在此不再详细描述。例如，可以通过电磁信号的三角测量或者由在电磁门装置的无线电范围内自动移动本发明设备的机器人所提供的坐标，来确定位置。这种机器人可以实现为所谓的“托盘(pallet)移动系统”，其在电磁门装置的无线电范围内移动带有样品产品以及本发明的场强度记录器的托盘。如果例如从明确的起点开始以恒定的速度移动托盘，则可以容易地得到本发明设备的位置。

在一种简单的实施方式中，评估单元以预定时间间隔记录场强度值。然后，这些数据与托盘移动系统的数据相结合，用于评估场几何特征。严格来讲，最终的评估步骤在本发明的场强度记录器之外进行。

在另外的实施方式中，向评估单元提供定时信息(例如，在本发明的设备中可获得的已知频率的时钟信号)，评估单元可以针对每一记录的场强度值而存储时间戳。此外，这些数据与托盘移动系统的数据相结合，用于评估场几何特征。此外，最终的评估步骤在本发明的场强度记录器之外进行。

在另外的实施方式中，评估单元接收关于托盘速度的信息。利用定时信息(可以如上所述获得)，评估单元可以计算位置，并存储场强度值以及位置。在此，场几何特征的评估完全在本发明的场强度记录器内部进行。

为了同步托盘移动系统和本发明的场强度记录器，评估单元可以在托盘开始移动时另外接收信号。

根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种通信系统，包括：电磁门装置，适于生成具有电磁场几何特征的电磁场；以及具有上述特征、用于评估电磁门装置的电磁场强度/场几何特征的设备。

根据本发明的又一示例性实施例，提供了一种评估电磁门装置的电磁场强度的方法，该方法包括如下步骤：测量单元接收来自电磁门装置的测量信号；通信单元接收来自电磁门装置的命令数据，并向电磁门装置发送响应数据(例如，在接收到命令数据时，对相应的命令进行应答)。

根据本发明实施例可以执行的数据处理可以通过计算机程序、即通过软件，或者通过使用一个或多个专用电子优化电路、即以硬件，或者以混合形式、即通过软件组件和硬件组件，来实现。

术语“电磁门装置”可以具体地表示读取设备、写入设备、或者组合的读写设备，用于在常规使用期间从另外的通信设备读取信息和/或向另外的通信设备编程信息(例如，应答器，如RFID标签、另外的读/写设备等)。然而，根据本发明的示例性实施例，这种电磁门装置可以是被测设备，从而评估电磁门装置的电磁场分布、特性或配置。根据本发明的示例性实施例，电磁门装置可以是UHF门应用装置。

术语“应答器”可以具体地表示RFID标签或智能卡。更一般地，应答器可以是在被来自询问器(interrogator)的专门信号激活时可以自动发送特定(例如，编码数据)的设备(例如，包括芯片)。

根据本发明的示例性实施例，可以提供电场和/或磁场幅度记录器，特别地具有可以经由分离的通道进行通信的两个分离单元。这些单元之一可以是测量单元，该测量单元仅接收源自电磁门装置如RFID读取器的测量信号。电场和/或磁场强度记录器可以进一步包括通信单元，该通信单元执行两种功能，即从电磁门装置接收命令数据/命令消息，还能够向电磁门装置发送应答数据/应答消息。因此，单向通信的测量单元(一种场数据接收器)和双向通信的通信单元(一种用于与电磁门应用交换控制数据的收发机)可以相组合。从这两个单元接收到的信息可以提供给评估单元，评估单元可以具有评定或分析电磁门装置的电磁场特征的能力，从而允许以空间依赖方式得到关于电磁门装置的应答器读取特性的信息。具体地，可以评估读取特性的弱点，并可以得到关于应答器在电磁门装置的工作范围内适当定位的信息。

因此，可以利用应用内适当的错误分析能力，具体地针对任何RFID应用进行场分析。这可以特别用于优化产品上的标签定位。也可以用于天线特征化和天线设计。通过提供RF接口或其他无线工作接口，可以安全地防止测量过程期间由供电电缆和信号电缆导致的扰动影响。通过将测量和RF通信用的传输通道分离，可以确保RF数据传送对测量不造成影响，反之亦然。根据本发明示例性实施例的设备可以以紧凑方式来制造，具有高分辨率和测量范围。

