CN108051657A - 一种基于uwb和uhf-rfid的射频场强检测系统 - Google Patents

一种基于uwb和uhf-rfid的射频场强检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB和UHF‑RFID的射频场强检测系统，多个定位基站模块及UWB定位标签，用于在UHF‑RFID射频电磁信号场中进行精确定位；UHF‑RFID射频识别系统包括：UHF读写器、天线、UHF‑RFID标签；无人机搭载UWB定位标签和UHF‑RFID标签，用于对UHF‑RFID射频电磁信号场中UWB定位标签和UHF‑RFID标签在不同点位场强的反馈和本身位置的反馈；上位机通过运算进行电磁信号场强分布的绘制；多个定位基站模块之间通过无线通信方式组网相连，通过与UWB定位标签进行无线通信进行UWB定位标签位置的计算，计算出搭载有UWB定位标签和UHF‑RFID标签无人机的实时位置。

Description

一种基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统
技术领域
本发明涉及UHF-RFID领域，特别是涉及一种基于UWB的UHF-RFID场强检测系统。
背景技术
随着UHF-RFID技术被广泛应用于智能交通、出入管控、涉密载体监控、停车管理等领域，UHF-RFID读写器的安装、部署、调试成为了系统构建过程中的一项重要而又繁杂的工作。UHF-RFID系统对安装天线的角度、位置以及读写器本身的性能都有较高要求，由于安装、调试人员的水平参差不齐，经常会在安装和现场调试过程中引入设备本身之外的不可控的因素，导致系统性能无法达到预期水平。另外由于射频电磁信号的不可见性，使得其无法直观的观察，而现有的频谱仪等仪器专业性要求高，使用过于复杂，且只能对单点进行测量，无法直观反映出场强分布情况。
UWB(Ultra-Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微妙级的非正弦波窄脉冲传输数据，在较宽的频谱上传送极低功率的信号。UWB技术最早用于短距离高速通信，目前在一些领域被用于厘米级精确定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，用于解决背景技术中涉及到的UHF-RFID读写器的相关问题。
本发明一种基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其中，包括UWB定位系统、UHF-RFID射频识别系统、无人机以及上位机；UWB定位系统包括：多个定位基站模块及UWB定位标签，用于在UHF-RFID射频电磁信号场中进行精确定位；UHF-RFID射频识别系统包括：UHF读写器、天线、UHF-RFID标签；无人机搭载UWB定位标签和UHF-RFID标签，用于对UHF-RFID射频电磁信号场中UWB定位标签和UHF-RFID标签在不同点位场强的反馈和本身位置的反馈；上位机通过UHF-RFID读写器和UWB定位基站获取位置以及场强信息，然后通过运算进行电磁信号场强分布的绘制；多个定位基站模块之间通过无线通信方式组网相连，通过与UWB定位标签进行无线通信进行UWB定位标签位置的计算，计算出搭载有UWB定位标签和UHF-RFID标签无人机的实时位置；同时，UHF-RFID读写器一直处在高速盘点状态，与UHF-RFID标签通信，从而获取UHF-RFID标签一定时间内的读取次数以及其他参数，从而获取当前点位的相对场强；上位机通过控制和获取UWB标签的位置以及UHF-RFID标签的返回信息，进行闭环控制和运算，从而获取射频辐射场区域内的各点位相对强度参数，并在上位机中进行可视化绘制，获取整个区域的场强相对强度分布图，之后根据场强相对强度分布图对UHF-RFID射频系统中RFID天线的角度以及读写器发射参数按照部署意愿进行调整。
根据本发明的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统的一实施例，其中，UWB定位系统的三个定位基站模块中的一个与运行上位机通过有线相连，三个定位基站模块之间通过无线通信方式组网相连。
