CN107658567B - Rfid全向动态扫描天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID全向动态扫描天线系统，特别是一种涉及RFID天线机构领域的RFID全向动态扫描天线系统。本发明的RFID全向动态扫描天线系统，包括电源、控制器、驱动系统、RFID定向天线、RFID读写模块、旋转运动传动机构、往复摆动传动机构、天线基座、天线转动座、天线固定支架，控制器与驱动系统连接，所述控制器与RFID读写模块的数据通信端口连接，所述旋转运动传动机构的输出端与天线转动座连接，所述RFID定向天线安装在天线固定支架上。增益高，覆盖距离远，覆盖范围广，并且可以有效消除覆盖的盲区，显著减少天线数量。本发明的RFID全向动态扫描天线系统增益高，覆盖距离远，覆盖范围广，并且可以有效消除覆盖的盲区，显著减少天线数量。

Description

RFID全向动态扫描天线系统

技术领域

本发明涉及一种RFID全向动态扫描天线系统，特别是一种涉及RFID天线机构领域的RFID全向动态扫描天线系统。

背景技术

目前，在物资盘点和管理中广泛运用RFID技术，实现智能化管理，不需要接触识别，能够穿透各种介质读取，且读取速度快。RFID系统广泛使用的天线为定向天线和全向天线。但是全向天线的增益有限，且灵敏度低。而定向天线由于天线辐射方向的主瓣角度较小，一般在40°到60°之间，往往不能覆盖所需要盘点的整个区域。所以目前常用的RFID读取系统普遍需要配置多个天线，轮询工作，用于覆盖整个需要盘点的区域。利用多天线轮询的方案，一方面增加了天线的数量，另一方面每个通道在切换过程中都不可避免地存在一定程度的功率损失。因此，现有技术中还没有一种增益高，覆盖距离远，覆盖范围广，并且可以有效消除覆盖的盲区，显著减少天线数量的RFID全向动态扫描天线系统。

发明内容

本发明提供了一种增益高，覆盖距离远，覆盖范围广，并且可以有效消除覆盖的盲区，显著减少天线数量的RFID全向动态扫描天线系统。

本发明为解决上述问题所采用的RFID全向动态扫描天线系统，包括电源、控制器、驱动系统、RFID定向天线、RFID读写模块、旋转运动传动机构、往复摆动传动机构、天线基座、天线转动座、天线固定支架，所述控制器与电源连接，所述驱动系统与电源连接，所述RFID定向天线与电源连接，所述控制器与驱动系统连接，所述控制器与RFID读写模块的数据通信端口连接，所述旋转运动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述旋转运动传动机构的输出端与天线转动座连接，所述往复摆动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述往复摆动传动机构的输出端与天线固定支架连接，所述天线转动座与天线基座为可转动连接，所述天线固定支架与天线转动座为可转动连接，所述RFID定向天线安装在天线固定支架上。

进一步的是，所述旋转运动传动机构包括斜齿直齿轮、斜齿端面齿轮A，所述斜齿端面齿轮A与斜齿直齿轮啮合，所述斜齿端面齿轮A与天线转动基传动连接。

进一步的是，所述往复摆动传动机构包括斜齿端面齿轮B、传动轴、摆动杆，所述斜齿端面齿轮B与斜齿直齿轮啮合，所述传动轴与斜齿端面齿轮B传动连接，所述传动轴的端部设置有摆动臂，所述摆动臂上设置有偏心拨动杆，所述摆动杆可转动连接在天线固定支架上，所述摆动杆上设置有与天线固定支架转动轴线平行且不重合的缝隙，所述偏心拨动杆插进摆动杆的缝隙中。

进一步的是，所述电源包括驱动器电源和RFID天线电源，所述驱动器电源上设置有交流电接口，所述驱动器电源设置有电能输出模块，所述RFID天线电源设置有与所述充电输出模块相匹配的电能接收模块。

