CN110543792A - 一种射频识别定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及识别定位领域，具体涉及一种射频识别定位系统。包括本发明所述主控单元通过数据总线和若干个开关网络控制板连接，通过通信线缆与所述射频识别读写模块连接，实时接收所述主控单元控制指令，所述若干个开关网络控制板通过若干根射频线缆和若干个天线阵元相连；所述第一电源模块通过若干根电源线给所述射频识别读写模块、所述主控单元和若干个开关网络控制板供电。该识别定位系统可给管理系统提供待识别物品的实时数据，为精心化调度和科学决策提供了强大的技术手段；降低劳动强度和人力数量，而且扩展性好、功耗低和性价比高，适合快速普及应用，给公众的日常生活带来便利。
Description
技术领域
本发明涉及识别定位领域，具体涉及一种射频识别定位系统。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种广泛应用于物品标识、跟综和管理的信息技术。该技术利用射频能量在空间传播实现无接触式的信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标。目前市面上能找到RFID产品，工作频段涵盖以下频段：LF，HF，VHF，UHF(Ultra High Frequency，超高频)以及微波频段。
如同温度、密度一样，位置信息是物品的最基础信息。大到星际定位，小到原子分子定位；位置信息构成了众多管理系统的关键要素。快速而准确的获取物品的状态和位置信息具有重大的应用价值。
现有射频识别定位系统通常指定位到房间，层，架来缩小查找范围，不能做到精确定位,另一方面，现有定位系统是通过大量增加读写器和天线数量的方式来实现，具有成本高、能耗高，施工安装工作量大等缺点，给大面积推广带来了困难。
发明内容
针对以上定位精度差，成本高、能耗高、不便于施工等问题，本发明提供一种射频识别定位系统，用天线阵列将待识别区域划分成若干个小区域，每个天线阵元只能读取到1-2个小区域内的电子标签。天线阵列由主控芯片控制的二维馈电网络来馈电，主控芯片通过切换射频识别读写模块端口和对应的开关网络控制板来选取某一阵元来读取电子标签。电子标签被读取时的阵元位置即指示标签的位置，从而获得待识别物品的精确位置。
本发明具体通过以下技术方案实现，包括：主控单元、第一电源模块、射频识别读写模块、若干个开关网络控制板和若干个天线阵元；
所述主控单元通过数据总线和若干个开关网络控制板连接，所述射频识别读写模块通过通信线缆与主控单元连接，实时接收所述主控单元控制指令；
所述第一电源模块通过若干根电源线给所述射频识别读写模块、所述主控单元和若干个开关网络控制板供电；
所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，所述若干个射频输出端口通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接，所述若干个天线阵元通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接。
进一步地，所述若干个天线阵元设置在若干个天线阵元板上。
进一步地，所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，每个输出端口有且只有通过一根射频线缆与一个开关网络控制板的射频输入口相连；
所述输出端口数目大于或等于所述开关网络控制板的数目。
进一步地，所述若干个开关网络控制板都设有唯一的总线地址，用于所述主控单元通过不同的地址来控制和访问相应的开关网络控制板。
进一步地，所述若干个开关网络控制板设有主控芯片、通讯接口、第二电源模块、射频输入端口、若干个射频输出端口和若干个射频开关；
所述主控芯片通过通讯接口与上位机相连,同时所述第二电源模块也借用通讯接口的空闲引线与外部供电模块相连；所述射频输入端口通过所述若干个射频开关与所述若干个射频输出端口连接。
进一步地，所述主控芯片根据所述主控单元的指令切换开关网络控制板上所述的若干个射频开关，定位查询是有且只有一个开关处于导通状态；
所述主控芯片采用8位或16位单片机。
进一步地，所述若干个天线阵元构成一个二维矩阵，工作频段为UHF频段。
进一步地，所述主控单元采用32位嵌入式处理器，所运行的操作系统为32位Linux操作系统。