根据本发明的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统的一实施例，其中，UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统初始化之后都进入到自身的标签识别循环中，对于UWB定位系统，在检测到UWB标签后将通过多基站计算的方式对所识别到标签相对基站的位置进行计算，并将计算结果传回到上位机，对于UHF-RFID射频识别系统，RFID读写器在检测到UHF-RFID标签的同时将获取到的信息，之后打包发送到上位机；将待测区域的场地物理尺寸信息及定位基站坐标信息录入到上位机中，之后场强数据可视化系统进行初始化，通过相关时间同步算法，对UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统返回的数据进行校验和计算，之后将计算结果放到数据与上位机中配置好的物理坐标系进行结合和计算，并将计算结果进行渲染，得到可视化内容。
根据本发明的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统的一实施例，其中，UHF-RFID射频读写器包括：主机读写接口、CPU、保密模块接口、GPIO控制接口、FPGA以及对外天线接口。
根据本发明的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统的一实施例，其中，将基带编码和脉冲成形放在CPU片外执行，CPU的SPI接口将编码控制字和成形后的基带写入FPGA内部的寄存器，FPGA采用预先成形的波形查找表和TPP编码模块进行前向编码，并经DAC输出给对外天线接口；UWB定位标签和UHF-RFID标签信号经过ADC后，通过抽取模块进行一定倍数的抽取，并经解调模块进行反向解调，对解调后的信号，通过副载波消除模块，消除Miller副载波，并经帧同步模块，进行标签同步码的匹配，经频偏补偿模块进行消除频偏引起的累积误差，通过相关解码，经SPI接口输出给CPU。
根据本发明的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统的一实施例，其中，RFID读写器在检测到UHF-RFID标签的同时将获取到标签信息区、标签标识区、WbRSSI以及NbRSSI信息。
本发明目的在于将现已较为成熟的UWB定位技术与UHF-RFID技术相结合进行对UHF-RFID系统场强进行测量并在相关软件中可视化地体现，适用于部署有UHF-RFID读写器的各种应用场景下的射频场强检测。
附图说明
图1-1为电磁信号辐射的侧视图；
图1-2为电磁信号辐射的俯视图；
图2为射频场强检测系统构成示意图；
图3为系统工作流程图；
图4为UHF-RFID射频读写器硬件实现框图；
图5为UHF-RFID射频识别物理层FPGA实现框图；
图6为命令状态转换图；
图7为物理层状态转换图；
图8为UWB接收机信号处理流程图；
图9为UWB发射机信号处理流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1-1为电磁信号辐射的侧视图，图1-2为电磁信号辐射的俯视图，参考图1-1和图1-2可以看到UHF-RFID读写器天线发射出的电磁信号辐射情况，该电磁辐射在天线前一定长度和高度的空间内存在，且在某些区域可能会存在一定的盲区。天线的安装、线缆的质量、UHF-RFID读写设备本身的都对该区域的大小及各位置的电磁能量情况有影响。
图2所示为测量系统构成的示意图，如图2所示，包括UWB定位系统、UHF-RFID射频系统、无人机2及上位机1，UHF-RFID射频系统由一个UHF读写器和天线、馈线、UHF-RFID标签等组成，在本系统中实现了一套UHF-RFID测量系统，属于被测对象。
如图2所示，UWB定位系统由三个定位基站模块5-7及一个UWB定位标签组成，实现在UHF-RFID射频电磁信号场中进行精确定位。
如图2所示，无人机2搭载UWB定位标签和UHF-RFID标签，实现对UHF-RFID射频电磁信号场中射频标签在不同点位场强的反馈和本身位置的反馈。
如图2所示，上位机1通过UHF-RFID读写器和UWB定位基站获取位置、场强信息，然后通过运算进行电磁信号场强分布的绘制。
