CN113988100A - 高频rfid图书标签的层架定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频RFID图书标签的层架定位装置及方法，其装置包括电压精细可调电源、微控制器、高频RFID读卡核心电路、信号分配器和天线阵列；装置可通过控制信号分配器，从天线阵列中选择任一组与高频RFID读卡核心电路接通，对本组天线感应范围内的所有标签进行盘点；还可通过调整电压精细可调电源的输出电压对发射功率进行调节，从而对天线感应的范围进行控制；本发明还包括一种定位方法，在必要时进行多次发射功率调节和盘点，直到最终确认每个标签所处的层架为止；本发明可以克服现有技术盘点图书标签时容易发生多个层架天线同时感应到同一标签从而无法对图书层架定位的窜层问题，与此同时还可以有效避免不能检测到图书标签而产生的漏读问题。

Description

高频RFID图书标签的层架定位装置及方法
技术领域
本发明涉及RFID标签读写技术领域，具体涉及与高频RFID标签相关的图书馆及档案管理设备，尤其涉及到一种高频RFID图书标签的层架定位装置及方法。
背景技术
RFID标签按工作频段划分，主要有微波、超高频、高频(HF)、低频等，其中高频RFID的典型工作频率为13.56Mhz。高频RFID技术在图书馆和档案管理行业应用越来越普及，由于档案管理和图书管理技术上很近似，下面只以图书馆设备为例来说明。
图书馆用到的高频RFID相关设备主要有台面式自助借还设备、智能书架、智能书柜等。这类设备工作中由RFID读写装置首先读出天线感应范围内的一个或多个标签的UID(即：唯一序列号)，这一操作称为“盘点”,读写装置盘点完成后将读到的所有标签的UID数据传给计算机，由计算机系统进行处理，例如在数据库中检索图书详细信息以及进行借、还操作等。
智能书架、智能书柜类型的产品通常具有多个图书层架，使用中一直面临RFID标签盘点“窜层”、“漏读”的问题。举例说明：假设书架共有5层，每层放有50本图书，每本书上都贴有标签；其中第3层有一本图书《老人与海》，其标签的UID是十六进制数据“E004015061F369BB”，此标签的射频灵敏度比较高；其中第2层有一本图书《西游记》，其标签的UID是十六进制数据“E004015061F368AA”，此标签的射频灵敏度比较低。理想情况下使用5个层架每一层的天线都正好盘点到50个标签，并且这些标签的UID互不重复，计算机系统可以进行完美地处理，例如在查询界面上显示《老人与海》位于书架第3层，《西游记》位于书架第2层等。可实际情况通常并非如此，本例中除了第3层，书架的其它层(大概率是相邻层，为方便叙述，假设是第2层)的天线也可以盘点到UID为“E004015061F369BB”的标签，这样计算机系统就不能对《老人与海》这本书所处的层架进行准确的判断，这就是“窜层”问题的含义。引起“窜层”的原因比较复杂，一般是因为金属材质的书架、柜门或其它部件在高频RFID读写装置天线附近，工作时形成了复杂的电磁场，虽然电磁场辐射到其它层架已经比较微弱，但仍然可能激活一些射频灵敏度较高的标签。业内技术人员尝试降低RFID读写装置的发射功率或者在其它环节设法降低射频灵敏度，以达到缩小感应的空间范围从而抑制“窜层”的目的，却又带来另外一个问题。还是以上面的例子来说明，当RFID读写装置的发射功率降低或采用其它类似手段降低空中电磁场的强度以后，第2层的天线已经不能盘点到UID为“E004015061F369BB”的标签，计算机系统可以正确判断《老人与海》这本书在第3层架，但是与此同时，UID为“E004015061F368AA”的标签因为本身射频灵敏度比较低，已经盘点不到了，计算机系统完全检测不到《西游记》这本书的存在，这就是“漏读”问题。
在智能书架、智能书柜等设备的多个层架上放置大量RFID标签时，“窜层”和“漏读”往往同时存在，现有技术很难克服。事实上，无论是高频RFID还是超高频RFID，这一问题都困扰着业内人士，由于具体技术层面的差异，本发明只涉及高频RFID。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于实现对多层书架上高频RFID图书标签的层架进行准确定位，所采用的技术方案为：一种高频RFID图书标签的层架定位装置；所述装置包括电压精细可调电源1、微控制器2、高频RFID读卡核心电路3、信号分配器4和天线阵列5；
所述电压精细可调电源1包括电性相连的电压反馈式稳压开关电源核心电路10和分压反馈网络11；所述分压反馈网络11包括至少一个数字电位器111和至少一个电阻器；所述数字电位器111具有微控制器接口，并通过所述微控制器接口与所述微控制器2电性相连；
所述高频RFID读卡核心电路3包括电性相连的发射电路31和接收电路32；所述高频RFID读卡核心电路3与所述微控制器2电性相连；
所述天线阵列5包括n个功分器51和物理上分布在n个图书层架的n×p个天线50；每个所述功分器51具有一个输入端口和p个输出端口；位于同一所述图书层架的p个所述天线50分别电性连接同一个所述功分器51的其中一个所述输出端口；所述n、p均为不小于2的自然数；
所述信号分配器4包括信号分配控制电路41及若干电子射频开关42；所述信号分配控制电路41与所述微控制器2电性相连，并通过所述微控制器2上的软件控制每个所述电子射频开关42的开、关状态；所述电子射频开关42串联在所述高频RFID读卡核心电路3和所述功分器51的输入端口之间；
所述电压精细可调电源1与所述高频RFID读卡核心电路3电性相连；所述电压精细可调电源1的输出电压越高，所述高频RFID读卡核心电路3的发射电路31的发射功率越大；
所述微控制器2内部固化了专门的嵌入式软件，所述嵌入式软件包括设置功率、选通层架、标签盘点及数据通信的操作；所述设置功率具体为通过设置所述数字电位器111,从而调整所述电压精细可调电源1的输出电压，从而调整所述高频RFID读卡核心电路3的发射电路31的发射功率；所述选通层架具体为通过控制所述信号分配器4的所述电子射频开关42，使所述高频RFID读卡核心电路3与所述天线阵列5中的一个功分器51的输入端口之间呈射频低阻抗状态，并与其余所述功分器51的输入端口之间呈射频高阻抗状态，从而选择接通物理上位于其中一个图书层架上的所述天线50；所述标签盘点具体为通过所述装置读取被选通的层架的所述天线50范围内所有图书标签的唯一序列号；所述数据通信具体为所述装置与其它设备之间进行数据交互；所述嵌入式软件还包括高频RFID图书标签的层架定位方法。
本发明还提出一种层架定位装置的层架定位方法，所述方法包括如下步骤：
S100：先执行装置初始化，再进入循环模式工作阶段；所述装置初始化包括如下具体步骤：
S110：定义发射功率等级和相关数据；
S120：定义选通层架所需的相关数据；
S130：设定图书标签信息的存储格式，所述图书标签信息包括每个图书标签的唯一序列号和层架标志；所述层架标志具体的记录该图书标签物理上可能位于哪些图书层架；
S140：为记录图书标签总数定义相关数据；
S150：为存储所有图书标签信息准备相应数据存储空间；
S200：在循环模式工作阶段，按需进行盘点全部标签操作,然后执行S300；
所述盘点全部标签操作包括如下具体步骤：
S210：初始化相关数据，清理标签盘点历史记录；
S220：设置功率为最大值；
S230：依次序对每个图书层架执行层架选通和标签盘点操作；如果盘到图书标签，按S100中设定的方式对图书标签总数和图书标签信息进行存储；
S300：执行标签层架定位流程；具体的方法为：遍历读取通过S200盘到的所有标签的图书标签信息，根据每个标签的层架标志进行判断；如果只有一个层架的天线盘到该标签，可以直接确定该标签的层架，否则针对该标签执行S330；
S330：执行层架仲裁流程；具体的方法为通过一次或多次设置功率并选通相应的图书层架进行标签盘点操作，逐步缩小层架搜索范围，最终确定该标签所处的层架。
作为上述方案的进一步说明，所述S110包括如下：
S111：定义描述数字电位器设置状态的数据变量；
