CN105022058A - 用于测定rfid应答器的位置的方法与系统 - Google Patents

用于测定rfid应答器的位置的方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用以测定RFID应答器的位置的方法与系统。RFID阅读器通过已知方式对所述应答器进行询问，为此，所述阅读器发射分阶段得到调制处理的供电载波信号。同时由雷达模块发射雷达信号，所述雷达信号由所述应答器接收并反射。反射的雷达信号最终再度被所述雷达模块接收。根据接收到的反射雷达信号可以测定所述RFID应答器的位置。特定而言，在不调制任何询问数据到所述供电载波信号上时，发射所述雷达信号。此外，所述供电载波信号和所述雷达信号具有不同频率。

Description

用于测定RFID应答器的位置的方法与系统
技术领域
本发明涉及RFID领域，尤其涉及一种用于测定RFID应答器的距离、速度和/或运动方向的方法和系统。
背景技术
广为人知的RFID(射频识别)技术近年来得到了迅猛发展。尤其是价格便宜的无源超高频RFID应答器(UHF-RFID-Transponder)如RFID标签(label)或RFID标记(tag)目前在市场上大量出售。它们能简化物流行业和工业中的操作流程。RFID应答器(下文简称为“应答器”)与RFID阅读器(下文简称为“阅读器”)结合后可应用于各种领域，例如仓储管理，或者也可以在安全系统领域起识别作用。它们的主要任务是提供唯一的识别号，一般情况下还接收少量数据。
应答器通常具有至少一个天线和包含有反向散射调制器、时序逻辑系统电路和数据存储器的芯片，对应答器的询问和/或读取是按照公知的反向散射原理借助电磁波来完成。所谓反向散射原理就是阅读器发出一个经均匀调制的恒定信号，该信号一方面触发整合在应答器内的RFID芯片发送应答信号，阅读器再将该应答信号记录下来。这个应答信号至少包含有应答器的唯一的识别信息，视情况还包含有其它数据。另一方面，阅读器所发出的信号还可用来为应答器供电。
阅读器通常在工作频率下用电磁信号辐射应答器，该信号由应答器天线接收并由整流器做转换处理以获得可用性。阅读器所发出的信号由一供电载波信号(下文简称为“载波”)构成，该信号可能载有需要传输给应答器的、用已知方式调制过的数据。举例而言，阅读器可借此提出传送应答器识别号或读取应答器存储器的请求。数据传输完毕后并不立即切断这个载波，否则应答器将会因断电而无法应答。载波改为保持未调制状态，应答器将其天线的反射系数改成所谓的反向散射调制(Backscatter-Modulation)。通过这种方式，应答器可在近乎于断电的状态下将应答发送到阅读器上。采用这种通信方式时，对应答器的供电是关键途径，也就是，还能在距离较大的情况下检测到应答器的应答。但是，现代应答器的耗电量将最大有效距离限制在10m左右。
应用广泛的ISM频段(工业、科学和医学频段)在欧洲是868MHz，在美国是915MHz。若用允许的最大发射机功率进行信号辐射，则最大的有效读出距离不超过10m。超距(overreaching)是在UHF频段运行RFID系统时会遇到的问题，其主要发生于密闭空间：与阅读器相距很远的应答器虽然处于阅读器的额定有效距离之外，但是阅读器所发射的电磁波的与设计相关的干涉使得应答器能够被供电和识别。通过测量阅读器到应答器的距离，可以识别出这种超距。
撇开这一具体实例不谈，应答器距离、应答器速度和/或应答器运动方向的测量通常也具有重要意义。
众所周知，只有使用带宽较大的信号，才能实现分辨率足够高的距离测量。雷达系统分辨率R的计算公式是R＝c/B，其中，c是光速，B是电磁信号的带宽。例如，带宽为B＝80MHz的FMCW雷达(调频连续波雷达)提供的分辨率为R＝1.875m。亦即，当信号是通过多条程差(pathdifference)低于1.875m的间接路径(例如通过房间墙面反射)传播时，测量结果会严重失真。只有在程差较大的情况下，距离估算才不会受多路径传播的影响，误差也较小。如果能进行所谓的视距(Line-of-Sight,LOS)传输，即阅读器和应答器的天线之间能够没有障碍地相互看见，就可将大多数测量环境下因多路径传播而产生的误差减小至R/10以下，以上述雷达为例，这意味着误差将不超过20cm。但是如果视距传输受到影响，误差就会显著增大。
