CN110431754A - 使用rfid来识别物体的学习和游戏交互式表面 - Google Patents

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Abstract

一种基于多种多维几何形式的电子可组合模块化系统，用于在多维空间中定位多个应答器RFID的位置并且读取和写入所包括的信息。该系统包括：多个可组合模块化本地单元、多个可组合模块化子系统、至少微控制器、以及连接至模块化子系统以使任意的各模块化本地单元与应答器RFID的至少读写器接收器进行通信的至少辐射天线。本发明的创新允许天线的矩阵或系列的构造的显著改进和成本高效益，以及娱乐、教育和通信领域的新工作模式。这种创新是显著的，因为其甚至促进了甚至是与未受过教育的儿童和任何年龄的残疾人的交互。

Description

使用RFID来识别物体的学习和游戏交互式表面
应用：该发明对书籍、电子书、显示器、交互式表面的构造进行了创新，并且一般来说增强了其在游戏和表面中的使用，从而扩大了在教育和康复领域、商业、工业、娱乐、展览馆领域使用的可能性，并且提供将交互式表面整合到多媒体介入中的可能性。
技术发展状况：存在用以构建连接至应答器RFID(即射频识别)或应答器NFC(即近场通信)的一系列天线的许多尝试和解决方案，以通过使用机电开关或晶体管或电子开关连接各个天线来识别和定位放置在水平面上或空间中的物体，如德州仪器(TexasInstruments)的报告多达8个天线的应用的应用报告“SLOA144–October 2009”中那样。
[文献：]另一示例由德州仪器的TRF7960A RFID多路复用器示例性系统给出，其中该系统在应用报告“SLOA167.pdf-may 2012”的第3页上针对仅16个天线的多路复用陈述了除控制逻辑之外每4个天线使用两个集成电路“….RFID天线板主要组件包括四个PCB追踪环形天线(针对13.56MHz调谐,Q<20)，一个Peregrine半导体PE42440 SP4T RF开关、一个Peregrine半导体PE4257 SPDT RF开关…”。
[专利：]本发明所创新的另一有趣示例包含于1986年的、所有人名称为GeneralElectric Company的专利US4777490A “Monolithic antenna with integral pin diodetuning”中，其使用两个PIN二极管和BIAS电流来隔离天线或将天线连接至接收器。
本发明所使用、修改和创新的另一有趣示例包含于1998年的、所有人名称为ARMY,UNITED STATES OF AMERICA的期满专利US6037905中，其使用PIN二极管来连接微波天线。
因此，已知技术和科学文献广泛利用电流控制的二极管使其进入饱和区以减少RF通过的电阻，并且对于本文献，本发明将半导体、特别是二极管创新性地用于属于天线阵列的天线之间的切换，以解决在使用晶体管或机电或电子开关的情况下由于电子电路的复杂性而产生的许多问题、并减少导体和天线在射频上的杂散发射。
本发明的公开：本发明是一种系统，其如图1中那样具有内部电源或者如图2中那样具有内部或外部电源，具有多种如图1中那样的多维几何形式(1000)的可扩展模块，使用用于读取和写入多个物体(1)中所包括的数据的已知技术手段构建，靠近或者被放置也可在系统(1000)内部或外部的特定空间中弯曲或受限的表面上的如图5中的应答器RFID或NFC(10)，该系统的特征在于如图1中那样包括多个可组合的创新型模块化本地单元(100.a1.c1)、…、(100.an.cn)，所述多个可组合的创新型模块化本地单元(100.a1.c1)、…、(100.an.cn)在操作部分中更好地说明并且具有采用导电材料且不一定是螺旋形状的天线，各天线串联连接至各个天线端子所用的至少一个半导体(优选但不完全是SCHOTTKY二极管或PIN二极管)。除了二极管之外，还可以使用晶体管或集成电路，即使是不太有效。
