CN109271820B - 一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，涉及RFID扫描运动机构领域，悬挂杆连接天花板与连接架，连接架内设置有第一电机带动连接架整体以悬挂杆的中轴线为旋转中心线旋转；连接架与旋转架固定连接；旋转架内设置有两层，上层设置有第二电机，下层设置有主控板，主控板引出线连接第一电机和第二电机；第二电机的转轴与摆动架的一端摆动支点连接；摆动架背离摆动支点的一端设置RFID的读头。本发明通过设置悬挂杆、连接架、旋转架、摆动架等装置，实现了单个RFID读头的全向动态扫描；通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景；通过设置摆动轴承，有助于防止摆动架持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。
Description
技术领域
本发明涉及RFID扫描运动机构领域，特别涉及一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法。
背景技术
RFID技术中所衍生的产品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品。其中无源RFID产品发展最早，也是发展最成熟，市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125KHZ、高频13.56MHZ、超高频433MHZ，超高频915MHZ。
无源标签的实用范围大约在10厘米至几米左右，单个阅读器覆盖范围有限。在单个空间内不同方向的标签读取需要多个读头才能实现。有源RFID可解决覆盖问题，但其价格成本昂贵，且有源标签里面电池寿命有限，维护困难。传统RFID单个读头成单面单向的椭圆形如图1所示。
在一些使用场景，如资产管理的密闭空间的财务检测场景中，为了解决无源RFID单个读头的覆盖范围窄而多个读头组合成本高的问题，且在不需要实时获取标签信息，并在可容忍数十秒或者分钟或更长的延时的场景下，需要采用可进行待测空间进行全向动态扫描的RFID扫描运动机构。所述全向动态扫描指能够以待测空间三维空间的某一点，通过运动机构进行扫射，使以该点为球星的球形范围内都能被扫描射线覆盖的一种扫描方式。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，解决了无源RFID单个读头的覆盖范围有限和多个读头的成本高、无法对待测空间进行全向动态扫描的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，包括悬挂杆、连接架、旋转架、摆动架、读头，所述悬挂杆一端固定在待测空间的天花板上，另一端通过连接轴承与连接架连接，所述连接架内设置有第一电机，所述第一电机与连接轴承连接，可带动连接架整体以悬挂杆的中轴线为旋转中心线旋转；所述连接架底部设置有联轴器，所述联轴器另一端与旋转架固定连接；所述旋转架内设置有两层，上层设置有第二电机，下层设置有主控板，所述主控板引出线连接第一电机和第二电机；所述第二电机的转轴与摆动架的一端摆动支点连接；所述旋转架表面与第二电机转轴凸出位置相反的方向，设置有凸出的支座，所述摆动架另一端的摆动支点与支座连接；所述摆动架背离摆动支点的一端设置RFID的读头。第一电机带动连接架在与天花板平行的平面上做360度的旋转运动，同时通过联轴器，使旋转架与连接架同步运动；同时，通过第二电机，控制摆动架另一端的位置，实现与天花板垂直的面的扫描，通过这种联合运动实现RFID读头的全向动态扫描。
进一步地，所述第一电机、第二电机采用舵机，并通知设置在主控板的舵机驱动模组驱动。舵机适用于待测空间小于100立方米的场景，通过小尺寸小载荷来实现成本降低和有效利用资源的目的。
进一步地，所述第一电机、第二电机采用步进电机，并通过设置在主控板的步进电机驱动模组驱动。步进电机适用于待测空间大于100立方米的场景，通过大尺寸大载荷来实现稳定的全向动态扫描功能。通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景。
进一步地，所述步进电机驱动模组采用A4988步进电机驱动模块。A4988步进电机驱动模块，具有低漏源通态电阻RDS，可选择的自动电流衰减模式，混合和慢速电流衰减模式，低功耗的同步整流，内部UVLO，兼容3.3和5V逻辑电平的特点，能够有效对步进电机进行精确控制。
进一步地，所述主控板上还搭载有外部通讯板。所述外部通讯板选择但不限定NB-IoT和WIFI模组，或标准通讯模块3G、4G通讯模组。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。WIFI模组和NB-IoT实现的功能都是将外部的控制信号接入主控板中，实现对扫描动作的触发。