S112：根据所述装置的具体电路，分析所述数字电位器的设置状态与数字电位器在电路中的有效电阻的理论值、电压精细可调电源的输出电压的理论值、高频RFID读卡核心电路的发射电路的发射功率的理论值之间的对应关系；经过筛选和排序设定M个常数，对应M个发射功率等级，其每个数值都是S111中所述数据变量具有代表性的有效数值；所述M为不小于2的自然数。
作为上述方案的进一步说明，所述S330层架仲裁流程包括如下具体步骤：
S331：为执行循环操作定义并初始化数据；为调整发射功率等级定义上限值、下限值、当前值，并且分别设置初值，其中当前值和下限值初值相同；
S332：设置发射功率为最小值；
S333：根据本次所述层架仲裁流程针对的标签的图书标签信息中的层架标志，确定操作的层架范围，依次序选通相应的图书层架进行一轮图书标签盘点操作；如果没有盘点到该标签，执行S334，否则先依据本轮盘点结果修改所述层架标志以缩小层架搜索范围，然后再进行分析；如果有且只有一个层架的天线盘点到该标签，本次层架仲裁成功，执行S338，如果有两个或两个以上层架的天线盘点到该标签，则执行S335；
S334：调整下限值为当前值加一，并跳到S336；
S335：调整上限值为当前值减一，并执行S336；
S336：依据S334或S335的执行次数和上限值、下限值进行判断，如果满足中止条件，执行S338，否则执行S337；
S337：调整当前值为上限值与下限值的中位数，并按当前值设置发射功率,然后执行S333；
S338：结束本次层架仲裁流程。
作为上述方案的进一步说明，所述S120定义相关数据包括：设定层架数目、定义层架索引号。
作为上述方案的进一步说明，所述层架标志为一组布尔变量,数目与图书层架数目相同。
作为上述方案的进一步说明，所述方法还包括S400设置发射功率，具体方法如下：
S410：依据需要设置的发射功率等级数和步骤S110设定的数据，确定数字电位器的设置状态；
S420：操作硬件电路，对所述数字电位器进行设置。
作为上述方案的进一步说明，图书标签遵循ISO15693协议，步骤S333进行图书标签盘点操作时，为提高效率指定标签的唯一序列号，具体为按ISO15693协议在空中发送盘点指令时，设置时隙数为1，掩码长度为64，掩码数值为本次层架仲裁针对的标签的64位唯一序列号。
附图说明
图1是高频RFID图书标签的层架定位装置的电路框图；
图2是电压反馈式稳压开关电源的电路框图；
图3是实施例1的完整电路框图；
图4是实施例2的电压精细可调电源电路图；
图5是装置初始化的软件流程图；
图6是盘点全部标签的软件流程图；
图7是标签层架定位的软件流程图；
图8是层架仲裁的软件流程图；
图9是设置发射功率的软件流程图；
具体实施方式
如附图1所示，高频RFID图书标签的层架定位装置包括电压精细可调电源1、微控制器2、高频RFID读卡核心电路3、信号分配器4和天线阵列5。微控制器2与电压精细可调电源1、高频RFID读卡核心电路3、信号分配器4分别电性相连；电压精细可调电源1与高频RFID读卡核心电路3之间电性相连；信号分配器4电性连接在高频RFID读卡核心电路3和天线阵列5之间。
如附图2所示，为了便于理解本发明中电压精细可调电源1的工作原理，首先对一般的电压反馈式稳压开关电源进行简单的描述。在电压反馈式稳压开关电源中，为维持输出的稳定，将输出电压反馈到电压反馈式稳压开关电源核心电路，在所述核心电路内部，通过将反馈电压与基准电压做比较后决定开关器件的开启和关闭来控制输出电压，不难分析得到：设所述内部基准电压为Vref,忽略电压反馈端微弱输入电流的影响，则所述电压反馈式稳压开关电源的输出电压V_OUT可用下式计算：
V_OUT＝Vref×(R1+R2)/R2；
显而易见地，可以通过调整附图2中分压反馈网络中电阻器R1或者电阻器R2的阻值来调节输出电压。
再次参考附图1，为了通过软件对输出电压进行精细调节，本发明装置的电压精细可调电源1包括电性相连的电压反馈式稳压开关电源核心电路10和分压反馈网络11，其基本工作方式与附图2所示电压反馈式稳压开关电源相同，不予赘述。应该注意的是本发明装置的所述分压反馈网络11由数字电位器111和若干个电阻器进行串、并联组合构成，所述数字电位器111具有RH、RL、RW三个抽头，和普通电位器类似，在滑动端RW悬空的时候，RH和RL之间的电阻为一固定值(数值由器件本身的参数确定)，如果将RW抽头和RH、RL之中的任意一个抽头相连，通过设置滑动端RW的位置，可以改变RH和RL之间的电阻值，也就是说所述数字电位器111在电路中的有效电阻值可变。由于半导体技术的特点，使用中应保证RH抽头的电位不低于RL抽头的电位。所述数字电位器111与普通电位器的最大区别是，它还具有微控制器接口,将微控制器接口和微控制器2相连，就可以通过软件来改变RW抽头的位置，从而调整分压反馈网络11,并对电压精细可调电源1的输出电压进行调节。请注意附图1中分压反馈网络11的具体连接方式不是唯一的，专业人员无需经过创造性劳动，很容易得到其它实现方式，例如用数字电位器111替代附图2中的电阻器R1等。
还是参考附图1，高频RFID读卡核心电路3包括电性相连的发射电路31和接收电路32，并与微控制器2相连，所述发射电路31和接收电路32的信号公共端做为连接下一级电路的射频端口。微控制器2内部的嵌入式软件包括标签盘点操作，具体为通过控制高频RFID读卡核心电路3按照图书标签遵循的技术协议(例如ISO15693等)读取被选通的层架(关于层架选通的含义请参见后面相关内容)的天线50范围内所有图书标签的唯一序列号(UID)。高频RFID读卡核心电路3具体工作方式及图书标签协议内容属于本领域现有技术，不予赘述。
还是参考附图1，电压精细可调电源1的输出V_OUT连接到高频RFID读卡核心电路3的发射电路31的VDD电源,所述发射电路31的VDD电源电压越高，发射功率越大，在其它条件确定的情况下,其发射功率数值上与VDD电压的平方成正比。在其它条件确定的情况下,发射功率越大，通过天线50向空中辐射的电磁波越强，读写高频RFID标签的空间范围越大。
微控制器2内部的嵌入式软件包括设置功率操作，具体为通过软件对数字电位器111进行设置，从而调整数字电位器111在电路中的有效电阻值，从而对电压精细可调电源1的输出电压进行精细调节，从而对发射电路31输出的发射功率进行精细调节，从而对天线50向空中辐射的电磁波强度进行控制，从而对读写高频RFID标签的空间范围进行控制。
还是参考附图1，设书架层数为n，视书架宽度而定，每个层架需要安装p个天线才能使射频信号充分覆盖。本发明装置的天线阵列5包括n个功分器51和n×p个天线50。每个所述功分器51具有一个输入端口和p个输出端口,将一路射频信号分成p路,同时反过来也将p路信号合为一路，其具体技术为本领域现有技术，不予赘述。所述天线50用于跟RFID标签进行近场耦合，向RFID标签发送能量并跟标签进行数据传输，其具体技术为本领域现有技术，不予赘述。所述n×p个天线被分为n组，每组数目为p；同一组天线物理上位于同一层架,并且分别和同一个功分器51的其中一个输出端口电性相连，并且是同时工作的；不同组别的天线物理上位于不同的层架，并且连接不同的功分器51，并且由软件控制分时轮流工作。
上述中，n、p均为不小于2的自然数。
还是参考附图1，在高频RFID读卡核心电路3和天线阵列5之间，还连接有信号分配器4。所述信号分配器4包括信号分配控制电路41及若干电子射频开关42。所述信号分配控制电路41通过微控器接口连接微控制器2，并通过所述微控制器2上的软件控制每个所述电子射频开关42的开、关状态。所述电子射频开关42串联在所述高频RFID读卡核心电路3和所述功分器51的输入端口之间。优选地，每个支路用一个电子射频开关42，其具体连接方式为：每个所述电子射频开关的一端与所述高频RFID读卡核心电路3的射频端口通过耦合电容电气相连，另一端作为所述信号分配器4的输出口，通过耦合电容分别连接一个功分器51的输入端口。显而易见地，每个支路也可以串联多个电子射频开关42，具体连接方式不予赘述。所述电子射频开关42的器件选型可以是PIN二极管或专用芯片。
