CN111860712A - 一种基于窄波束天线的rfid通道门及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于窄波束天线的RFID通道门及其工作方法。所述超高频RFID通道门包含窄波束天线，所述窄波束天线包括绝缘介质板、馈电网络、金属底板、同轴线和八个金属辐射阵子；该天线输入端引入后平均功分两路分别进入两个水平距离为1/2波长的阵列，每个阵列由四组互成90°的PIFA辐射阵子组成。该天线能转换出水平波瓣角不大于30°、宽轴比、宽带宽、圆极化的电磁波。所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节；经过所述主门通道和副门通道的RFID电子标签的读取距离范围基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

Description

一种基于窄波束天线的RFID通道门及其工作方法

技术领域

本发明属于智能识别技术领域，尤其涉及一种基于窄波束天线的RFID通道门及其工作方法。

背景技术

无线射频识别技术(radio frequency identifica-tion，RFID)是近年来国际上迅速发展起来的一种非接触式自动识别技术，与传统的条码技术、IC卡和磁条(卡)等自动识别技术相比，由于RFID技术具有更高的自动化程度、更远的识别距离、更大的存储容量和更好的环境适应性，国内外众多科研院所已开始关注和重视RFID的研发工作。

目前市面上应用较为广泛的RFID通道门大都采用声磁及高频RFID技术，超高频RFID技术具有标签识读速度更快、多标签读取能力更快；但是，传统的高频读写器天线与标签的通信采用线圈近场耦合方式，该方式难以实现三维均匀读取标签易导致漏读现象。

中国专利文献CN102568066A公开了一种″应用于进出状态识别的射频识别系统″，其包括至少两台RFID读卡器、和至少两台RFID读卡器相连的处理单元及和处理单元相连的存储单元，至少两台RFID读卡器设置于进口和出口处，并且以彼此间隔一预定距离的方式沿进口或出口的行径路线设置。处理单元根据至少两台RFID读卡器的对同一RFID标签的读取状态以及存储单元中存储的历史记录来判断该RFID标签的携带者的进出状态。该系统中，RFID读卡器通过485接口和处理单元相连，因此多台RFID读卡器需布设多条485线，布设麻烦，布线复杂；处理单元和存储单元由一台PC机实现，需使用多台RFID读卡器，设备多，成本高，且不利于维护。多台RFID读卡器利用读取标签时间差的方式识别标签携带者的进出，这种识别方式在进出通道距离受限的情况下是不适用的；而且在异常逻辑的情况下，根据标签携带者(如学生)是否有不良记录来判断，误判可能性较大，也不适用于物料跟踪等场合

申请号为CN201611043862.8的中国发明专利申请提出一种基于超高频RFID技术的仓储物流门系统，包括RFID标签、RFID读写器、RFID天线、单片机、光电开关、后台服务器及显示屏；所述RFID标签嵌于货箱表面；RFID天线与RFID读写器连接，RFID天线对称设于物流门两侧的竖直门框；所述RFID读写器通过串口连接单片机；所述单片机通过GPIO接口与光电开关连接，所述光电开关设置于RFID天线下方；所述单片机还通过网络连接后台服务器，所述后台服务器连接显示屏；所述显示屏设置于物流门一侧的墙体。本发明能够进行RFID标签的批量扫描，在进出库的同时完成扫描，货物正常通过物流门时，即可实时采集到所有货物的信息，无需停下等待。

但一些实际应用中，超高频RFID通道门面临一个严峻问题，物品还未进入实用报警区域就被误读误报，比如，当图书馆在通道门附近设置图书架时，放置于书架上的书本RFID标签会被通道门的天线误读导致误判。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门及其工作方法。所述超高频RFID通道门包含窄波束天线，所述窄波束天线包括绝缘介质板、馈电网络、金属底板、同轴线和八个金属辐射阵子；该天线输入端引入后平均功分两路分别进入两个水平距离为1/2波长的阵列，每个阵列由四组互成90°的PIFA辐射阵子组成。该天线能转换出水平波瓣角不大于30°、宽轴比、宽带宽、圆极化的电磁波。所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节；经过所述主门通道和副门通道的RFID电子标签的读取距离范围基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