在常规RFID系统中，反向散射调制应答信号的带宽最大为500KHz。与之对应的分辨率为R＝300m，剩余误差约为R/10＝30m。结合上文提到的RFID系统的有效距离只有10m，显然在这样的误差下是无法完成距离测量的。在各种不同的中心频率下实施多次距离测量可能会有所帮助，但是在指定频率下，UHF-RFID系统的可用带宽非常有限，欧洲约为2MHz，美国为15MHz。
另一种可以测定应答器运动方向及速度的方法是使用所谓的闸门。这类闸门通常又称“闸门阅读器”，主要是包含有天线且天线上连接着RFID阅读器的门或通道。需要识别装有应答器的物品时，使该物品穿过这样一个闸门。其中，多个阅读器彼此相隔较大距离布置并记录下每一次对应答器的成功识别。根据识别的时间顺序可以推断出该应答器的运动方向与速度。但是，应答器在各闸门之间的确切位置和速度仍是未知的。举例而言，当应答器只是靠近而非经过闸门时，超距在这种情况下也可能导致产生错误信息。
另一种至少可以部分避免超距的方法是使用专用天线和精确调节的阅读器(出于发射机功率方面的考虑)。然而，就算应用这种方法也无法彻底解决超距问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于测定RFID应答器的位置的方法和装置。
本发明用以达成上述目的的解决方案由各项独立权利要求给出。优选设计方案可从从属权利要求中获得。
所述应答器的待测“位置”可以是一维、二维或三维变量。如果是一维变量，则该位置就只是应答器和某一参考点之间的距离，举例而言，该参考点可以是所述阅读器。
本发明对以下事实加以了利用：主要出于成本考虑，RFID应答器中用于进行例如反向散射调制的应答器芯片采用的是较大带宽，而非仅限于特定工作频率的窄带设计。这样就只需要研制出一种适用于例如欧洲、美国和亚洲等不同地区的应答器标签的芯片方案。从技术角度看，不对反向散射调制器的频率响应做明确限制，也是一种更为有益的做法。据此可以认为，应答器芯片中的反向散射调制器即使在有别于所选RFID工作频率、特定而言高于所选RFID工作频率的频率下，其反射系数也能发生程度足够大的变化，以便使芯片的反向散射功能即使在较高频率下也能得到利用。
有鉴于此，本发明提出解决方案的前提为：需要测定位置、(视情况)速度和/或运动方向的RFID应答器不仅被所述阅读器以常用RFID工作频率用相应的询问信号辐射，理想情况下同时还被至少一个雷达模块以不同于所述RFID工作频率的频率用带宽较大的相应的雷达信号辐射。
在本发明用以测定RFID应答器的位置的方法中，所述RFID应答器不仅可接收和反射由RFID阅读器以RFID频率发射的供电载波信号，还可接收和反射由雷达模块以雷达频率发射的雷达信号，其中，所述雷达模块用所述雷达信号辐射所述RFID应答器。随后，所述雷达信号被所述RFID应答器反射，反射的雷达信号被所述雷达模块接收。根据所述雷达模块接收到的反射雷达信号，就可测定所述RFID应答器的位置。
所述雷达信号优选与所述供电载波信号同时发射。
分阶段地将用于询问和/或读取所述应答器的询问数据调制到所述供电载波信号上。其中，只有在不调制任何数据到所述供电载波信号上时，才发射所述雷达信号。
根据一种特殊实施方案，调制所述询问数据到所述供电载波信号的过程一结束，即发射所述雷达信号。
根据一种优选实施方案，所述供电载波信号和所述雷达信号具有不同频率。此外，所述雷达信号的带宽大于所述供电载波信号的带宽。
除所述位置外，根据所述雷达模块接收到的所述反射雷达信号优选还可测定所述RFID应答器的速度和/或运动方向。
所述RFID应答器在反射所述雷达信号之前对其进行调制，尤其是反向散射调制，其中在进行所述调制时，将至少包含有所述RFID应答器的识别号和/或所述RFID应答器的数据存储器的内容的数据调制到所述雷达信号上。这种调制过的反射信号由所述雷达模块接收并根据调制到所述信号上的数据来分析这种调制过的反射信号。在此情况下，即使不依赖所述RFID阅读器也能测定所述询问数据。
本发明用于测定RFID应答器的位置的装置具有雷达模块，所述雷达模块可用雷达频率发射雷达信号。所述RFID应答器不仅可接收和反射所述发射雷达信号，还可接收和反射由RFID阅读器以RFID频率发射的供电载波信号。所述雷达模块则可接收被所述RFID应答器反射的雷达信号。所述装置此外还具有与所述雷达模块相连的分析装置，该分析装置可根据接收到的所述反射雷达信号测定所述RFID应答器的位置。