接着，解释该设备的其他示例性实施例。然而，这些实施例也适用于所述通信系统和方法。

测量设备可以适于单向通信，而通信单元可以适于双向通信。通过将测量单元的通信能力限制为仅接收器功能，可以保证信息的非受扰接收。这可以有利地与能够发送和接收数据的通信单元相结合，从而允许设备和门应用的匹配操作。除了从电磁门应用接收命令并向电磁门应用发送应答数据之外，还可以是通信单元向电磁门装置发送命令，并从电磁门应用接收应答数据。

测量单元可以包括用于无线测量数据的测量天线。环形天线是这种测量天线的适当解决方案。

通信单元可以包括用于无线交换数据的通信天线。偶极子天线是这种通信天线的适当解决方案。

通信单元和测量单元可以适于以不同频率或在不同(例如，非重叠)频率范围中进行通信。因此，可以安全地避免两个传输通道之间不希望的串扰，这种串扰可能在使用相同频率或频带时发生。

更具体地，通信单元可以适于以第一频率进行通信，而测量单元可以适于以第二频率进行通信，其中第一频率可以低于第二频率。通过为测量天线选择与通信天线所使用的频率相比较大的频率，将通信天线调节至典型的应答器频率可以与可以安全地防止可能的失真的测量天线频率(例如，通过将应答器施加到具有不同材料的载体上)相组合。因此，可以由通信单元和测量单元接收互补信息，允许得到有意义的结果。

第一频率可以低于约1GHz，特别是可以在约100MHz与约950MHz之间的范围中。第一频率可以调节至专用应答器频率，如RFID频率。例如，第一频率可以调谐至433MHz(业余无线电)、867MHz(RFID，欧洲)、或915MHz(RFID，美国)。

第二频率可以高于约1GHz，特别是可以在约2GHz与约3GHz之间的范围中。因此，可以选择测量天线足够高的工作频率，使得测量结果与应答器附至不同材料或产品无关。

该设备可以包括电源单元，该电源单元适于向测量单元、通信单元和/或评估单元供电，特别是供应用于发送、接收和评估信号的电功率。这种电源单元可以集成在设备中，从而提供即便在没有市电电源的情况下也能工作的自足设备。

电源单元可以适于利用来自电磁门装置的电磁辐射的能量，来供电、加电、加载或再充电。由于该设备通常可以工作于待特征化的电磁门装置的电磁场中，该电磁场中包含的能量可以用于对该设备供电。为此目的，通信单元和测量单元所捕获的电信号可以(例如，与整流电路等相结合)用于对电源单元的蓄能器进行再充电。备选地，可以使用一次性电池。

通信单元可以适于向电磁门装置发送指示电磁场强度/场几何特征的评估(测量)数据作为应答数据。因此，可以将评估的结果从设备回发到电磁门装置，例如用于校准电磁门装置或者调节电磁门装置的工作点，从而基于这种反馈来改进性能。通信单元还可以适于发送作为应答数据的如下确认：(先前接收的)命令已被执行。在从门应用接收到命令消息时，通信单元因此可以发送指示命令已被执行的应答，例如指示测量已经开始或停止的应答，或者指示所请求的测量结果已被广播的应答。这种应答消息也可以包括已经正确接收到命令消息或者不能正确接收命令消息的简单确认。

通信单元可以适于接收作为命令数据的测量开始命令(开始测量的指令)、测量停止命令(停止测量的指令)、或者评估数据发送请求命令(发送场强度值或场几何特征的指令)。

测量单元可以包括适于存储接收到的场强度值的存储器。这种存储器，例如EEPROM或任何其他非易失性存储器，可以设置在该设备中，用于捕获或存储在工作期间接收到的数据。因此，随后可以处理及评估该数据。

可以设置数据接口，在该数据接口处，可提供指示电磁门装置的电磁场强度/场几何特征的评估数据。这种数据接口可以允许以有线或无线方式与外围设备如计算机进行通信。通过设置这种数据接口，设备的数据捕获工作模式可以与用于进一步处理捕获数据的装置独立地进行，从而允许紧凑的几何形状。