进一步地，所述射频识别读写模块采用5V供电，所述主控单元采用3.3V供电，所述若干个开关网络控制板采用12V供电。
进一步地，若干个开关网络控制板供电的电源线和数据总线设有拓扑接口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述主控单元通过数据总线和若干个开关网络控制板连接，通过通信线缆与所述射频识别读写模块连接，实时接收所述主控单元控制指令，所述若干个开关网络控制板通过若干根射频线缆和若干个天线阵元相连；所述第一电源模块通过若干根电源线给所述射频识别读写模块、所述主控单元和若干个开关网络控制板供电。
该识别定位系统可广泛应用于物品定位管理，给管理系统提供待识别物品的实时数据，为精心化调度和科学决策提供了强大的技术手段；另一方面该系统能将管理人员从频繁又枯燥的盘点工作中解放处来，降低劳动强度和人力数量。而且本发明定位系统扩展性好、功耗低和性价比高，适合快速普及应用，给公众的日常生活带来便利。
另外，本发明所描述的一种定位系统，可适用于各种频段，只需将天线阵元换成相应频段的天线即可。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种射频识别定位系统实施例的系统架构示意图；
图2为本发明一种射频识别定位系统实施例的开关网络控制板原理示意图；
图3为本发明一种射频识别定位系统另一实施例的系统架构示意图；
附图标记说明：
天线阵元-A；射频线缆-C；射频识别读写模块-RM；主控单元-M；第一电源模块-M2；第二电源模块-M4；电源连接线-PS；主控芯片和开关网络控制板间通信总线-CB；主控芯片和读写模块间通信接口-CP；主控芯片-M3；射频输入端口-R1；电源及通信共用接口-CON；射频输出口-P；射频开关-S；开关网络控制板-B；电源和总线合路器-E；电源和总线共用传输线-D；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为便于更好的理解本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供的一种射频识别定位系统，包括主控单元、第一电源模块、射频识别读写模块、若干个开关网络控制板和若干个天线阵元；
所述主控单元通过数据总线和若干个开关网络控制板连接，所述射频识别读写模块通过通信线缆与主控单元连接，实时接收所述主控单元控制指令，所述若干个开关网络控制板和若干个天线阵元；
所述第一电源模块通过若干根电源线给所述射频识别读写模块、所述主控单元和若干个开关网络控制板供电；
所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，所述若干个射频输出端口通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接，所述若干个天线阵元通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接。
所述若干个天线阵元设置在若干个天线阵元板上。
所述天线阵元可以根据实际应用环境灵活放置在待识别区域内，并非一定要按图示规则二维矩阵放置。本发明只是从系统架构和功能上做出了描述，具体实施例可以灵活变化；对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，而简单改变阵列数目或排列方式的获得的实施例都在本发明保护范围内。
所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，每个输出端口有且只有通过一根射频线缆与一个开关网络控制板的射频输入口相连；
所述输出端口数目大于或等于所述开关网络控制板的数目。
所述若干个开关网络控制板都设有唯一的总线地址，用于所述主控单元通过不同的地址来控制和访问相应的开关网络控制板。
具体地，一种射频识别定位系统，包括若干个开关网络控制板和射频识别读写模块，控制若干个开关控制板和射频识别读写模块时隙工作的主控单元，以及给若干开关网络控制板、射频识别读写模块和主控单元供电的第一电源模块。所述每个开关网络控制板又与若干个天线阵元连接，所述射频识别读写模块具有若干个输出端口，且端口数目大于或等于开关网络控制板的数目。所述每个开关网络控制板通过射频线缆与射频识别读写模块的某一输出端口相连。
所述主控单元首先控制射频识别读写模块选择其中的一个射频输出端口作为当前工作端口，然后控制与射频识别读写模块当前工作端口相连的开关网络控制板，通知其进行天线端口的切换，如此往复完成所有天线阵元的切换。