所述RFID阅读器和所述雷达模块优选固定相连，特定而言安装在共用壳体内。借此可实现紧凑设备，该设备除了识别所述应答器外，还可对其进行精确的位置测量。
进一步地，所述供电载波信号和所述雷达信号具有不同频率，所述雷达信号的带宽大于所述供电载波信号的带宽。
所述RFID应答器优选具有调制器，尤其是反向散射调制器，所述调制器可在反射之前将包含有所述RFID应答器的识别号和/或所述RFID应答器的数据存储器的内容的数据调制到所述雷达信号上。所述分析装置根据调制到所述调制反射雷达信号上的数据来分析所述调制反射雷达信号。通过这种方式不仅可将数据调制到所述RFID信号上，还可调制到所述雷达信号上。因此，所述雷达模块不但可以用来测量所述应答器的位置，还可用于所述应答器的识别。
附图说明
下文将借助附图以实施例描述的形式对本发明的其他优点、特征和技术细节进行说明，其中：
图1为实现本发明距离测量的时间顺序图。
具体实施方式
同样或相同的区域、部件、成组部件或处理步骤在各图中用相同的参考符号表示。
图1A中示出各包括一天线11、21、31的RFID阅读器10、RFID应答器20和雷达模块30。需要测定应答器20的位置、速度和运动方向。阅读器10中设有计算机40，应答器20除天线21外还具有一包含数据存储器23和反向散射调制器24的应答器芯片22。雷达模块30具有分析装置32。
阅读器10例如在frfid＝868MHz的RFID工作频率下提供一供电载波信号Srfid并视情况将询问数据MA调制到该载波信号Srfid上，以便询问应答器20的识别号以及读取应答器20的存储器23的内容。只是分阶段地(亦即，在时间上并非连续地)将询问数据MA调制到供电载波信号Srfid上，亦即在发射供电载波信号Srfid时，该信号部分时候也处于未调制状态。
作为替代方案，也可选择例如为frfid＝915MHz的工作频率。应答器20由供电载波信号Srfid供电，被激活后对所述询问进行解调。这些过程早已为人所知。
图1B所示为后续情形，此时，从阅读器10到应答器20的数据传输已经结束，亦即，此时已经不再将询问数据MA调制到载波信号Srfid上。但仍然需要传输未调制的供电载波Srfid来为应答器20供电，这样才能借助应答器20的反向散射调制器24进行反向散射调制，进而使应答器20能够作出应答Arfid。与此同时，雷达模块30用宽带电磁信号Sradar辐射应答器20，以便测定该应答器的距离、速度和运动方向。
阅读器10接收应答器20的反向散射调制应答信号Arfid并通过已知方式根据询问到的数据(例如识别号)和应答器20的存储器23的内容对该信号进行分析。
根据本发明，在应答器20利用其反向散射调制器24向阅读器10发送应答信号Arfid的同时，用雷达模块30的信号Sradar辐射应答器20。其中，雷达信号Sradar的雷达频率fradar不同于供电载波Srfid的RFID频率frfid＝868MHz。举例而言，此处可以使用ISM频段中中心频率为fradar＝2.45GHz、带宽为Bradar＝80MHz的信号Sradar。也可以采用带宽Bradar大约为150MHz的5.8GHz ISM频段。原则上，在为距离测量(借助雷达模块30而实现)选择频率范围时，起决定性作用的是所选频率范围能提供尽可能大的带宽。
雷达信号Sradar与供电载波信号Srfid一样被应答器20反射，最终以应答信号Aradar的形式被雷达模块30接收。随后可以借助雷达技术的常规方法(见下)在雷达模块30的分析装置32中，根据应答器20所反射的雷达信号Aradar测定所需要的测量值，即应答器20的位置、速度和/或运动方向，由于带宽Bradar较大，误差较小。
这里需要注意的是，位置、速度和运动方向测量的参考点不再是阅读器10的天线11，而是雷达模块30的天线31。为了使雷达模块30的测量值与阅读器10产生关联，需要进行相应的换算。阅读器10通常与计算机40连接，该计算机40上装有相应软件，例如所谓的中间件。借助例如无线链路将雷达模块30所测定的测量值传输给计算机40，最终由该计算机算出与阅读器10相关的测量值。计算机40可整合在阅读器10的壳体内。作为替代方案，可以使用通过无线链路与阅读器10通信的中央计算机(未图示)。就这种情况而言，建议也让雷达模块30通过无线链路与计算机40通信，以便将测量值传输给计算机40。之后就可在计算机40中进行上文中提到的换算，即换算成与阅读器10相关的测量值。也可以用中央计算机40来实现雷达模块30中如上文所述的分析装置32，以使雷达模块30自身不实施数据处理，而是由计算机40来真正测定位置、速度和/或运动方向等测量值。
