CN102708340B - 集成频率分集与空间分集的有源rfid系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成频率分集与空间分集的有源RFID方法，包括下列步骤：S1：搭建一个集成频率分集与空间分集的有源RFID系统，包括：RF射频模块和处理器，二者连接在一起；RF射频模块进一步包括：若干个RFID标签、读头；读头进一步包括：若干个接收机；每一接收机对应连接至少一个天线。S2：每一RFID标签采用伪随机序列，将发射频点分为若干个信道，在不同时隙采用不同信道发射标签数据。S3：每个单独的天线和接收机接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器。S4：处理器对得到的RFID标签数据进行分析和处理，进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
Description
技术领域
本发明涉及RFID技术，特别涉及一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统及方法。
背景技术
目前2.4G ISA频段属于公共频段，在该频段内，由于同一区域内无线网络设备比较多，容易受到不同设备间的干扰；同时，2.4G在作为RFID标签和接收机通信中，还容易受到环境因素的影响，会概率性出现接收机读取2.4G RFID标签数据错误和无法读取标签数据的情况发生。
发明内容
为了克服现有技术缺陷，本发明公开了一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统及方法，很好的解决了空间中不同无线设备的干扰以及环境改变的情况下对2.4G无线传输的干扰问题。
本发明的实现方法如下：
一种集成频率分集与空间分集的有源RFID方法，包括下列步骤：
S1：搭建一个集成频率分集与空间分集的有源RFID系统，包括：RF射频模块和处理器，二者连接在一起；其中，RF射频模块进一步包括：
若干个RFID标签、读头；所述读头进一步包括：若干个接收机；每一接收机对应连接至少一个天线；
S2：每一RFID标签采用伪随机序列，将发射频点分为若干个信道，在不同时隙采用不同信道发射标签数据；
S3：每个单独的天线和接收机接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器；
S4：处理器对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
较佳地，步骤S2中，“在不同时隙采用不同信道发射标签数据”，进一步包括：
S21：处理器先写数据包到RFID标签的寄存器，并预先设定RF射频模块的发送模式和接收模式的识别标识；
S22： 处理器检测到RF射频模块发送模式的标识，请求RF射频模块进入发送模式；
S23：RF射频模块进入发送模式，处理器启动伪随机码函数，产生伪随机码发送给RFID标签；
S24：RFID标签发送数据包。
S25：等待一个时隙，如果处理器收到读头返回的表示发送成功的信号，表示数据发送成功；
S26：若处理器没有收到读头返回的表示发送成功的信号，处理器重新启动伪随机码函数，产生伪随机码给RFID标签；RFID标签切换下一个信道，重新发送数据包，直到数据成功为止。
较佳地，步骤S3，进一步包括：
S31：处理器检测到RF射频模块接收模式的标识，处理器请求RF射频模块进入接收状态；
S33：RF射频模块进入接收状态；
S34：处理器初始化每一个接收机，并检测每一个接收机的接收状态；
S35：在每一时隙，接收机通过每一工作频段的天线收到来自该频率的RFID标签的数据包，通过数据校准，得到数据；
S36：读头得到数据后，发送表示发送成功的信息给处理器，通知处理器RFID标签数据已经准确接收；
S37：接收机将上述数据传输给处理器。
较佳地，所述接收机进一步包括：
低噪声放大器、带通滤波器、本振单元、ADC转换器、DSP；所述低噪声放大器与带通滤波器连接，带通滤波器与本振单元连接，本振单元与ADC转换器连接，ADC转换器与DSP连接。
较佳地，步骤S35进一步包括：在每一时隙，每一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号；该正交信号经过和本振单元混频，产生同向和正交两路基带信号；该基带信号被送到ADC转换单元转换，再经过DSP处理后，解析得到RFID标签数据。
较佳地，“每一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号”还包括低噪声放大器放大RFID标签信息，放大后的信息经过带通滤波器完成信道选择。
较佳地，步骤S1中，如果每一接收机对应连接两个以上的天线，则各个天线的工作频段没有重叠。
一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统，包括：
RF射频模块和处理器，二者连接在一起；其中，RF射频模块进一步包括：