彼此连接成矩阵的模块化本地单元(100.a1.c1)、…、(100.an.cn)通过具有电感器、半导体、二极管和电容器的模块化子系统(250.a1)、…、(250.an)和(260.c1)、…、(260.cn)(在操作部分中更好地说明)而优选地连接至如图1中所说明的向外部辐射RF的至少一个天线，其中二极管开关(50)所管理的两个天线(60)允许两个参与者交替地连接至系统(1000)。
例如，如图1中那样，射频(RF)信号由连接至外部装置(500)的接收器(读取器)RFID(52)或装置(600)中所包含的接收器(读取器)RFID生成、并由内部天线(60)接收，或者如图2中那样由连接至内部通信子系统(400)和开关(50)的内部接收器(读取器)RFID(51)生成。
RF信号从开关(50)的端子(50.1)和(50.2)通过一些导体(总线(BUS))流向由用于接收模块化本地单元的位置数据的微控制器(300)的控制逻辑所唯一识别的任何模块化本地单元(100.ax.cx)，其中x假设为1～n之间的值。所识别的模块化本地单元电气连接——通过BIAS直流电流极化——从而导致如图3中那样仅串联连接至天线(101.an.cn)的端子的二极管进入饱和区，并因此允许同一天线被RF穿过并将置于所识别的模块化本地单元上或附近的应答器RFID包裹在天线的磁场或电磁场中。
建议突出以下：控制逻辑可以将BIAS直流电流同时发送至更多模块化本地单元，然后如图3和图4所表示地通过BUS使其彼此连接，并且还应突出：如图1和图2所表示的与二极管串联的天线(60)仅是为了描述和谐的目的才相较于其它本地单元额外考虑，因为天线(60)完全可以用与本地单元相同并使用相同的与总线的连接模式的任何本地单元来表示。
还应突出以下：通过子系统而连接至BUS的本地单元的集合构成具有串联的二极管的天线的不分层多中心网络，其可以经由软件通过偏置(BIAS)直流电流动态地配置，这允许将一个或多个天线彼此连接或者与标签RFID的读取器相连接，并且还允许经由软件通过偏置电流将本地单元划分为不同组，各组连接至各个独立的本地单元。
然后，应答器RFID所接收到的具有代码的RF在BUS上返回，并且通过如图3中的模块化子系统(250.a1)、…、(250.an)和(260.c1)、…、(260.cn)的电容器朝向开关(50)的端子(50.1)和(50.2)传送、然后如图1、图2中那样朝向接收器(读取器)RFID(51)或朝向单个天线(60)传送，其中天线(60)又感应或电磁耦合至例如智能手机(600)或平板电脑(500)中所包含的应答器RFID的外部装置接收器(读取器)。
将与接收器(读取器)或辐射天线的连接定位于导体的分支所形成的星形的中心处并使一个或多个二极管串联连接在导体上是有用的，其中，在无BIAS电流穿过时保持在阻断区内的这些二极管具有如下功能：对未由微控制器(300)的控制逻辑供电的天线进行分割以减少天线之间的相互作用以及防止导体辐射RF，从而允许RF仅朝向BIAS电流所穿过的天线的单一寻址。
如图3、图4、图6和图7中所突出显示地利用一个或多个光学发射二极管(通常为LED)替换天线附近的二极管允许以光学方式向用户报告能够识别出的本地单元的位置；如图3中的接近传感器(3)立即向微控制器的控制逻辑报告覆盖物体的存在或移除；如图3中那样优选放置在每个天线的中心的磁体(2)允许限制线圈(turns)的磁场的流动并使与天线上方的物体的连接在机械上更加稳定；如图5中那样，除了应答器RFID外，物体又配备有插入在底座中的磁体(4)。单个天线的尺寸、线圈的数量和截面、以及基于所使用的频率和物理学和电子学定律而计算出的电容器和电感器的值取决于电路的设计、所使用的接收器(读取器)、发射功率、以及权威机构所允许的频率RFID。通常但不完全地，使用125KHz、134KHz、13.56MHz、868MHz、2.45GHz的频率。
本地单元的模块化以及具有二极管、电感器和电容器的子系统的模块化允许扩增利用商业材料制成的单个PCB上的本地单元的数量或无限地构成单个元件——本地单元(100.ax.cx)以及子系统(250.ax)和(260.cx)(其中如图4中那样，x假设为1～n之间的值)，直到主要由于RF经由导体的分散导致系统的不稳定状况为止。在大表面和弯曲表面的情况下，需要屏蔽导体。使用这些绕组的另一种方式是将这些绕组直接合并于集成表面中，例如合并到平板电脑或者与透明PCB合并以及与足够薄以使得几乎不可见的导体合并，以不限制下面图像的视觉。