微控制器2内部的嵌入式软件包括选通层架操作，具体为通过软件设置所述信号分配控制电路41，从而控制所述电子射频开关42的通、断(同一时刻只导通其中一个支路)，从而使高频RFID读卡核心电路3与天线阵列5的其中一个功分器51的输入端口之间呈射频低阻抗状态，并与其余功分器51的输入端口之间呈射频高阻抗状态，从而选择接通物理上位于其中一个图书层架上的p个天线50。
微控制器2内部的嵌入式软件还包括数据通信操作,具体为本发明装置可以和其它设备之间进行数据交互，通信接口可以选择RS232串口、USB口、以太网等。
微控制器2内部的嵌入式软件还包括一种高频RFID图书标签的层架定位方法，下面对其进行具体说明。为方便叙述，以C语言为例，本领域技术人员当然也可以用其它编程语言来实现，叙述中相关变量、常数、函数的命名也只是为了帮助对方法进行说明。
S100.本发明的装置上电后，先执行初始化过程再进入循环模式工作阶段，初始化过程除了嵌入式软件的常规操作外,还包括在微控制器内定义若干全局变量和常数，并对这些数据设置初值的操作。请参考附图5,本流程包括的具体步骤为S110～S150：
S110.为方便设置功率，定义发射功率等级和相关数据,具体步骤细分为S111～S112：
S111.定义描述数字电位器设置状态的数据变量，具体为根据数字电位器111具体器件型号的特性，定义变量RegValue，其每个有效数值与数字电位器在电路中的有效电阻的一个理论值相对应；从而与电压精细可调电源1输出电压的一个理论相对应；从而与高频RFID读卡核心电路的发射电路的发射功率的一个理论值相对应。
S112.根据本发明装置的具体电路，分析步骤S111中所述对应关系,经过筛选、排序后定义常数数组RegArray[M]，数组长度M表示发射功率等级数，数组中每个元素的数值都是RegValue具有代表性的有效数值,每个元素的数值互不相同，并且分别与本装置的一种工作状态相对应，并且对应的工作状态的发射功率按由低到高的顺序排列。
举例说明数组RegArray[]的确切含义：将RegArray[0]的数值设置到数字电位器111，发射功率等级数为1，对应最小功率；将RegArray[M-1]的数值设置到数字电位器111，发射功率等级数为M，对应最大功率；其它发射功率等级以此类推。
上述中，M为不小于2的自然数。
确定数组长度及数组中每个元素的数值的具体方法将在实施例1中结合实际电路详细介绍。
S120.定义选通层架所需的相关数据,具体为定义常数n和全局整型变量FloorIndex。常数n表示图书层架数目，为大于1的自然数，根据硬件拓扑和实际应用设置其数值。变量FloorIndex为天线分组(物理上与图书层架对应)的索引号，其最小值为0，最大值为图书层架数目n减1。
S130.设定图书标签信息的存储格式,具体为定义数据结构体TagInfo及结构体指针pTagInfo。
结构体TagInfo用于记录每张标签的信息，结构体成员包括唯一序列号及层架标志,唯一序列号表示为数组UID[],数组长度由图书标签的规格确定；层架标志为数目与图书层架数目n相同的一组布尔变量，用数组表示为FloorFlag[n]。
举例说明层架标志的确切含义：FloorFlag[2]为1，表示标签可能但不确定位于第2层(从第0层开始，一直计数到n-1),为0则表示排除标签位于第2层的可能性,其它层以此类推。
结构体指针pTagInfo指向TagInfo类型的结构体，仅仅是为了C语言程序中方便操作数据而已。
S140.为记录图书标签总数定义一个全局整型变量TagCount。
S150.为存储所有图书标签信息,准备一块较大的数据区域BUFF,标签信息的数据格式按结构体TagInfo。假设预估所有图书层架上的标签总数最大为1000张，那么所述数据区域BUFF的空间应能容纳1000个结构体TagInfo。
S200.本发明装置的嵌入式软件在循环模式工作阶段，按需执行盘点全部标签的操作。本操作可以通过定时触发、上位机命令触发、传感器触发等方式发起。请参考附图6,其具体步骤为S210～S230：
S210.初始化相关数据，清理标签盘点历史记录。具体为设置标签总数TagCount为0,同时将为存储所有图书标签信息准备的内存区域BUFF全部数据清0。
S220.设置功率为最大值。
S230.依次序对每个图书层架执行层架选通和标签盘点操作；如果盘到图书标签，按步骤100中设定的方式对图书标签总数和图书标签信息进行存储。具体步骤细分为S231～S234：
S231.设置层架索引变量FloorIndex值为0。
S232.按层架索引变量FloorIndex，设置信号分配器，选通对应层架的天线并执行标签盘点操作。盘点到标签后，在内存区域BUFF中遍历查找是否已经存在相同的唯一序列号(UID)，如果存在，将该标签在本层的层架标志改为1,如果BUFF中没有存储相同的唯一序列号(UID)，则将新标签的信息(只有本层层架标志为1)添加到BUFF中，并执行标签总数TagCount加1操作。
S233.层架索引变量FloorIndex加一。
S234.判断层架索引变量FloorIndex是否达到层架数目n,若是，则结束S200(盘点全部标签)的流程，否则，跳转到步骤S232继续执行。
请注意：由于本流程盘点操作中装置为最大发射功率工作状态,已经最大限度地克服了标签“漏读”的问题，但是可能存在部分标签被多个层架天线同时读到，即产生了“窜层”现象。
S300.本发明装置的嵌入式软件在循环模式工作阶段,执行完上述S200流程后，一般应开始执行标签层架定位流程。请参考附图7,本流程具体步骤为S310～S380：
S310.定义标签索引整型变量i,并将初值设为0。
S320.从内存区域BUFF中，读取第i个标签的数据,逐一检查标签层架标志FloorFlag[]，确定该数组中是否只有一个元素为1，如果不是，表明有“窜层”现象，继续往下顺序执行后面的步骤，否则，跳到第S360步骤。
S330.执行层架仲裁流程，该流程中可能对该标签(第i个)的层架标志FloorFlag[]进行改写，层架仲裁流程是本发明的嵌入式软件的核心流程之一，过程比较复杂，后面再单独详细叙述。
S340.再次逐一检查第i个标签的层架标志FloorFlag[],确定该数组中是否只有一个元素为1，如果不是，表明层架仲裁失败，继续往下执行第S350步骤，否则表明层架仲裁成功，已经可以确认该标签的层架，跳到第S360步骤。
S350.针对不能准确判定层架的标签进行业务处理(例如将标签的唯一序列号和可能的层架号,发送给与本发明装置相连的上位机)，然后跳到第S370步骤。
请注意：本步骤之所以包含对层架仲裁失败的处理，是为了保证软件流程的完整性，而不是否定本发明的效果。
S360.针对可以准确判定层架的标签进行业务处理(例如将标签的唯一序列号和层架号,发送给与本发明装置相连的上位机)，然后继续往下执行。
S370.标签索引计数变量i加一；
S380.判断标签索引计数变量i是否达到S200流程记录的标签总数TagCount,若是，则结束S300(标签层架定位)流程，否则，跳转到步骤S320继续执行。
在上述标签层架定位流程中,有可能需要执行一次或多次层架仲裁流程(即步骤S330)，本流程针对一张特定的标签(为方便叙述，称为“标签AAA”)，具体的方法为通过一次或多次设置功率并选通相应的图书层架进行标签盘点操作，逐步缩小层架搜索范围，最终确定该标签所处的层架。请看附图8，本流程具体步骤细分为S331～S338：
S331.为执行循环操作定义并初始化数据，具体为定义一个循环计数器整型变量LoopCnt，并赋初值0；再定义临时层架标志，其为数目与图书层架数目n相同的一组布尔变量，用数组表示为TempFloorFlag[n]。
临时层架标志TempFloorFlag[]含义与步骤S130中定义的层架标志FloorFlag[]类似，只不过TempFloorFlag[]仅仅记录最近一轮盘点有哪些层架盘到了标签AAA。
