CN115801060A - 与rfid应答器通信 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及与RFID应答器通信。提出了一种用于与至少一个RFID应答器(12)通信的RFID设备(10)，它具有用于发射和接收RFID信号的发射器(16a)、接收器(16b)、发射天线(14a)和接收天线(14b)以及控制和评估单元(18)，该控制和评估单元(18)被设计用于在多个频率信道的相应一个频率信道中发射和接收RFID信号，特别是根据RFID协议，将RFID信息编码在RFID信号中和/或从RFID信号读取RFID信息，并根据用于发射和接收的频率信道来进行RFID信号的强度调整。

Description

与RFID应答器通信
本发明涉及根据权利要求1或12的前序部分的用于与至少一个RFID应答器通信的RFID设备和方法。
RFID系统用于识别对象和物品，并且另外还用于使物流传送自动化。在识别点处，特别是当物品的所有者发生变更或运输工具发生变更时，读取固定在物品上的RFID应答器，并且如有必要将信息写回到该应答器中。这导致了快速且可追溯的物流传送。使用所检测到的信息，控制货物和产品的输送、储存和分类。
RFID应答器受到读写系统(也称为询问器)的电磁辐射的激发，以辐射所存储的信息，其中无源应答器从读取系统的发射能量中获取必要的能量，而不太常见的有源应答器拥有自己的电源。在已建立的超高频标准EPC GEN2 UHF RFID(其空中接口在ISO180000-6中定义)中，根据反向散射方法读取无源应答器。
RFID设备在RFID允许的频段内的不同频率信道中进行通信。分别动态地确定用于特定通信的频率信道，以便可以避开其他信号，特别是能够实现与不同RFID应答器的通信。传统上，RFID设备的发射能量被统一设置，使得在所有可用的频率信道中并且在所需的读取范围之内，都可以与RFID应答器通信。这种情况发生在不超过最大允许发射功率的边界条件下。
然而事实上，由于RFID设备和RFID应答器中参与的天线的特性，有效发射功率和由此发射强度以及接收强度是与频率相关的，即它们在频率信道之间的差别很大。与频率信道无关的固定设置的发射能量并不能很好地解决这个问题。这是迄今为止未被注意到且未加以补偿的影响。
有许多与此相关的问题。一方面，固定的发射功率导致频率信道的读取范围不同。根据固定的发射功率适用于哪个频率信道，存在太弱或太强的频率信道。在太弱的频率信道中，RFID应答器无法在整个指定范围内被读取。反过来，在太强的频率信道中，为支持弱频率信道而被扩大的安全裕度会产生额外的超范围，在该超范围下可能会检测到不期望的远处的RFID应答器，或者会产生或放大与相邻设备的交互。此外，在一些RFID系统中，接收的信号强度(RSSI，接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator))用于确定距离并进行分配。在这里，通过频率信道的信号强度的失真形成了附加的误差源。
因此，本发明的任务在于改进RFID设备的调整。
该任务通过根据权利要求1或12的用于与至少一个RFID应答器通信的RFID设备和方法来实现。RFID设备也被称为询问器、RFID阅读器或RFID读写设备，因为优选地RFID设备能够读取和写入。发射器通过发射天线发出发射信号，该发射信号通过接收天线由接收器再次接收。发射器和接收器可以被共同构造成收发器，并且可以设置共同的发射-接收天线。
控制和评估单元为相应地发射且再次被接收的RFID信号选择多个频率信道之一。可用的频率信道总数在法规上、技术上和可能的特定应用中预先规定。优选地，通过发射和接收RFID信号，与RFID应答器交换信息，即RFID信息被编码在发射的RFID信号中，该信息将被传送给RFID应答器或存储在那里或利用该信息提出特定请求，或者从接收到的RFID信号中读取RFID应答器的RFID信息。特别是在UHF RFID的情况下，发射信号用于向RFID应答器提供信息，该RFID应答器使用请求的信息修改返回的RFID信号。
