CN109460688B - 基于品字形天线的三维结算通道装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于品字形天线的三维结算通道装置及其使用方法，其特征在于所述左侧射频天线/右侧射频天线均由三组射频天线线圈组成，每组射频天线线圈均绕制为矩形，其中第一组矩形天线线圈与第二组矩形天线线圈沿竖直方向设置，且第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈部分重叠，第三组矩形天线线圈设置在第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈的侧面，且第三组矩形天线线圈分别与第一组矩形天线线圈、第二组矩形天线线圈部分重叠，本发明与现有技术相比，能够实现通道范围内标签全方位无盲区读取、多个标签UID快速读取。

Description

基于品字形天线的三维结算通道装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及射频识别（RFID, Radio Frequency Identification）技术领域，尤其涉及一种能够实现通道范围内标签全方位无盲区读取、多个标签UID快速读取的基于品字形天线的三维结算通道装置及其使用方法。

背景技术

在无人便利店领域，越来越多的厂家采取RFID方案进行物品防盗和结算。远距离RFID结算通道系统主要包括控制射频信号发射、接收以及信息处理的读写器，与读写器相匹配的射频天线，需要被检测识别的射频标签。结算通道在正常工作时，读写器按照协议进行编码，并负责发送数据命令，经过读写器内部的调制和功放电路后，会产生带命令、大功率的射频信号，通过射频天线辐射到天线周围的结算区域。当顾客进入该区域，磁场携带的能量会激活标签，待标签识别射频命令后，会根据命令将应答信息调制到磁场上，通过天线反馈至读写器的接收电路。读写器对接收到的信息进行解析后，与后台管理系统进行数据交互，由后台完成结算。在RFID结算系统中，结算通道起着至关重要的作用，它决定了读写器发射的射频信号读取的空间范围和方向。在现有的结算通道装置中，射频天线一般是由多个天线组成天线阵列，然后通过天线切换实现标签的三维读取。

传统的结算通道采取上、中、下三组单圈天线组成，通道两侧各有三个矩形框天线，三个天线之间上下会有一定的重叠，兼顾水平方向的标签检测。这种布局的天线对于水平方向和平行于通道方向标签检测较好，但是在通道内部垂直于通道方向存在检测盲区，对磁场中处于该方向的标签，漏检概率较大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种通道两侧天线阵列采用两组有一定重叠面积的三个双圈天线呈倒“品”字形排列，两组天线同时工作，依次轮训检测；读写器模块优化射频发射电路和接收电路，提升发射功率、增加接收灵敏度；优化标签检测程序，在增加多标签检测功能同时缩短天线切换时间的基于品字形天线的三维结算通道装置及其使用方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于品字形天线的三维结算通道装置，设有用于形成通道的左侧支架和右侧支架，左侧支架和右侧支架上分别设有左侧射频天线和右侧射频天线，射频读写器分别与左侧射频天线、右侧射频天线相连接，其特征在于所述左侧射频天线和右侧射频天线均由三组射频天线线圈组成，每组射频天线线圈均绕制为矩形，其中第一组矩形天线线圈与第二组矩形天线线圈沿竖直方向设置，且第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈部分重叠，第三组矩形天线线圈设置在第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈的侧面，且第三组矩形天线线圈分别与第一组矩形天线线圈、第二组矩形天线线圈部分重叠，三组射频天线线圈组成品字式天线结构，每组矩形天线线圈均与天线匹配模块相连接，天线匹配模块的另一端分别与两个天线切换模块相连接，两个天线切换模块分别设置在左侧支架和右侧支架上，两个天线切换模块分别与两路双路射频控制模块相连接，射频读写器的输出端与双路射频控制模块的输入端相连接，射频读写器和从机控制器分别设置在左侧支架和右侧支架上，射频读写器的控制信号输出端与从机控制器的控制信号输出端分别与两个天线切换模块相连接，还设有与射频读写器/从机控制器相连接的电源模块。

本发明所述三组射频天线线圈中矩形天线线圈的高度记为H，宽度记为L，其中H1=H3，H1+H2=H2+H3=H，L1+L2=L2+L3=L，H2为第一组矩形天线线圈与第二组矩形天线线圈重叠部分高度，L2为第三组矩形天线线圈与第一组矩形天线线圈或第二组矩形天线线圈重叠部分的宽度，关于重叠面积，其中上下摆放的两个矩形天线重叠面积为H2*(L1+L2)，右侧天线和上下两个天线的重叠面积均为L2*(H1/2+H2)，重叠面积的变化会导致磁场范围和强度的变化，综合考虑检卡盲区和磁场强度等因素，天线尺寸关系为L1=L2=L3、（H1+H2）/H2=4时效果最佳。