举例说明临时层架标志的含义：TempFloorFlag[2]为1，表示在本次层架仲裁流程中的最近一轮盘点操作中第2层(从第0层开始，一直计数到n-1)的天线感应到了标签AAA,为0则表示第2层没有感应到此标签,其它层以此类推。
为调整发射功率，定义三个整型变量PowerHigh、PowerLow、PowerMid,分别表示发射功率等级的上限值、下限值和当前值，其最小值为1，对应本发明装置最小发射功率，最大值为发射功率等级数M,对应本发明装置最大发射功率。然后对变量设置初值为：PowerLow＝1；PowerHigh＝M；PowerMid＝1。
S332.设置发射功率为最小值。
请注意：虽然功率为最小值，但放置在本层架的绝大多数标签都是可以感应到的，尤其是射频灵敏度高的标签，与此同时，辐射到其它层架的射频信号已经被限制到极为衰弱的状态，因此通常可以通过只盘点一次就完成本流程的层架仲裁，执行效率比较高。
S333.本步骤再细分为S333A～S333H：
S333A.将临时层架标志TempFloorFlag[]中n个元素数值清0,层架索引变量FloorIndex值设为0。
S333B.从内存区域BUFF中读取标签AAA的信息，检查层架标志FloorFlag[FloorIndex]，如果为1表明标签有可能在第FloorIndex层，继续向下执行，否则跳到步骤S333D。
S333C.按层架索引变量FloorIndex，设置信号分配器，选通对应层架，执行标签盘点操作,检查标签AAA是否响应,如果收到该标签的响应，将临时层架标志TempFloorFlag[FloorIndex]改为1。
优选地，如果标签符合ISO15693协议，可以大大提高效率，方法为空中发送盘点指令(Inventory)时，设置参数如下:时隙数(Slot)为1，掩码长度(MASK Length)为64，掩码数值(MASK)为标签AAA的64位唯一序列号(UID)。因为盘点指定了唯一序列号(UID)，排除了其它大量标签的干扰，无需执行繁琐的防冲撞过程，因而可以快速判定标签AAA是否处于天线感应区。
S333D.层架索引变量FloorIndex加一。
S333E.检查层架索引变量FloorIndex，如果已经达到层架数目n，继续往下执行，否则跳到步骤S333B。
S333F.检查临时层架标志TempFloorFlag[]数组中n个元素的值，如果全为0，表明为仲裁而进行的本轮盘点没有检测到标签AAA，跳到步骤S334。
S333G.为缩小层架搜索范围，将BUFF中标签AAA的层架标志FloorFlag[]数组中n个元素的值用临时层架标志TempFloorFlag[]数组中对应的元素的值来替换。
S333H.再次检查BUFF中标签AAA的层架标志FloorFlag[]，如果有多个元素的值为1，表明为仲裁而进行的本轮盘点仍然有多个层架的天线检测到标签AAA，跳到步骤S335，否则，已经可以判断标签AAA所处的层架，跳到步骤S338。
S334：调整发射功率等级的下限值为当前值加一，并跳到S336；
S335：调整发射功率等级的上限值为当前值减一，并执行S336；
S336：循环计数器变量LoopCnt加一。再判断循环计数器变量LoopCnt是否小于循环次数最大值，根据算法特点，所述循环次数最大值为以2为底，发射功率等级数M的对数再加一，再检查PowerLow是否不大于PowerHigh，只有两个条件同时满足才继续往下执行，否则认为本次的层架仲裁失败，跳到步骤S338。
请注意：本步骤之所以包含对层架仲裁失败的处理，是为了保证软件流程的完整性，而不是否定本发明的效果。
S337：用算式“PowerMid＝(PowerLow+PowerHigh)/2”将发射功率等级的当前值设为上限值与下限值的中位数，并按当前值设置发射功率,然后执行S333；
S338：结束本次S330(层架仲裁)流程。
S400.在上述盘点全部标签和层架仲裁流程中，都需要设置发射功率，请参考附图9，其具体步骤为S410～S420：
S410.为方便叙述，令要求设置的发射功率等级数为a(其为自然数,最小值为1，最大值为发射功率等级数M)，在常数数组RegArray[]中查找元素RegArray[a-1]的值,并赋值给变量RegValue。
S420.对硬件电路进行操作，按RegValue的数值对数字电位器进行设置,从而设置发射功率。其具体操作要根据具体电路来进行，可能是设置相应的微控制器端口，或者通过I2C、SPI总线向数字电位器的内部寄存器写入数据等。
S500.本发明装置还支持对高频RFID图书标签中除唯一序列号(UID)之外的其它数据内容进行读写，为保证对数据内容读写的成功率，在读写数据前，一般应将发射功率设为最大，读写数据的具体流程视标签遵循的标准而定，为本领域现有技术手段，不予赘述。
请注意：根据上述软件处理方法，不难分析本发明在执行层架仲裁时，通过软件按照一定算法对发射功率不断地调整，直到有且只有一个层架的天线盘点到特定的图书标签为止，此过程重在对发射功率的变化按规律进行控制而不必苛求发射功率的具体数值，因此只要求电压精细可调电源的输出调节步距足够小，而不必苛求绝对数值精度，从而可以使本发明得到广泛的应用。
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的一些实施例，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作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。
实施例1
附图3为本实施例的完整电路框图。本实施例的高频RFID图书标签的层架定位装置包括电压精细可调电源1、微控制器2、高频RFID读卡核心电路3、信号分配器4和天线阵列5。微控制器2与电压精细可调电源1、高频RFID读卡核心电路3、信号分配器4分别电性相连；电压精细可调电源1与高频RFID读卡核心电路3之间电性相连；信号分配器4电性连接在高频RFID读卡核心电路3和天线阵列5之间。
参考附图3，本实施例中：电压精细可调电源1具有电压反馈式稳压开关电源核心电路10和分压反馈网络11。所述电压反馈式稳压开关电源核心电路10由集成电路U1及必要的外围电路组成，U1的型号为TI公司的LM22673MR-ADJ。所述分压反馈网络11由数字电位器111和电阻器R112、R113、R114进行串、并联组合构成。所述电阻器R112阻值为12KΩ,电阻器R113阻值为10KΩ,电阻器R113阻值为1500Ω。所述数字电位器111为一集成IC，型号为MAXIM公司的MAX5402EUA，其具有RH、RL、RW三个抽头，和普通电位器类似，在滑动端RW悬空的时候，RH和RL之间的电阻标称值为10KΩ，将RW同RH短接在一起，通过设置滑动端RW的位置，可以改变RH和RL之间的电阻值，也就是说所述数字电位器111在电路中的有效电阻值可变。一共256个等级，每相邻两级之间大约相差39.2Ω，理论上所述电阻值范围为0～10KΩ，实际分析数字电位器时不能忽略抽头本身的附加电阻，本实施例将RH和RL之间的电阻值修正为500Ω～10.5KΩ。符合半导体技术的特点，本实施例中RH抽头的电位不低于RL抽头的电位。MAX5402EUA还具有三线SPI接口，将SPI接口的三条控制线与微控制器2相连，可以通过软件向MAX5402EUA内部的8位寄存器写入数据，从而改变RW抽头的位置，从而调整分压反馈网络11并对所述电压精细可调电源1的输出电压进行调节。
还是参考附图3，本实施例高频RFID读卡核心电路3包括电性相连的发射电路31和接收电路32，并与微控制器2相连，所述发射电路31和接收电路32的信号公共端做为连接下一级电路的射频端口。
微控制器2内部的嵌入式软件包括标签盘点操作，具体为通过控制高频RFID读卡核心电路3按照图书标签遵循的技术协议(本实施例为ISO15693)读取被选通的层架的天线50(本实施例为四组天线中的任意一组)范围内所有图书标签的唯一序列号(UID)。