所述天线阵元具有良好的场覆盖特性，在一定发射功率等级下，确保工作区域内的电子标签只能被1-2个天线阵元所读取，从而实现定位的精确性和唯一性。
所述射频识别读写模块通过串口或其他通信口方式与主控单元相连，并接收主控单元指令进行标签数据读写操作，然后把相关数据上报给主控单元。所述主控单元通过总线方式与若干个开关控制网络板相连，每个开关网络控制板都具有唯一的总线地址，主控单元通过不同的地址来控制和访问某一特定开关网络控制板。所述数据总线方式可以为485总线、I2C总线、CAN总线、韦根总线或其他总线。
也就是说，所述射频识别读写模块通过电源线由第一电源模块供电；所述射频识别读写模块通过通信线缆与主控单元进行通信，受其控制并进行数据交换。
所述主控单元一方面通过通信线缆与射频识别读写模块通信，又一方面通过数据总线与若干个开关网络控制板进行通信，每个开关网络控制板具有唯一的地址，再一方面所述主控单元通过网口、串口或USB口与上位机进行通讯。
所述主控单元通过RS232、USB或网络与上位机通信。所述第一电源模块为整个定位系统的电力。根据需求电压值的不同该第一电源模块分成三路分别给射频识别读写模块、主控单元和若干个开关网络控制板供电。所述第一电源模块输入端接交流市电。
较佳地，所述主控单元通过串口与射频识别读写模块进行通信，这样能获得较高的通信速率和可靠性。
所述主控单元通过485总线与若干个开关网络控制板相连，主控单元和开关网络控制板上的电平转换电路未呈现，本发明只是系统原理上进行说明，具体实现细节有所省略。
所述主控单元通过RS232或网络与上位机进行通讯。
所述射频识别读写模块要完成通信和RFID收发功能。其中通信功能是指射频识别读写模块需要与主控单元进行通信；RFID收发功能是指与标签进行无线通信所需的编码解码，调制解调，功率放大，收发协同，端口控制等。该模块可以采用分立元器件搭建，也可以采用集成芯片方案。
所述若干个开关网络控制板设有主控芯片、通讯接口、第二电源模块、射频输入端口、若干个射频输出端口和若干个射频开关；
所述主控芯片通过通讯接口与上位机相连,同时所述第二电源模块也借用通讯接口的空闲引线与外部供电模块相连；所述射频输入端口通过所述若干个射频开关与所述若干个射频输出端口连接。
所述主控芯片根据所述主控单元的指令切换开关网络控制板上所述的若干个射频开关，定位查询是有且只有一个开关处于导通状态；
具体地，所述每块开关网络控制板上各有一个主控芯片、一个第二电源模块、一个射频输入端口和一个电源和通信共用接口；所述每块开关网络控制板上有若干个射频输出口及若干个射频开关；所述若干个射频开关的通断受主控芯片控制，定位查询是有且只有一个开关处于导通状态，这样从输入口输入的射频信号只能从某一特定端口输出。所述若干个射频输出口与若干个天线阵元相连。
也就是说，所述电源和通信共用电缆可以采用常规的串口线，网线或USB线来实现。为提高抗干扰性，优选网线并采用RJ45接头，大大方便了物料采购和现场施工，并且具有较低的组网成本。
所述开关网络控制板靠近天线阵元放置，这样有利于减少系统安装时所需的射频线缆长度，降低组网成本。
所述主控芯片采用8位或16位单片机。具体地，所述若干个开关网络控制板上的主控芯片只是进行简单的通信和低速率的开关切换，为降低系统成本该主控芯片采用低成本的8位或16位单片机。
所述若干个天线阵元构成一个二维矩阵，工作频段为UHF频段。具体地，所述天线阵元工作在UHF频段，实现方式可以是贴片天线，偶极子天线，PIFA天线等。
较佳地，所述UHF射频识别读写模块采用业界领先的Impinj公司R2000方案，以期实现高性能和高可靠性。
所述主控单元采用32位嵌入式处理器，所运行的操作系统为32位Linux操作系统。
具体地，所述主控单元作为系统的控制核心，需要同时进行多通道通信和大数据处理。该主控单元采用高性能的32位嵌入式处理器，并且运行32位Linux操作系统。
所述射频识别读写模块采用5V供电，所述主控单元采用3.3V供电，所述若干个开关网络控制板采用12V供电。
若干个开关网络控制板供电的电源线和数据总线设有拓扑接口。也就是说，若干个开关网络控制板供电的电源线和数据总线可以通过一个合路器转接在一起，然后采用多根线缆交织在一起组成电源和通信共用电缆，这样有利于系统现场施工和降低成本。
较佳地，根据工程实践的需要，所述开关网络控制板上的主控芯片还可以扩展伺服机构，若指示灯，蜂鸣器等。
