CN1890675A - 用于rfid应答器的读取器及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

一种RFID读取器系统包括：一个或多个收发器模块(10)，用于与多个RFID标签通信；控制单元(8)，具有用于向所述一个或多个收发器模块(10)提供基准频率的基准频率生成器；控制总线(16)，将控制单元(8)连接到所述一个或多个收发器模块(10)，以便与所述一个或多个收发器模块(10)通信，以及控制单元(8)具有允许控制单元与应用主机系统通信的通信端口。控制单元(8)向所述收发器模块提供公共基准频率。本发明还涉及一种读取标签的方法，该方法包括以下步骤：向多个收发器模块提供公共基准频率；以及从控制单元(8)控制至少一个收发器模块(10)读取多个标签中的一个或多个。

Description

用于RFID应答器的读取器及相应的方法
技术领域
本发明涉及射频识别，更具体地说，本发明涉及用于读取应答器(transponder)或射频识别标签的RFID方法和读取器系统。
背景技术
射频识别系统(RFID)包括还被称为询问器或扫描器的读取器和多个被称为应答器或电子标签的标签。为低成本应用而设计的用于标识或跟踪物品的系统可使用所谓的无源标签，其依靠从读取器发射的能量场来提供其运行功率并提供载波信号，无源标签可对载波信号使用变化阻抗调制(varying impedance modulation)以传递其标识或发射其能量用于由读取器接收。这种调制形式通常被称为反向散射调制。
无源标签可以可选地与电池结合以提供能量来为标签上的电路供电，而其依靠反向散射调制来发射其标识。这些标签被称为有电池辅助的无源标签。采用这些类型的标签以在大于1米的范围中进行通信的RFID标签系统被设计以在UHF或微波频段运行，通常是在433MHz或860MHz至960MHz或2.45GHz的区域中的频率。然而这些频率并非是用于RFID系统的仅有的频率。
使用各种通信协议以使得能够读取在读取器的运行场中出现的多个标签。这些协议被称为仲裁(arbitration)协议，也被称为冲突仲裁或防冲突协议。这些协议可使用Aloha hold-off和retry arbitration或tree walking或binary search协议以仲裁出现的标签的群体。国际标准ISO/IEC FCD 18000描述了多个以不同运行频率使用的这样的系统。标签可被贴到物品上，例如清洁剂或化学制品的瓶子、衣服制品、马达零件、电子组件、纸箱、用于运输易腐烂食物的塑料箱、货盘、滚柱罩或可想象的任何其它物品。
标签还可被嵌入在消费产品或其它物品中以提供寿命周期跟踪和管理。标签所贴到的物品影响标签的射频性能或标签可被读取的方向或标签的运行范围。为了读取标签，在许多情况下读取器系统必须被配置作为入口读取器，在入口读取器中，各个读取器天线被安装在入口周围以向标签提供足够的信号电平或允许从标签接收反向散射信号。在这样的系统中的天线可被切换或复用，以提供比单个天线能够提供的辐射角度更宽的辐射角度或比单个天线能够提供的读取器容积(volume)更大的读取器容积，如在题为“A Reader Arrangement foran Electronic Identification System Having a Plurality of ReaderHeads for Energising Transponders”的US 6,367,697中被描述的那样，其在此引入作为参考。这样的系统中的天线还可按所有天线同时被激励的方式而被组合。
在复用的布置中，在读取器场中的多个标签以外的多个标签可能没有接收到来自读取器的RF能量的足够的照射，或者所述标签被安排成：它们可由来自读取器的激励信号照射但处于接收零点(null)，并且因此来自标签的反向散射信号对于读取器中的接收器不可见。在组合的布置中，所有天线从读取器辐射信号，因此可潜在地提供可靠的读取场。然而，由于因为来自多个天线的传播所导致的相位改变而导致的在读取容积中的不同点处的反射和相位差，在容积中可能出现能量零点，因此，位于这些零点中的标签可能不被激励或可能对读取器中的接收器不可见。已经注意到，标签可能被激励，但读取器中的接收器可能没有接收到响应信号。
由于与用于将读取器耦合到天线的发射器馈线中的损耗相关的发射功率和接收器信号损耗，还会导致关于使用具有复用的多个读取器天线的单个读取器的另一个问题。在通常的3米宽的入口系统中，电缆的长度可为12米，从而导致取决于所使用的馈电线电缆的特性的6dB或更多的功率和信号损耗。通过使用具有较大横截面积的同轴电缆能够减小损耗，然而，由于这些电缆的较大的直径和重量而导致其难以安装。这些电缆还是昂贵的，并且这也没有提供对电缆损耗问题的实际解决方案。
发明内容
本发明的目的在于至少减轻这些缺点中的一个或多个。