本发明所述电源模块的主要作用是把交流市电转换成可以为射频读写器、从机控制模块、双路射频控制模块、天线切换模块供电的低压直流电；射频读写器的输入端与电源模块相连，用于产生携带有标签读取和操作的射频信号、作为主控部分控制其他电路板协同工作、标签检测后的信息解码、数据上报、声光报警等。

本发明所述天线匹配模块的输入端与天线切换模块相连，输出端分别与“品”字形天线的三个双圈天线相连，匹配对应的天线阻抗，将每个天线的频率谐振调至13.56M，输出阻抗为50Ω，从而保证射频读写器发出的射频信号最大化在天线周围形成磁场；天线匹配模块是采用直流和交流的叠加信号驱动，直流驱动信号的作用是打开PIN管开关，使射频信号输出到对应天线。

本发明从机控制模块，接收主机读写器发送的切换控制信号，输出端与天线切换模块和双路射频控制模块相连，控制从机与主机对应的模块同步切换。

本发明所述双路射频控制模块输入端接射频读写器，输出端接级联射频线，用于在多片级联使用时控制选择主机两侧的某一片从机工作。

本发明所述天线切换模块射频输入接口连接读写器输出射频信号，输出连接天线匹配模块的三个天线匹配输入接口，控制接口连接至主机读写器或从机控制板对应接口，在收到切换控制信号后，天线切换模块会产生直流驱动信号，打开对应天线的高频开关，其他未收到打开命令的射频输出接口，会把负压模块产生的负压加至另外两路高频开关两端，防止其他天线对于检卡天线的干扰。

本发明还设有负压模块，设置在天线切换模块中，负压模块与天线切换模块中设有的PIN管开关相连接，在关断时增加反向负压控制其工作状态，以达到彻底关断效果。

本发明中射频天线线圈是指每个天线位置用两个并排放置的线圈作为天线，能够最大化转化射频信号在天线周围形成较强磁场，天线附近磁场强度能提升一倍。

本发明还提出了一种基于品字形天线的三维结算通道装置的使用方法，其特征在于：

步骤1：系统上电，主控CPU开辟可存储N张标签信息的标签存储区，并对存储区初始化；

步骤2：主控CPU控制射频模块输出射频，并延时3ms等待磁场稳定；

步骤3：按逻辑进行相位切换。每个天线使用第一相位、第二相位检测两轮，若此时处于某天线的第二相位，先相位切换至第一相位后，需按逻辑进行天线切换，奇数检测周期按照A、B、C的顺序切换天线，偶数检测周期按照先B后C的顺序切换天线；

步骤4：判断天线切换状态，若未切换至A天线第一相位，则直接进行步骤5，否则检测标签存储区是否有数据，若有则静止存储区所有标签后进行步骤5；若存储区为空，则直接进行步骤5，这样显然可以避免已检测过的标签重新被读取，提高检测效率；

步骤5：记录此时时间T1，再循环发送清点命令检测磁场中所有标签，每次命令之后记录时间T2，当T2-T1>50ms、或磁场中标签全部检测完成，则进行步骤6；

步骤6：将检测到的标签信息存入标签存储区；

步骤7：判断天线切换状态是否已切换至C天线二相位，若是则进行步骤8，否则返回步骤3；

步骤8：关闭磁场，等待10ms，返回步骤2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：（1）通道范围内形成全方位无盲区磁场：品字形天线在通道的中间位置可以通过天线切换，使通道范围内的标签不用移动在任何方向都被检测到，彻底形成无盲区的三维天线；（2）增大标签检测区域：新型品字形天线可以根据需要做成不同大小的天线，对于检测范围要求大的场合，可等比例放大天线尺寸，能满足不同的客户需求；（3）提高标签检测成功率：提升读写器功率、增强接收灵敏度后，对于重叠标签和潮湿标签等异常情况的检测成功率有显著提升；（4）增加多标签检测数量：优化标签检测程序后，单次结算可携带更多标签，相对于传统通道提升150%。

附图说明：

附图1是本发明结构示意图。

附图2是本发明中左侧支架和右侧支架的结构示意图。

附图3是本发明的流程图。

附图标记：电源模块1、射频读写器2、天线匹配模块3、从机控制模块4、双路射频控制模块5、天线切换模块6。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提出的一种品字形天线三维通道装置，所述装置包括：电源模块1、射频读写器2、天线匹配模块3、从机控制模块4、双路射频控制模块5、天线切换模块6和天线阵列。所述天线阵列采用两组具有一定重叠面积的倒 “品”字形分布的矩形双圈线框组成，左右两侧天线在两天线阵列中间形成一个磁场相对均匀的通道，从而能够实现标签的三维读取、有效降低漏读率。