还是参考附图3，本实施例中：电压精细可调电源1的输出V_OUT连接到发射电路31的VDD电源,所述发射电路31的VDD电源电压越高，输出发射功率越大，在其它条件确定的情况下,其发射功率数值上与VDD电压的平方成正比，在其它条件确定的情况下,输出功率越大，通过天线50向空中辐射的电磁波越强，读写高频RFID标签的空间范围越大。
微控制器2内部的嵌入式软件包括设置功率操作，具体为通过软件对数字电位器111进行设置(本实施例为通过SPI总线设置MAX5402EUA内部的8位寄存器)，从而调整数字电位器111在电路中的有效电阻值(本实施例为MAX5402EUA的第8引脚和第1引脚之间的电阻值)，从而对电压精细可调电源1的输出电压(V_OUT)进行精细调节，从而对发射电路31的发射功率进行精细调节，从而对天线50向空中辐射的电磁波强度进行控制，从而对读写高频RFID标签的空间范围进行控制。
还是参考附图3，本实施例中，书架层数为4，书架宽度不超过80厘米,每个书架上设立3个天线。本实施例的天线阵列5包括4个功分器51和12个天线50。本实施例的功分器51为一分三功分器，每个所述功分器51具有1个输入端口和3个输出端口。所述天线50被分为4组，每组数目为3，同一组天线物理上位于同一层架,并且分别和同一个功分器51的其中一个输出端口电性相连，并且是同时工作的；不同组别的天线物理上位于不同的层架，并且连接不同的功分器51，并且由软件控制分时轮流工作。
还是参考附图3，在高频RFID读卡核心电路3和天线阵列5之间，还连接有信号分配器4。本实施例的信号分配器4包括信号分配控制电路41和若干电子射频开关42(附图3中用K1、K2、K3、K4表示)以及必要的辅助电路元件。所述信号分配控制电路41通过微控器接口(附图3中T411等4个NPN三极管的基极)连接微控制器2，并通过所述微控制器2上的软件控制每个所述电子射频开关42的开、关状态,同一时刻只导通一个支路。所述电子射频开关42串联在所述高频RFID读卡核心电路3和所述功分器51的输入端口之间。本实施例中每个支路用一个电子射频开关42，选用PIN二极管,型号为MACOM公司的MA4P7104-1072T。具体连接方式为：每个PIN二极管的正极与所述高频RFID读卡核心电路3的射频端口通过耦合电容电气相连，负极通过耦合电容分别连接一个功分器51的输入端口。PIN二极管用作射频开关时，对射频信号的最低工作频率和最高工作频率都有一定限制，本实施例的射频信号为13.56Mhz，MA4P7104-1072T能够满足要求。按照PIN二极管的特性，PIN二极管两端施加足够的正向直流电压时，对射频信号呈低阻抗特性，可以看作是射频开关的导通状态，当PIN二极管两端不加直流电压或施加反向直流电压时，对射频信号呈高阻抗特性，可以看作是射频开关的断开状态。
还是参考附图3，以其中一个支路为例对信号分配器4选择天线分组的具体工作方式进行说明：用NPN三极管T411和电阻器R411、电阻器R412组成一个常见的三极管开关电路，以控制PMOS管Q411的栅极电压,所述PMOS管Q411的源极和直流电压电源VCC相连，漏极串联电阻器R413和电感器L412后连在PIN二极管K1的正极，PIN二极管K1的负极连接电感器L40的一端，所述电感器L40的另一端接地。当微控制器接口为高电平时，三极管T411导通，在所述PMOS管Q411的源极和栅极之间形成电压差，Q411的源极和漏极导通，电流由电源VCC经PMOS管Q411、电阻器R413、电感器L412、PIN二极管K1和电感器L40后流到地，所述PIN二极管K1两端有符合要求的正向直流电压，对射频信号呈低阻抗特性，可以看作是射频开关的导通状态，第1组天线和射频端口(发射电路和接收电路的公共端)之间射频信号导通；当微控制器接口为低电平时，三极管T411和PMOS管Q411都为截止状态，PIN二极管K1两端没有直流偏置，对射频信号呈高阻抗特性，可以看作是射频开关的断开状态，第1组天线和射频端口之间射频信号断开。请注意电感器L412和电感器L40具有“通直流、阻交流”的特性，在参数选择合理的情况下，电感器L412和电感器L40所处的直流回路在13.56Mhz工作频段阻抗很高，对射频信号的影响可以忽略不计。本实施例中，VCC电压为4.5伏，电感器L412和L40的电感量均为10uH,电阻器R413为18欧姆，Q411的型号为VISHAY公司的SI7313DN。软件控制应确保同一时刻只导通一个支路，从而将射频信号“分配”到选中的天线分组，从而对天线层架进行选通。
微控制器2内部的嵌入式软件包括选通层架操作，具体为通过软件设置所述信号分配控制电路41(参考附图3，本实施例为设置微控制器2分别与T411等4个NPN三极管的基极电性相连的4个引脚的逻辑电平)，从而控制所述电子射频开关42(附图3中用K1,K2,K3,K4表示)的通、断(同一时刻只导通其中一个支路)，从而使高频RFID读卡核心电路3与天线阵列5的其中一个功分器51的输入端口之间呈射频低阻抗状态，并与其余功分器51的输入端口之间呈射频高阻抗状态，从而选择接通物理上位于其中一个图书层架上的p(本实施例中p的数值为3)个天线50。
微控制器2内部的嵌入式软件还包括数据通信操作,本实施例中具体为本发明装置和上位机(电脑)之间进行数据交互，通信接口为RS232串口。
本实施例微控制器2内部的嵌入式软件还包括一种高频RFID图书标签的层架定位方法，下面对其进行具体说明。为方便叙述，以C语言为例，本领域技术人员当然也可以用其它编程语言来实现，叙述中相关变量、常数、函数的命名也只是为了帮助对方法进行说明。
S100.本实施例的装置上电后，先执行初始化过程再进入循环模式工作阶段，初始化过程除了嵌入式软件的常规操作外,还包括在微控制器内定义若干全局变量和常数，并对这些数据设置初值的操作。请参考附图5,本流程包括的具体步骤为S110～S150：
S110.为方便设置功率，定义发射功率等级和相关数据,具体步骤细分为S111～S112：
S111.定义变量的C语言代码如下：
unsigned char RegValue；
说明：本实施中，根据数字电位器具体器件型号MAX5402EUA的特性，变量RegValue的有效数值为0～255，分别与数字电位器在电路中的有效电阻(本实施例为MAX5402EUA的第8引脚和第1引脚之间的电阻)的一个理论值相对应；从而与电压精细可调电源1输出电压的一个理论相对应；从而与高频RFID读卡核心电路的发射电路的发射功率的一个理论值相对应。
S112.定义常数数组的C语言代码如下：
const unsigned char RegArray[16]＝\
{216,147,110,86,70,57,48,40,34,29,24,20,17,14,11,9}；
说明：本实施中，常数数组RegArray[]是根据具体电路，分析步骤S111中所述对应关系,经过筛选、排序后设定的，其长度M的数值为16，表示发射功率等级数，数组中每个元素的数值都是RegValue具有代表性的有效数值,每个元素的数值互不相同，并且分别与本装置的一种工作状态相对应，并且对应的工作状态的发射功率按由低到高的顺序排列。
举例说明数组RegArray[]的确切含义：将RegArray[0]的数值216设置到数字电位器芯片MAX5402EUA内部的寄存器，发射功率等级数为1，对应最小功率；将RegArray[15]的数值9设置到数字电位器芯片MAX5402EUA内部的寄存器，发射功率等级数为15，对应最大功率；其它发射功率等级以此类推。
本实施例确定发射功率等级数M及数组中各个元素数值的步骤如下:
(1)根据数字电位器111(本实施例为MAX5402EUA)的特性,定义一个变量,为方便叙述,命名为“REG1”，其每个有效值与与数字电位器在电路中的有效电阻(本实施例为MAX5402EUA的第8引脚和第1引脚之间的电阻)的一个理论值相对应；从而与电压精细可调电源1输出电压的一个理论相对应；从而与高频RFID读卡核心电路的发射电路的发射功率的一个理论值相对应。
