CN112241776B - 一种凹槽型超宽带去极化无芯片rfid标签 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,该标签包括标签凹槽单元、金属板和介质基板;标签凹槽单元由金属板蚀刻而成,位于介质基板的上表面;标签凹槽单元由至少4组圆环凹槽组构成,标签中心对称分布,每组圆环凹槽组由4个同心圆环凹槽呈嵌套分布构成;收发天线TX发射水平极化的电磁波作为询问信号,信号经过标签反射后的散射波被收发天线TX获取,收发机获取该散射波的频谱,频谱通过傅里叶逆变换转换到时域信号,通过窗口提取到标签的响应,通过预加重、短时傅里叶变换等步骤提取出其MFCC特征。标签实现2‑8GHz的MFCC特征编码方式,共可以实现16位编码。本发明具有成本低、编码容量大、易于在实际环境中检测等优点。

Description

一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签
技术领域
本发明涉及无芯片RFID领域,具体涉及一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签。
背景技术
在物流行业中,最重要的是对货物运输过程的追踪和管理,而仓储管理是其中至关重要的一环。现阶段的仓储管理中,主要使用条形码技术来实现对货物的识别。然而,基于条形码的识别技术具有一定的局限:在扫描时需要人工对准条形码,且条形码与扫描仪之间不能有遮挡。由此可知,尽管条形码成本低廉,但是会产生较大的劳动成本。在快递货物量如此庞大的今天,仓储管理急需一种低成本的货物识别方案。
RFID是物联网中一种典型的通信技术。其原理是RFID标签收集RFID阅读器发射出来的电磁波中的能量,激发标签中的集成芯片,使集成芯片将标签中含有的信息通过电磁波散射出去,阅读器接收到该散射波即可获取到标签包含的信息,从而实现与标签之间进行非接触式的数据通信,达到识别标签目标的目的。因此,相比于当前仓储中使用的条形码技术,基于RFID标签的物体识别技术具有无需对准物体,允许标签与阅读器中存在遮挡的特点。另外,其在更新资料、存储信息量、工作效率、安全性等方面的性能也相对较好,能够很好地满足当前社会发展的需求。
然而,不可忽视的是,RFID标签的制造成本相对于条形码较高。在当前具有“集中化”、“大型化”发展趋势的仓储管理场景下,使用RFID标签识别技术会产生高昂的制造成本,从而在很大程度上降低了市场使用RFID识别技术的积极性。在这样的背景下,降低RFID技术的制造成本,就是亟待进行的研究工作。
RFID标签的制造中成本中最高的部分在于其中的集成芯片。而采取无芯片RFID标签设计方案的RFID技术,是一个较新的研究方向,与之相关的研究相对较少。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,包括标签凹槽单元、金属板和介质基板;所述标签凹槽单元由金属板蚀刻而成,位于介质基板的上表面;所述标签凹槽单元由至少4组圆环凹槽组构成,标签中心对称分布,每组圆环凹槽组由4个同心圆环凹槽呈嵌套分布构成;每组圆环凹槽组的每个圆环凹槽实现特定频段的MFCC特征编码;收发天线TX发射水平极化的电磁波作为询问信号,信号经过标签反射后的散射波被收发天线TX获取,收发机获取该散射波的频谱,频谱通过傅里叶逆变换转换到时域信号,首先进行预加重,然后使用10ns的时间窗口和5ns的窗口移动步长进行短时傅里叶变换,提取每一帧的12维MFCC特征值;所述标签实现2-8GHz的MFCC特征编码方式,共可以实现16位编码。
进一步地,所述标签凹槽单元由四组金属板镂空得到的圆环凹槽组构成,四组圆环凹槽组2×2排列且为中心对称结构;四组圆环凹槽组的4个圆心构成矩形的四个顶点。
进一步地,所述圆环凹槽组由四个圆环凹槽构成,槽宽0.2mm,每一圆环凹槽的大小由其外径表示。
进一步地,非对角线的两组圆环凹槽组的圆环凹槽的外径从内到外分别为:S1为5.8mm,S2为8mm,S3为11.5mm,S4为14mm,S5为4.7mm,S6为6.7mm,S7为10mm,S8为13.2mm。
进一步地,,所述介质基板为64mm×64mm的矩形板,采用FR-4材料,厚度为0.4mm;四组圆环凹槽组由一整块尺寸为64×64mm的铜板蚀刻镂空得到,圆环凹槽为被镂空部分,铜板厚度为0.05mm。
进一步地,所述标签中心对称分布,形成可周期延展的拓扑结构且不影响特征值,只增大散射波强度,从而增强标签的频谱响应。
进一步地,每组圆环凹槽组的每个圆环凹槽实现特定取值的MFCC特征值。
进一步地,所述MFCC特征编码方式具体为:提取标签散射波时域信号的MFCC特征,在机器精度允许的情况下,区分由于圆环凹槽尺寸每变化0.3mm带来的MFCC特征值变化,以此来实现标签的区分。