此外，雷达模块30和阅读器10还可固定相连，例如安装在一共用壳体内。雷达模块30所测定的应答器20的位置最初仅与雷达模块30有关，在此情况下则可认为等同于应答器20相对于阅读器10的位置。
举例而言，测量传输时间是雷达技术中测定雷达模块30与应答器20之间的间隔或距离的常用方法，应答器20的速度则可借助于多普勒测量或与时间相关的距离变化而测定。运动方向同样可通过多普勒测量加以测定，其中只需分析多普勒频移的代数符号。也可通过与时间相关的距离变化测定运动方向。当然也可用本领域技术人员熟知的其他方法来测定距离、速度和运动方向等测量值。
与载波信号Srfid一样，由雷达模块30发射并由应答器20接收的雷达信号Sradar也是在被反射之前由反向散射调制器24进行调制。因此，由应答器20反射并且随后被雷达模块30接收到的信号Aradar是一反向散射调制信号，在该信号的基础上可测定例如应答器20的识别号和应答器20的存储器23的内容，这一测定也可在雷达模块30上进行。对雷达信号进行反向散射调制的效果主要在于，应答器20被诸如墙面、天花板、钢梁、货物、人等无源雷达目标衬托得很鲜明，在雷达模块30的接收信号中清晰可见。
雷达模块30优选不仅用于测定所述测量值，还可用来对应答器20通过反向散射调制而发出的数据进行解调。举例而言，雷达模块30可以接收应答器20的识别号并且使测定的距离等测量值与该识别号产生关联。这一点对于分布式系统(即阅读器10和一或多个雷达模块30空间上分散布置的系统)而言非常有利，因为这样可以使被测变量与应答器20的识别号之间形成唯一的对应关系。阅读器10也可以在功能上进行简化，即只是在工作频率frfid下提供供电载波Srfid并将询问调制到该供电载波Srfid上，对反向散射数据的接收和分析则全部由雷达模块30实施。如此便可使用大量价格便宜的、任务仅在于为应答器供电的阅读器。作为替代方案，对应答器20的识别也可在阅读器10中进行，而雷达模块30除了测定应答器20的位置、速度和/或运动方向外，则还对应答器20的反向散射调制应答进行分析。在这种实施方式中，阅读器10的任务只是提供或发射分阶段调制的携带询问数据的供电载波信号Srfid和识别应答器20。
针对在雷达模块30中进行的反射雷达信号Aradar分析，优选采用一种专门设计的反向散射调制方案。要由应答器20传输给阅读器10的数据在发送前通常都经过编码处理，其中，FM0、Miller和Manchester是几种常用的编码方式。这里需要注意的是，例如发送位串“000000000”并不会使得反向散射永不发生转换，因为这样一个应答是无法检测到的。因此，所用编码方式应确保反向散射调制器具有位串脉冲会发生变化的平均转换频率。在此情况下，该转换频率的这种变化将构成待传输位串，可以在阅读器10中检测到。恒定的反向散射调制频率对雷达模块30特别有利。实现这一点的方法如下：测量距离之前在应答器20的存储区23内写入一位串，通过读取该位串就可实现恒频的反向散射调制。
如上所述，应答器芯片22通常采用宽带设计，应答器20的天线21则没有针对有别于RFID工作频率frfid的频率范围经过优化。因此，为了优化最大测量距离，可能需要对天线21进行调整，以便能在较高频率下应用反向散射法，具体的实现方法例如是让天线阻抗与所述芯片匹配，使得所需要的反向散射信号具有最佳强度。
通过使用多个优选在不同的工作频率下(即所谓的频分复用模式)或以时间交替模式(即所谓的时分复用模式)按上述方法进行工作的雷达模块，可以借助不同带宽实现不同的精确度以及借助不同工作频率实现不同的测量范围。如果将这些雷达模块空间上分散布置，则还可实现应答器的多维定位。

Claims (11)

1.一种测定RFID应答器(20)的位置的方法，所述RFID应答器不仅可接收和反射由RFID阅读器(10)以RFID频率(frfid)发射的供电载波信号(Srfid)，还可接收和反射由雷达模块(30)以雷达频率(fradar)发射的雷达信号(Sradar)，其中，
所述雷达模块(30)用所述雷达信号(Sradar)辐射所述RFID应答器(20)，