(2)列出数字电位器111(本实施例为MAX5402EUA)全部或若干个具有代表性的状态对应的变量REG1数值，并分析计算工作状态，得到第(1)步所述的对应关系，按索引号从自然数1开始依次加1的方式整理成表格，为方便叙述，将此表格称为“表1”，“表1”中最大索引号命名为“M1”。
本实施中，M1为256，对应MAX5402EUA的全部状态，表格如下：
表1 全部状态数据
Figure BDA0003326930370000141
请注意：本发明嵌入式软件处理过程中，重在对发射功率的变化按规律进行控制,“表1”重在反应发射功率的变化规律，因而允许表格中各项理论值与实际数值之间存在偏差。
(3)根据电路参数和应用场景，删除“表1”中不符合实际要求的状态，得到一个有效子集合，按索引号从自然数1开始依次加1的方式重新整理成表格，将此表格称为“表2”，“表2”中最大索引号命名为“M2”。本实施例中发射功率取值范围为2.00W～9.51W，M2为208,表格如下：
表2 删减后的状态数据
Figure BDA0003326930370000142
(4)按照功率线性变化的规律，从“表2”中筛选出M3个最具代表性的状态，并按索引号从自然数1开始依次加1的方式重新整理成表格，将此表格称为“表3”。本实施例中，M3为16，表格如下：
表3 按照功率线性变化的规律筛选后的状态数据
Figure BDA0003326930370000151
(5)将“表3”中的M3个状态，按功率越小索引号越小的原则重新排序，得到优化后的表格，称为“表4”。
表格如下：
表4 按功率越小索引号越小的原则重新排序，得到优化后的状态数据
Figure BDA0003326930370000152
Figure BDA0003326930370000161
上述中，M1,M2,M3均为大于1的自然数，并且符合：M1≥M2≥M3。
上述中，M3数值过小，在软件处理过程中功率调整步距过大，影响高频RFID图书标签层架定位的效果；反之，M3的取值过大，则功率调整步距过小，影响工作效率，导致执行时间过长。可以通过试验确定M3的取值，通常在10～32之间，本实施例的M3为16，兼顾了层架定位的效果和执行时间。
上述步骤(1)～(5)指的是软件人员在编写嵌入式软件时的思维流程，得到“表4”后，嵌入式软件中数组RegArray[]长度M即是“表4”中的最大索引号“M3”；数组RegArray[]中各个元素的数值即为“表4”中“变量REG1数值”；并且排列顺序不变。嵌入式软件本身只需要设置和使用数组RegArray[]，不需要记录和使用上述表格。
本实施例数组RegArray[]中16个元素的值依次序分别为：
216,147,110,86,70,57,48,40,34,29,24,20,17,14,11,9。
S120.定义选通层架所需的相关数据,C语言代码为：
const unsigned char n＝4；
unsigned char FloorIndex；
说明：常数n表示图书层架数目，为大于1的自然数，本实施例中图书层架数目为4。变量FloorIndex为天线分组(物理上与图书层架对应)的索引号，其最小值为0，最大值为图书层架数目n减1。本实施例中FloorIndex的有效值为0～3。
S130.设定图书标签信息的存储格式,C语言代码为：
typedef unsigned char MY_BOOL；//申明布尔变量类型
typedef struct
{
unsigned char UID[8]；//标签序列号
MY_BOOL FloorFlag[4]；//层架标志
}TagInfo；
TagInfo*pTagInfo；
说明：
结构体TagInfo用于记录每张标签的信息，其成员包括唯一序列号UID[]及层架标志FloorFlag[]。唯一序列号的数组长度由图书标签规格确定,本实施例图书标签符合ISO15693协议，序列号为64位,对应8个字节。层架标志为数目与图书层架数目n相同的一组布尔变量，本实施例书架层数为4。
举例说明层架标志的确切含义：FloorFlag[2]为1，表示标签可能但不确定位于第2层(从第0层开始，一直计数到n-1),为0则表示排除标签位于第2层的可能性,其它层以此类推。
结构体指针pTagInfo指向TagInfo类型的结构体，仅仅是为了C语言程序中方便操作数据而已。
S140.为记录图书标签总数定义全局整型变量TagCount,C语言代码为：
unsigned int TagCount；
S150.为存储所有图书标签信息,定义BUFF，C语言代码为：
unsigned char BUFF[400][12]；
说明：数据区域BUFF用于存储盘点到的标签的图书标签信息，图书标签信息按结构体TagInfo的格式存储。本实施例中，预估所有图书层架上的标签总数最大为400张,考虑软件编译器的特性，每个结构体TagInfo空间大小为12字节，因此所述BUFF的空间为400×12字节。
S200.本实施例的嵌入式软件循环模式工作阶段，收到上位机发送的通信命令后开始盘点全部标签流程。请参考附图6,其具体步骤为S210～S230：
S210.初始化相关数据，清理标签盘点历史记录，C语言代码为：
TagCount＝0；//标签总数设为0
memset(BUFF,0,400*12)；//内存区域BUFF数据清0
S220.设置功率为最大值，C语言代码为：
SetRfPower(16)；
说明：通过调用函数SetRfPower(),并指定参数为功率最大等级数M(本实施例为16)设置发射功率为最大。
S230.依次序对每个图书层架执行层架选通和标签盘点操作；如果盘到图书标签，按步骤100中设定的方式对图书标签总数和图书标签信息进行存储。具体步骤细分为S231～S234：
S231.设置层架索引变量FloorIndex值为0,C语言代码为：
FloorIndex＝0；
S232.按层架索引变量FloorIndex，设置信号分配器，选通对应层架的天线并执行标签盘点操作。
盘点到标签后，在内存区域BUFF中遍历查找是否已经存在相同的UID。
(1)如果存在相同的UID，令此标签信息在BUFF中的索引号为i(从0开始计数),则C语言代码为：
pTagInfo＝(TagInfo*)(BUFF+i*sizeof(TagInfo))；
pTagInfo->FloorFlag[FloorIndex]＝1；
说明：以上两行代码作用是修改该标签在本层的层架标志。
(2)如果BUFF中没有存储相同的UID，令此标签的UID长度为UidBytes字节(本实施例为8字节),数值保存在数组CurrentUID中，则C语言代码为：
pTagInfo＝(TagInfo*)(BUFF+TagCount*sizeof(TagInfo))；
memcpy((char*)pTagInfo->UID,(char*)CurrentUID,UidBytes)；
pTagInfo->FloorFlag[FloorIndex]＝1；
TagCount++；
说明：以上4行代码作用是将标签的信息添加到BUFF中，并执行标签总数TagCount加1操作。
S233.层架索引变量FloorIndex加一,C语言代码为：
FloorIndex++；
S234.判断层架索引变量FloorIndex是否达到层架数目n(本实施例中n为4),若是，则结束S200(盘点全部标签)流程，否则，跳转到步骤S232继续执行。
S300.本实施例的嵌入式软件循环模式工作阶段,执行完上述S200流程后，开始执行标签层架定位流程。请参考附图7,本流程具体步骤为S310～S380：
S310.定义标签索引计数整型变量i,并将初值设为0,C语言代码为：
unsigned int i＝0；
S320.从内存区域BUFF中，读取第i个标签的数据,逐一检查标签层架标志FloorFlag[]，确定该数组中是否只有一个元素为1，如果不是，表明有“窜层”现象，继续往下执行后面的步骤，否则，跳到第S360步骤。
S330.执行层架仲裁流程。
S340.再次逐一检查第i个标签的层架标志FloorFlag[],确定该数组中是否只有一个元素为1，如果不是，表明层架仲裁失败，继续往下执行第S350步骤，否则表明层架仲裁成功，已经可以确认该标签的层架，跳到第S360步骤。