若干个RFID标签、读头；所述读头进一步包括：若干个接收机；每一接收机对应连接至少一个天线；
每一RFID标签，采用伪随机序列，用于在不同时隙采用不同信道发射标签数据；
每个单独的天线和接收机用于接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器；
处理器用于对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明中，RFID标签采用集成频率分集，即在不同时隙内采用不同信道发射，这样设计的好处是防止在某个时隙内，某个信道出现恶化，导致RFID标签无法将数据有效的发送出去。
本发明的读头由若干个接收机和配对的天线组成，在设计上采用空间分集的方法，每个天线调配到不同工作频段，保证RFID标签频段是天线覆盖频段的子集。目前接收机大多采用的是朝外差结构，微弱高频信号经过一级或者多级混频电路，去掉其他信道并获得足够增益，最终完成信号解调。这种接收机结构过于复杂，而且存在镜像干扰，同时需要较高的Q值。
且本发明设计了直接下变频方法。直接下变频接收机的本振与载波频率相同，直接将RF信号变换到基带，不存在镜像干扰问题，主要就不需要镜像滤波器，同时降低了功耗。
针对采用该专利的RFID系统的测试结果来分析，在整个室外环境的测试中，该系统确实具有抗干扰，抗多径衰落，抗环境影响的效果，数据传输误码率降低了0.2%，漏卡率降低了1%。
附图说明
图1为本发明具体实施例一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施例一种集成频率分集与空间分集的有源RFID方法的流程图；
图3为本发明具体实施例步骤S2中“在不同时隙采用不同信道发射标签数据”的流程图；
图4为本发明具体实施例步骤S3的流程图；
图5为本发明具体实施例RFID标签频率分集工作原理图；
图6为本发明具体实施例接收机的结构示意图。
具体实施方式
下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述：
如图1，一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统500，包括：RF射频模块和处理器3，处理器3通过串口连接RF射频模块。其中，RF射频模块进一步包括：n个RFID标签1（标签1、……、标签n）、读头2；读头2进一步包括m个接收机21（接收机1、……、接收机m）。其中，m和n均为大于等于1的正整数。m和n不必相等。
每一接收机21对应连接至少一个天线22。如果每一接收机对应连接两个以上的天线，则各个天线的工作频段没有重叠。每个单独的天线和其连接的接收机组成一个接收信息的链路。本实施例中，接收机m上连接有两个天线，所述两个天线对应不同的工作频段。
处理器3在本实施例中为微处理器MCU，MCU通过串口连接RF射频模块。
每一RFID标签1，采用伪随机序列，用于在不同时隙采用不同信道发射标签数据。每个单独的天线22和接收机21用于接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机21将该些数据传输给处理器3。处理器3，用于对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
本实施例中，在数据发送模式，RF工作中心频率为2450.00MHZ，在接收模式下，工作中心频率为2448.00MHZ。RFID标签的发送和接收数据的工作流程如下：
A1：在上电后，主控MCU复位RF，开始初始化RFID标签的RF寄存器。
A2：MCU检测RF射频模块的模式，确认是主动模式还是从动模式。
A3：如果检测到RF射频模块为主动模式，则进行下列步骤：
(1)先写数据包到RFID标签的RF寄存器。
(2) MCU请求RF射频模块进入发送状态，RFID标签发送数据包，数据发送完成后，进入等待状态。
(3) MCU请求RF射频模块进入接收状态，等待读头返回的表示已经发送成功的ACK数据。
(4)启动计时器，清timeout数据标志位。
(5)如果超时，返回到步骤A1。
(6)一旦RF射频模块的读头收到数据包，RF射频模块会自动返回等待状态。
(7) MCU解压缩收到的数据包，并做误码判断。
A4：如果检测到RF射频模块是从动模式，则进行下列步骤：
(1) MCU请求RF射频模块进入接收状态直到数据包接收完成。
(2) MCU接收到数据包后，RF射频模块自动返回到等待状态。
(3) MCU解压缩收到的数据包，并进行误码判断。
(4) MCU写数据包到RFID标签的RF寄存器；
(5) MCU请求RF射频模块进入发送状态并发送数据包，完成后，返回步骤A1。
如图2，一种集成频率分集与空间分集的有源RFID方法，包括下列步骤：
S1：搭建上述的集成频率分集与空间分集的有源RFID系统500。
S2：每一RFID标签采用伪随机序列，将发射频点分为若干个信道，在不同时隙采用不同信道发射标签数据。
S3：每个单独的天线和接收机接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器。