该设备可以被配置为单机设备。换言之，该设备可以是可“在现场”使用的便携式设备，其无需大型外围组件，从而提供了能够在没有额外成员的情况下工作的自足设备。因此，可以将设备运输到应用安装的地点，并在该地点执行测量。如果需要，可以随后在设备与用于进一步处理的装置之间建立了通信连接之后进一步处理数据。这可以在远离测量的位置、或者在相同位置完成。

设备可以在空间中三个垂直方向(例如，笛卡儿坐标系的x、y和z轴)的每一方向上具有延伸，这些延伸均小于约10cm，特别地小于约5cm，更特别地小于或等于约3cm。例如，设备可以具有平板状设置，其两个维度在3cm大小的量级，且第三维度在1cm以下。利用这种小尺寸，保证了标签的适当仿真，并可以获得电磁场分布的高空间分辨率。

设备的不同组件之间或者设备和其他设备之间的通信可以以有线方式(例如，使用电缆)或者以无线方式(例如，通过WLAN、红外通信或蓝牙)来进行。

本发明的上述方面以及其他方面根据以下描述的实施例示例而变得清楚，并且参照实施例的这些示例来予以说明。

附图说明

后文将参照实施例的示例，更为详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例。

图1和图3示出了根据本发明示例性实施例的通信系统。

图2示出了引导带有UHF标签的托盘通过UHF门应用的情景。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明示例性实施例的通信系统100。通信系统100包括电磁门装置120，例如适于在电磁门装置120的第一部分140和第二部分142之间的工作范围中生成电磁场的UHF门应用。另外，设置了用于评估电磁门装置120的电磁场强度/场几何特征的设备110。

图1的图示不是按比例的。电磁门装置120的尺寸(例如，分米至米)通常远大于设备110的尺寸(例如，几个厘米)。设备110可以“模仿”应答器标签，并可以用来分析电磁门装置120之内或周围的场分布。

电磁门装置120的第一部分140包括耦合至第一处理器146的第一读/写线圈144。另外，第二部分142包括可通信地耦合至另一控制单元或处理器150且由该控制单元或处理器150控制的第二读/写线圈148。如图1所示，处理器146、150彼此耦合，以实现数据交换。

响应于处理器146、150之一的控制信号，可以向相应的读/写线圈144、148提供电信号，从而在设备110所处的有效范围154中生成电磁场。

在电磁门装置120的常规使用期间，它用来在有效范围154中存在RFID标签的情况下读出RFID标签(未示出)的信息。

将设备110(代替RFID标签)置于有效范围154中，可以得到关于有效范围154中电磁场特性的信息，从而能够分析电磁门装置120用于应答器(未示出，例如RFID标签或无接触芯片卡)读/写目的的功能。

设备110包括测量单元112，该测量单元112适于接收来自电磁门装置120的、指示设备110当前位置处(更为准确地，测量单元112的当前位置处)电磁场特性的测量信号。测量单元112可以捕获由读/写线圈144发射的电磁辐射160。

另外，设备110包括通信单元114，该通信单元114适于接收来自电磁门装置120的命令数据，并适于向电磁门装置120发送诸如应答数据之类的通信数据。这在图1中通过线圈148发射的电磁辐射162以及通信单元114的通信线圈124发射的、发送至第二部分142的线圈148且由线圈148接收的电磁辐射164来示意性表示。

此外，设置评估单元116、118用于根据从测量线圈122接收到的场强度，来评估电磁门装置120的电磁场几何特征。通信单元114的通信线圈124与电磁门装置120之间交换的消息162、164可以用来控制和监视测量。

仍然参照评估单元116、118，第一微处理器116通信耦合至测量线圈122，以评估由测量线圈122接收到的信号160。此外，另一处理器118通信耦合至通信线圈124，从而生成要发送至电磁门装置120的数据信号164。另一处理器118还评估从电磁门装置120接收到的数据162。如图1所示，处理器116、118通信耦合。备选地，也可以将处理器116、118组合为一个单独的公共处理器。例如，处理器116、118可以根据交换的同步或控制数据如数据消息160、162，调节捕获电磁辐射160的模式。

另外如图1所示，设置存储器128，该存储器128通信耦合至两个处理器116、118，且能够存储数据以将该数据经由无线通信接口130提供给通信伙伴设备或直接提供给用户。存储器128用于存储所确定的场强度值或场几何特征作为原始数据，或者由处理器116、118评估或预评估的数据。