进一步的是，RFID天线电源上设置有滤波整流及稳压电路和蓄电池，所述滤波整流及稳压电路的输入端与电能接收模块连接，所述滤波整流及稳压电路的输出端与蓄电池连接。

进一步的是，所述RFID天线电源上设置有通讯模块，所述驱动器电源上设置有通讯模块。

进一步的是，所述RFID天线电源上设置有充电控制电路，所述驱动器电源上设置有充电控制电路，驱动器电源和RFID天线电源的充电控制电路与控制器连接。

进一步的是，还包括WIFI模块，所述WIFI模块与控制器连接。

进一步的是，还包括安装板，所述天线基座固定连接在安装板上，所述安装板上设置有安装接口。

进一步的是，还包括天线保护罩，所述天线保护罩覆盖在天线基座上。

本发明的有益效果是：本申请的RFID全向动态扫描天线系统。其旋转运动传动机构可带动天线转动座相对天线基座做360度的旋转，往复摆动传动机构可带动天线固定支架相对天线转动座往复摆动，两种运动同时联动，使RFID定向天线实现半球状空间的全覆盖。控制系统控制驱动系统和RFID读写模块协同工作，在RFID定向天线进行扫描的同时连续读取天线覆盖范围内的RFID电子标签。由于本申请的RFID全向动态扫描天线系统采用的是RFID定向天线，相比全向天线增益更高，覆盖的距离更远；由于本申请的RFID定向天线可以在运动过程中扫过整个半球状空间，相比现有技术的定向天线覆盖角度大，范围广；由于本申请的RFID定向天线可以实现连续扫描，因此只需一个RFID定向天线便可覆盖整个半球状空间，不需要多个天线组合，并且没有覆盖不到的盲区，不存在功率损失。

附图说明

图1是本申请的整体结构示意图；

图2是本申请天线基座部分的顶视图；

图3是本申请天线基座部分的45°斜剖面视图；

图4是本申请天线转动机构部分的结构示意图；

图5是本申请的天线转动机构部分的侧视图；

图6是本申请天线转动机构部分的剖视图；

图7是本申请天线转动机构部分的正剖视图；

图中零部件、部位及编号：斜齿直齿轮1、斜齿端面齿轮A2、斜齿端面齿轮B3、天线基座4、天线转动座5、天线固定支架6、天线保护罩7、蓄电池8、RFID定向天线9、RFID读写模块10、传动轴11、摆动杆12、摆动臂13、偏心拨动杆14、安装板15、柔性带缆16、凸台17、电路板A18、电路板B19、射频馈线20、轴套21、步进电机22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1图2及图3所示的RFID全向动态扫描天线系统，包括电源、控制器、驱动系统、RFID定向天线9、RFID读写模块10、旋转运动传动机构、往复摆动传动机构、天线基座4、天线转动座5、天线固定支架6，所述控制器与电源连接，所述驱动系统与电源连接，所述RFID定向天线9与电源连接，所述控制器与驱动系统连接，所述控制器与RFID读写模块10的数据通信端口连接，所述旋转运动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述旋转运动传动机构的输出端与天线转动座5连接，所述往复摆动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述往复摆动传动机构的输出端与天线固定支架6连接，所述天线转动座5与天线基座4为可转动连接，所述天线固定支架6与天线转动座5为可转动连接，所述RFID定向天线9安装在天线固定支架6上。天线基座4作为本系统各个部件安装的基础支撑结构，其中电源用于给系统中的控制器、驱动系统、RFID定向天线9、RFID读写模块10等电器元件提供电能。控制器用于控制驱动系统驱动旋转运动传动机构和往复摆动传动机构联动，同时控制RFID读写模块10的读写工作。旋转运动传动机构用来带动天线转动座5相对天线基座4做360度的旋转，往复摆动传动机构用来带动天线固定支架6相对天线转动座5往复摆动，两种运动同时联动，使RFID定向天线9实现半球状空间的全覆盖。控制系统控制驱动系统和RFID读写模块10协同工作，在RFID定向天线9进行扫描的同时连续读取天线覆盖范围内的RFID电子标签。由于本申请的RFID全向动态扫描天线系统采用的是RFID定向天线9，相比全向天线增益更高，覆盖的距离更远；由于本申请的RFID定向天线9可以在运动过程中扫过整个半球状空间，相比现有技术的定向天线覆盖角度大，范围广；由于本申请的RFID定向天线9可以实现连续扫描，因此只需一个RFID定向天线9便可覆盖整个半球状空间，不需要多个天线组合，并且没有覆盖不到的盲区，不存在功率损失。

本申请的旋转运动传动机构采用斜齿直齿轮1和斜齿端面齿轮A2，斜齿端面齿轮A2与斜齿直齿轮1啮合，斜齿端面齿轮与天线转动座5传动连接。驱动系统的输出端与斜齿直齿轮1连接，驱动斜齿直齿轮1转动，斜齿直齿轮1带动斜齿端面齿轮A2转动，斜齿端面齿轮A2再带动天线转动座5相对天线基座4旋转。