如图2所示，UWB定位系统三个定位基站中的一个与运行上位机1通过有线相连，三个基站定位模块之间通过无线通信方式组网相连，通过与定位标签进行无线通信进行定位标签位置的计算，通过这种方式可以计算出搭载有定位标签和UHF-RFID标签无人机的实时位置，位置坐标刷新频率不低于每秒2次。与此同时，UHF-RFID读写器4一直处在高速盘点状态，即与UHF-RFID标签通信，从而获取RSSI、UHF-RFID标签一定时间内的读取次数以及其他参数，从而获取当前点位的相对场强。上位机1通过控制和获取UWB标签的位置以及UHF-RFID标签的返回信息，进行闭环控制和运算，从而获取射频辐射场区域内的各点位相对强度参数，并在上位机中进行可视化绘制，获取整个区域的场强相对强度分布图。之后就可以根据该场强相对强度分布图对UHF-RFID射频系统中RFID天线3的角度、读写器4发射参数等按照部署意愿进行调整。
图3所示为基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统工作流程图，如图2以及图3所示，启动后，UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统初始化之后都进入到自身的标签识别循环中。对于UWB定位系统，在检测到UWB标签后将通过多基站计算的方式对所识别到标签相对基站的位置进行计算，并将计算结果传回到上位机。对于UHF-RFID射频识别系统，RFID读写器4在检测到UHF-RFID标签的同时将获取到例如标签信息区、标签标识区、WbRSSI、NbRSSI等信息，之后将这些信息打包发送到上位机1。系统启动后，需要将待测区域的场地物理尺寸信息及定位基站坐标等信息录入到上位机1中，之后场强数据可视化系统进行初始化，并创建数据接收-处理子任务和数据转换-显示子任务。在数据接收-处理子任务中，通过相关时间同步算法，对UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统返回的数据进行校验、计算，之后将计算结果放到数据可视化系统的“生产者—消费者”数据队列中。数据转换-显示子任务中，首先从数据可视化系统的“生产者—消费者”数据队列中获取数据，之后将该数据与上位机中配置好的物理坐标系进行结合、计算，并将计算结果进行渲染，最后填充到上位机1软件的可视化部分。
图4为UHF-RFID射频读写器硬件实现框图，图5为UHF-RFID射频识别物理层FPGA实现框图，如图4以及图5所示，UHF-RFID射频读写器包括：主机读写接口21、CPU22、保密模块接口2、GPIO控制接口24、FPGA25以及对外天线接口26。
如图5所示，为了满足读写器的调制信号射频包络和调制深度的要求，且便于开发调试，将基带编码和脉冲成形放在CPU22片外执行，调制深度片外可调，通过CPU22的SPI接口将编码控制字和成形后的基带写入FPGA25内部的寄存器，FPGA25则采用预先成形的波形查找表31，和TPP编码模块32实现前向编码，并经DAC33输出给对外天线接口26。标签信号经过ADC34后，数据量很大，为了加快FPGA25的处理，需对采样后的信号通过抽取模块35进行一定倍数的抽取，抽取系数与标签反向速率有关。对于标签到读写器信号的处理，采用解调模块37，实现反向解调，对解调后的标签信号，采用相关操作实现对FM0和Miller的解码。针对Miller解码，需增加一级滤波器，首先通过副载波消除模块36，消除Miller副载波，经帧同步模块38，进行标签同步码的匹配，由于标签的反向数据速率会有一定的偏差，经频偏补偿模块39进行消除频偏引起的累积误差，再通过相关解码40，经SPI接口输出给CPU22。
图6所示为命令状态转换图，图7所示为物理层状态转换图，如图6以及图7所示，状态转换是整个数字基带系统的控制核心，它负责对读写器的物理层进行控制，从而完成读写器的收发功能。具体涉及到等待状态、命令发送状态、响应接收状态等三个状态。其中等待状态是一个起始状态，等待来自处理器的数据，执行来自处理器的存储器访问操作；命令发送状态下启动发送链路，将编码成形滤波后的命令信息送给射频前端，并根据是否需要获得标签响应信息来决定是否需要转换到响应接收状态；响应接收状态下接收来自标签的响应信息，正确的响应将被解码，异常响应将使得状态转换为等待状态。
图8为UWB接收机信号处理流程图，图9为UWB发射机信号处理流程图，如图8以及图9所示，定位标签的时钟从存储器中读出伪随机时间间隔调制编码信息，以控制调制电路多脉冲间隔的变换。经过调制后的时序激励窄脉冲产生脉冲。为了提高探测距离，使用脉冲放大结合天线空间辐射的方式。