所述电源模块1，其主要作用是把交流市电转换成可以为射频读写器、从机控制模块、双路射频控制模块、天线切换模块供电的低压直流电。

所述射频读写器2，输入端与电源模块相连，用于产生携带有标签读取和操作的射频信号、作为主控部分控制其他电路板协同工作、标签检测后的信息解码、数据上报、声光报警等。

所述天线匹配模块3，输入端与天线切换模块相连，输出端分别与“品”字形天线的三个双圈天线相连，匹配对应的天线阻抗，将每个天线的频率谐振调至13.56M，输出阻抗为50Ω，从而保证射频读写器发出的射频信号最大化在天线周围形成磁场。

所述从机控制模块4，接收主机读写器发送的切换控制信号，输出端与天线切换模块和双路射频控制模块相连，控制从机与主机对应的模块同步切换。

所述双路射频控制模块5，输入端接射频读写器，输出端接级联射频线，用于在多片级联使用时控制选择主机两侧的某一片从机工作。

所述天线切换模块6，射频输入接口连接读写器输出射频信号，输出连接天线匹配模块的三个天线匹配输入接口，控制接口连接至主机读写器或从机控制板对应接口，在收到切换控制信号后，天线切换模块会产生直流驱动信号，打开对应天线的高频开关，其他未收到打开命令的射频输出接口，会把负压模块产生的负压加至另外两路高频开关两端，防止其他天线对于检卡天线的干扰。

所述负压模块，在射频切换电路中需要用到PIN管开关，在关断时需要增加反向负压控制其工作状态，以达到彻底关断效果。

所述直流驱动信号，该发明中天线匹配模块是采用直流和交流的叠加信号驱动，直流驱动信号主要作用是打开PIN管开关，使射频信号输出到对应天线。

实施例2：

如图2所示，述天线阵列采用两组具有一定重叠面积的倒 “品”字形分布的矩形双圈线框组成，上下摆放具有一定重叠面积的两个双圈天线可以保证水平方向和平行于通道方向标签的检测，侧方摆放天线和上下两个天线具有一定重叠面积，三个天线在不同位置有磁场盲区，相互补充实现整个通道范围内无磁场盲区。本发明重点研究采用双圈天线后单个天线检卡性能的提升，以及每个天线位置对于检卡区域的互相叠加消除盲区。为了保证三维通道装置识读区域足够大，本发明采用双圈天线，直接加大了每个天线的可读区域面积，且双圈天线可以形成更强的磁场，保证检测性能。由于每个天线的磁场在线框中间存在一个不同方向的盲区，所以需要不同天线的磁场来弥补中间盲区问题。鉴于以上情况，本发明中天线阵列采用两组具有一定重叠面积倒“品”字形的天线形式。

所述双圈天线，是每个天线位置用两个并排放置的线圈作为天线，能够最大化转化射频信号在天线周围形成较强磁场，天线附近磁场强度能提升一倍。

所述倒“品”字形天线组，是由两组各三个矩形天线按照一定的重叠面积摆放，左右两组天线尺寸和位置完全相同。

所述重叠面积，上下摆放的两个矩形天线重叠面积为H2*(L1+L2)，右侧天线和上下两个天线的重叠面积均为L2*(H1/2+H2)，重叠面积的变化会导致磁场范围和强度的变化。综合考虑检卡盲区和磁场强度等因素，天线尺寸关系为L1=L2=L3、（H1+H2）/H2=4时效果最佳。

天线阵列中采用两组天线，上、中、下天线依次同步切换工作，配合相位切换，各天线盲区相互补充，从而能够实现整个通道范围内标签的三维读取、有效降低漏读率。

实施例3：

如图三所示下面是本发明标签检测总体流程图的运行步骤:

步骤1：系统上电，主控CPU开辟可存储N张标签信息的标签存储区，并对存储区初始化；

步骤2：主控CPU控制射频模块输出射频，并延时3ms等待磁场稳定；

步骤3：按逻辑进行相位切换。每个天线使用第一相位、第二相位检测两轮，若此时处于某天线的第二相位，先相位切换至第一相位后，需按逻辑进行天线切换，奇数检测周期按照A、B、C的顺序切换天线，偶数检测周期按照先B后C的顺序切换天线；