如图4、图5、图6及图7所示，在前述旋转运动传动机构的基础上，本申请的往复摆动传动机构由斜齿端面齿轮B3、传动轴11、摆动杆12组成，斜齿端面齿轮B3与斜齿直齿轮1啮合，传动轴11与斜齿端面齿轮B3传动连接，传动轴11的端部设置有摆动臂13，摆动臂13上设置有偏心拨动杆14，所述摆动杆12可转动连接在天线固定支架6上，所述摆动杆12上设置有与天线固定支架6转动轴线平行且不重合的缝隙，所述偏心拨动杆14插进摆动杆12的缝隙中。在驱动系统的驱动下，斜齿直齿轮1带动斜齿端面齿轮B3转动，斜齿端面齿轮B3带动传动轴11及摆动臂13转动，由于偏心拨动杆14偏离转动轴的转动中心设置，并且偏心拨动杆14的缝隙天线固定支架6转动轴线平行且不重合，因此偏心拨动杆14做圆周运动的时带动摆动杆12和与摆动杆12固定连接的天线固定支架6来回摆动，当偏心拨动杆14转一圈时天线固定支架6来回摆动一次。其摆动的角度由偏心拨动杆14的偏心距离和摆动杆12与天线固定支架6的转动轴线的距离共同决定；摆动速度由摆动臂13的转速决定。本申请的结构可以只用一个斜齿直齿轮1进行驱动，将斜齿端面齿轮A2和斜齿端面齿轮B3分置在斜齿直齿轮1的上下两端，斜齿端面齿轮A2和斜齿端面齿轮B3分别同时带动天线转动座5和转动轴转动，并且通过偏心拨动杆14和摆动杆12及天线固定支架6的位置巧妙设置将圆周运动转化为天线固定支架6的往复摆动，使整个传动机构结构紧凑，传动效率高，且天线基座4和天线固定支架6实现联动，不会产生干涉。

电源包括驱动器电源和RFID天线电源，所述驱动器电源上设置有交流电接口，所述驱动器电源设置有电能输出模块，所述RFID天线电源设置有与所述充电输出模块相匹配的电能接收模块。本申请采用驱动器电源和RFID天线电源分给驱动系统和RFID天线系统供电以满足不同系统的要求，并利用充电模块实现驱动器电源对RFID天线电源，进行充电，其中的充电模块可以采用有线充电模块，也可以采用无线充电模块。这样整个电源在满足用电元件不同需求的同时又可以只设置一个交流电接口。

RFID天线电源上设置有滤波整流及稳压电路和蓄电池8，所述滤波整流及稳压电路的输入端与电能接收模块连接，所述滤波整流及稳压电路的输出端与蓄电池8连接。滤波整流及稳压电路将输入的交流电转化成稳定的直流电后给蓄电池8充电，由蓄电池8为RFID天线系统供电。驱动器电源设置有AC/DC转换模块将AC220V的交流电转换成系统可以使用的12V直流电。

RFID天线电源上设置有通讯模块，所述驱动器电源上设置有通讯模块。通讯模块可以实现RFID天线电源既驱动器电源的交互通讯，便于控制器对两个电源进行管理，通讯模块可以采用有线通讯模块也可以采用无线通讯模块。

所述RFID天线电源上设置有充电控制电路，所述驱动器电源上设置有充电控制电路，驱动器电源和RFID天线电源的充电控制电路与控制器连接。本申请利用充电控制电路，充电模块及通讯模块可以实现对电源的高效管理。

还包括WIFI模块，所述WIFI模块与控制器连接。通过WIFI模块获得上位机发出的读取标签需求后控制器控制系统工作，读取RFID电子标签，收到的RFID电子标签数据通过WIFI数据网络上传。

还包括安装板15，所述天线基座4固定连接在安装板15上，所述安装板15上设置有安装接口。天线基座4与安装板15通过固定螺钉孔连接；安装板15通过螺栓孔固定在使用区域的顶部，例如仓库顶部等位置。

还包括天线保护罩7，所述天线保护罩7覆盖在天线基座4上。天线保护罩7通过天线基座4外部的外螺纹进行连接，用于保护其内部结构。

实施例1

如图1所示在本实施例中，本发明的外部结构由安装板15，天线基座4和天线保护罩7组成。天线基座4与安装板15通过固定螺钉孔连接；安装板15通过螺栓孔固定在使用区域的顶部，例如仓库顶部等位置；天线保护罩7通过天线基座4部的外螺纹进行连接，用于保护其内部结构。如图2、图3所示，天线基座4上设置有交流电源输入口。