具体来说，本申请的技术方案整体上概括如下：

在本发明的第一个方面，提供一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道均包含一组RFID读写器、两组天线模块、两组红外探头模块、一组电源模块、一组计数显示器、声光报警模块；

作为本发明的第一个创新点，所述超高频RFID通道门的所述天线模块中的至少一个包含窄波束天线，所述窄波束天线包括绝缘介质板、馈电网络、金属底板、同轴线和八个金属辐射阵子；

作为优选，两组天线模块之一使用窄波束天线，另一组使用不同于窄波束天线的其他类型天线。

其中，所述馈电网络设置于绝缘介质板的正面；金属底板设置于绝缘介质板的背面；八个金属辐射阵子平均分成两组，每组阵子为一路单元天线；两组阵子均安装于绝缘介质板的正面；每组沿顺时针或逆时针方向围成一正方形，且与馈电网络连接；

所述电源模块、红外探头模块、计数显示器、声光报警模块均与所述RFID读写器电连接，所述两组天线模块中的第一组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第一射频接口连接，所述两组天线模块中的第一组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第二射频接口连接；

所述两组天线模块按照预设间距上下固定于主门通道和副门通道各自门体的金属板上；

所述两组红外探头模块分别置于主门通道和副门通道两侧，红外探头发出两路红外光线，一旦光线被遮挡红外探头发出触发信号至RFID读写器，RFID读写器根据光线被遮挡的顺序判断人员进出，并更新计数显示器上的人员进出数量及在馆人数；

所述声光报警模块用于提供异常情况下的声光报警信号，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回所述RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

做为体现上述创新的关键技术手段，所述馈电网络具有一个输入端和八个输出端，包括第一级功分电路、第二级电路移相电路；其中，在所述输入端焊接同轴线；所述八个输出端分别与八个金属辐射阵子连接。所述第一级功分电路由第一延长阻抗线与第二四分之一波长阻抗变换线组成；所述第二级电路移相电路包括共面波导线以及两级一分四的功分电路。所述输入端接至所述第一级功分电路后分成两路等幅信号进入所述第二级移相电路后分成八个输出端。

作为进一步的优点，所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道的宽度基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。经过所述主门通道和副门通道的RFID电子标签的读取距离范围基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

在本发明的第二个方面，提供前述具备宽度可调功能的超高频计数通道的工作方法，所述方法包括：

所述两组天线模块依序接收所述RFID读写器的轮询信号；

接收到轮询信号的天线模块处于工作状态，而未接收到轮询信号的天线模块处于非工作状态；

所述RFID读写器通过处于工作状态的天线模块对外辐射电磁波，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

更具体的，在工作中，所述RFID读写器发出的信号A经同轴线进入功分电路分成两路等幅同相信号B后分别输入给组成阵列的两路单元天线；

每一路单元天线内的两级功分及移相电路将信号B分成四路等幅且相位互差45度的信号C；四路信号C分别输入四个金属辐射阵子。

主门同步接口通过连接线与多扇副门同步接口相连，实现对副门的同步及控制，同步接口为RS485形式，主门和每路副门有两个同步接口，每路副门分配一同步地址码，主门与副门每次数据交互时均带有地址码作为副门识别标志，主门可控制副门的独立工作或并联工作，保证各扇门之间互不干扰，同时主门可汇总副门返回的数据信息。

本发明提出的RFID通道门通过后台系统设置物品标签合法性判断条件，一般设置EPC的某一部分字节作为判断依据，RFID通道门自动识别出入物品的合法性，非法物品立即声光报警，并且视频抓拍留底，所有出入记录以及抓拍视频永久保存，以供查阅，提供非法出入物品查询功能，并且自动显示非法带出人员照片。