根据本发明的一方面，提供了一种RFID读取器系统，该系统包括：一个或多个收发器模块，用于与多个RFID标签通信；控制单元，具有用于向所述一个或多个收发器模块提供基准频率的基准频率生成器；控制总线，将控制单元连接到所述一个或多个收发器模块，以便与所述一个或多个收发器模块进行通信，其中，所述控制单元具有允许控制单元与应用主机系统通信的通信端口。
在优选实施例中，该系统包括多个收发器模块，控制单元将公共基准频率提供给所述收发器模块。
在一个实施例中，该系统包括多个收发器模块，以及控制单元可控制至少一个收发器模块以读取多个标签中的一个或多个。收发器模块可被布置成单独地进行发射、或以群组方式进行发射、或同时进行发射。可选地或另外地，控制单元可以控制收发器模块中的每一个轮流地或者以随机或伪随机的顺序被激活来读取标签中的一个或多个。
在该系统中，可布置所述收发器中的一个或多个而非全部收发器发射激励信号，而其它收发器中的一个或多个使其接收器激活来充当分集接收器。
在该系统的一个实施例中，多个收发器中的至少一个或多个的频率使其基准频率偏移于其它收发器的频率从而提供低频拍音(beatnote)，该低频拍音可以被调节成落在标签中的检测器的截止频率之下。
根据本发明另一方面，提供了一种读取标签的方法，该方法包括以下步骤：将公共基准频率提供给多个收发器模块；以及控制收发器模块中的至少一个来读取多个标签中的一个或多个。在一个实施例中，该方法包括：控制收发器单独地进行发射、或以群组的方式进行发射、或同时进行发射。可选地或者另外地，该方法可包括以下步骤：控制收发器模块中的每一个轮流地或者以随机或伪随机顺序被激活来读取标签中的一个或多个。
该方法可包括：所述收发器中的一个或多个而非全部收发器将激励信号发射到标签，而其它收发器中的一个或多个使其接收器激活来充当分集接收器。
在另一个实施例中，该方法包括：控制多个收发器中的至少一个或多个的频率以使其基准频率偏移于其它收发器的频率从而提供低频拍音，该低频拍音可以被调节成落在标签中的检测器的截止频率之下。
本发明的方法和系统的其它实施例在权利要求中进行限定。
附图说明
通过参照附图以示例的方式进一步描述本发明，其中：
图1是现有技术中公知的读取器系统；
图2是根据本发明的一个实施例的读取器系统的框图；以及
图3是根据本发明实施例的读取器收发器模块的框图。
具体实施方式
现有技术系统如图1所示。该系统具有读取器4和由复用器(6)以时分复用的方式激活的多个读取头或天线(1、2)，其中，循环时间小于应答器的重置时间或者与将被计数或标识的商品相关的标签的重置时间。读取器被设置成入口读取器布置(未具体示出)，此构思在于当读取正由读取器布置所扫描的多个标签时尝试并减少错误。然而，如上所述，由于在入口内所询问的容积中的零点，错误仍可能增加。
图2是根据本发明的一个实施例的读取器系统和设备。其包括：控制单元(8)，与可连接到天线(1、2......“n”)或不连接到天线(1、2......“n”)的一个或多个单独的收发器模块(10)是分离的。图3中较详细示出的每一个收发器模块(10)包括频率生成器(20、22)、发射器功率放大器(26)、调制器(24)、具有一个或多个信道的接收器(28)、用于每一个信道以对接收的数据流解调和解码的数据解码器(30)以及用于将模块(10)与控制单元(8)连接的通信接口(32)。稍后将参照图3更详细地描述收发器模块(10)。
控制单元(8)具有：通过串行接口、以太网或类似物与主机计算机系统通信的接口；以及与在收发器模块上使用的接口匹配的接口，用于控制一个或多个收发器模块(10)。控制单元(8)还可包含频率源，其被用作所述一个或多个收发器模块(10)的基准频率。
读取器可被配置为单个独立读取器，或可被安装为具有多个天线的读取器系统。
收发器模块(10)使用直接数字合成器(DDS)(20)或锁相环合成器(PPL)(22)生成其运行频率，所述直接数字合成器或锁相环合成器从外部提供的基准频率中取得其基准。外部基准的目的在于允许多个收发器模块(10)在确切地相同的频率上进行发射。然而，收发器模块(10)可使用分数合成器(fractional synthesister)来提供对于标称运行频率的可控制偏移。
控制单元(8)提供用于确定每一个收发器(10)如何运转的信息，以及还提供对主机系统或应用的接口。
按照以各个天线1、2......n的辐射图彼此重叠的布置来放置各个收发器的方式而安装各个收发器，从而提供对期望的读取器容积的连续的覆盖。
可由控制器(8)单独将每一个收发器(10)打开，从而每一个收发器可运行为单个独立读取器。也可按顺序打开每一个收发器(10)，从而每一个天线(1、2......n)覆盖一部分读取器容积达到一部分时间。可同时打开所有收发器，从而一次覆盖整个读取器容积。
可以按照仅一个收发器发射激励信号而其它收发器中的一个或多个使其接收器激活并因此能够充当分集接收器的方式来布置收发器(10)。