进一步地,所述收发天线TX既起到发射访问电磁波的作用,也可以检测标签散射波;所述收发天线TX的工作频率范围要宽于2-8GHz频率范围。
本发明的有益效果是:
本发明提供一种工作于2-8GHz频段、采用去极化技术、可用于商品编码的低成本无芯片RFID标签。在距离标签的正前方,向标签垂直发射一个线极化波作为询问信号。
若有一个水平方向的线极化的电磁波入射到该标签表面,标签接收到入射波的能量后,产生散射波,可以利用矢量网络分析仪测量S11参数来获取该散射波的频谱,频谱通过傅里叶逆变换转换到时域信号,首先进行预加重,然后使用10ns的时间窗口和5ns的窗口移动步长进行短时傅里叶变换,进而提取每一帧的12维MFCC特征值,实现特征编码。
通过内嵌套技术将不同大小的圆环凹槽组成一个圆环凹槽组,这种方式可以提高介质基板的表面空间利用率,同时也能够提高标签的编码容量密度。
附图说明
图1是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签的工作系统结构图;
图2是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签的俯视图;
图3(a)是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签在图2基础上提取出来的第一帧的12维MFCC特征值;
图3(b)是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签在图3(a)基础上将S6的半径减小0.3mm所提取出来的第一帧的12维MFCC特征值;
图3(c)是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签在图3(a)基础上将S6的半径增大0.3mm所提取出来的第一帧的12维MFCC特征值;
图3(d)是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签在图3(a)基础上将S6的半径增大0.6mm所提取出来的第一帧的12维MFCC特征值;
图4是本发明一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签的图3(a),图3(b),图3(c),图3(d)结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示,一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签的工作系统,由RFID阅读器、收发天线TX以及标签构成,收发天线TX发射水平极化的电磁波作为询问信号,信号经过标签反射后的散射波可以被收发天线TX获取,收发机获取该散射波的频谱,频谱通过傅里叶逆变换转换到时域信号,首先进行预加重,然后使用10ns的时间窗口和5ns的窗口移动步长进行短时傅里叶变换,进而提取每一帧的12维MFCC(Mel Frequency CepstrumCoefficient,梅尔频率倒谱系数)特征值,实现特征编码。
如图2所示,一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,工作于2-8GHz频段,包括标签凹槽单元、金属板和介质基板。所述标签凹槽单元由金属板蚀刻而成,位于介质基板的上表面。
标签凹槽单元由至少4组圆环凹槽组构成,标签中心对称分布,每组圆环凹槽组由4个同心圆环凹槽构成。每一组的圆环凹槽组的每个圆环凹槽(slot)实现特定频段的MFCC特征编码。对角线上对称的两个圆环凹槽称为一对圆环凹槽。
本发明实现编码是基于散射波的MFCC特征变化与圆环凹槽半径大小之间的对应关系,一般来说,若只改变一对圆环凹槽半径,则在MFCC特征图中会产生一个特征值的规律变化。因此,若一对圆环凹槽半径在其标准尺寸的基础上减小0.3mm,或增大0.3mm,或增大0.6mm,会产生四种可区分的MFCC特征值大小,以此实现2bit编码。
本实施例中的标签凹槽单元由4组同心圆环凹槽组,每组4个同心圆环凹槽S1-S4,S5-S8,S1’-S4’,S5’-S8’构成,每一对对应圆环凹槽,可实现一个MFCC特征编码,如S1和S1’为一对。使用一对圆环凹槽来增强回波信号的强度和可识别性。
本实施例中每个圆环凹槽的宽度均为0.2mm,由于中心对称,每一对对应圆环凹槽尺寸相同。S1-S8圆环凹槽外径分别为:S1为5.8mm,S2为8mm,S3为11.5mm,S4为14mm,S5为4.7mm,S6为6.7mm,S7为10mm,S8为13.2mm。
