CN104483655B - 一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法 - Google Patents

一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，含如下步骤：S01：在每个发射时段，处理器发出控制信号开启各发射电路并通过反相器关闭信号合成单元，同时处理器将该时段对应的扇面波主瓣方位角数据写入相位控制单元；S02：相位控制单元将扇面波主瓣方位角换算成对各个数控延迟线的控制信号并分别写入对应的数控延迟线；S03：信号发生单元输出射频信号，经过各路数控延迟线分别延迟后，再经过各发射电路调制，最后通过按矩阵排列的各路天线分别发射，在空间合成扇面波主瓣；S04：在该扇面波主瓣覆盖的空间范围内，射频识别标签被激活并在随后的读时段发射信号应答；S05：处理器接收各射频识别标签的应答信号并按监测要求进行实时判别。

Description

一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法。
背景技术
射频识别，RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通讯技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
美国专利US7528721B2(2009，Levin等)实现对射频识别标签在一个平面上的棋盘分格定位。它可以被用来监测射频识别标签的位置变化，但是针对射频识别标签位置变化的监测，尚存在以下不足：1、仅仅针对一个二维平面进行监测；2、监测平面相对天线的距离和角度强烈影响系统的设计精度，应用需要定制和不定期校准，不易定型成产品；3、完成对平面的分格遍历扫描周期长，监视还不够实时；4、在射频识别标签密度小于0.5个/格的情况下，遍历扫描中空白区域较多，浪费时间和能源；5、控制软硬件相对复杂。
美国专利US8768248B2(2014，Sadr)实现对射频识别标签在一个空间中进行魔方分粒定位，它还重新设计了一整套相控天线和射频识别读取电路。该技术用于射频识别标签位置变化的监测时，除了三维空间的优势外，距离影响设计精度、不易产品化、耗时、资源浪费多、控制复杂等缺点都还存在。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法和产品定型途径，在一个三维立体空间中对射频识别标签的位置变化进行实时的监测，并降低时间和能源的耗费。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，在一个监测周期中，时长被分割为n+1组发射时段和读时段，具体包括如下步骤：
S01：在每个发射时段，处理器发出控制信号开启各发射电路并通过反相器
关闭信号合成单元，同时处理器将该发射时段对应的扇面波主瓣方位角数据
写入相位控制单元；
S02：相位控制单元将扇面波主瓣方位角换算成对各个数控延迟线的控制信
号并分别写入对应的数控延迟线；
S03：射频信号发生单元输出分米/厘米波信号，经过各路数控延迟线分别延
迟后，再经过各发射电路调制，最后通过按矩阵方式排列的各路天线分别发
射，在空间合成扇面波主瓣；
S04：在该扇面波主瓣覆盖的空间范围内，射频识别标签被激活并在随后的
读时段发射信号应答；
S05：处理器接收各射频识别标签的应答信号并按监测要求进行实时判别。
优选，步骤S04具体包括如下步骤：在每个读时段，处理器发出控制信号关闭各发射电路并通过反相器开启信号合成单元，射频识别标签的应答信号被天线阵列之各路天线接收并输送到信号合成单元合成信号，然后输送给射频识别读取模块解调以获取射频识别标签的数字代码并传送给处理器；其中，信号合成单元可以仅选取天线阵列中某一天线信号放大。
优选，在步骤S05中，如果在某方位角上已知存在某射频识别标签，但是在该监测周期该方位角上缺失了该标签的应答，并且从容错的角度发现在连续的若干监测周期该缺失持续，则判别该射频识别标签已被移动或损毁；如果在该方位角上新增了一个射频识别标签的应答，则判别该射频标签已被移动到当前位置。
上述的实时监测方法中，天线群组按矩阵排列，每个天线分别发射经过精确延迟的电磁波以在空间合成期望的扇面波；其中，当列数等于2并且每一行的2个天线中心距离等于半波长的奇数倍，电路控制简化为2个天线被同步激励；其中，天线阵列的行数大于等于6。