步骤4：判断天线切换状态，若未切换至A天线第一相位，则直接进行步骤5，否则检测标签存储区是否有数据，若有则静止存储区所有标签后进行步骤5；若存储区为空，则直接进行步骤5，这样显然可以避免已检测过的标签重新被读取，提高检测效率；

步骤5：记录此时时间T1，再循环发送清点命令检测磁场中所有标签，每次命令之后记录时间T2，当T2-T1>50ms、或磁场中标签全部检测完成，则进行步骤6；

步骤6：将检测到的标签信息存入标签存储区；

步骤7：判断天线切换状态是否已切换至C天线二相位，若是则进行步骤8，否则返回步骤3；

步骤8：关闭磁场，等待10ms，返回步骤2。

按照上述步骤进行程序优化后，检卡效率可以提升50%，通道每秒检测标签数量可以达到60张。

Claims (7)

1.一种基于品字形天线的三维结算通道装置，设有用于形成通道的左侧支架和右侧支架，左侧支架和右侧支架上分别设有左侧射频天线和右侧射频天线，射频读写器分别与左侧射频天线、右侧射频天线相连接，其特征在于所述左侧射频天线和右侧射频天线均由三组射频天线线圈组成，每组射频天线线圈均绕制为矩形，其中第一组矩形天线线圈与第二组矩形天线线圈沿竖直方向设置，且第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈部分重叠，第三组矩形天线线圈设置在第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈的侧面，且第三组矩形天线线圈分别与第一组矩形天线线圈、第二组矩形天线线圈部分重叠，三组射频天线线圈组成品字式天线结构，每组矩形天线线圈均与天线匹配模块相连接，天线匹配模块的另一端分别与两个天线切换模块相连接，两个天线切换模块分别设置在左侧支架和右侧支架上，两个天线切换模块分别与两路双路射频控制模块相连接，射频读写器的输出端与双路射频控制模块的输入端相连接，射频读写器和从机控制器分别设置在左侧支架和右侧支架上，射频读写器的控制信号输出端与从机控制器的控制信号输出端分别与两个天线切换模块相连接，还设有与射频读写器/从机控制器相连接的电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于，三组射频天线线圈中矩形天线线圈的高度记为H，宽度记为L，其中H1=H3，H1+H2=H2+H3=H，L1+L2=L2+L3=L，H2为第一组矩形天线线圈与第二组矩形天线线圈重叠部分高度，L2为第三组矩形天线线圈与第一组矩形天线线圈和第二组矩形天线线圈重叠部分的宽度，关于重叠面积，其中上下摆放的两个矩形天线重叠面积为H2*(L1+L2)，右侧天线和上下两个天线的重叠面积均为L2*(H1/2+H2)，重叠面积的变化会导致磁场范围和强度的变化，综合考虑检卡盲区和磁场强度等因素，天线尺寸关系为L1=L2=L3、（H1+H2）/H2=4时效果最佳。

3.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于所述电源模块的作用是把交流市电转换成可以为射频读写器、从机控制模块、双路射频控制模块、天线切换模块供电的低压直流电；射频读写器的输入端与电源模块相连，用于产生携带有标签读取和操作的射频信号、作为主控部分控制其他电路板协同工作、标签检测后的信息解码、数据上报、声光报警。

4.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于所述天线匹配模块的输入端与天线切换模块相连，输出端分别与“品”字形天线的三个双圈天线相连，匹配对应的天线阻抗，将每个天线的频率谐振调至13.56M，输出阻抗为50Ω，从而保证射频读写器发出的射频信号最大化在天线周围形成磁场；天线匹配模块是采用直流和交流的叠加信号驱动，直流驱动信号的作用是打开PIN管开关，使射频信号输出到对应天线。

5.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于从机控制模块，接收主机读写器发送的切换控制信号，输出端与天线切换模块和双路射频控制模块相连，控制从机与主机对应的模块同步切换。

6.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于所述双路射频控制模块输入端接射频读写器，输出端接级联射频线，用于在多片级联使用时控制选择主机两侧的某一片从机工作。

7.根据权利要求1所述的一种基于品字形天线的三维结算通道装置，其特征在于所述天线切换模块射频输入接口连接读写器输出射频信号，输出连接天线匹配模块的三个天线匹配输入接口，控制接口连接至主机读写器或从机控制板对应接口，在收到切换控制信号后，天线切换模块会产生直流驱动信号，打开对应天线的高频开关，其他未收到打开命令的射频输出接口，会把负压模块产生的负压加至另外两路高频开关两端，防止其他天线对于检卡天线的干扰。

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