本发明基于以下基本思想：在各种频率信道之间实现相当的强度。为此，根据频率信道执行RFID信号的强度调整。强度在这里是代表性地选择的术语，它还包括通过RFID信号的幅度、发射功率和/或接收功率以及其他这样的等效物理变量对信号强度的可替代描述。优选地，控制和评估单元知晓频率信道的强度的相对差异或用于强度调整的相应校正值，并且这对于多个相似的频率信道是成组进行的，直到对于每个频率信道都是单独进行的。根据实施方式，强度调整以可以相互组合的各种方式进行，例如在发射侧和/或接收侧、物理上和/或数学上以及取决于RFID设备和/或RFID应答器的天线特性进行。
本发明的优点在于，范围在所有频率信道之间变得更加相似或相同。与非系统RFID设备、RFID应答器或其他系统的交互较少。现在，可以更有针对性地调整发射功率，以便仅使用必要的功率，并且不会超过可能或允许的功率。基于信号强度的滤波或分配变得更加可靠。所提及的优点在RFID设备或RFID应答器的窄带天线的情况下更加明显，因为在没有根据本发明的强度调整的情况下，频率信道之间差异通常会特别明显。
优选地，RFID设备被设计用于根据ISO180000-6的UHF范围。这是一个日益成熟且因此高度相关的标准。优选地，频率信道设定在(欧洲)ETSI频段或(美国)FCC频段中。ETSI在865-868MHz之间每200KHz设置15个信道，而FCC在902-928MHz之间每500KHz设置52个信道。频率信道的数量和它们总体覆盖的带宽越大，在没有根据本发明的强度调整的情况下可能出现的偏差就越大。因此，本发明可以在FCC频段中特别良好地发挥其优势。
优选地，控制和评估单元被设计用于根据发射天线在频率信道上的天线特性来调整发射天线的发射功率。这优选地仍受制于遵守允许的最大限度的边界条件。发射天线或其天线特性是频率信道之间强度不同的第一可能源。RFID设备的自身发射天线的特性在开发过程中就是已知的，因此可以独立于待读取的RFID应答器和应用情况进行补偿。由此，特别是在不同的频率信道中实现了相同的实际发射功率，也就是说，发射天线的天线特性被有效地平坦化。
优选地，控制和评估单元被设计用于根据接收天线在频率信道上的天线特性来调整所接收的RFID信号的增益。现在指的是接收侧，在其他情况下关于发射天线及其天线特性的考虑是可以转移的。如果有共同的发射-接收天线，则在接收RFID信号时仍应考虑天线特性的影响。
优选地，控制和评估单元被设计用于调整所接收的RFID信号的测量强度，特别是RSSI(接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator))值。优选地，现在是计算上的校正，而不是之前的物理上的校正。这可以防止相应使用的频率信道使RSSI值失真。由此，基于RSSI值的滤波和分配变得更加可靠，因为例如可以设置共同的阈值，超过或低于该阈值将不再依赖于频率信道。
优选地，控制和评估单元被设计用于根据RFID应答器的天线特性在所使用的频率信道中进行强度调整。由RFID应答器发回的RFID信号也表现出迄今为止在现有技术中未考虑到的与频率信道的相关性。RFID设备可以对此进行补偿，为此，至此提到的措施中的每一个或其任意组合都特别适合。特别地，RFID应答器具有金属基板(在金属上(on-metal))，因此，未根据本发明调整的强度在频率信道之间将有特别大的差异。
对发射天线、接收天线、应答器天线的天线特性的所提及的调整或RSSI的校正可以单独地、全部共同地或以任何中间组合的方式进行。
优选地，控制和评估单元被设计用于借助于强度调整提供至少基本上与所使用的频率信道无关的强度。换言之，强度调整的目标是在所有频率信道上保持相同的强度，这在实践中不必或不能完美地实现。因此，强度调整确保了先前较弱的频率信道得到加强和/或先前较强的频率信道得到削弱。如所讨论的，频率信道被设计成不同的弱或强的原因可能存在于发射天线、接收天线和相关联的模拟电路中和/或存在于具有其应答器天线的RFID应答器中。强度调整又优选地通过所提及的措施之一或其组合进行。
优选地，控制和评估单元被设计用于使强度调整与最弱的频率信道对齐(ausrichten)。这是在其他相同条件下将接收到最弱的RFID信号或确定最低的RSSI以及将实现最小的读取范围的频率信道。在该最弱的频率信道中，强度应足以满足指定的读取范围，甚至更低的强度可能会导致读取失败。根据现有技术，为了保障在最坏的情况下在最弱的频率信道中的最小范围，其他频率信道将以过高的强度操作，这将产生具有所有开头提及的问题的超范围(
Figure BDA0003808499600000041