S4：处理器对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
其中，如图3，步骤S2中，“在不同时隙采用不同信道发射标签数据”，进一步包括：
S21：处理器先写数据包到RFID标签的寄存器，并预先设定RF射频模块的发送模式和接收模式的识别标识；
S22： 处理器检测到RF射频模块发送模式的标识，请求RF射频模块进入发送模式；
S23：RF射频模块进入发送模式，处理器启动伪随机码函数，产生伪随机码发送给RFID标签；
S24：RFID标签发送数据包。
S25：等待一个时隙，如果处理器收到读头返回的表示发送成功的信号，表示数据发送成功；
S26：若处理器没有收到读头返回的表示发送成功的信号，处理器重新启动伪随机码函数，产生伪随机码给RFID标签；RFID标签切换下一个信道，重新发送数据包，直到数据成功为止。
“RFID标签切换下一个信道”具体的实施方式：首先在软件是应用层调用随机函数产生随机序列，某一个时间片调用该序列对应的信道，如果发送数据后无应答，说明该信道发送数据失败，在下一个时间片到来后调用随机函数产生新的序列，新的序列对应新的信道，完成数据的发送，如果数据成功，应用软件层会关掉该函数，如果没有成功，会继续调用，直至应答成功为止。
步骤S23中，处理器的软件部分内嵌有随机处理函数，该函数为
通过该函数，产生随机序列，将该序列发送给伪随机码产生器的内部数字寄存器，随机码产生器通过产生随机频率和频率合成器产生不同频率，将该频率和调制频率混频，再经过信道选择，这样就将随机序列和信道对应起来，通过序列来控制不同信道，将数据通过不同信道发送出去。
其中，如图4，步骤S3，进一步包括：
S31：处理器检测到RF射频模块接收模式的标识，处理器请求RF射频模块进入接收状态；
S32：RF射频模块进入接收状态；
S33：处理器初始化每一个接收机，并检测每一个接收机的接收状态；
S34：在每一时隙，接收机通过每一工作频段的天线收到来自该频率的RFID标签的数据包，通过数据校准，得到数据；
S35：读头得到数据后，发送表示发送成功的信息给处理器，通知处理器RFID标签数据已经准确接收；
S36：接收机将上述数据传输给处理器。
本实施中，RFID标签将发射频点分为40个信道，采用伪随机码的方式，在不同时隙采用不同信道发射，可以提高传输性能，降低信道干扰及环境干扰。参见图5，其工作原理如下：
在发射模块的基带部分，首先由基带将信息进行压缩编码即信源编码，接着进行差错控制编码即信道编码，编码完成后，信号发送到射频调制部分，首先将数字信号调制为正交的I/Q信号，再通过内部PLL，将信号调制到2.4G频段上，完成了信号的调制部分后，将信号通过随机序列对应的信道发送出去。其中2.4000GHz-2.4835GHz的频段按照每1MHz来划分信道，选取其中40个信道作为预设信道。当系统开始工作后，RF射频模块根据上层由于软件预设的随机函数，产生随机序列，将产生的随机序列送到频率合成器，频率合成器和调制频率完成混频，和其中40个预设的信道完成对应。
从整个发射时间轴来看，由于采用了伪随机码的方式，发射信道工作在40个不同信道，这样能有效地防止某些信道恶化而导致发射数据误码率过高和数据的丢失产生。
如图6，本实施例中，接收机21进一步包括：
低噪声放大器、带通滤波器、本振单元、ADC转换器、DSP；所述低噪声放大器与带通滤波器连接，带通滤波器与本振单元连接，本振单元与ADC转换器连接，ADC转换器与DSP连接。
对应接收机21上述结构，步骤S34进一步包括：在每一时隙，每一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号；该正交信号经过和本振单元混频，产生同向和正交两路基带信号；该基带信号被送到ADC转换单元转换，再经过DSP处理后，解析得到RFID标签数据。
其中，“一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号”还包括低噪声放大器放大RFID标签信息，放大后的信息经过带通滤波器完成信道选择。
在整个接收系统中，由于采用了多个天线和接收机的方法，在整个时隙，所有夭线都工作在不同频段，保证每个RFID标签送过来的数据都有接收链路接收，这样可以很好的保证RFID标签数据能不丢失的送达。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明中，RFID标签采用集成频率分集，即在不同时隙内采用不同信道发射，这样设计的好处是防止在某个时隙内，某个信道出现恶化，导致RFID标签无法将数据有效的发送出去。
本发明的读头由若干个接收机和配对的天线组成，在设计上采用空间分集的方法，每个天线调配到不同工作频段，保证RFID标签频段是天线覆盖频段的子集。目前接收机大多采用的是朝外差结构，微弱高频信号经过一级或者多级混频电路，去掉其他信道并获得足够增益，最终完成信号解调。这种接收机结构过于复杂，而且存在镜像干扰，同时需要较高的Q值。