实施例2

在本实施例中本申请的电气部分设置在两个电路板即电路板A18和电路板A19上，RFID天线电源和驱动电源分别位于电路板A18和电路板A19上，驱动系统采用步进电机22。电路板A19通过线圈B与线圈A进行磁场耦合，采用电磁感应的方式向线圈A输送电能；电路板A19通过近场通讯模块与电路板A18进行通讯，接收电路板A18发送的控制指令，并返回相应的状态信息；电路板A19驱动步进电机22转动；当读写系统不工作时，电路板A18通过无线通讯模块向电路板A19发送充电指令，电路板A19停止步进电机22的转动，驱动线圈B，通过线圈A和电路板A18上的电池管理电路对蓄电磁进行充电。当系统需要扫描读取覆盖区域内的RFID电子标签时，电路板A18通过无线通讯模块向电路板A19发送读取指令，电路板A19停止驱动线圈B，转而控制步进电机22按照特定转速转动。如图2、图3所示，天线基座4上设置有交流电源输入口，电路板安装柱，安装有电路板A19，步进电机22。步进电机22通过电机安装支架连接后与天线基座4固定，在步进电机22输出轴的端面设置有斜齿直齿轮1，组成动力组件。交流电缆通过过线孔接入电路板A19。

实施例3

在本实施例中在电路板A19上设置有微处理器控制系统；还设置有步进电机22驱动电路；还设置有无线充电初级线圈及其控制电路，在本实施例中所采用的是ZigBee短距无线通讯模块。在实际使用中也可以采用蓝牙、射频等其它无线通讯方式。本实施例中的RFID读写模块10，电路板A18设置在天线转动座5上。蓄电池8通过双面胶粘贴在电路板A18上，并通过线缆与电路板A18连接。在电路板A18上设置有无线充电电路，并与无线充电次级线圈A连接。当天线系统待机时，电路板A18通过短距无线通讯模块向电路板A19发送充电指令。电路板A19控制无线充电的初级线圈B，输出充电脉冲。无线充电的次级线圈A感应到线圈B所形成的磁场，并与其相同的频率进行谐振，获得感应电流。电路板A18通过滤波整流和电压变换后，为蓄电池8进行充电在本实施例中电路板A18所采用的是ZigBee短距无线通讯模块，在实际使用中也可以采用蓝牙、射频等其它无线通讯方式；在电路板A18上还设置有微处理器控制系统；还设置WIFI通讯模块，用于上传读取到的RFID电子标签数据；电路板A18通过柔性带缆16与RFID读写模块10的数据通信端口连接。当电路板A18通过WIFI模块获得上位机发出的读取标签需求后，电路板A18通过短距无线通讯模块向电路板A19发送停止充电的指令。电路板A19断开无线充电的初级线圈B，启动步进电机22转动，带动传动机构转动，带动天线做往复摆动的同时，天线固定支架6做360°圆周转动；同时电路板A18通过柔性带缆16向RFID读写模块10发送读取指令，驱动RFID读写模块10输出射频信号，读取覆盖区域内的RFID电子标签，并将数据返回电路板A18。电路板A18再实时地将收到的RFID电子标签数据通过WIFI数据网络上传。

在本实施例中高增益RFID定向天线9通过螺钉固定在天线固定支架6，高增益RFID定向天线9由射频馈线20与RFID读写模块10的射频输出端口连接。射频馈线20预留有足够的长度，且馈线有足够的柔韧度可以承受天线的往复摆动而不至折损。在本实施例中，所选用的高增益RFID定向天线9辐射主瓣角度为60°，增益6db；所选用RFID读写模块10的射频发射功率30db，有效读取距离10米。当天线旋转工作时，能有效读取以天线安装位置为圆心，半径为10米，高度为天线安装高度的整个空间场所内的所有电子标签。