进一步地，摆动架的摆动支点与旋转架上的支座之间设置有摆动轴承。所述摆动轴承有助于防止摆动架持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。
一种RFID单头全向动态扫描方法，包括主控板、第一电机、第二电机、读头，还包括定时器，执行以下步骤：
S1，主控板唤醒并进行自检；
S2，第一电机、第二电机初始化自检；
S3，第一电机、第二电机零点位复位；
S4，主控板读取数据表，获取标签位置信息；所述数据表已记载有标签位置信息；
S5，主控板逐条发送带有标签位置信息的控制信号至驱动模组；
S6，驱动模组控制第一电机、第二电机转动，依次对准第P个标签位置；第一次执行时P取值为0，所述第P个标签位置为记录在标签位置信息中的单组数据，P取值为0至数据表数组容量大小之间的正整数；
S7，主控板通过读头扫描/监听标签，并接受标签的应答/记录，并使P等于P+1；
S8，执行S5至S7，直至遍历全部数据表中记录的标签位置，即P等于数据表数组容量大小时，设定唤醒定时器，主控板进入休眠；
S9，定时器唤醒主控板，循环执行S1至S9。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置悬挂杆、连接架、旋转架、摆动架等装置，实现了单个RFID读头的全向动态扫描；
2、本发明一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景；
3、本发明一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置摆动轴承，有助于防止摆动架持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统RFID单个读头成单面单向的椭圆形覆盖范围的结构示意图；
图2是本发明一种实施例的结构示意图(主视图的剖视图)；
图3是本发明一种实施例摆动架和读头部分的结构示意图(左视图)；
图4是本发明一种实施例舵机驱动模组的结构示意图；
图5是本发明一种实施例步进电机驱动模组的结构示意图；
图6是本发明一种实施例主控板的结构示意图；
图7是本发明一种实施例运动机构使用过程的流程图；
图8是本发明一种实施例运动机构使用过程的流程图。
图中，1.悬挂杆，2.连接架，3.连接轴承，4.第一电机，5.联轴器，6.旋转架，7.第二电机，8.主控板，9.摆动架，10.摆动轴承，11.读头，12.步进电机驱动模组，13.舵机驱动模组。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1、图2至图8对本发明作详细说明。
实施例1
本发明一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，包括悬挂杆1、连接架2、旋转架6、摆动架9、读头11，所述悬挂杆1一端固定在待测空间的天花板上，另一端通过连接轴承3与连接架2连接，所述连接架2内设置有第一电机4，所述第一电机4与连接轴承3连接，可带动连接架2整体以悬挂杆1的中轴线为旋转中心线旋转；所述连接架2底部设置有联轴器5，所述联轴器5另一端与旋转架6固定连接；所述旋转架6内设置有两层，上层设置有第二电机7，下层设置有主控板8，所述主控板8引出线连接第一电机4和第二电机7；所述第二电机7的转轴与摆动架9的一端摆动支点连接；所述旋转架6表面与第二电机7转轴凸出位置相反的方向，设置有凸出的支座，所述摆动架9另一端的摆动支点与支座连接；所述摆动架9背离摆动支点的一端设置RFID的读头11。如图2、图3所示，第一电机4带动连接架2在与天花板平行的平面上做360度的旋转运动，同时通过联轴器5，使旋转架6与连接架2同步运动；同时，通过第二电机7，控制摆动架9另一端的位置，实现与天花板垂直的面的扫描，通过这种联合运动实现RFID读头11的全向动态扫描。
本发明的使用过程为：悬挂杆1悬挂运动机构，使运动机构处于待测空间中，依次执行扫描准备阶段、全球初始化扫描阶段、待机阶段，如图7所示：
扫描准备阶段：然后使系统上电，主控板8中的主控器执行初始化自检。然后执行电机初始化自检、电机零点位复位，电机零电位是为了提供初始的记录位置。
全球初始化扫描阶段：以运动机构重心建立垂直直角坐标系，XY轴确定的平面为水平面，Z轴垂直水平面。通过主控板8控制第一电机4坐标系原点旋转N度，N取值在0至360°之间，选择但不限定等差数列的方式进行旋转度数递增，从而实现XY轴的全面覆盖；考虑到RFID的覆盖范围以及XY轴全面覆盖或部分覆盖模式的可选性，提高扫描的效率，因此可设置N完成一个旋转周期的旋转度数为0-360°之间任意度数区间。当N完成一个旋转周期后，第二电机7转动，控制摆动架9摆动M度，M取值在-90°至85°之间，选择但不限定等差数列的方式进行摆动度数递增，从而通过不断调整M和N的取值，实现运动机构的全向动态扫描。之所以在XY轴所在平面上仅需摆动85°，是出于两方面的考虑：一是为了避免与悬挂杆1造成碰撞，二是由于传统RFID单个读头11成单面单向的椭圆形扫描面积，足以覆盖5°的扫描面积就能实现全向动态扫描，因此M取值在-90°至85°之间。当每一次扫描到待测空间内存在标签时，主控器将控制记录标签信息及当前的N、M值到数据表中，从而在完成全向动态扫描的同时，记录每个标签的位置，便于后期的回溯。
