CN112541559A - 一种基于uwb技术的阅读器设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通讯和射频识别技术领域，公开了一种基于UWB技术的阅读器设备及方法，包括发射阅读器和接收阅读器，所述接收阅读器包括依次连接的第一UWB通信模块、第一主控模块、第一时钟模块和RFID接收模块，所述发射阅读器包括依次连接的第二UWB通信模块、第二主控模块、第二时钟模块、校准模块和RFID发射模块，所述第一UWB通信模块和第二UWB通信模块用于实现所述发射阅读器和接收阅读器之间的信息交互；通过空间隔离消除载波泄露对接收性能的影响，相对于收发共用模式的阅读器，可以提高接收设备的接收灵敏度，并结合UWB通信技术，保证二者之间的信号同源以及信息交互的实时性，同时通过时钟校准，减小二者的时钟误差。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯和射频识别技术领域，具体涉及一种基于UWB技术的阅读器设备及方法。
背景技术
超高频无源射频识别系统中，标签与阅读器通讯时，阅读器需要一直发送载波提供标签供电，标签通过调制反向散射将信息发送给阅读器，由于标签反向散射回来的信号强度与前向发送的载波信号强度相比非常小，实际的系统中信号强度差达到70dB以上，因此在阅读器接收标签的信号时，阅读器的前向发送的射频载波会泄漏到阅读器反向接收部分，阅读器的接收灵敏度会受限于泄露的载波幅度，虽然在设计中采用了载波对消技术，但是优化后的设备灵敏度也只能达到-80dBm，它与传统的接收机相比，接收性能差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于UWB技术的阅读器设备及方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于UWB技术的阅读器设备，包括发射阅读器和接收阅读器，所述接收阅读器包括依次连接的第一UWB通信模块、第一主控模块、第一时钟模块和RFID接收模块，所述发射阅读器包括依次连接的第二UWB通信模块、第二主控模块、第二时钟模块、校准模块和RFID发射模块，所述第一UWB通信模块和第二UWB通信模块用于实现所述发射阅读器和接收阅读器之间的信息交互。
在本发明中，优选的，所述RFID发射模块包括频率源，信号调制器和放大器，所述RFID接收模块包括接收频率源，正交解调器、噪声放大器、运算放大器、滤波器以及模数转换器。
一种基于UWB技术的阅读器方法，包括以下步骤：
S1：发射阅读器和接收阅读器通过UWB通信进行时钟同步校准；
S2：同步完成后，接收阅读器通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令；
S3：发射阅读器接收命令，向标签发送载波信号；
S4：标签接收到信号后做出响应，接收阅读器接收并解调标签返回的信号；
S5：接收阅读器依据接收信号做出下一步的操作判断，继续步骤S2或结束。
在本发明中，优选的，在步骤S1中，还包括如下步骤：
S11：接收阅读器的第一时钟模块产生基准时钟信号，发射阅读器的第二时钟模块产生本地时钟信号；
S12：基准时钟信号通过第一UWB通信模块发送到第二UWB通信模块；
S13：将基准时钟信号与本地时钟信号输入到校准模块中进行时钟信号的校准。
在本发明中，优选的，在步骤S13中，还包括如下步骤：
S131：校准模块中的硬件计数器对基准时钟信号进行基准计数，本地计数器对时钟信号进行本地计数；
S132：计算基准计数和本地计数的误差并传递给压控振荡器；
S133：调整压控振荡器的输入电压从而调整输出频率，完成时钟同步。
在本发明中，优选的，在步骤S2中，同步校准完成后发射阅读器通过第二UWB通信模块发送完成信号给接收阅读器，接收阅读器接收完成信号后，向发射阅读器发送标签盘点命令。
在本发明中，优选的，在步骤S3中，发射阅读器通过FRID发射模块向标签发送射频载波信号。
在本发明中，优选的，在步骤S4中，标签接收到载波信号后反向散射标签信号给接收阅读器，接收阅读器的FRID接收模块接收并解调。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将接收阅读器和发射阅读器物理分开后，通过空间隔离消除载波泄露对接收性能的影响，相对于收发共用模式的阅读器，可以提高接收设备的接收灵敏度，并结合UWB通信技术，保证二者之间的信号同源以及信息交互的实时性，同时通过时钟校准，使得RFID发射模块和RFID接收模块保持相同的时钟周期，时钟误差减小。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于UWB技术的阅读器设备的结构框图。
图2为本发明所述的一种基于UWB技术的阅读器方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请同时参见图1和图2，本发明一较佳实施方式提供一种基于UWB技术的阅读器设备，将UWB技术和RFID技术相结合，将阅读器的收发模块分离设置，并通过UWB技术将接收阅读器和发射阅读器进行双向时钟同步，相对于收发共用模式的阅读器，可以减小时钟误差，提高接收设备的接收灵敏度，UWB通信技术即做为时钟的校准又用来进行设备间的信息交互，且UWB技术具有实时高速的优点，保证了接收阅读器与发射阅读器之间的低延时性；包括发射阅读器和接收阅读器，接收阅读器包括依次连接的第一UWB通信模块、第一主控模块、第一时钟模块和RFID接收模块，发射阅读器包括依次连接的第二UWB通信模块、第二主控模块、第二时钟模块、校准模块和RFID发射模块，其中第一UWB通信模块和第二UWB通信模块用于实现发射阅读器和接收阅读器之间的信息交互，第一时钟模块与第二时钟模块采用高精度的TCXO加时钟去抖电路来产生时钟信号。