berreichweite)。另一方面，根据本发明，可以通过强度调整来削弱其余的信道，以避免这些问题。
优选地，控制和评估单元被设计用于确定在不同的频率信道中与RFID应答器通信时所接收的RFID信号的强度。这用于示教或校准强度调整或确定相应的校正值，并且优选地使用固定读取范围内的已知RFID应答器预先完成。确定可以针对特定设备或通常仅针对特定类别的RFID设备和/或RFID应答器执行，并且这可以直接在应用现场或更早地(例如，在最后加工中)执行。测量出频率信道中的强度相对于彼此的行为表现。为此优选地，在操作期间原则上可以进行通信的所有频率信道中进行测量。然而，也可以设想，从较少的频率信道进行内插，或者从几个插值点(Stützstelle)估计强度与频率信道的相关性。作为测量的可替代方案，可以设想的是，使强度调整以在计算上或通过模拟获得的(特别是发射天线、接收天线和/或应答器天线的天线特性的)预测为基础。测量的优点在于，所有实际的系统属性都会被记录下来，并且在应用地点进行测量时甚至特定应用的影响因素都会被记录下来。
优选地，控制和评估单元被设计用于通过对一类型的RFID应答器的参数化来确定每个频率信道所需的强度调整。相应地，针对RFID应答器的类型存储强度调整或校正值，这些强度调整或校正值通过参数化来选择。存储的强度调整可以具有任意格式，例如强度调整与频率的函数关系或查找表(LUT，Lookup Table)。
优选地，控制和评估单元被设计用于通过从RFID应答器读取强度调整信息来确定每个频率信道所需的强度调整。因此，RFID应答器知晓它自己的天线特性或由此在频率信道中产生的强度差异，并根据请求将该信息传递给RFID设备。与上一段中所阐述的参数化一样，该信息的格式可以根据实施方式而变化，例如，可以是通过一些参数(例如，最大值和带宽)对应答器天线特性的简单描述，或者是每个频率信道都有一个值的完整特性，或者已经传送了频率信道之间相适应的校正值。
为了基于RFID应答器类型进行参数化，或者为了使RFID应答器可以传送所需的强度调整，必须预先在某个点确定频率信道的相对强度。对此，可以设想上述的所有选项，包括测量或校准、建模和模拟。然而，这可以外包(auslagern)，例如外包到最终生产中，甚至外包到RFID设备的开发中。
根据本发明的方法可以用类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。
在此优选地，通过测定在不同频率信道中接收的RFID信号的强度来预先确定每个强度信道所需的强度调整。优选地，这在其他条件相同时，特别是在与固定位置的相应的同一RFID应答器通信时，通过改变频率信道来完成。如已陈述的，这可以设想为代表了一类别或一类型的RFID设备和/或RFID应答器，但也可以设想为代表了特定设备或甚至具体应用的RFID设备和/或RFID应答器。
附图说明
下面将示例性地基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
图1示出了在读取范围内有RFID应答器的RFID设备的示意概览图；
图2示出了RFID应答器的示例性频率特性；
图3示出了不同RFID应答器的频率特性的比较；以及
图4示出了在不同频率信道中强度调整的实施方式的示意图。
图1示出了RFID设备10的示意概览图和示例性地布置在该RFID设备的读取范围内的RFID应答器12。在该实施方式中，RFID设备10具有单独的发射天线14a和接收天线14b，其中发射器16a通过发射天线14a辐射RFID信号，或者接收器16b通过接收天线14b再次接收RFID信号。在硬件侧分离成发射信道和接收信道在实践中也是可以设想的，但主要用作概念性的表示，以便分别阐述对发射侧和接收侧的影响。在其他实施方式中，共同的发射-接收天线代替单独的发射天线14a和接收天线14b和/或收发器代替发射器16a和接收器16b。
控制单元18(例如，具有诸如微处理器或FPGA(现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array))的数字模块)控制RFID设备10中的过程，并且能够将RFID信息编码为RFID信号或者从RFID信号中读取RFID信息。有线或无线的连接件20用于将RFID读取设备10并入(einbinden)到更高级别的系统中。