本发明公开了一种基于UWB和UHF-RFID技术的射频场强检测系统，针对目前UHF-RFID在各种领域应用过程中无法直观、有效的对射频辐射场进行观测、调试的问题，利用UWB定位技术与UHF-RFID技术相结合，基于无人机、自动控制算法等实现了一种射频场强检测系统。该系统适用于部署有UHF-RFID读写器的各种应用场景下的射频场强检测，有助于安装、部署、调试人员快速、有效、直观的了解当前UHF-RFID系统的场强分布情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，包括UWB定位系统、UHF-RFID射频识别系统、无人机以及上位机；
UWB定位系统包括：多个定位基站模块及UWB定位标签，用于在UHF-RFID射频电磁信号场中进行精确定位；
UHF-RFID射频识别系统包括：UHF读写器、天线、UHF-RFID标签；
无人机搭载UWB定位标签和UHF-RFID标签，用于对UHF-RFID射频电磁信号场中UWB定位标签和UHF-RFID标签在不同点位场强的反馈和本身位置的反馈；
上位机通过UHF-RFID读写器和UWB定位基站获取位置以及场强信息，然后通过运算进行电磁信号场强分布的绘制；
多个定位基站模块之间通过无线通信方式组网相连，通过与UWB定位标签进行无线通信进行UWB定位标签位置的计算，计算出搭载有UWB定位标签和UHF-RFID标签无人机的实时位置；同时，UHF-RFID读写器一直处在高速盘点状态，与UHF-RFID标签通信，从而获取UHF-RFID标签一定时间内的读取次数以及其他参数，从而获取当前点位的相对场强；上位机通过控制和获取UWB标签的位置以及UHF-RFID标签的返回信息，进行闭环控制和运算，从而获取射频辐射场区域内的各点位相对强度参数，并在上位机中进行可视化绘制，获取整个区域的场强相对强度分布图，之后根据场强相对强度分布图对UHF-RFID射频系统中RFID天线的角度以及读写器发射参数按照部署意愿进行调整。
2.如权利要求1所述的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，UWB定位系统的三个定位基站模块中的一个与运行上位机通过有线相连，三个定位基站模块之间通过无线通信方式组网相连。
3.如权利要求1所述的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统初始化之后都进入到自身的标签识别循环中，对于UWB定位系统，在检测到UWB标签后将通过多基站计算的方式对所识别到标签相对基站的位置进行计算，并将计算结果传回到上位机，对于UHF-RFID射频识别系统，RFID读写器在检测到UHF-RFID标签的同时将获取到的信息，之后打包发送到上位机；将待测区域的场地物理尺寸信息及定位基站坐标信息录入到上位机中，之后场强数据可视化系统进行初始化，通过相关时间同步算法，对UWB定位系统和UHF-RFID射频识别系统返回的数据进行校验和计算，之后将计算结果放到数据与上位机中配置好的物理坐标系进行结合和计算，并将计算结果进行渲染，得到可视化内容。
4.如权利要求1所述的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，UHF-RFID射频读写器包括：主机读写接口、CPU、保密模块接口、GPIO控制接口、FPGA以及对外天线接口。
5.如权利要求4所述的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，将基带编码和脉冲成形放在CPU22片外执行，CPU的SPI接口将编码控制字和成形后的基带写入FPGA内部的寄存器，FPGA采用预先成形的波形查找表和TPP编码模块进行前向编码，并经DAC输出给对外天线接口；UWB定位标签和UHF-RFID标签信号经过ADC后，通过抽取模块进行一定倍数的抽取，并经解调模块进行反向解调，对解调后的信号，通过副载波消除模块，消除Miller副载波，并经帧同步模块，进行标签同步码的匹配，经频偏补偿模块进行消除频偏引起的累积误差，通过相关解码，经SPI接口输出给CPU。
6.如权利要求1所述的基于UWB和UHF-RFID的射频场强检测系统，其特征在于，RFID读写器在检测到UHF-RFID标签的同时将获取到标签信息区、标签标识区、WbRSSI以及NbRSSI信息。
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