如图1所示，为一种射频识别定位系统的一实施例，该系统包括若干个开关网络控制板B1、B2、B3……BM，射频识别读写模块RM，主控单元M1和第一电源模块M2。每个开关网络控制板又有若干个射频输出端，每个输出端与一个天线阵元相连。这些天线阵元A11、A11、A13……A1N，A21、A21、A23……A2N，A31、A31、A33……A3N，……AM1、AM2、AM3……AMN构成一个二维矩阵。
在工程实践中，这些天线阵元把待识别区域划分成M*N个单元，每个天线阵元有且只能读取到其中一个单元内的电子标签。每个开关网络控制板有且只有一个射频输入端，并且各自通过射频线缆C1、C2、C3……CM与射频识别读写模块RM的若干个输出端口一一对应相连。主控单元M1通过通信接口CP控制射频识别读写模块RM，并接收射频识别读写模块反馈的数据。主控单元M1通过通信总线CB来与若干个开关网络控制板进行通信，每块开关网络控制板和主控单元M1各自具有一个唯一的地址，主控单元M1通过地址来识别开关网络控制板B1、B2、B3……BM。开关网络控制板B1、B2、B3……BM通过电源线PS1由第一电源模块M2进行供电，主控单元M1通过电源线PS2由第一电源模块M2进行供电，射频识别读写模块RM通过电源线PS3由第一电源模块M2进行供电。
如图2所示，每块开关网络控制板B1、B2、B3……BM上都有一块主控芯片M3，一个第二电源模块M4，一个电源及通信共用接口CON，一个射频输入端口R1，若干个射频输出端口P1、P2、P3……PN和若干个射频开关S1、S2、S3……S1N。主控芯片M3通过接口CON与系统的主控单元M1进行通信。
本系统在进行定位操作时，主控单元M1通过通信口CP下发指令给射频识别读写模块RM，选取射频识别读写模块某一输出端口作为工作端口；主控单元M1然后通过总线CB下发指令给与射频识别读写模块当前工作端口相连的开关网络控制板，依次切换射频开关S1、S2、S3……S1N来选择射频输出端口P1、P2、P3……PN作为开关网络控制板的当前输出端口，并且在每次切换成功后主控单元M1通知射频识别读写模块RM进行射频识别的读取操作。待当前工作的开关网络控制板各个端口轮询完成后，主控单元M1通知射频识别读写模块RM选取另一输出端口作为工作端口，之后主控单元M1通知与射频识别读写模块RM新的工作端口相连的开关网络控制板，进行网络控制板板上的射频开关切换操作。以此类推，当所有的天线单元A11、A11、A13……A1N，A21、A21、A23……A2N，A31、A31、A33……A3N，……AM1、AM2、AM3……AMN完成射频识别的轮询后，待识别区域的电子标签信息被完全收集上来。标签所处的位置即可有由该标签被读到时的端口信息一一映射出来。
如图3所示，为一种射频识别定位系统的另一实施例，是上一实施例的一个衍生或变体实施例，系统主体部分及工作原理完全一致，相同部分在此不一一复述。不同点在于：图3所示实施例将图1所示实施例主控单元M1的通信总线CB和第一电源模块M2的电源输出线PS1通过合路器E1做到了一起，同时开关网络控制板B1、B2、B3……BM各通过一根电源和总线共用传输线D1、D2、D3……DM与合路器相连。合理器上各个端口同网络的引脚通过星形连线连接在一起。电源和总线共用传输线D1推荐采用常规的串口线或网线，这样方便现场组网施工和成本。
进一步的，所述主控单元M1通过通讯口与上位机或其他控制板进行通讯，多个这样的定位系统可以通过上位机或其他控制板组成一个更大的定位系统。
更进一步的，所述天线阵元具有良好的场覆盖特性，确保位于识别区域内的单个标签只能被离标签最近的1到2个天线阵元读取到，以实现定位的精确性和唯一性。
该识别定位系统可广泛应用于物品定位管理。譬如海量文件档案管理，证件管理，图书管理，药品管理，仓储管理，无人值守物品管理等领域。该定位系统能够给管理系统提供待识别物品的实时数据，为精心化调度和科学决策提供了强大的技术手段；另一方面该系统能将管理人员从频繁又枯燥的盘点工作中解放处来，降低劳动强度和人力数量。
本发明阐述的定位系统具有扩展性好，可方便地组成一个更大的系统覆盖整个图书馆，档案馆，物流仓库等海量标签密集应用场景。同时本系统具有低功耗和高性价比，适合快速普及应用，给公众的日常生活带来便利。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种射频识别定位系统，其特征在于，包括主控单元、第一电源模块、射频识别读写模块、若干个开关网络控制板和若干个天线阵元；