在本实施方式中，RFID发射模块包括频率源，信号调制器和放大器，RFID接收模块包括接收频率源，正交解调器、噪声放大器、运算放大器、滤波器以及模数转换器，此为成熟技术，故不赘述。
具体的，为保证空间隔离足够，将发射阅读器与接收阅读器间隔放置，距离拉远，二者之间通过各自设置的第一UWB通信模块和第二UWB通信模块进行UWB高速无线独立通信，且UWB通信时间短，精度高，同时由于RFID阅读器的特性，需要保证二者之间信号同源，以及信息交互的实时性，以接收阅读器中的第一时钟模块产生的基准时钟信号为基准信号，通过UWB通信给发射阅读器中，校准模块依据本地时钟信号以及基准时钟信号进行校准，最终使得其输出与基准时钟信号保持一致，提供给RFID发射模块工作使用，从而使得RFID发射模块与RFID接收模块保持时钟同步。
本发明另一较佳实施方式提供一种基于UWB技术的阅读器方法，包括以下步骤：
S1：发射阅读器和接收阅读器通过UWB通信进行时钟同步校准；
S2：同步完成后，接收阅读器通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令；
S3：发射阅读器接收命令，向标签发送载波信号；
S4：标签接收到信号后做出响应，接收阅读器接收并解调标签返回的信号；
S5：接收阅读器依据接收信号做出下一步的操作判断，继续步骤S2或结束。
具体的，接收阅读器与发射阅读器分开放置，通过各自的第一UWB通信模块和第二UWB通信模块实现UWB通信技术的远程信息交互，接收阅读器作为主设备，首先为减小接收阅读器与发射阅读器之间信息交互的时钟误差，先进行接收阅读器与发射阅读器的时钟信号的同步校准，使其都保持在相同频率的时钟信号下工作，接着由接收阅读器通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令，发射阅读器的第二UWB通信模块接收到该盘点命令后，向标签发送射频载波信号，标签接收到载波信号相应返回标签信号，由接收阅读器接收该标签信号并解码，接着接收阅读器依据该标签返回的信息下发下一个标签盘点指令，如此反复循环直至整个标签信息读取完成后结束，实现了接收阅读器和发射阅读器之间的高速无线独立通信，减小了一体式的阅读器前向发送的射频载波信号泄漏且UWB通信时间短，精度高。
在本实施方式中，在步骤S1中，还包括如下步骤：
S11：接收阅读器的第一时钟模块产生基准时钟信号，发射阅读器的第二时钟模块产生本地时钟信号；
S12：基准时钟信号通过第一UWB通信模块发送到第二UWB通信模块；
S13：将基准时钟信号与本地时钟信号输入到校准模块中进行时钟信号的校准。
具体的，在步骤S13中，还包括如下步骤：
S131：校准模块中的硬件计数器对基准时钟信号进行基准计数，本地计数器对时钟信号进行本地计数；
S132：计算基准计数和本地计数的误差并传递给压控振荡器；
S133：调整压控振荡器的输入电压从而调整输出频率，完成时钟同步。
具体的，步骤S1中主要实现接收阅读器与发射阅读器的时钟信号的同步校准，首先接收阅读器的第一时钟模块会产生一个基准时钟信号，发射阅读器的第二时钟模块产生一个本地时钟信号，基准时钟信号通过第一UWB通信模块发送到第二UWB通信模块，发射阅读器内设置有校准模块，基准时钟信号和本地时钟信号都传递到校准模块内，校准模块内的硬件计数器和本地计数器分别对其进行计数并做差，得到误差值，将误差值传递到压控振荡器中，压控振荡器依据输入输出一定频率的信号，发射阅读器调整压控振荡器的电压，使压控振荡器的输出信号与基准信号波段保持一致，提供给发射阅读器工作使用，从而保证发射阅读器和接收阅读器之间时钟同源，发射与接收信号之间无频差，减小时钟误差。
具体的，在步骤S2中，同步校准完成后发射阅读器通过第二UWB通信模块发送完成信号给接收阅读器，接收阅读器接收完成信号后，依据实际需求通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令，开始标签信息盘点；在步骤S3中，发射阅读器的第二UWB通信模块接收到标签盘点命令后，发射阅读器通过FRID发射模块向标签发送射频载波信号；在步骤S4中，标签接收到载波信号后反向散射标签信号给接收阅读器，接收阅读器的FRID接收模块接收该标签信号并进行解调；在步骤S5中，接收阅读器依据标签返回的信息，判断是否完成盘点，如没有完成，继续发送盘点命令给发射阅读器进行盘点，如完成，则结束，不再发送盘点命令。
工作原理：
将发射阅读器与接收阅读器间隔放置，在开始工作时，首先接收阅读器的第一时钟模块会产生一个基准时钟信号，发射阅读器的第二时钟模块产生一个本地时钟信号，基准时钟信号通过第一主控模块传递给第一UWB通信模块，第一UWB通信模块将其发送到第二UWB通信模块，发射阅读器内设置有校准模块，基准时钟信号和本地时钟信号都传递到校准模块内，校准模块内的硬件计数器和本地计数器分别对其进行计数并做差，得到误差值，将误差值传递到压控振荡器中，压控振荡器依据该输入后输出一定频率的信号给第二主控模块，第二主控模块依据该信号输出控制信号来调整压控振荡器的电压，从而调整其输出的信号，直到压控振荡器的输出信号与基准信号波段保持一致，提供给发射阅读器工作使用，从而保证发射阅读器和接收阅读器之间时钟同源，发射与接收信号之间无频差，从而减小时钟误差；同步校准完成后第二主控模块通过第二UWB通信模块发送完成信号给接收阅读器，接收阅读器的第一主控模块接收完成信号后，依据实际需求开始标签盘点，第一主控模块通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令，发射阅读器的第二UWB通信模块接收到标签盘点命令后，第二主控模块控制FRID发射模块向标签发送射频载波信号；标签接收到载波信号后反向散射标签信号给接收阅读器，接收阅读器的FRID接收模块接收该标签信号并进行解调发送给第一主控模块，第一主控模块依据标签返回的信息，判断是否完成盘点，如没有完成，继续发送盘点命令给发射阅读器进行盘点，如完成，则结束，不再发送盘点命令。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (8)