且本发明设计了直接下变频方法。直接下变频接收机的本振与载波频率相同，直接将RF信号变换到基带，不存在镜像干扰问题，主要就不需要镜像滤波器，同时降低了功耗。其中，载波频率为2.4000-2.4835GHz。
针对采用该专利的RFID系统的测试结果来分析，在整个室外环境的测试中，该系统确实具有抗干扰，抗多径衰落，抗环境影响的效果，数据传输误码率降低了0.2%，漏卡率降低了1%。
本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种集成频率分集与空间分集的有源RFID方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1：搭建一个集成频率分集与空间分集的有源RFID系统，包括：RF射频模块和处理器，二者连接在一起；其中，RF射频模块进一步包括：
若干个RFID标签、读头；所述读头进一步包括：若干个接收机；每一接收机对应连接至少一个天线；
S2：每一RFID标签采用伪随机序列，将发射频点分为若干个信道，在不同时隙采用不同信道发射标签数据；
S3：每个单独的天线和接收机接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器；
S4：处理器对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，“在不同时隙采用不同信道发射标签数据”，进一步包括：
S21：处理器先写数据包到RFID标签的寄存器，并预先设定RF射频模块的发送模式和接收模式的识别标识；
S22： 处理器检测到RF射频模块发送模式的标识，请求RF射频模块进入发送模式；
S23：RF射频模块进入发送模式，处理器启动伪随机码函数，产生伪随机码发送给RFID标签；
S24：RFID标签发送数据包。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
S25：等待一个时隙，如果处理器收到读头返回的表示发送成功的信号，表示数据发送成功；
S26：若处理器没有收到读头返回的表示发送成功的信号，处理器重新启动伪随机码函数，产生伪随机码给RFID标签；RFID标签切换下一个信道，重新发送数据包，直到数据成功为止。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3，进一步包括：
S31：处理器检测到RF射频模块接收模式的标识，处理器请求RF射频模块进入接收状态；
S33：RF射频模块进入接收状态；
S34：处理器初始化每一个接收机，并检测每一个接收机的接收状态；
S35：在每一时隙，接收机通过每一工作频段的天线收到来自该频率的RFID标签的数据包，通过数据校准，得到数据；
S36：读头得到数据后，发送表示发送成功的信息给处理器，通知处理器RFID标签数据已经准确接收；
S37：接收机将上述数据传输给处理器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接收机进一步包括：
低噪声放大器、带通滤波器、本振单元、ADC转换器、DSP；所述低噪声放大器与带通滤波器连接，带通滤波器与本振单元连接，本振单元与ADC转换器连接，ADC转换器与DSP连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S35进一步包括：在每一时隙，每一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号；该正交信号经过和本振单元混频，产生同向和正交两路基带信号；该基带信号被送到ADC转换单元转换，再经过DSP处理后，解析得到RFID标签数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，“每一工作频段的天线接收到来自该频率的RFID标签信息，该信息经过低噪声放大器和带通滤波器，得到一正交信号”还包括低噪声放大器放大RFID标签信息，放大后的信息经过带通滤波器完成信道选择。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，如果每一接收机对应连接两个以上的天线，则各个天线的工作频段没有重叠。
9.一种集成频率分集与空间分集的有源RFID系统，其特征在于，包括：
RF射频模块和处理器，二者连接在一起；其中，RF射频模块进一步包括：
若干个RFID标签、读头；所述读头进一步包括：若干个接收机；每一接收机对应连接至少一个天线；
每一RFID标签，采用伪随机序列，用于在不同时隙采用不同信道发射标签数据；
每个单独的天线和接收机用于接收来自所述天线对应频段的RFID标签数据；接收机将该些数据传输给处理器；
处理器用于对得到的RFID标签数据进行分析和处理，其进一步包括：处理器分析来自不同接收机的数据，通过对比筛选，剔除相同的RFID标签数据，最后将整体数据封包，通过RS485总线将数据送到服务器。
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