操作：参照图1，在可能连接至远程服务器的计算机(500)中或者在智能手机或平板电脑(600)中执行的管理软件使用技术上可用的协议(通常但不完全是Usb、Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Lo-Ra、Thread、Optical)、经由电导体或经由射频来在通信接口(400)上发送代码，其中通信接口(400)将代码发送至微控制器(300)。
例如，在模块化本地单元(100.an.cn)的连接中，微控制器(300)使用通信系统(400)所接收到的代码来激活单个模块化本地单元(100.an.cn)的连接电路，升高微控制器(300)的与子系统(250.an)连接的引脚(an)——概括而言为引脚(300.an)、参见图8中非穷尽性地突出显示的微控制器(300)的引脚——的电势(电压)，并且使微控制器(300)的与系统(1000)的上分支的子系统(260.cn)连接的引脚(300.cn)的电势为0。
因此，如图3中那样，在用于将引脚(300.an)连接至子系统(250.an)中所包含的电感器(250.an.b)的导体中，PD(电势差)允许直流电流(DC)流动(通常但不完全是在10～20mA之间)穿过二极管(250.an.c)并使二极管饱和。DC在导体上流动——在导体很长的情况下穿过串联添加的任何二极管——直到其找到属于本地单元(100.an.cn)的二极管(103.an.cn)为止。由于属于其它本地单元的其它二极管不经受电势差，因此DC不穿过这些二极管。
电流DC连续地流动——因为二极管(103.an.cn)、天线(101.an.cn)、后续二极管(104.an.cn)彼此串联连接——涌到导体和子系统(260.cn)上，使先前穿过的二极管以及串联的二极管(260.cn.c)饱和，最终穿过电感器(260.cn.b)以涌到连接至引脚(300.cn)的电路上，其中微控制器(300)使引脚(300.cn)的电势保持为0。
二极管保持饱和直到DC穿过这些二极管并且这些二极管以非常低的电阻抵制天线(101.an.cn)(其并联有电容器(102.an.cn)，从而以RF的频率谐振)中可能的RF的通过，并在一侧连接至子系统(250.an)的电容器(250.an.a)且在另一侧连接至子系统(260.cn)的电容器(260.cn.a)从而以RF涌到如图1中的开关RF(50)的端子(50.1)和(50.2)上。如果属于微控制器电路的平凡(trivial)矩阵的接近传感器(3)识别出平板电脑或智能手机的存在，则向用于通过开关(50)将天线连接至该电路(60)的微控制器(300)发送信号，如果未识别出平板电脑或智能手机的存在，则接近传感器(3)连接如图2中的至少接收器读写器RFID(51)(如果存在的话)。
通过天线(60)来自接收器读写器RFID(51)或来自外部的输入RF自点(50.1)(如图2)通过电容器(250.an.a)(参见图3)，但是由于被电感器(射频扼流圈)(250.an.b)大量锁住，因此输入RF被迫穿过由于DC而保持在饱和区的二极管(250.an.c)、串联的任何其它二极管、二极管(103.an.cn)、以及相同的天线(101.an.cn)，其中该天线(101.an.cn)因此可以产生感应或电磁场。然后，RF通过二极管(104.an.cn)(与其它二极管相同，仍处于饱和区)，通过导体并且穿过二极管(260.cn.c)，并且由于不能大量穿过电感器(射频扼流圈)(260.cn.b)因而通过电容器(260.cn.a)并涌向图2的开关RF(50)的端子(50.2)、然后涌到所选择的接收器(读取器)(51)或天线(60)上。
通过天线(101.an.cn)的射频电信号将包含到图5的物体(1)(放置在天线附近)中并且具有诸如(10.1)或(10.2)或其它形式等的常见形式的可能标签(10)基于读取器的频率置于感应或电磁连接中；激活该标签，并且从同一天线(101.an.cn)接收所包含的数据并将其与RF一起发送至端子(50.1)和(50.2)、然后通过天线(60)发送至平板电脑或智能手机或者发送至系统中所驻留的应答器RFID(51)的接收器(读取器)读写器。经接收器(读取器)RFID(51)解码的数据通过如图2中的(有线的、光的或射频的)通信接口(400)而被发送至计算机(500)或者还被发送至与天线(60)连接的平板电脑或智能手机用于处理所接收到的信息。