测量单元112适于仅在从电磁门装置120至设备110的方向上单向通信，而通信单元114适于与电磁门装置120进行双向通信，即，用于以通信单元114充当源且电磁门装置120充当数据目的地的通信，或者处于电磁门装置120充当源且通信单元114充当数据目的地的工作模式中。

测量天线122被配置为环形天线。通信天线124被配置为偶极子天线。在本实施例中，测量天线122工作于867MHz的频率。在本实施例中，通信天线124工作于2.5GHz的频率。

设置电源单元126，其向测量单元112和通信单元114提供电力。电源单元126适于由源自电磁门装置120所生成的电磁场的能量来充电。当电磁门装置120在设备110所处的工作范围154中生成电磁场时，天线122、124接收到的捕获信号可以用作(例如，与整流电路等相结合)电功率源，设备110可以使用该电功率源来对其部件供电。

如图1所示，设备110的所有部件被设置在公共外壳170内，从而设备110为单机设备，其可以在没有其他外围设备的情况下工作。

在进一步说明本发明的示例性实施例之前，将总结发明人的一些基本认识，正是根据这些基本认识做出了本发明的示例性实施例。

应用中RFID场几何特征的评估特别是在超高频(UHF)领域中是重要的。

图2所示的系统可以用来模拟超市中的情景，其中各自均具有标签的商品被放置在购物车中，购物车移动通过UHF门应用。可能希望UHF门应用识别每一商品(以及相应的信息如价格)，从而UHF门应用可以确定所有商品的总售价。

图2示出了RFID门应用200，其具有安装了第一天线204和第二天线206的第一载体202，且包括安装了第三天线210和第四天线212的第二载体208。天线204、206、210、210组合起来在UHF门应用200的有效范围中生成复杂电磁场分布214。

图2还示出了携带UHF标签的托盘216，UHF标签以附图标记A、B、C、D来表示，它们可以插入UHF应用200中，如箭头218所示。换言之，可以将携带有在不同材料上施加的UHF标签A、B、C、D的托盘216引导通过UHF门应用200。托盘216可以通过机器人，特别是所谓的托盘移动系统，来自动移动。

在这种RFID门应用200中，通过托盘216上设置的所有标签A、B、C、D可实现的读/写性能、可靠性以及质量可能很大程度上取决于各标签A、B、C、D在UHF门应用200的工作范围中所处的位置。在存在液体、金属或具有高密度的其他材料时，这种读/写性能可能大大降低。对UHF门应用200的正确场分析能够得到允许对RFID门应用200的读和/或写特性进行优化的结果或信息。

为了分析超高频场，传统上可以使用两种方法：

1.实现测量探针，测量探针与中央计算单元固定布线

2.与场强传感器结合的UHF标签仿真器，UHF标签仿真器根据EPC Global实现标准化UHF协议

但是，这些传统方法具有若干缺点：

-对于1：这种系统由于需要安装电缆而缺少充分的灵活性。另外，由于电缆，可能出现对接收到的测量值的扰动影响。

-对于2：通信和测量可能通过公共的偶极子天线来完成。然而，这可能造成对待测量数据的扰动影响。此外，当前测量必须为RF通信而中断。另外，这种系统难以实现(需要完整的EPC协议，包括针对数个设备的防冲突过程)。

为了消除或减少这些缺点，本发明的示例性实施例提出了一种场强度记录器，其具有用于通信和用于测量的两个分离通道。这可以通过两个分离天线来实现，也可以通过两个完全分离的系统(系统可以包括天线加上微控制器加上电源)来实现。

图3示出了设备300，作为根据本发明示例性实施例的场强度记录器的示例。设备300具有偶极子天线124和环形天线122。另外，设置与天线122、124通信的电路302。

通信或偶极子天线124用于发送器和设备300之间的通信，即，用于与门应用交换双向通信的命令。经由天线124，可以接收和发送RF命令。例如，偶极子天线124可以接收命令消息“开始测量”、“停止测量”、“发送测量数据”，并可以在接收到命令时发送响应消息以对该命令进行应答。当完成分析时，可以将存储的场强度值回发到发送站用于进一步评估。天线124的构造和相应的前端可以与RFID频率匹配，例如，可以调谐至433MHz(业余无线电)、867MHz(RFID，欧洲)、915MHz(RFID，美国)等。