上述的实时监测方法以天线阵列中点为原点、天线阵列列方向为坐标方向设立极坐标，在一个监测周期中，天线阵列发射的扇面波主瓣在极坐标上以原点为出发点按时序以角增量步进扫描目标监测空间，从而分时覆盖目标监测空间。
上述的实时监测方法中，n＝周期敞角/扇面波主瓣角厚度－1。
上述的实时监测方法中，处理器及其运算逻辑、相位控制单元、射频信号发生单元、各路延迟线、各天线发射端一起构成一个相控阵或扇面波天线(sector antanna)系统。
上述的实时监测方法可用于监测800M～10GHz频段下无源或半有源射频识别标签空间位置的变化。
本发明的有益效果是：
(一)、对射频识别标签位置变化的监测区域是一个三维立体空间，而不仅是一个平面。
(二)、在天线阵列能量场的范围内，目标监测空间相对天线阵列的距离不影响系统使用的精度；应用实施中由于目测或随机外力作用等造成的目标监测空间和天线阵列的角度误差仅微弱影响系统使用的精度；所以不必针对具体项目定制系统，也不需要不定期校准，容易定型为产品。
(三)、天线阵列发射的扇面波主瓣对监测区域的遍历周期短，因而监视更加实时有效。
(四)、在射频识别标签空间密度稀疏的情况下，空白区域出现概率减小，减少了时间和能源的浪费。
(五)、控制软硬件相对现有实现而言简单，而且数控延迟线、相位控制单元、射频识别读取模块、信号发生单元均是市场可以单独采购的硬件组建。
附图说明
图1是本发明一种射频识别标签空间位置变化的实时监测系统的结构示意图；
图2是本发明一个监测周期控制时序的示意图；
图3是本发明一个监测周期内天线阵列在各发射时段扇面波主瓣叠加后表现的对目标监测空间的分时覆盖的主视图；
图4是对应图3的侧视图；
图5是对应图3的俯视图；
图6是本发明一个监测周期内天线阵列在初始发射时段扇面波主瓣的主视图；
图7是对应图6的侧视图；
图8是对应图6的俯视图；
图9是本发明一个监测周期内天线阵列在第k(k≈n/2)个发射时段扇面波主瓣的主视图；
图10是对应图9的侧视图；
图11是对应图9的俯视图；
图12是本发明调整天线阵列和目标监测空间的相对位置后，由于入射角度的变化，得以在一个更短的监测周期内完成扇面波主瓣对目标监测空间的分时覆盖的主投影示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种射频识别标签空间位置变化的实时监测系统，如图1所示，包括分别与处理器相连的相位控制单元651和射频识别读取模块652。所述射频识别读取模块与信号合成单元632相连，所述相位控制单元与若干个数控延迟线620相连。每个数控延迟线分别与一个发射电路633相连，每个发射电路又分别和一个或两个天线发射端(简称天线)920相连。
所述处理器通过反相器643连接信号合成单元的关断控制端，且处理器与每个发射电路633关断控制端相连，所述数控延迟线分别与射频信号发生单元634相连。
其中，处理器可以是微型计算机/单片机653。处理器及其运算逻辑、相位控制单元、射频信号发生单元、各路延迟线、各天线发射端一起构成一个相控阵或扇面波天线系统。
一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，如图4所示，天线920的群组按矩阵排列，每个天线分别发射经过精确延迟的电磁波以在空间合成期望的扇面波；其中，天线阵列的行数大于等于6，以满足扇面波主瓣的角厚度达到1.7°到12°的精度范围。
优选，天线阵列的列数等于2并且使每一行的2个天线中心距离等于半波长的奇数倍，电路控制简化为2个天线被同步激励；这时，扇面波主瓣角宽度Β≈65°。
一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，如图3、4和5所示，天线阵列布置在目标监测空间910厚度棱所在的一个侧面外并面对目标监测空间，扇面波主瓣比如主瓣931和主瓣935从这个侧面进入目标监测空间以进行辐照，从而在一个监测周期内分时覆盖目标监测空间。t∈T0主瓣和t∈Tn主瓣之间的夹角构成周期敞角。
其中，目标监测空间是一个扁的长方体，其设计厚度d≈0.5米，但实际应用不限于该取值。天线阵列的辐射半径r和周期敞角限定了目标监测空间的长s和宽w。目标监测空间也可以是不规则形体，只要满足被扇面波主瓣分时覆盖的要求。