1.一种基于UWB技术的阅读器设备，其特征在于，包括发射阅读器和接收阅读器，所述接收阅读器包括依次连接的第一UWB通信模块、第一主控模块、第一时钟模块和RFID接收模块，所述发射阅读器包括依次连接的第二UWB通信模块、第二主控模块、第二时钟模块、校准模块和RFID发射模块，所述第一UWB通信模块和第二UWB通信模块用于实现所述发射阅读器和接收阅读器之间的信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的阅读器设备，其特征在于，所述RFID发射模块包括频率源，信号调制器和放大器，所述RFID接收模块包括接收频率源，正交解调器、噪声放大器、运算放大器、滤波器以及模数转换器。
3.一种基于UWB技术的阅读器方法，根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：发射阅读器和接收阅读器通过UWB通信进行时钟同步校准；
S2：同步完成后，接收阅读器通过第一UWB通信模块向发射阅读器发送标签盘点命令；
S3：发射阅读器接收命令，向标签发送载波信号；
S4：标签接收到信号后做出响应，接收阅读器接收并解调标签返回的信号；
S5：接收阅读器依据接收信号做出下一步的操作判断，继续步骤S2或结束。
4.根据权利要求3所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，在步骤S1中，还包括如下步骤：
S11：接收阅读器的第一时钟模块产生基准时钟信号，发射阅读器的第二时钟模块产生本地时钟信号；
S12：基准时钟信号通过第一UWB通信模块发送到第二UWB通信模块；
S13：将基准时钟信号与本地时钟信号输入到校准模块中进行时钟信号的校准。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，在步骤S13中，还包括如下步骤：
S131：校准模块中的硬件计数器对基准时钟信号进行基准计数，本地计数器对时钟信号进行本地计数；
S132：计算基准计数和本地计数的误差并传递给压控振荡器；
S133：调整压控振荡器的输入电压从而调整输出频率，完成时钟同步。
6.根据权利要求3所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，在步骤S2中，同步校准完成后发射阅读器通过第二UWB通信模块发送完成信号给接收阅读器，接收阅读器接收完成信号后，向发射阅读器发送标签盘点命令。
7.根据权利要求6所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，在步骤S3中，发射阅读器通过FRID发射模块向标签发送射频载波信号。
8.根据权利要求3所述的一种基于UWB技术的阅读器方法，其特征在于，在步骤S4中，标签接收到载波信号后反向散射标签信号给接收阅读器，接收阅读器的FRID接收模块接收并解调。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Room 401, building 12, East Airport Business Park, 80 Huanhe North Road, Tianjin pilot free trade zone (Airport Economic Zone), Binhai New Area, Tianjin Patentee after: Zte Intelligent Iot Technology Co.,Ltd. Address before: Room 401, building 12, East Airport Business Park, 80 Huanhe North Road, Tianjin pilot free trade zone (Airport Economic Zone), Binhai New Area, Tianjin Patentee before: Gaoxing Zhilian Technology Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A reader device and method based on UWB technology Granted publication date: 20220819 Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Tianjin branch Pledgor: Zte Intelligent Iot Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980012382 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |