CN111144150B - 基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架及级联装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种能够实现图书的快速无感借还，且通行范围内多本图书全方位无盲区读取的基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架及级联装置和方法；其特征在于射频天线中的天线线圈采用双圈驱动天线模组，所述双圈驱动天线模组包括两组上下分布的矩形线圈，两组矩形线圈部分重叠，每组矩形线圈均包括两个矩形线圈，分别记为内圈线圈和外圈线圈，其中内圈线圈和外圈线圈同心设置，内圈线圈与外圈线圈的横向间距记为D0，内圈线圈与外圈线圈的纵向间距记为L0，外圈线圈的宽度记为D1，外圈线圈的高度记为L，上下两组矩形线圈的重叠高度记为L2。

Description

基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架及级联装置和方法

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图书的快速无感借还，且通行范围内多本图书全方位无盲区读取的基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架及级联装置和方法。

背景技术：

在图书馆领域，绝大多数图书馆已采用采取RFID方案进行图书的借还与盘点。其中图书的借还操作还采用传统的借还书机，需要读者拿着图书去自助借还书机刷卡进行借还操作，读者的借还体验较差。基于奇偶同步技术的无感借还书通道装置能够实现，图书在进出图书馆的时候自动借还操作，省时省力，智能化体验更好。该通道装置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，控制检卡范围的天线模组，人像识别模组，进行数据处理传输的主控板，阻碍报警人员通行的闸机模组。

无感借还书通道在工作时，读者携带已借阅的图书从无感借还书通道通过，读写器和天线模组产生的均匀磁场会把各个方向通过的图书标签信息检测到，配合人像识别软件检测到的进出信息，实现图书的自动归还，通过通道后读者直接把图书放入旁边的还书箱即完成图书的归还操作，整个流程无需读者进行任何操作。当读者需要借阅图书时，只需携带图书从通道中离开图书馆即可，在该过程中读写器和天线模组会自动检测携带的图书标签信息，同时人像识别模块会自动采集离开人员信息，通过后台软件实现图书的自动借阅。

图书馆目前常采用的方案是自助借还书机和图书防盗门，两个产品配合实现图书的借还和防盗，整体成本较高，现场不宜施工，后期维护设备较多。读者需要借书时需要携带图书前往自助借还书机把图书放到借阅台，手动点击借阅功能再刷卡完成图书的借还操作，再携带图书通过图书防盗门，整个过程需要3分钟以上；对于个别不熟悉图书馆的读者需要找借还书机和学习操作流程等花费更长的时间进行借书操作。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够实现图书的快速无感借还，且通行范围内多本图书全方位无盲区读取的基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架及级联装置和方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架，通道支架上设有RFID读写器和射频天线，其特征在于射频天线中的天线线圈采用双圈驱动天线模组，所述双圈驱动天线模组包括两组上下分布的矩形线圈，两组矩形线圈部分重叠，每组矩形线圈均包括两个矩形线圈，分别记为内圈线圈和外圈线圈，其中内圈线圈和外圈线圈同心设置，内圈线圈与外圈线圈的横向间距记为D0，内圈线圈与外圈线圈的纵向间距记为L0，外圈线圈的宽度记为D1，外圈线圈的高度记为L，上下两组矩形线圈的重叠高度记为L2，上侧矩形线圈组的非重叠高度记为L1，下侧矩形线圈组的非重叠高度记为L3，则L＝L1+L2＝L2+L3；且(L1+L2)/D1≤1.8，L1/L2≥2.8。

本发明所述双圈驱动天线模组中的每个矩形线圈均由多层多股屏蔽线直戳而成，优选采用四层多股屏蔽线编织，每层屏蔽线股数分别记为N1、N2、N3、N4，由外至内各层股数关系为N4＝N3，N2＝N1，N3＝N2+M，M＝(N1+N2+N3+N4)/20。

本发明所述通道支架上还设有与射频读写器相连的控制器，并设有分别与射频读写器、控制器相连的网络通信电路，所述控制器可以采用安卓系统的主控模块；进一步，还可以在通道支架上设置与控制器相连的人像识别模块或闸机控制模块。

本发明所述闸机控制模块用于提供闸机控制信号至闸机端，采用现有技术实现，此不赘述。

本发明还提供了一种基于奇偶同步技术的无感借还书级联通道装置，其特征在于设有至少两个以上的通道支架，所述通道支架采用上述结构；两个以上的通道支架中仅有一个作为主机，其余通道支架作为从机工作。

本发明还提出了一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道方法，其特征在于利用上述基于奇偶同步技术的无感借还书级联通道装置执行以下步骤：

步骤1：系统上电，控制器判断当前通道支架ID的奇偶性，若ID为奇数则初始化为奇数类设备，若ID为偶数则初始化为偶数类设备，同时同步GPIO总线电平全部拉高，进入步骤2；