实施例4

所示在本实施例中传动轴11套入轴套21，轴套21通过轴承与天线基座4固定。传动轴11与轴套21之间可以自由转动，轴套21与天线基座4之间可以自由转动。且传动轴11与轴套21均为一段位于天线基座4墙体内部，一端位于天线基座4墙体外部。在传动轴11位于天线基座4墙体内部的一端设置有斜齿端面齿轮B3)；在轴套21位于天线基座4墙体内部的一端设置有斜齿端面齿轮A2；斜齿端面齿轮B3、斜齿端面齿轮A2均与斜齿直齿轮1咬合，组成所述的传动机构。在本实施例中斜齿端面齿轮B3、斜齿端面齿轮A2和斜齿直齿轮1均采用1.25模数的齿轮，齿数比为46:32:10。当步进电机22转动时，齿端面齿轮B和斜齿端面齿轮A2分别向相反方向带动传动轴11和轴套21转动，转速比与齿轮比成反比。在本实施例中，天线转动座5上有圆柱状凸台17，在与天线固定支架6连接时，圆柱状凸台17口入天线固定支架6预嵌轴承的孔中。所以天线固定支架6可以绕圆柱状凸台17自由转动。

实施例5

在本实施例中，增设WIFI模块，当电路板A18通过WIFI模块获得上位机发出的读取标签需求后，电路板A18通过短距无线通讯模块向电路板A19发送停止充电的指令。电路板A19断开无线充电的初级线圈B，启动步进电机22转动，带动传动机构转动，带动天线做往复摆动的同时，天线固定支架6做360°圆周转动；同时电路板A18通过柔性带缆16向RFID读写模块10发送读取指令，驱动RFID读写模块10输出射频信号，读取覆盖区域内的RFID电子标签，并将数据返回电路板A18。电路板A18再实时地将收到的RFID电子标签数据通过WIFI数据网络上传。

Claims (8)

1.RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：包括电源、控制器、驱动系统、RFID定向天线（9）、RFID读写模块（10）、旋转运动传动机构、往复摆动传动机构、天线基座（4）、天线转动座（5）、天线固定支架（6），所述控制器与电源连接，所述驱动系统与电源连接，所述RFID定向天线（9）与电源连接，所述控制器与驱动系统连接，所述控制器与RFID读写模块（10）的数据通信端口连接，所述旋转运动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述旋转运动传动机构的输出端与天线转动座（5）连接，所述往复摆动传动机构的输入端与驱动系统传动连接，所述往复摆动传动机构的输出端与天线固定支架（6）连接，所述天线转动座（5）与天线基座（4）为可转动连接，所述天线固定支架（6）与天线转动座（5）为可转动连接，所述RFID定向天线（9）安装在天线固定支架（6）上；

所述旋转运动传动机构包括斜齿直齿轮（1）、斜齿端面齿轮A(2)，所述斜齿端面齿轮A(2)与斜齿直齿轮（1）啮合，所述斜齿端面齿轮A(2)与天线转动座（5）传动连接；所述往复摆动传动机构包括斜齿端面齿轮B(3)、传动轴（11）、摆动杆（12），所述斜齿端面齿轮B(3)与斜齿直齿轮（1）啮合，所述传动轴（11）与斜齿端面齿轮B(3)传动连接，所述传动轴（11）的端部设置有摆动臂（13），所述摆动臂（13）上设置有偏心拨动杆（14），所述摆动杆（12）可转动连接在天线固定支架（6）上，所述摆动杆（12）上设置有与天线固定支架（6）转动轴线平行且不重合的缝隙，所述偏心拨动杆（14）插进摆动杆（12）的缝隙中。

2.如权利要求1所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：所述电源包括驱动器电源和RFID天线电源，所述驱动器电源上设置有交流电接口，所述驱动器电源设置有电能输出模块，所述RFID天线电源设置有与所述电能输出模块相匹配的电能接收模块。

3.如权利要求2所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：RFID天线电源上设置有滤波整流及稳压电路和蓄电池（8），所述滤波整流及稳压电路的输入端与电能接收模块连接，所述滤波整流及稳压电路的输出端与蓄电池（8）连接。

4.如权利要求2所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：所述RFID天线电源上设置有通讯模块，所述驱动器电源上设置有通讯模块。

5.如权利要求4所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：所述RFID天线电源上设置有充电控制电路，所述驱动器电源上设置有充电控制电路，驱动器电源和RFID天线电源的充电控制电路与控制器连接。

6.如权利要求1所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：还包括WIFI模块，所述WIFI模块与控制器连接。

7.如权利要求1所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：还包括安装板（15），所述天线基座（4）固定连接在安装板（15）上，所述安装板（15）上设置有安装接口。

8.如权利要求1所述的RFID全向动态扫描天线系统，其特征在于：还包括天线保护罩（7），所述天线保护罩（7）覆盖在天线基座（4）上。