如图12所示，监测空间915(长s′、宽w′、厚d)和天线阵列之间的空间位置关系是一种新的组合,扇面波主瓣比如主瓣941和主瓣945从目标监测空间厚度棱所在的相邻两个侧面进入目标监测空间以进行辐照，可以使周期敞角小于90°，从而时段分组更少，监测周期更短，监测更实时。
一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，如图2、3、4和5所示，在一个监测周期210中，时长被分割为n+1组发射时段和读时段，n＝周期敞角/扇面波主瓣角厚度－1。
S01：在某个t∈Tk时段205(此时段说明可参照图9、10和11所示)，k∈[0,n]，处理器发出控制信号t通过连接661开启各发射电路633，并通过反相器关闭信号合成单元，同时处理器将Tk时段对应的扇面波主瓣方位角数据通过总线662写入相位控制单元；
S02：相位控制单元将扇面波主瓣方位角换算成对各个数控延迟线的控制信号并通过数据总线663分别写入对应的数控延迟线；
S03：射频信号发生单元输出分米/厘米波射频振荡信号输入各路数控延迟线，经过各路数控延迟线分别延迟后，各射频振荡信号分别进入各对应发射电路调制，最后通过按矩阵方式排列的各路天线分别发射，在空间合成方位角为Φk、角厚度是Αk、角宽度是常数Β的扇面波主瓣935。其中，辐照时长为Tk，Tk取值可以通过安装实测确定。
S04：在该扇面波主瓣覆盖的空间范围内，射频识别标签被激活并在随后的读时段发射信号应答。
步骤S04具体包括如下步骤：
在读时段，处理器发出控制信号通过连接661关闭各发射电路并通过反相器开启信号合成单元，射频识别标签的应答信号被天线阵列之各路天线接收并输送至信号合成单元，信号合成后输送给射频识别读取模块解调，以获取射频识别标签的数字代码比如EPCCode并传送给处理器；其中，信号合成单元可以仅简单选取天线阵列中某一天线信号放大。
S05：处理器接收各射频识别标签的应答信号并按监测要求进行实时比对以达到监测目的。
在步骤S05中：
如果在方位角Φk上已知存在某射频识别标签，但是在该监测周期该方位角上缺失了该标签的应答，并且从容错的角度发现在连续的若干监测周期该缺失持续，则判别该射频识别标签已被移动或损毁；如果在方位角Φk上新增了一个射频识别标签的应答，则判别该射频标签刚被移动到当前位置。
如图6、7和8所示，对于监测周期的初始时段，即在t∈T0时段201，扇面波主瓣931的方位角是Φ0，角厚度是Α0。则下一个时段T1时段方位角是Φ0+Α0，角厚度是Α1。优选，主瓣设计角厚度Αk在2°到5°范围内取常数。
如图2、3、4和5所示，经过一个监测周期210，目标监测空间910被各时段扇面波主瓣分时覆盖，目标监测空间中所有射频识别标签均被次第读取，各标签相对天线阵列的方位角均被探测，数据均被处理器记忆和用于比对位置。经过连续不断的监测周期，目标监测空间中实现了所有标签位置被探测和监视的效果。
其中，以天线阵列中点为原点、天线阵列列方向为坐标方向设立极坐标，在一个监测周期中，天线阵列发射的扇面波主瓣在极坐标上以原点为出发点按时序以角增量步进扫描目标监测空间。
其中，射频标签以方位角标记，因而本发明的设计精度不受射频标签相对天线阵列距离的影响。
另外需说明的是：主视图110、111、115可以垂直于地面也可以水平于地面，也可以是和地面成任何角度的情况。俯视图120、121、125以及侧视图130、131、135分别和主视图110、111、115保持固定的三视图关系。主视图110是111和115的叠加，俯视图120是121和125的叠加，而侧视图130是131和135的叠加。
天线阵列与目标监测空间的空间位置关系可以被调整，以使覆盖目标检测空间的周期敞角最小化。天线电磁发射强度是可调整范围比较大的因素，它影响到射频识别标签的有效读取半径，针对特定的目标监测空间进而影响到周期敞角，换句话说采用高发射强度的天线可以减小周期敞角和遍历周期，从而提高效率。
上述的实时监测系统和方法可用于监测800M～10GHz频段下针对无源或半有源射频识别标签的空间位置是否变化。
上述的实时监测系统和方法如果采用机械的方法操控定向天线的主瓣方向，则其实现从结构到细节都会有极大不同。
本发明的有益效果是：
(一)、对射频识别标签位置变化的监测区域是一个三维立体空间，而不仅是一个平面。
(二)、在天线阵列能量场的范围内，目标监测空间相对天线阵列的距离不影响系统使用的精度；应用实施中由于目测或随机外力作用等造成的目标监测空间和天线阵列的角度误差仅微弱影响系统使用的精度；所以不必针对具体项目定制系统，也不需要不定期校准，容易定型为产品。
(三)、天线阵列发射的扇面波主瓣对监测区域的遍历周期短，因而监视更加实时有效。当确定扇面波主瓣角厚度Α＝2°、天线阵列辐照半径r＝5m时，波主瓣厚度仅约15cm，目标监测空间915仅需要约78°周期敞角覆盖，轮询遍历一遍仅需39组t时段和读时段。而实现30cm×30cm精度的棋盘定位需要100组分时，30cm×30cm×30cm精度的魔方定位需要200组分时。
(四)、在射频识别标签空间密度稀疏的情况下，空白区域出现概率减小，减少了时间和能源的浪费。
(五)、控制软硬件相对现有实现而言简单，而且数控延迟线、相位控制单元、射频识别读取模块、信号发生单元均是市场可以单独采购的硬件组建。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，在一个监测周期中，时长被分割为n+1组发射时段和读时段，具体包括如下步骤：
S01：在每个发射时段，处理器发出控制信号开启各发射电路并通过反相器关闭信号合成单元，同时处理器将该发射时段对应的扇面波主瓣方位角数据写入相位控制单元；
S02：相位控制单元将扇面波主瓣方位角换算成对各个数控延迟线的控制信号并分别写入对应的数控延迟线；
S03：射频信号发生单元输出分米/厘米波信号，经过各路数控延迟线分别延迟后，再经过各发射电路调制，最后通过按矩阵方式排列的各路天线分别发射，在空间合成扇面波主瓣；
S04：在该扇面波主瓣覆盖的空间范围内，射频识别标签被激活并在随后的读时段发射信号应答；
S05：处理器接收各射频识别标签的应答信号并按监测要求进行实时判别；
步骤S04具体包括如下步骤：
在每个读时段，处理器发出控制信号关闭各发射电路并通过反相器开启信号合成单元，射频识别标签的应答信号被天线阵列之各路天线接收并输送到信号合成单元合成信号，然后输送给射频识别读取模块解调以获取射频识别标签的数字代码并传送给处理器；
在步骤S05中：
如果在某方位角上已知存在某射频识别标签，但是在该监测周期该方位角上缺失了该标签的应答，并且从容错的角度发现在连续的若干监测周期该缺失持续，则判别该射频识别标签已被移动或损毁；如果在该方位角上新增了一个射频识别标签的应答，则判别该射频标签被移动到当前位置。
2.根据权利要求1所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，天线群组按矩阵排列，每个天线分别发射经过精确延迟的电磁波以在空间合成期望的扇面波；其中，当列数等于2并且每一行的2个天线中心距离等于半波长的奇数倍，电路控制简化为2个天线被同步激励。
3.根据权利要求2所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，以天线阵列中点为原点、天线阵列列方向为坐标方向设立极坐标，在一个监测周期中，天线阵列发射的扇面波主瓣在极坐标上以原点为出发点按时序以角增量步进扫描目标监测空间，从而分时覆盖目标监测空间。
4.根据权利要求2所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，天线阵列的行数大于等于6。
5.根据权利要求1所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，ｎ＝周期敞角/扇面波主瓣角厚度－１。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，处理器及其运算逻辑、相位控制单元、射频信号发生单元、各路延迟线、各天线发射端一起构成一个相控阵或扇面波天线系统。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，射频标签包括无源和半有源射频识别标签。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种射频识别标签空间位置变化的实时监测方法，其特征在于，射频的范围是800M-10GHz。
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