测量或环形天线122可以专用于捕获场强度的无失真值，这些值可以存储在内部存储器(RAM、闪存等)中。测量天线122具有足够高的谐振频率(例如，在2GHz至3GHz的频率范围中调节)，以通过调谐(例如，通过在不同材料上施加应答器)来避免测量值的失真。

发送器可以是实验性构造(例如，使用PC、信号发生器、UHF天线等)，也可以是商用读取器。当使用读取器时，可以在设备300中针对无线通信实现EPC UHF协议。也可以直接通过串行接口(USB、RS232等)与设备300通信。这可以用于数据通信和数据交换。这种设置由于标准化的通信(包括经由读取器对设备300的配置)以及对所需RFID应用(例如，UHF门，见图2)的射频特征进行极为精确评估的机会而可能是有利的，因为所有需要的测量和分析方法可以集成在读取器和设备300中。

当使用实验性构造时，可以使用专有协议或简化EPC协议，这减少了设备300的移植花费。

场强度值向个人计算机的传送可以通过RF接口来进行，但是也可以通过另外的接口(USB，LAN，串行等)来进行。随后，可以在个人计算机处进行评估。

因此，根据示例性实施例，可以提供单机设备(携带电源)。在通信期间通过所耦合的电磁能来对电池进行再充电。可以设置针对应用内测量和通信的分离通道。提供分离的天线可以实现这种分离。也可以通过分离的电子系统来实现这种分离。发送站(或读取器)与设备300之间RF通信的协议可自由选择。

也可以针对一个电磁门装置，同时采用多个用于对电磁门装置的电磁场强度/场几何特征进行评估的设备，以模仿多个标签同时处于门应用的工作范围内的现实情况。

应当指出，术语“包括”不排除其他元件或特征，单数形式不排除多个。此外，与不同实施例结合描述的元件可以组合。

还应指出，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于确定电磁门装置(120)的场强度的设备(110)，该设备(110)包括：

测量单元(112)，适于接收来自电磁门装置(120)的测量信号，并确定所述测量信号的场强度值；

通信单元(114)，适于接收来自电磁门装置(120)的命令数据，并适于向电磁门装置(120)发送响应数据。

2.根据权利要求1所述的设备(110)，其中，测量单元(112)包括适于存储场强度值的存储器(128)。

3.根据权利要求1所述的设备(110)，包括评估单元(116，118)，所述评估单元适于根据所述场强度值，评估电磁门装置(120)的电磁场几何特征。

4.根据权利要求1所述的设备(110)，其中，测量单元(112)适于与电磁门装置(120)单向通信，通信单元(114)适于与电磁门装置(120)双向通信。

5.根据权利要求1所述的设备(110)，其中，测量单元(112)包括测量天线(122)，特别是环形天线，和/或通信单元(114)包括通信天线(124)，特别是偶极子天线。

6.根据权利要求1所述的设备(110)，其中，通信单元(114)和测量单元(112)适于经由不同的通信通道，特别是在不同的频率，与电磁门装置(120)进行通信。

7.根据权利要求1所述的设备(110)，其中，通信单元(114)适于以第一频率与电磁门装置(120)进行通信，测量单元(112)适于以第二频率与电磁门装置(120)进行通信，其中第一频率低于第二频率。

8.根据权利要求7所述的设备(110)，其中，第一频率低于1GHz，特别是在100MHz与950MHz之间的范围中，和/或第二频率高于1GHz，特别是在2GHz与3GHz之间的范围中。

9.根据权利要求1所述的设备(110)，包括电源单元(126)，所述电源单元适于利用来自电磁门装置(120)的电磁辐射的功率，来向以下各项构成的组中至少一项供电：测量单元(112)、通信单元(114)和评估单元(116，118)。

10.一种确定电磁门装置(120)的场强度的方法，该方法包括如下步骤：

测量单元(112)接收来自电磁门装置(120)的测量信号，并确定所述测量信号的场强度值；

通信单元(112)接收来自电磁门装置(120)的命令数据，并向电磁门装置(120)发送响应数据。

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