S350.针对不能准确判定层架的标签进行业务处理,本实施例将标签的唯一序列号和可能的层架号,发送给与本发明装置相连的上位机，然后跳到第S370步骤。
请注意：本步骤之所以包含对层架仲裁失败的处理，是为了保证软件流程的完整性，而不是否定本实施例的效果。
S360.针对可以准确判定层架的标签进行业务处理,本实施例将标签的唯一序列号和层架号,发送给与本发明装置相连的上位机，然后继续往下执行。
S370.标签索引计数变量i加一,C语言代码为：
i++；
S380.判断标签索引计数变量i是否达到S200流程记录的标签总数TagCount,若是，则结束S300(标签层架定位)流程，否则，跳转到步骤S320继续执行。
在上述标签层架定位流程中,有可能需要执行一次或多次层架仲裁流程(即步骤S330)，本流程针对一张特定的标签(为方便叙述，称为“标签AAA”)，具体的方法为通过一次或多次设置功率并选通相应的图书层架进行标签盘点操作，逐步缩小层架搜索范围，最终确定该标签所处的层架。请看附图8，本流程具体步骤细分为S331～S338：
S331.其C语言代码为：
unsigned int LoopCnt＝0；//循环计数器变量
MY_BOOL TempFloorFlag[4]；//临时层架标志
unsigned char PowerHigh＝16；//发射功率等级上限值
unsigned char PowerLow＝1；//发射功率等级下限值
unsigned char PowerMid＝1；//发射功率等级当前值
说明：
为执行循环操作，定义循环计数器整型变量LoopCnt和临时层架标志TempFloorFlag[]，并设置LoopCnt初值为0。
TempFloorFlag[]为数目与图书层架数目n(本实施例中n为4)相同的一组布尔变量，含义与步骤S130中定义的层架标志FloorFlag[]类似，只不过TempFloorFlag[]仅仅记录最近一轮盘点有哪些层架盘到了标签AAA。
为调整发射功率，定义三个整型变量PowerHigh、PowerLow、PowerMid,分别表示发射功率等级的上限值、下限值和当前值，其最小值为1，对应本发明装置最小发射功率，最大值为发射功率等级数M(本实施例M为16),对应本发明装置最大发射功率。
S332.设置发射功率为最小值,C语言代码为：
SetRfPower(1)；
说明：通过调用函数SetRfPower(),并指定参数为功率最小等级数1设置发射功率为最小。
S333.本步骤再细分为S333A～S333H：
S333A.其C语言代码为：
memset(TempFloorFlag,0,4)；
FloorIndex＝0；
说明：将临时层架标志TempFloorFlag中n(本实施例n为4)个元素数值设为0,层架索引变量FloorIndex值设为0。
S333B.从内存区域BUFF中读取标签AAA的信息，检查层架标志FloorFlag[FloorIndex]，如果为1表明标签有可能在第FloorIndex层，继续向下执行，否则跳到步骤S333D。
S333C.按层架索引变量FloorIndex，设置信号分配器，选通对应层架，执行标签盘点操作,检查标签AAA是否响应,如果收到该标签的响应，置位相应的临时层架标志。所述置位相应的临时层架标志的C语言代码为：
TempFloorFlag[FloorIndex]＝1；
本实施例的标签符合ISO15693协议，在空中发送盘点指令(Inventory)时，设置参数如下:时隙数(Slot)为1，掩码长度(MASK Length)为64，掩码数值(MASK)为标签AAA的64位唯一序列号(UID)。因为盘点指定了唯一序列号(UID)，排除了其它大量标签的干扰，无需执行繁琐的防冲撞过程，因而可以快速判定标签AAA是否处于天线感应区，从而大大提高效率。
S333D.层架索引变量FloorIndex加一,C语言代码为：
FloorIndex++；
S333E.检查层架索引变量FloorIndex，如果已经达到层架数目n(本实施例n为4)，继续往下执行，否则跳到步骤S333B。
S333F.检查临时层架标志TempFloorFlag[]数组中n(本实施例n为4)个元素的值，如果全为0，表明为仲裁而进行的本轮盘点没有检测到标签AAA，跳到步骤S334。
S333G.令标签AAA的标签信息在BUFF中的索引号为i(从0开始计数),则C语言代码为：
pTagInfo＝(TagInfo*)(BUFF+i*sizeof(TagInfo))；
memcpy(pTagInfo->FloorFlag,TempFloorFlag,4)；
说明：以第j层(从第0层开始，一直计数到n-1)为例，在步骤S333B～S333C中，必须满足pTagInfo->FloorFlag[j]为1，才会对第j层进行盘点，数组TempFloorFlag[j]才有机会被置1。上述C语言代码用临时层架标志TempFloorFlag[]数组中的n(本实施例n为4)个元素的值分别替换BUFF中标签AAA的层架标志FloorFlag[]数组中的对应元素的值，层架搜索范围通常会缩小，而绝不会进一步扩大。
S333H.再次检查BUFF中标签AAA的层架标志FloorFlag[]，如果有多个元素的值为1，表明为仲裁而进行的本轮盘点仍然有多个层架的天线检测到标签AAA，跳到步骤S335，否则，已经可以判断标签AAA所处的层架，跳到步骤S338。
S334：先执行C语言语句：
PowerLow＝PowerMid+1；
说明：因为本轮盘点中，标签AAA已经发生“漏读”，上述语句调整发射功率等级的下限值为当前值加一,准备加大发射功率。
然后跳到S336；
S335：先执行C语言语句：
PowerHigh＝PowerMid-1；
说明：因为本轮盘点中，标签AAA还是发生“窜层”，上述语句调整发射功率等级的上限值为当前值减一,准备减小发射功率。
然后执行S336；
S336：先执行C语言语句：
LoopCnt++；
然后判断循环计数器变量LoopCnt是否小于循环次数最大值，根据算法特点，本实施例循环次数最大值为5，再检查PowerLow是否不大于PowerHigh，只有两个条件同时满足才继续往下执行，否则认为本次的层架仲裁失败，跳到步骤S338。
请注意：本步骤之所以包含对层架仲裁失败的处理，是为了保证软件流程的完整性，而不是否定本发明的效果。
S337：先执行C语言语句：
PowerMid＝(PowerLow+PowerHigh)/2；
SetRfPower(PowerMid)；
说明：上述语句将发射功率等级的当前值设为上限值与下限值的中位数，并按当前值设置发射功率。
然后执行S333；
S338：结束本次层架仲裁流程。
S400.在上述盘点全部标签和层架仲裁流程中，都需要设置发射功率，请参考附图9，其具体步骤为S410～S420：
S410.为方便叙述，令要求设置的发射功率等级数为a,其为自然数,最小值为1，最大值为流程S100中定义的发射功率等级数M(本实施例M为16)，在常数数组RegArray[]中查找元素RegArray[a-1]的值,并赋值给变量RegValue。
S420.对硬件电路进行操作，按RegValue的数值对数字电位器进行设置,从而设置发射功率。本实施例设置数字电位器的操作具体为通过SPI总线将所述数值写入到数字电位器芯片MAX5402EUA的内部寄存器。
步骤S410～S420综合起来，C语言代码如下：
void SetRfPower(unsigned int a)
{
RegValue＝RegArray[a-1]；
SpiWriteReg(RegValue)；
}
S500.本实施例的装置还支持按上位机通过通信命令指定的参数对高频RFID图书标签中除唯一序列号(UID)之外的其它数据内容进行读写。为保证对数据内容读写的成功率，在读写数据前，将发射功率设置为最大值。读写数据具体流程为本领域现有技术，不予赘述。
实施例2