具体地，通信优选地根据已知的RFID协议(特别是ISO 18000-6或EPC GEN2 UHFRFID)进行，并且为此所需的步骤和部件本身是已知的。超出粗略功能块的RFID读取设备10的确切结构也被假定为已知的，该RFID读取设备仅以这种形式纯示意性地示出，并且可替代地，可以假定所阐述的元件的任何其他已知的布置。
RFID通信发生在多个频率信道中的一个频率信道上。例如，在865-868MHz的ETSI频段中提供了15个频率信道，在902-928MHz的FCC频段中提供了52个频率信道。RFID信号的发射和接收强度以及因此读取范围随频率而变化，因此在频率信道中有所不同。这种频率行为(Frequenzverhalten)有几个可能的原因。原因包括发射天线14a、接收天线14b和RFID应答器12的应答器天线的频率特性。RFID设备10和RFID应答器12的具体应用环境和布置及其材料也会影响频率行为。
图2示例性地示出了具有金属基板(在金属上(on-metal))的RFID应答器在FCC频段内与RFID信号的频率相关的读取范围。大约在905MHz时该RFID应答器的最大读取范围约为6.5m。915MHz时的最大值将更适合与FCC频段的最佳协调，因为读取范围在FCC频段的上限会减小到约4m。
由于传统上只总体上调整发射功率，只能向上或向下重新缩放整条曲线。这会导致在弱的频率信道中的读取失败或在强的频率信道中的超范围。另一方面，根据本发明，可以实现对每个频率信道进行强度调整，通过该强度调整使曲线平坦化。因此，这允许在所有频率信道中实现统一的读取范围。强度、信号强度和读取范围是相互关联的。因此，当谈到强度调整时，这意味着对相关联的变量的调整，而无需在每一点上都具体表述这一点。
强度的频率依赖性部分地基于RFID设备10的特性，特别是发射天线14a和接收天线14a的天线特性。其应答器天线也具有天线特性的应答器也对强度的频率特性贡献了一部分，因此根据当前频率信道也返回或多或少的强度。
图3以与图2类似的示图示出了多个不同的RFID应答器的与频率相关的读取范围。虚线曲线对应于良好协调的ETSI应答器。这里几乎不需要采取行动，曲线在ETSI频段内已经基本上是平坦的。然而，这种RFID应答器在FCC频段中只能在小范围内被读取，并且不适合于此。实线对应于尝试在ETSI频段和FCC频段之间进行全局协调的RFID应答器，但实现这一目标的代价是频率信道之间的变化非常大。特别地，在FCC频段内读取范围从7m减小到3.5m。点状曲线在一定程度上减轻了这些效果，但在FCC频段中仍然显示出介于6.5m和4.5m之间的值。可以补充图2的FCC频段的应答器，该应答器尽管与FCC频段非常协调，但仍然显示出从6.5m减小到4m。
为了找到合适的强度调整，控制和评估单元18可以首先补偿自身的天线14a-14b的频率特性。对于特定类型的RFID设备10，其频率特性在开发中就是已知的，因此可以以补偿的方式针对每个频率信道降低或升高发射功率。另一可设想的措施是例如通过校正RSSI值，调整接收侧的增益或对接收侧在计算上进行补偿。RFID应答器12的频率特性也可以从数据表中获知，或者可以根据类型进行测量然后进行相应的补偿。
还可以设想的是，通过在固定的发射能量下，依次通过不同的频率信道与特定的RFID应答器通信并测量接收强度，来测量出由RFID设备10和RFID应答器12组成的RFID系统。由此，允许根据经验确定类似于图2和图3的曲线。即使在特定的RFID系统的应用场所，也可以针对该RFID系统单独执行这种测量，但也可以在实验室中针对特定类型的RFID设备10和/或RFID应答器12执行这种测量。在一实施方式中，为此设置了示教或校准阶段，在该示教或校准阶段中执行这些测量。可替代地，这预先独立进行，并且针对特定类型的RFID应答器12存储结果。然后，可以随后对RFID设备10进行参数化，即可以设置应答器类型。在进一步的可替代方案中，RFID应答器12借助于RFID通信来传递对于强度调整所需的信息。
因此，频率信道的相对强度是已知的，并且它们可以被校正到一个共同的水平。仍然可以自由选择该共同的水平。对此又存在多种可能性，例如利用最大允许的发射能量，其结果是由最弱的信道指定的最大读取范围，而不会像现有技术中那样将超范围强加于其他信道。优选地，如现在对示例性的具体实施例所阐述的，共同的水平被协调成使得最弱的信道达到指定的读取范围。