本发明提出的的通道门在RFID功能上支持人流、物品出入流量统计，实现的方法在通道门两端合适的位置各放置一路IR对射探头，一旦人员或物品通过通道门可触发IR探头，根据两路探头的触发先后顺序可识别人员的进出方向。

为适应不同的场景，本通道门支持宽度可调和多扇并联的方式，扩展产品的应用领域。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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是本发明一个实施例的一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门的模块架构图；

图2-3是图1所述通道门使用的窄波束天线的电路原理图；

图4是利用图1所述系统进行主副门同步通信的一个实施例；

图5是图1所述系统的工作方法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

参照图1是本发明一个实施例的一种具备宽度可调功能的超高频计数通道的模块架构图。

图1中所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道均包含一组RFID读写器、两组天线模块、两组红外探头模块、一组电源模块、一组计数显示器、声光报警模块。

所述电源模块、红外探头模块、计数显示器、声光报警模块均与所述RFID读写器电连接，所述两组天线模块中的第一组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第一射频接口连接，所述两组天线模块中的第二组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第二射频接口连接。

图1中，所述RFID读写器为射频输出功率可调范围为10dbm～30dbm的超高频读写器；图1所述超高频RFID通道门的所述天线模块中的至少一个包含窄波束天线。

图1实施例中，所述两组天线模块均使用窄波束天线。

参见图2-3，所述窄波束天线包括绝缘介质板6、馈电网络、金属底板7、同轴线5和八个金属辐射阵子4；其中，所述馈电网络设置于绝缘介质板的正面；金属底板设置于绝缘介质板的背面；八个金属辐射阵子平均分成两组，每组阵子为一路单元天线；两组阵子均安装于绝缘介质板的正面；每组沿顺时针或逆时针方向围成一正方形，且与馈电网络连接；所述馈电网络具有一个输入端和八个输出端，包括第一级功分电路1、第二级电路移相电路2/3；其中，在所述输入端焊接同轴线；所述八个输出端分别与八个金属辐射阵子4连接。所述第一级功分电路由第一延长阻抗线与第二四分之一波长阻抗变换线组成；所述第二级电路移相电路包括共面波导线以及两级一分四的功分电路。

所述输入端接至所述第一级功分电路后分成两路等幅信号进入所述第二级移相电路后分成八个输出端。

所述两组天线模块按照预设间距上下固定于主门通道和副门通道各自门体的金属板上；所述天线模块使用窄波束圆极化天线。

更具体的，第一级功分电路包括50欧姆延长阻抗线与70.7欧姆四分之一波长阻抗变换线组成；第二级电路移相电路包括共面波导线以及两级一分四的功分电路，其中输入端接至第一级功分电路后分成两路等幅信号进入第二级移相电路后分成八个输出端。

所述两组红外探头模块分别置于主门通道和副门通道两侧，红外探头发出两路红外光线，一旦光线被遮挡红外探头发出触发信号至RFID读写器，RFID读写器根据光线被遮挡的顺序判断人员进出，并更新计数显示器上的人员进出数量及在馆人数；

所述声光报警模块用于提供异常情况下的声光报警信号，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回所述RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

在图1基础上，参见图4，所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道的宽度基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节；经过所述主门通道和副门通道的RFID电子标签的读取距离范围基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

具体的，RFID读写器的射频输出功率可调范围为10dbm～30dbm，通过改变RFID读写器的输出功率可以调整通道门内RFID电子标签的读取距离，在实际使用中可根据场景需求改变RFID读写器的输出功率实现两个门体之间宽度可调的。