所述雷达信号(Sradar)被所述RFID应答器(20)反射，反射雷达信号(Aradar)被所述雷达模块(30)接收，以及
根据所述雷达模块(30)接收到的所述反射雷达信号(Aradar)测定所述RFID应答器(20)的位置，
其中，所述供电载波信号(Srfid)和所述雷达信号(Sradar)具有不同频率(frfid，fradar)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述雷达信号(Sradar)与所述供电载波信号(Srfid)同时发射。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
分阶段地将用于询问和/或读取所述应答器(20)的询问数据调制到所述供电载波信号(Srfid)上，其中，只有在不调制任何数据到所述供电载波信号(Srfid)上时，才发射所述雷达信号(Sradar)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
调制所述询问数据到所述供电载波信号(Srfid)的过程一结束，即发射所述雷达信号(Sradar)。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述雷达信号(Sradar)的带宽(Bradar)大于所述供电载波信号(Srfid)的带宽(Brfid)。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
根据所述雷达模块(30)接收到的所述反射雷达信号(Aradar)进一步测定所述RFID应答器(20)的速度和/或运动方向。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述RFID应答器(20)在反射所述雷达信号(Sradar)之前对其进行调制，尤其是反向散射调制，其中在进行所述调制时，将至少包含有所述RFID应答器(20)的识别号和/或所述RFID应答器(20)的数据存储器(23)的内容的数据调制到所述雷达信号上(Sradar)，以及
调制反射雷达信号(Aradar)由所述雷达模块(30)接收并根据调制到所述调制反射雷达信号(Aradar)上的数据来分析所述调制反射雷达信号(Aradar)。
8.一种用于测定RFID应答器(20)的位置的装置，其中，
所述装置具有雷达模块(30)，所述雷达模块可用雷达频率(fradar)发射雷达信号(Sradar)，
所述RFID应答器(20)不仅可接收和反射所述发射雷达信号(Sradar)，还可接收和反射由RFID阅读器(10)以RFID频率(frfid)发射的供电载波信号(Srfid)，其中，所述供电载波信号(Srfid)和所述雷达信号(Sradar)具有不同频率(frfid，fradar)
所述雷达模块(30)可接收被所述RFID应答器(20)反射的雷达信号(Aradar)，以及
所述装置具有与所述雷达模块(30)相连的分析装置(32，40)，所述分析装置可根据接收到的所述反射雷达信号(Aradar)测定所述RFID应答器(20)的位置。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述RFID阅读器(10)和所述雷达模块(30)固定相连，特定而言安装在一共用壳体内。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，
所述雷达信号(Sradar)的带宽(Bradar)大于所述供电载波信号(Srfid)的带宽(Brfid)。
11.根据权利要求8至10中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述RFID应答器(20)具有调制器(24)，尤其是反向散射调制器，所述调制器可在反射之前将包含有所述RFID应答器(20)的识别号和/或所述RFID应答器(20)的数据存储器(23)的内容的数据调制到所述雷达信号(Sradar)上，所述分析装置(32，40)根据调制到调制反射雷达信号(Aradar)上的数据来分析所述调制反射雷达信号(Aradar)。
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