图4示意性地示出了在这里例如为八个的频率信道的强度调整。最弱的频率信道确定了可以达到目标读取范围的共同的水平。为此，例如在通过最弱的频率信道进行通信时改变发射功率，直到可以与读取范围内的RFID应答器12进行稳定的通信。
在所有其他频率信道中，如箭头所示，根据已知的频率特性降低强度或校正RSSI。由此，在这里仅实现了所需的读取范围并避免了超范围。强度和由此的读取范围对相应使用的频率信道的依赖性得以消除。在此，如图4所示的完全水平化只是期望的理想状态，即使是部分平坦也已经是相当大的优势了。
图4仅示出了一个优选实施例。可以设想的是，甚至可以有意地偏离所示的平坦，例如为了使频率信道可用，该频率信道在需要的情况下具有更大的读取范围。此外，虽然是有利的，但没有必要将共同的水平与最弱的信道对齐。

Claims (13)

1.一种用于与至少一个RFID应答器(12)通信的RFID设备(10)，所述RFID设备(10)具有用于辐射和接收RFID信号的发射器(16a)、接收器(16b)、发射天线(14a)和接收天线(14b)以及控制和评估单元(18)，所述控制和评估单元(18)被设计用于在多个频率信道的相应一个频率信道中发射和接收RFID信号，特别是根据RFID协议将RFID信息编码到所述RFID信号中和/或从所述RFID信号中读取RFID信息，
其特征在于，
所述控制和评估单元(18)还被设计用于根据针对发射和接收所使用的频率信道来进行所述RFID信号的强度调整。
2.根据权利要求1所述的RFID设备(10)，
其中，所述RFID设备(10)被设计用于根据ISO180000-6的UHF范围，其中特别地所述频率信道被设定在ETSI频段或FCC频段中。
3.根据权利要求1或2所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于根据所述发射天线(14a)在所述频率信道上的天线特性来调整所述发射天线(14a)的发射功率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于根据所述接收天线(14b)在所述频率信道上的天线特性来调整所接收的RFID信号的增益。
5.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于调整所接收的RFID信号的测量强度，特别是RSSI值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于根据所述RFID应答器(12)的天线特性在所使用的频率信道中进行所述强度调整。
7.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于借助于所述强度调整提供至少基本上与所使用的频率信道无关的强度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于使所述强度调整与最弱的频率信道对齐。
9.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于确定在不同的频率信道中与RFID应答器(12)通信时所接收的RFID信号的强度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于通过对一类型的RFID应答器(12)的参数化来确定每个频率信道所需的强度调整。
11.根据前述权利要求中任一项所述的RFID设备(10)，
其中，所述控制和评估单元(18)被设计用于通过从RFID应答器(12)读取强度调整信息来确定每个频率信道所需的强度调整。
12.一种用于与至少一个RFID应答器(12)通信的方法，其中，在多个频率信道的相应一个频率信道中，发射器(16a)通过发射天线(14a)辐射RFID信号，并且通过接收天线(14b)在接收器(16b)中接收所述RFID信号，其中特别地根据RFID协议将RFID信息编码到所发射的RFID信号中和/或从所接收的RFID信号中读取RFID信息，
其特征在于，
根据针对发射和接收所使用的频率信道进行所述RFID信号的强度调整。
13.根据权利要求12的方法，
其中，通过测定所接收的RFID信号在不同频率信道中的强度，预先确定每个强度信道所需的强度调整。
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