参考附图4，本实施的电压精细可调电源1与实施例1有所区别，电压反馈式稳压开关电源核心电路由集成电路U1及必要的外围电路组成，U1的型号为EXAR公司的XR76205EL-F,其最大输出电流比实施例1中的LM22673MR-ADJ大，因而可以输出更大的功率。本实施例中数字电位器111型号仍为MAXIM公司的MAX5402EUA，但连接方式有所改变,本实施例中将RW和RL短接，因此软件通过SPI接口设置的寄存器数值越大，RH和RL之间的电阻值越小，并且分压反馈网络由数字电位器111和电阻器R112、R114组成，相比实施例1，少了电阻器R113。本实施例仍然可以通过软件来改变RW抽头的位置，从而调整分压反馈网络11并对电压精细可调电源1的输出电压进行调节,从而调整高频RFID读卡核心电路3的发射电路31的发射功率。本实施例的工作流程和软件方法与实施例1类似，不予赘述。

Claims (8)

1.一种高频RFID图书标签的层架定位装置；所述装置包括电压精细可调电源(1)、微控制器(2)、高频RFID读卡核心电路(3)、信号分配器(4)和天线阵列(5)；其特征在于：
所述电压精细可调电源(1)包括电性相连的电压反馈式稳压开关电源核心电路(10)和分压反馈网络(11)；所述分压反馈网络(11)包括至少一个数字电位器(111)和至少一个电阻器；所述数字电位器(111)具有微控制器接口，并通过所述微控制器接口与所述微控制器(2)电性相连；
所述高频RFID读卡核心电路(3)包括电性相连的发射电路(31)和接收电路(32)；所述高频RFID读卡核心电路(3)与所述微控制器(2)电性相连；
所述天线阵列(5)包括n个功分器(51)和物理上分布在n个图书层架的n×p个天线(50)；每个所述功分器(51)具有一个输入端口和p个输出端口；位于同一所述图书层架的p个所述天线(50)分别电性连接同一个所述功分器(51)的其中一个所述输出端口；所述n、p均为不小于2的自然数；
所述信号分配器(4)包括信号分配控制电路(41)及若干电子射频开关(42)；所述信号分配控制电路(41)与所述微控制器(2)电性相连，并通过所述微控制器(2)上的软件控制每个所述电子射频开关(42)的开、关状态；所述电子射频开关(42)串联在所述高频RFID读卡核心电路(3)和所述功分器(51)的输入端口之间；
所述电压精细可调电源(1)与所述高频RFID读卡核心电路(3)电性相连；所述电压精细可调电源(1)的输出电压越高，所述高频RFID读卡核心电路(3)的发射电路(31)的发射功率越大；
所述微控制器(2)内部固化了专门的嵌入式软件，所述嵌入式软件包括设置功率、选通层架、标签盘点及数据通信的操作；所述设置功率具体为通过设置所述数字电位器(111),从而调整所述电压精细可调电源(1)的输出电压，从而调整所述高频RFID读卡核心电路(3)的发射电路(31)的发射功率；所述选通层架具体为通过控制所述信号分配器(4)的所述电子射频开关(42)，使所述高频RFID读卡核心电路(3)与所述天线阵列(5)中的一个功分器(51)的输入端口之间呈射频低阻抗状态，并与其余所述功分器(51)的输入端口之间呈射频高阻抗状态，从而选择接通物理上位于其中一个图书层架上的所述天线(50)；所述标签盘点具体为通过所述装置读取被选通的层架的所述天线(50)范围内所有图书标签的唯一序列号；所述数据通信具体为所述装置与其它设备之间进行数据交互；所述嵌入式软件还包括高频RFID图书标签的层架定位方法。
2.一种如权利要求1所述的层架定位装置的层架定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S100：先执行装置初始化，再进入循环模式工作阶段；所述装置初始化包括如下具体步骤：
S110：定义发射功率等级和相关数据；
S120：定义选通层架所需的相关数据；
S130：设定图书标签信息的存储格式，所述图书标签信息包括每个图书标签的唯一序列号和层架标志；所述层架标志具体的记录该图书标签物理上可能位于哪些图书层架；
S140：为记录图书标签总数定义相关数据；
S150：为存储所有图书标签信息准备相应数据存储空间；
S200：在循环模式工作阶段，按需进行盘点全部标签操作,然后执行S300；
所述盘点全部标签操作包括如下具体步骤：
S210：初始化相关数据，清理标签盘点历史记录；
S220：设置功率为最大值；
S230：依次序对每个图书层架执行层架选通和标签盘点操作；如果盘到图书标签，按S100中设定的方式对图书标签总数和图书标签信息进行存储；
S300：执行标签层架定位流程；具体的方法为：遍历读取通过S200盘到的所有标签的图书标签信息，根据每个标签的层架标志进行判断；如果只有一个层架的天线盘到该标签，可以直接确定该标签的层架，否则针对该标签执行S330；
S330：执行层架仲裁流程；具体的方法为通过一次或多次设置功率并选通相应的图书层架进行标签盘点操作，逐步缩小层架搜索范围，最终确定该标签所处的层架。
3.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：所述S110包括如下：
S111：定义描述数字电位器设置状态的数据变量；
S112：根据所述装置的具体电路，分析所述数字电位器的设置状态与数字电位器在电路中的有效电阻的理论值、电压精细可调电源的输出电压的理论值、高频RFID读卡核心电路的发射电路的发射功率的理论值之间的对应关系；经过筛选和排序设定M个常数，对应M个发射功率等级，其每个数值都是S111中所述数据变量具有代表性的有效数值；所述M为不小于2的自然数。
4.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：
所述S330层架仲裁流程包括如下具体步骤：
S331：为执行循环操作定义并初始化数据；为调整发射功率等级定义上限值、下限值、当前值，并且分别设置初值，其中当前值和下限值初值相同；
S332：设置发射功率为最小值；
S333：根据本次所述层架仲裁流程针对的标签的图书标签信息中的层架标志，确定操作的层架范围，依次序选通相应的图书层架进行一轮图书标签盘点操作；如果没有盘点到该标签，执行S334，否则先依据本轮盘点结果修改所述层架标志以缩小层架搜索范围，然后再进行分析；如果有且只有一个层架的天线盘点到该标签，本次层架仲裁成功，执行S338，如果有两个或两个以上层架的天线盘点到该标签，则执行S335；
S334：调整下限值为当前值加一，并跳到S336；
S335：调整上限值为当前值减一，并执行S336；
S336：依据S334或S335的执行次数和上限值、下限值进行判断，如果满足中止条件，执行S338，否则执行S337；
S337：调整当前值为上限值与下限值的中位数，并按当前值设置发射功率,然后执行S333；
S338：结束本次层架仲裁流程。
5.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：所述S120定义相关数据包括：设定层架数目、定义层架索引号。
6.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：所述层架标志为一组布尔变量,数目与图书层架数目相同。
7.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：所述方法还包括S400设置发射功率，具体方法如下：
S410：依据需要设置的发射功率等级数和步骤S110设定的数据，确定数字电位器的设置状态；
S420：操作硬件电路，对所述数字电位器进行设置。
8.如权利要求2所述的层架定位方法，其特征在于：图书标签遵循ISO15693协议，步骤S333进行图书标签盘点操作时，为提高效率指定标签的唯一序列号，具体为按ISO15693协议在空中发送盘点指令时，设置时隙数为1，掩码长度为64，掩码数值为本次层架仲裁针对的标签的64位唯一序列号。
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