本实施例中,所述介质基板采用FR-4材料,其相对介电常数为5.5,电损耗角正切值为0.035。介质基板为64mm×64mm的矩形板,厚度为0.4mm。所用金属板材料为铜,厚度为0.05mm。
如图2所示的标签,每个圆环可以实现2bit的MFCC特征编码,共有8个圆环,因此一共可以实现16bit的编码。其中MFCC特征数值图如图3(a)所示。
如图3(b)所示,当将此例中S6和S6’尺寸减小0.3mm,则对应的MFCC特征值产生可区分的变化,如特征7从正值变成了负值。
如图3(c)所示,当将此例中S6和S6’尺寸增大0.3mm,则对应的MFCC特征值产生可区分的变化,如特征11从负值变成了正值。
如图3(d)所示,当将此例中S6和S6’尺寸增大0.6mm,则对应的MFCC特征值产生可区分的变化,如特征9从负值变为0。
如图4所示,图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)的12维MFCC特征值有明显可区分的数值差异,利用决策树、支持向量机等机器学习算法,对MFCC特征值进行训练,最终能够实现不同标签的识别。
该凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签具有成本低,抗干扰能力强,易于在实际环境中检测以及编码容量大等优点。
上述实施例为本发明典型的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,包括标签凹槽单元、金属板和介质基板;所述标签凹槽单元由金属板蚀刻而成,位于介质基板的上表面;所述标签凹槽单元由至少4组圆环凹槽组构成,标签中心对称分布,每组圆环凹槽组由4个同心圆环凹槽呈嵌套分布构成;所述介质基板厚度为0.4mm;圆环凹槽组由铜板蚀刻镂空得到,圆环凹槽为被镂空部分,铜板厚度为0.05mm;每组圆环凹槽组的每个圆环凹槽实现特定频段的MFCC特征编码;收发天线TX发射水平极化的电磁波作为询问信号,信号经过标签反射后的散射波被收发天线TX获取,收发机获取该散射波的频谱,频谱通过傅里叶逆变换转换到时域信号,首先进行预加重,然后使用10ns的时间窗口和5ns的窗口移动步长进行短时傅里叶变换,提取每一帧的12维MFCC特征值;所述标签实现2-8GHz的MFCC特征编码方式,共可以实现16位编码。
2.根据权利要求1所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述标签凹槽单元由四组铜板镂空得到的圆环凹槽组构成,四组圆环凹槽组2×2排列且为中心对称结构;四组圆环凹槽组的4个圆心构成矩形的四个顶点。
3.根据权利要求2所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述圆环凹槽组由四个圆环凹槽构成,槽宽0.2mm,每一圆环凹槽的大小由其外径表示。
4.根据权利要求3所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,非对角线的两组圆环凹槽组的圆环凹槽的外径从内到外分别为:S1为5.8mm,S2为8mm,S3为11.5mm,S4为14mm,S5为4.7mm,S6为6.7mm,S7为10mm,S8为13.2mm。
5.根据权利要求2所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述介质基板为64mm×64mm的矩形板,采用FR-4材料;四组圆环凹槽组由一整块尺寸为64×64mm的铜板蚀刻镂空得到。
6.根据权利要求1所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述标签中心对称分布,形成可周期延展的拓扑结构且不影响特征值,只增大散射波强度,从而增强标签的频谱响应。
7.根据权利要求1所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,每组圆环凹槽组的每个圆环凹槽实现特定取值的MFCC特征值。
8.根据权利要求1所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述MFCC特征编码方式具体为:提取标签散射波时域信号的MFCC特征,在机器精度允许的情况下,区分由于圆环凹槽尺寸每变化0.3mm带来的MFCC特征值变化,以此来实现标签的区分。
9.根据权利要求1所述的一种凹槽型超宽带去极化无芯片RFID标签,其特征在于,所述收发天线TX既起到发射访问电磁波的作用,也可以检测标签散射波;所述收发天线TX的工作频率范围要宽于2-8GHz频率范围。
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