步骤2：控制器读取FLASH中主从机参数，确认设备工作模式；若为主机则将设备初始化为主机模式，否则将设备初始化为从机模式，整个级联系统有且仅有一台主机；

步骤3：从机待机，主机控制器通过GPIO转485差分发送同步信号，首先发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机设备收到后与主机同步打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令后进入步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤4：初始化本轮检测次数记录为S，进入步骤5；

步骤5：判断标签检测是否成功，其中若标签检测成功，发送标签置静止指令，发送完成后检测次数更新为S＝S+1，若S<14，继续发送清点命令,返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

若标签检测失败，判断磁场中此时是否还存在标签，若失败是由于冲突导致，则检测次数更新为S＝S+1，若S<14，继续发送清点命令,返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；若失败是由于磁场中没有标签或标签已全部检测完成，则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

步骤6：检测完成后，主机判断此时奇偶设备工作状态，天线、相位位置：

若处于奇数设备上天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备上天线180°相位，则进入步骤8；

若处于奇数设备下天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备下天线180°相位，则进入步骤9；

若处于偶数设备上天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备上天线180°相位，则进入步骤11；

若处于偶数设备下天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备下天线180°相位，则进入步骤3；

步骤7：从机待机，主机发送低电平持续时间为T2的奇数相位切换信号，奇数类从机收到后与主机同步切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤8：从机待机，主机发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机收到后与主机同步打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤9：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4，奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤10：从机待机，主机发送低电平持续时间为T4的偶数相位切换信号，偶数类从机收到后切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤11：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6。

本发明与现有技术相比，采用新型双圈多层驱动天线模组可以有效解决磁场发射效率低和磁场分布不均匀问题；配合新型大功率读写器可以实现整个通道范围内磁场的三维覆盖，图书无论任何方向通过通道均可被检测到，有效解决图书漏检问题；此外提出了奇偶同步技术，从而协调多通道、各天线快速同步工作，提供充足的标签检测时间，有效提高检测成功率；在实际应用过程中，多本图书通过通道可以无需停顿就被全部检测，相对于传统检测技术，检测效率提升50％，检卡速度提升一倍；除此之外，利用本发明的通道装置可以实现借阅图书无需人工操作，整个过程全自动借还：人像识别模块提前进行人像信息的采集，读者携带图书进入通道会自动进行图书信息和读者的绑定，实现快速借还，无需人工操作，传统借还书操作需要五分钟时间，无感借还书通道借还书操作只需5S；并且杜绝了非法人员无法携带未借图书通行：在借还书过程中遇到非法人员携带未借图书时，图书检测模组可以迅速检测到未借图书，产生报警命令会传送给闸机模块自动控制摆闸关闭通行通道，同时抓拍非法人员携带图书通过照片和视频，防止图书的丢失。

附图说明：

附图1是本发明中双支架单通道实施方式的结构示意图。

附图2是本发明中双支架单通道实施方式下双圈驱动天线模组示意图。附图3是本发明实施例3的流程图。

附图标记:奇通道支架中的RFID读写器1、偶通道支架中的RFID读写器2、网络通信模块3、安卓板主控模块4、人像识别模块5、双圈驱动天线模组6、闸机控制模块7、电源模块8。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本发明提出的一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道装置，可以由两个通道支架形成单通道装置，所述装置包括：RFID读写器(奇)1、RFID读写器(偶)2、网络通信模块3、安卓板主控模块4、人像识别模块5、双圈驱动天线模组6、闸机控制模块7、电源模块8；所述双圈驱动天线模组采用两组上下分布的矩形双圈线框组成，并列摆放的奇偶天线通过RFID读写器控制奇偶同步工作，在两天线阵列中间形成一个均匀分布的磁场，实现标签的三维检测快速读取。

所述RFID读写器(奇)1，输入端与电源模块相连，通过DEMO设置为主机1号，该读写器控制本组通道的各读写器协调工作，发送奇偶同步信号，以及声光报警信息等；其自身还具有发出射频信号、接收标签返回信息、以及与网络通信模块通信等功能。

所述RFID读写器(偶)2，输入端与RFID读写器(奇)1相连，通过DEMO设置为从机2号，作为偶数通道支架，其接收到主机发送的奇偶同步信号后配合主机完成天线切换和标签检测工作，标签检测完成后与网络通信模块通信传送标签信息等。

所述网络通信模块3，输入端与电源模块相连，输出端分别与RFID读写器模块、安卓板主控模块、闸机控制模块相连，协调各模块之间的通信和数据传输。

所述安卓板主控模块4，运行无感借还书通道软件，接收人脸识别模块输入人像信息和RFID读写器的标签检测信息，进行图书的归还和借阅操作，判断出违反借书规则的图书后发送报警命令，闸机控制模块进行关闭通道动作和控制RFID读写器进行声光报警操作。

所述人像识别模块5，输入端接电源模块，输出端安卓板主控模块，采集进出无感借还书通道的人员人像信息和进出方向，根据进出方向判断借书还是还书绑定人像后传送给安卓板主控模块。

所述双圈驱动天线模组6，输入接口连接RFID读写器射频输出接口，根据控制信号把读写器输出的射频信号发送到一定的空间范围内。

所述闸机控制模组7，其输入接口连接网络通信模块，根据指令进行摆闸的闭合操作，防止非法图书通过通道。

所述电源模块8，其主要作用是把220V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。

实施例2：

如图2所示，所述双圈驱动天线模组采用两组上下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标签的检测，两个天线在水平方向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，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，磁场强度相对于单圈天线提升一倍。由于天线的形状为矩形所以磁场在线框中间存在一个不同方向的盲区，为消除盲区需要按照一定比例间距布置天线阵列。鉴于以上情况，本发明中天线模组采用两组按照特定比例重叠的矩形双圈天线组成。

所述双圈天线，是每个矩形天线采用两个特定比例并联矩形框线圈作为天线，两个线圈同时工作把射频信号发射到天线周围形成磁场，两个完全相同的线圈形成磁场强度增加一倍，保证检卡距离足够远。

所述特定比例并联矩形框，是上下两个矩形天线按照以下比例设计：(L1+L2)/D1≤1.8，L1＝L3，L1/L2≥2.8。此时天线能最大程度向空间发送电磁场，且上下天线之间的磁场盲区会最大程度被消除，有效解决漏检和检卡盲区问题。

所述矩形框线圈：该线圈采用特殊研制多层多股屏蔽线制作而成，解决传统同轴线磁场发射效率低和空间分布不均匀问题，采用该线圈可以使磁场发射效率提升20％，同样发射功率射频信号空间磁场强度提升50％。

所述多层多股屏蔽线：每层采用N1+N2+N3+N4编纯铜丝编织而成，各层之间关系如下：N4＝N3、N2＝N1，N3＝N2+M，M＝(N1+N2+N3+N4)/20。

实施例3：

如图三所示下面是本发明奇偶同步机制总体流程图的运行步骤:

步骤1：系统上电，CPU读取设备ID，判断设备ID的奇偶性，若ID为奇数则初始化为奇数类设备，若ID为偶数则初始化为偶数类设备，同时同步GPIO总线电平全部拉高，进入步骤2；

步骤2：读取FLASH中主从机参数，确认设备工作模式。若主从机参数为主机则将设备初始化为主机模式，否则将设备初始化为从机模式，整个级联系统有且仅有一台主机。进入步骤3；

步骤3：从机待机，主机CPU通过GPIO转485差分发送同步信号，首先发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机设备收到后与主机同步打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，进入步骤4。偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤4：初始化本轮检测次数记录为S(S初始默认为1)，进入步骤5；

步骤5：

1、若标签检测成功，发送标签置静止指令，发送完成后检测次数更新为S＝S+1，若S<14，继续发送清点命令,返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

2、若标签检测失败，判断磁场中此时是否还存在标签，若失败是由于冲突导致，则检测次数更新为S＝S+1，若S<14，继续发送清点命令,返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6。若失败是由于磁场中没有标签或标签已全部检测完成，则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

步骤6：检测完成后，主机判断此时奇偶设备工作状态，天线、相位位置：

若处于奇数设备上天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备上天线180°相位，则进入步骤8；

若处于奇数设备下天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备下天线180°相位，则进入步骤9；

若处于偶数设备上天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备上天线180°相位，则进入步骤11；

若处于偶数设备下天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备下天线180°相位，则进入步骤3；

步骤7：从机待机，主机发送低电平持续时间为T2的奇数相位切换信号，奇数类从机收到后与主机同步切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4。偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤8：从机待机，主机发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机收到后与主机同步打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4。偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤9：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4。奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤10：从机待机，主机发送低电平持续时间为T4的偶数相位切换信号，偶数类从机收到后切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4。奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤11：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4。奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6。

按照上述步骤进行程序优化后，检卡效率可以提升50％，检卡速度增加一倍。相较全主机型防盗门而言，该方式由一个带读写器的主片带动两片从片防盗门工作，成本较低。且无论级联多少片设备，奇偶同步方式的工作周期为两轮检测，而全主机型防盗门需一片片分时工作，效率低下，级联过多会有漏检的风险。且单片独立检测的工作模式没有相位切换，无法有效产生磁场叠加，三维检测能力较弱；而比较传统主-从型防盗门，其检测机制仅是同时开启磁场的简单同步，同步信号单一，没有针对每轮检测的每条指令进行同步处理。所述无感借还通道装置除磁场同时开启外，发送的射频命令每一条均为同发同收，最大程度的降低了相邻设备之间的信号干扰。