结合图1-3，参见图4，所述超高频计数通道包括主门通道和多扇副门通道。主门同步接口通过连接线与所述多扇副门同步接口相连，实现对副门的同步及控制。

所述同步接口为RS485形式，主门和每扇副门通过两个同步接口连接，每扇副门分配一同步地址码，主门与副门每次数据交互时均带有地址码作为副门识别标志。

在上述实施例中，RFID通道门的门体有主门和副门之分，主门同步接口通过连接线与多扇副门同步接口相连，实现对副门的同步及控制，同步接口为RS485形式，主门和每路副门有两个同步接口，每路副门分配一同步地址码，主门与副门每次数据交互时均带有地址码作为副门识别标志，主门可控制副门的独立工作或并联工作，保证各扇门之间互不干扰，同时主门可汇总副门返回的数据信息。

在图1-3基础上，参见图5，是图1中具备宽度可调功能的超高频计数通道的工作方法，所述方法包括：

所述两组天线模块依序接收所述RFID读写器的轮询信号；

接收到轮询信号的天线模块处于工作状态，而未接收到轮询信号的天线模块处于非工作状态；

所述RFID读写器通过处于工作状态的天线模块对外辐射电磁波，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

一旦光线被遮挡，则红外探头发出触发信号至RFID读写器，RFID读写器根据光线被遮挡的顺序判断人员进出，并更新计数显示器上的人员进出数量及在馆人数。

所述RFID读写器发出的信号A经同轴线进入功分电路分成两路等幅同相信号B后分别输入给组成阵列的两路单元天线；

每一路单元天线内的两级功分及移相电路将信号B分成四路等幅且相位互差45度的信号C；四路信号C分别输入四个金属辐射阵子。

RFID通道门的RFID读写器发出的信号A同轴线进入功分电路分成两路等幅同相信号B别给组成阵列的两路单元天线，每一路单元天线内的两级功分及移相电路将信号B成四路等幅且相位互差45度的信号C，四路信号C分别输入四个金属辐射阵子，实现天线的圆极化；同时两路单元天线置于绝缘介质板上且相距半个波长的距离，从而两路单元天线往外辐射的信号在介质板以外的水平方向实现幅值相互抵消，在介质板以外的垂直方向实现幅值相互叠加，两路单元天线组成二元天线阵后增益明星提高，也使得天线的水平方向半功率波瓣宽度变窄，以上实现窄波束圆极化天线.

作为示例，在上述实施例中，电源模块对外接至市电，转换出+12V直流电通过电源线提供电源至RFID读写器，RFID读写器通过信号线及电源线与红外接头、计数显示器、声光报警模块相连，以实现供电及通信；两组天线按照一定间距上下固定于门体金属板上，以保证通道门内无盲区，RFID读写器轮询依次使两组天线处于工作状态，保证每一时刻只有一组天线模块工作避免射频信号相互干扰，RFID读写器通过天线对外辐射电磁波，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。两组红外探头分别置于通道门两侧，均包含发射和接收管，红外探头发出两路红外光线，一旦光线被遮挡红外探头发出触发信号至RFID读写器，RFID读写器根据光线被遮挡的顺序判断人员进出，并更新计数显示器上的人员进出数量及在馆人数。

作为补充，上述超高频计数通道门通过后台系统设置物品标签合法性判断条件，一般设置EPC的某一部分字节作为判断依据，RFID通道门自动识别出入物品的合法性，非法物品立即声光报警，并且视频抓拍留底，所有出入记录以及抓拍视频永久保存，以供查阅，提供非法出入物品查询功能，并且自动显示非法带出人员照片。

所述后台系统为亿云联物联网云平台，可以实现远程设备检测、更新维护、数据统计，从而达到某某商超、仓储、图书馆安装了多少通道门，以及实时的人流量数据、商品数据、货物进出数据，并可扩展到会议签到、人员统计等相关领域。

本发明的通道门在RFID功能上支持人流、物品出入流量统计，实现的方法在通道门两端合适的位置各放置一路IR对射探头，一旦人员或物品通过通道门可触发IR探头，根据两路探头的触发先后顺序可识别人员的进出方向。

经过客户允许的数据采集及统计分析计算，可以实现消费习惯，包括时间，消费种类，图书借阅习惯等大数据统计分析，并且超高频RFID电子标签具有32位的访问密码，可以保证数据的安全可靠。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道均包含一组RFID读写器、两组天线模块、两组红外探头模块、一组电源模块、一组计数显示器、声光报警模块；