待机阶段，当N的取值按照数值变化规则完成0°至360°内任意度数区间的变化，同时M的取值按照数值变化规则完成-90°至85°内任意度数区间的变化，以及数据表已记录清楚每个标签的位置，完成一次全向动态扫描周期，即完成首次初始化扫描，主控器进入休眠状态。
本发明所述的定位机构选择但不限定资产管理领域，用于在存储重要资产的封闭房间内，在无人的环境下定时检测存储物件，仅需通过在物品上贴上RFID标签即可实现。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：所述第一电机4、第二电机7采用舵机，并通知设置在主控板8的舵机驱动模组13驱动。舵机适用于待测空间小于100立方米的场景，通过小尺寸小载荷来实现成本降低和有效利用资源的目的。所述主控板8上还搭载有外部通讯板。所述外部通讯板选择但不限定NB-IoT和WIFI模组，或标准通讯模块3G、4G通讯模组。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。WIFI模组和NB-IoT实现的功能都是将外部的控制信号接入主控板8中，实现对扫描动作的触发。摆动架9的摆动支点与旋转架6上的支座之间设置有摆动轴承10。所述摆动轴承10有助于防止摆动架9持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。所述主控板8采用但不限定STM32F103C8T6型单片机，其接线图如图6所示。
如图4所示，引入舵机后，全球初始化扫描阶段的主要工作流程为：主控器中的单片机接收到NB-IoT或WIFI的外部接入的读取命令后，舵机驱动模组13驱动舵机使读头11进行全向动态扫描，与此同时单片机也启动RFID读头11读取标签数据，该过程中如果读到标签数据，单片机立即通过串口向NB-IoT和WIFI模组发送读到的标签，并记录到数据表中，等待运动结束，单片机通知NB-IoT和WIFI模组本次读取结束，进入待机阶段。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上做出了如下进一步限定：所述第一电机4、第二电机7采用步进电机，并通过设置在主控板8的步进电机驱动模组12驱动。步进电机适用于待测空间大于100立方米的场景，通过大尺寸大载荷来实现稳定的全向动态扫描功能。通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景。所述步进电机驱动模组12采用A4988步进电机驱动模块。A4988步进电机驱动模块，具有低漏源通态电阻RDS，可选择的自动电流衰减模式，混合和慢速电流衰减模式，低功耗的同步整流，内部UVLO，兼容3.3和5V逻辑电平的特点，能够有效对步进电机进行精确控制。在电机初始化自检时，可选择采用舵机或步进电机的方式进行，人工接入线插入对应的插口即可。
如图5所示，引入步进电机后，主要应对待测空间较大，如大于100立方米的场景，即需要采用大尺寸的运动机构和承载更大负荷的场景，同时全球初始化扫描阶段的主要工作流程为：主控器中的单片机接收到NB-IoT或WIFI的外部接入的读取命令后，步进电机模组驱动舵机使读头11进行全向动态扫描，与此同时单片机也启动RFID读头11读取标签数据，该过程中如果读到标签数据，单片机立即通过串口向NB-IoT和WIFI模组发送读到的标签，并记录到数据表中，等待运动结束，单片机通知NB-IoT和WIFI模组本次读取结束，进入待机阶段。
实施例4
一种RFID单头全向动态扫描方法，包括主控板8、第一电机4、第二电机7、读头11，还包括定时器，如图8所示，执行以下步骤：
S1，主控板8唤醒并进行自检；
S2，第一电机4、第二电机7初始化自检；
S3，第一电机4、第二电机7零点位复位；
S4，主控板8读取数据表，获取标签位置信息；所述数据表已记载有标签位置信息；
S5，主控板8逐条发送带有标签位置信息的控制信号至驱动模组；
S6，驱动模组控制第一电机、第二电机转动，依次对准第P个标签位置；第一次执行时P取值为0，所述第P个标签位置为记录在标签位置信息中的单组数据，P取值为0至数据表数组容量大小之间的正整数；
S7，主控板8通过读头11扫描/监听标签，并接受标签的应答/记录，并使P等于P+1；
S8，执行S5至S7，直至遍历全部数据表中记录的标签位置，即P等于数据表数组容量大小时，设定唤醒定时器，主控板8进入休眠；
S9，定时器唤醒主控板8，循环执行S1至S9。