所述主控单元通过数据总线和若干个开关网络控制板连接，所述射频识别读写模块通过通信线缆与主控单元连接，实时接收所述主控单元控制指令；
所述第一电源模块通过若干根电源线给所述射频识别读写模块、所述主控单元和若干个开关网络控制板供电；
所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，所述若干个射频输出端口通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接，所述若干个天线阵元通过若干根射频线缆和若干个开关网络控制板连接。
2.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述若干个天线阵元设置在若干个天线阵元板上。
3.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述射频识别读写模块上设置有若干个射频输出端口，每个输出端口有且只有通过一根射频线缆与一个开关网络控制板的射频输入口相连；
所述输出端口数目大于或等于所述开关网络控制板的数目。
4.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述若干个开关网络控制板都设有唯一的总线地址，用于所述主控单元通过不同的地址来控制和访问相应的开关网络控制板。
5.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述若干个开关网络控制板设有主控芯片、通讯接口、第二电源模块、射频输入端口、若干个射频输出端口和若干个射频开关；
所述主控芯片通过通讯接口与上位机相连,同时所述第二电源模块也借用通讯接口的空闲引线与外部供电模块相连；所述射频输入端口通过所述若干个射频开关与所述若干个射频输出端口连接。
6.根据权利要求5所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述主控芯片根据所述主控单元的指令切换开关网络控制板上所述的若干个射频开关，定位查询是有且只有一个开关处于导通状态；
所述主控芯片采用8位或16位单片机。
7.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述若干个天线阵元构成一个二维矩阵，工作频段为UHF频段。
8.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述主控单元采用32位嵌入式处理器，所运行的操作系统为32位Linux操作系统。
9.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，所述射频识别读写模块采用5V供电，所述主控单元采用3.3V供电，所述若干个开关网络控制板采用12V供电。
10.根据权利要求1所述的一种射频识别定位系统，其特征在于，若干个开关网络控制板供电的电源线和数据总线设有拓扑接口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810530703.3A CN110543792A (zh) | 2018-05-29 | 2018-05-29 | 一种射频识别定位系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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|---|---|
| CN110543792A true CN110543792A (zh) | 2019-12-06 |
Family
ID=68700918
Family Applications (1)
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| CN106874975A (zh) * | 2017-03-07 | 2017-06-20 | 南京理工大学 | 基于高频rfid技术的密集档案管理系统及方法 |
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2018
- 2018-05-29 CN CN201810530703.3A patent/CN110543792A/zh active Pending
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