其特征在于：

所述超高频RFID通道门的所述天线模块中的至少一个包含窄波束天线，所述窄波束天线包括绝缘介质板、馈电网络、金属底板、同轴线和八个金属辐射阵子；

其中，所述馈电网络设置于绝缘介质板的正面；金属底板设置于绝缘介质板的背面；八个金属辐射阵子平均分成两组，每组阵子为一路单元天线；两组阵子均安装于绝缘介质板的正面；每组沿顺时针或逆时针方向围成一正方形，且与馈电网络连接；

所述电源模块、红外探头模块、计数显示器、声光报警模块均与所述RFID读写器电连接，所述两组天线模块中的第一组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第一射频接口连接，所述两组天线模块中的第一组天线模块通过同轴电缆线与RFID读写器的第二射频接口连接；

所述所述两组天线模块按照预设间距上下固定于主门通道和副门通道各自门体的金属板上；

所述两组红外探头模块分别置于主门通道和副门通道两侧，红外探头发出两路红外光线，一旦光线被遮挡红外探头发出触发信号至RFID读写器，RFID读写器根据光线被遮挡的顺序判断人员进出，并更新计数显示器上的人员进出数量及在馆人数；

所述声光报警模块用于提供异常情况下的声光报警信号，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回所述RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

2.如权利要求1所述的一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，其特征在于：

所述馈电网络具有一个输入端和八个输出端，包括第一级功分电路、第二级电路移相电路；其中，在所述输入端焊接同轴线；所述八个输出端分别与八个金属辐射阵子连接。

3.如权利要求2所述的一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，其特征在于：

所述第一级功分电路由第一延长阻抗线与第二四分之一波长阻抗变换线组成；所述第二级电路移相电路包括共面波导线以及两级一分四的功分电路。

4.如权利要求2或3所述的一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，其特征在于：

所述输入端接至所述第一级功分电路后分成两路等幅信号进入所述第二级移相电路后分成八个输出端。

5.如权利要求1所述的一种基于窄波束天线的超高频RFID通道门，其特征在于：

所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，所述主门通道和副门通道的宽度基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

6.如权利要求1所述的一种具备宽度可调功能的超高频计数通道，其特征在于：

所述超高频计数通道包括主门通道和副门通道，经过所述主门通道和副门通道的RFID电子标签的读取距离范围基于所述RFID读写器的射频输出功率的范围改变实现可调节。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种具备宽度可调功能的超高频计数通道的工作方法，其特征在于，

所述方法包括：

所述两组天线模块依序接收所述RFID读写器的轮询信号；

接收到轮询信号的天线模块处于工作状态，而未接收到轮询信号的天线模块处于非工作状态；

所述RFID读写器通过处于工作状态的天线模块对外辐射电磁波，一旦有进入通道门的电子标签被激活，电子标签通过反向调制将自身的固定编码返回RFID读写器，如果电子标签的编码为非法编码，RFID读写器控制声光报警模块发出声音及光线警示信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述RFID读写器发出的信号A经同轴线进入功分电路分成两路等幅同相信号B后分别输入给组成阵列的两路单元天线；

每一路单元天线内的两级功分及移相电路将信号B分成四路等幅且相位互差45度的信号C；四路信号C分别输入四个金属辐射阵子。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述第一级功分电路包括50欧姆延长阻抗线与70.7欧姆四分之一波长阻抗变换线。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

主门同步接口通过连接线与多扇副门同步接口相连，实现对副门的同步及控制，同步接口为RS485形式，主门和每路副门有两个同步接口，每路副门分配一同步地址码，主门与副门每次数据交互时均带有地址码作为副门识别标志，主门可控制副门的独立工作或并联工作，保证各扇门之间互不干扰，同时主门可汇总副门返回的数据信息。

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