全向动态扫描方法是全球初始化扫描阶段完成后进入待机阶段时，依据数据表中存在的标签位置实现的，所述数据表为实施例1中的N、M值数据组成的数据表，核心思想是通过N、M值直接通过坐标系定位的方法，反向指引第一电机4、第二电机7直接转动对准初始化扫描阶段时记录有标签信息的位置，从而实现快速的定位，进而节约第一电机4与第二电机7的转动周期和路径，对已检测过一次的空间实现二次智能扫描。
以上，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：包括悬挂杆(1)、连接架(2)、旋转架(6)、摆动架(9)、读头(11)，所述悬挂杆(1)一端固定在待测空间的天花板上，另一端通过连接轴承(3)与连接架(2)连接，所述连接架(2)内设置有第一电机(4)，所述第一电机(4)与连接轴承(3)连接，可带动连接架(2)整体以悬挂杆(1)的中轴线为旋转中心线旋转；所述连接架(2)底部设置有联轴器(5)，所述联轴器(5)另一端与旋转架(6)固定连接；所述旋转架(6)内设置有两层，上层设置有第二电机(7)，下层设置有主控板(8)，所述主控板(8)引出线连接第一电机(4)和第二电机(7)；所述第二电机(7)的转轴与摆动架(9)的一端摆动支点连接；所述旋转架(6)表面与第二电机(7)转轴凸出位置相反的方向，设置有凸出的支座，所述摆动架(9)另一端的摆动支点与支座连接；所述摆动架(9)背离摆动支点的一端设置RFID的读头(11)；
RFID单头全向动态扫描系统进行扫描时，具体步骤为：
S1，主控板(8)唤醒并进行自检；
S2，第一电机(4)、第二电机(7)初始化自检；
S3，第一电机(4)、第二电机(7)零点位复位；
S4，主控板(8)读取数据表，获取标签位置信息；所述数据表已记载有标签位置信息；
S5，主控板(8)逐条发送带有标签位置信息的控制信号至驱动模组；
S6，驱动模组控制第一电机、第二电机转动，依次对准第P个标签位置；第一次执行时P取值为0，所述第P个标签位置为记录在标签位置信息中的单组数据，P取值为0至数据表数组容量大小之间的正整数；
S7，主控板(8)通过读头(11)扫描/监听标签，并接受标签的应答/记录，并使P等于P+1；
S8，执行S5至S7，直至遍历全部数据表中记录的标签位置，即P等于数据表数组容量大小时，设定唤醒定时器，主控板(8)进入休眠；
S9，定时器唤醒主控板(8)，循环执行S1至S9。
2.根据权利要求1所述的一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：所述第一电机(4)、第二电机(7)采用舵机，并通过设置在主控板(8)的舵机驱动模组(13)驱动。
3.根据权利要求1所述的一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：所述第一电机(4)、第二电机(7)采用步进电机，并通过设置在主控板(8)的步进电机驱动模组(12)驱动。
4.根据权利要求3所述的一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：所述步进电机驱动模组(12)采用A4988步进电机驱动模块。
5.根据权利要求1或2所述的一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：所述主控板(8)上还搭载有外部通讯板。
6.根据权利要求1、2和4任一所述的一种RFID单头全向动态扫描系统，其特征在于：摆动架(9)的摆动支点与旋转架(6)上的支座之间设置有摆动轴承(10)。
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Address after: 610000 building 43, No. 30, Wuxing Third Road, Wuhou New Town Management Committee, Wuhou District, Chengdu, Sichuan (located at No. 802, 8th floor, unit 1, building 6, Zone D, Western Zhigu) Applicant after: Chengdu Xinchuang Zhilian Technology Co.,Ltd. Address before: 610000 building 43, No. 30, Wuxing Third Road, Wuhou New Town Management Committee, Wuhou District, Chengdu, Sichuan (located at No. 802, 8th floor, unit 1, building 6, Zone D, Western Zhigu) Applicant before: CHENGDU XINCHUANG ZHILIAN TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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