BIAS电流的施加也可以单独用于例如图6的模块化本地单元(110.an.cn)中的各个模块化本地单元或者如图7中的每个模块化本地单元(120.an.cn)，其中二极管被反串联地放置在天线的端子上的第n个本地单元被突出显示。
为了通过延迟的方式发送所获取的数据以及相对的空间和时间参考，利用众所周知的手段来记忆这些数据和参考是有用的。
将如图1中的系统(1000)与多个相似类型的系统进行关联以使得能够实现地理上分布在由至少一个远程处理站动态探测的地理区域内并在该地理区域内实时操作的系统网络也是有用的，其中该系统网络利用众所周知的手段配置成通过相对于所述系统中的各系统甚至是实时地接收和发送数据来与所述系统进行通信。
系统网络的这种配置还允许护理者、父母和专业人员对游戏和学习建议进行本地监督。
附图说明
图1–其示出本发明的应用的示例
图2–其报告本发明的应用的另一示例
图3–其报告具有直流电源的本地单元的矩阵中的结构
图4–其报告采用模块化格式的结构的再声明
图5–其报告具有标签RFID的物体的示例以及标签RFID的示例
图6–其报告具有反串联的二极管的各本地单元的直流电源的示例
图7–其报告具有反串联的二极管的各本地单元的直流电源的示例
图8–其报告具有直流电流的输入和输出的微控制器的示例
益处：本发明的创新允许在利用多种多维几何形式模块化天线的矩阵或系列的构造方面的显著改进和成本高效益，以及允许娱乐、教育学术以及通信领域的新工作模式。这种创新是显著的，因为其甚至促进了与未受过教育的儿童和任何年龄的残疾人的交互。

Claims (4)

1.一种基于多个多维几何形式的电子可组合模块化系统，其利用众所周知的技术手段组装而成以在多维空间中定位多个应答器RFID的位置并且读取和写入所包括的信息，
所述系统的特征在于：
-多个可组合模块化本地单元，其具有电容器以及天线，所述天线主要但不完全采用螺旋形式并且由导电材料制成，所述电容器和所述天线串联连接至所述天线的各端子所用的多个二极管以允许最终施加的直流电流的通过；
-多个可组合模块化子系统，其具有电感器、二极管和电容器，所述电感器、二极管和电容器连接至所述可组合模块化本地单元并且连接至至少微控制器，以通过BIAS直流电流向任何模块化本地单元供给电力；
-所述系统内部的至少辐射天线，其串联连接至该天线的各端子所用的多个二极管，并且连接至所述可组合模块化子系统，所述辐射天线使任意的各可组合模块化本地单元与所述系统外部的定位在该天线附近的应答器RFID的至少读写器接收器进行通信，
-电源，其具有众所周知的组件；
-至少计算机，以运行软件、供给电力、发送并接收信息和命令；
-至少通信子系统，其利用众所周知的技术手段组装而成以发送并接收信息和命令；
-至少微控制器，以获取并发送与各模块化本地单元的地址坐标有关的信息，从而管理地址程序、向所述模块化本地单元供给电力、并对所述通信子系统从应答器RFID的所述读写器接收器接收到的信息进行管理；
-至少磁性组件，其包含于所述模块化本地单元中；
-多个物体，其各自包含至少应答器RFID和磁性组件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征还在于，串联至所述模块化本地单元的天线的至少二极管，所述二极管具有发光半导体(通常但不完全是LED二极管)。
3.根据权利要求1和2所述的系统，其特征还在于，连接至所述通信子系统的应答器RFID的读写器接收器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征还在于，包括各模块化本地单元附近的多个接近传感器的子系统，该子系统连接至另一最终微控制器，所述最终微控制器又连接至所述通信子系统。
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