Claims (5)

1.一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架，其中通道支架上设有RFID读写器和射频天线，其特征在于射频天线中的天线线圈采用双圈驱动天线模组，所述双圈驱动天线模组包括两组上下分布的矩形线圈，两组矩形线圈部分重叠，每组矩形线圈均包括两个矩形线圈，分别记为内圈线圈和外圈线圈，其中内圈线圈和外圈线圈同心设置，内圈线圈与外圈线圈的横向间距记为D0，内圈线圈与外圈线圈的纵向间距记为L0，外圈线圈的宽度记为D1，外圈线圈的高度记为L，上下两组矩形线圈的重叠高度记为L2，上侧矩形线圈组的非重叠高度记为L1，下侧矩形线圈组的非重叠高度记为L3，则L=L1+L2=L2+L3；且（L1+L2）/D1≤1.8，L1/L2≥2.8；

所述双圈驱动天线模组中的每个矩形线圈均由多层多股屏蔽线直戳而成，采用四层多股屏蔽线编织，每层屏蔽线股数分别记为N1、N2、N3、N4，由外至内各层股数关系为N4=N3，N2=N1，N3=N2+M，M=（N1+N2+N3+N4）/20。

2.根据权利要求1所述的一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架，其特征在于所述通道支架上还设有与射频读写器相连的控制器，并设有分别与射频读写器、控制器相连的网络通信电路，所述控制器采用安卓系统的主控模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架，其特征在于在通道支架上设置与控制器相连的人像识别模块和闸机控制模块。

4.一种基于奇偶同步技术的无感借还书级联通道装置，其特征在于设有至少两个以上的通道支架，所述通道支架采用如权利要求1-3中任意一项所述基于奇偶同步技术的无感借还书通道支架；两个以上的通道支架中仅有一个作为主机，其余通道支架作为从机工作。

5.一种基于奇偶同步技术的无感借还书通道方法，其特征在于利用如权利要求4所述的基于奇偶同步技术的无感借还书级联通道装置，执行以下步骤：

步骤1：系统上电，控制器判断当前通道支架ID的奇偶性，若ID为奇数则初始化为奇数类设备，若ID为偶数则初始化为偶数类设备，同时同步GPIO总线电平全部拉高，进入步骤2；

步骤2：控制器读取FLASH中主从机参数，确认设备工作模式；若为主机则将设备初始化为主机模式，否则将设备初始化为从机模式，整个级联系统有且仅有一台主机；

步骤3：从机待机，主机控制器通过GPIO转485差分发送同步信号，首先发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机设备收到后与主机同步打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令后进入步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤4：初始化本轮检测次数记录为S，进入步骤5；

步骤5：判断标签检测是否成功，其中若标签检测成功，发送标签置静止指令，发送完成后检测次数更新为S =S+1，若S<14，继续发送清点命令,返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

若标签检测失败，判断磁场中此时是否还存在标签，若失败是由于冲突导致，则检测次数更新为S = S+1，若S<14，继续发送清点命令, 返回步骤5，否则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；若失败是由于磁场中没有标签或标签已全部检测完成，则关闭磁场进入待机状态，进入步骤6；

步骤6：检测完成后，主机判断此时奇偶设备工作状态，天线、相位位置：

若处于奇数设备上天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备上天线180°相位，则进入步骤8；

若处于奇数设备下天线0°相位，则进入步骤7；

若处于奇数设备下天线180°相位，则进入步骤9；

若处于偶数设备上天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备上天线180°相位，则进入步骤11；

若处于偶数设备下天线0°相位，则进入步骤10；

若处于偶数设备下天线180°相位，则进入步骤3；

步骤7：从机待机，主机发送低电平持续时间为T2的奇数相位切换信号，奇数类从机收到后与主机同步切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤8：从机待机，主机发送低电平持续时间为T1的奇数天线切换信号，奇数类从机收到后与主机同步打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；偶数类设备仍将处于待机状态；

步骤9：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开上天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4，奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤10：从机待机，主机发送低电平持续时间为T4的偶数相位切换信号，偶数类从机收到后切换至180°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6；

步骤11：从机待机，主机发送低电平持续时间为T3的偶数天线切换信号，偶数类从机收到后打开下天线并切换至0°相位，打开磁场，发送标签检测指令，返回步骤4；奇数类设备仍将处于待机状态，主机为奇数类设备，将开始计时N(ms)后，返回步骤6。

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