多个收发器(10)中的每一个的频率可使其基准频率偏移于其它收发器的频率，从而有这样的低频拍音，该低频拍音可被调节成落在标签中的检测器的截止频率之下。通过偏移同时发射的收发器(10)之间的频率，可减少驻波零点(standing null)的影响。在一个实施例中，在控制单元的控制下通过借助于直接数字合成器(20)调整锁相环合成器(22)基准频率可实现这种偏移。该布置如图3所示。
因为每一个收发器直接连接到其自身的天线，所以没有与天线馈线相关的通信损耗。所有通信都发生在数据信号线上。
在系统的一个实施例中，控制单元可被相互连接到收发器模块阵列，每一个模块通过非常短的同轴馈线连接到其自身的天线。因为在基准频率处的电缆中的损耗容易补偿，而不会影响最终的运行频率或读取器发射器输出，所以通过低成本的柔性同轴电缆(14)将频率基准信号馈送到每一个收发器。控制单元(8)通过双向总线(16)与所有收发器模块(10)通信。在一个实施例中的收发器阵列可被布置在以约3米高乘3.5米宽进行测量的典型装载平台门周围。当物品的货盘(每一个货盘可包含200个以RFID标签标记的单独的物品)被移动通过装载平台门时，一些物品可能关于一个或多个读取器收发器模块天线而从视线中隐藏起来，然而，因为在读取器中使用多个天线，所以多个收发器模块天线中的至少一个将看到每一个标签，从而以组合的方式由系统成功地读取所有标签。
现有系统中遇到的一个问题是：可由读取器的激励场成功地照射标签并对其供电，来自标签的返回信号可能出现在读取器的接收器天线系统中的零点中。本发明所描述的系统克服了这个问题，因为控制单元可命令所有收发器同时接收，但仅命令一个收发器发射。处于只接收模式的收发器充当分集接收器，这是在无线通信领域公知的技术，但却是迄今未被应用于RFID的技术。收发器接收器全部侦听标签响应信号，但或许仅两个收发器接收到该信号。这些收发器处理该信号，对数据流解码并使该数据流在双向通信总线(16)上流到控制单元(8)。其后，控制单元(8)选择最佳信号，以及在处理数据之后，将该数据通过应用主机接口传递到应用。
在系统的另一个实施例中，两个或多个收发器模块(10)可在传送带的任一侧上彼此面对地被布置。控制单元(8)命令收发器模块(10)同时发射，从而在收发器天线之间产生场。随着物品通过天线之间的场，它们被照射。因为两个收发器同时发射，但在确切地相同的频率上在所发射的载波频率之间没有拍音生成，因此，在场中不会出现深度调制零点(deep modulation null)来干扰读取器收发器与被贴到沿着传送带移动的物品上的标签之间的通信。该技术已被发现能显著地提高读取移动通过读取区的标签的可靠性和概率。
在该系统的另一个实施例中，两个收发器模块天线彼此成直角度被布置，从而通过对两个天线的辐射场进行重叠而产生立体读取区。使收发器模块(10)同时发射，因此产生这样的读取区，其中，标签可被放置在任意方向上，并且仍可由至少一个收发器模块天线照射并读取。
在任意实施例中，可以使收发器模块(10)调节其输出功率级别以改变模块的运行或读取范围。控制单元(8)还可使来自单独读取器模块(10)的辐射的功率级别被不同地设置，以便调节由多个读取器收发器模块(10)的阵列所形成的读取区的形状和相位。
每一收发器模块10可包含一个或多个以下组件，但其不限于此：
-频率生成装置，可以是直接数字合成器(DDS)(20)、或锁相环合成器(PLL)(22)或其它生成频率的方法；
-功率放大器(26)，将基本信号提升到适合于驱动天线的级别；
-调制器(24)，允许命令和数据被调制到收发器发射器载波上；
-发射器/接收器组合装置，可以是方向耦合器或环行器或直接抽头的延迟线或其它装置；
-接收器混频器/检测器(28)，将输入信号转换为基带信号，接收器(28)具有分离的“I”信道和“Q”信道；
-解码器(30)，从基带信号提取输入的数据流；
-总线控制部分电路(32)，与在模块中的各个电路进行接口以进行通信，并控制总线以允许模块与分离的控制单元通信；
-可选频率基准源，例如温度补偿的振荡器，其允许收发器模块被用作独立的读取器收发器；
-集成的天线；
-集成的电源单元。
读取器控制单元8可包含下述组件，但其不限于此：
-与一个或多个收发器模块进行通信的通信接口电路；
-与应用主机进行通信的通信的接口电路，其可使用例如RS232或RS485或以太网的多种工业标准通信链路之一；
-基准频率源，可以是温度补偿的振荡器或简单的晶体或可被锁定到50/60Hz主频的频率锁定源，或GPS接收器或离线(off air)源，例如电视台或时间和频率标准传输；
-电源单元；
-通信集中器，允许相似的控制单元的网络被相互连接。
在各个实施例中，多个读取器或收发器模块使用相同的频率源，因此可同时发射，而不会有导致干扰图案的所发射的传输。由于精确控制的偏移可减轻驻波零点问题，所以收发器可使其基准频率偏移。在不同的独立频率被发送到读取器头的现有技术布置中，如果尝试使用频率偏移，则由于例如温度漂移和老化效应(aging effect)，所以精确地控制期望的偏移是比较困难的。
在上述实施例中，损耗可以被消除，以及提供了一种比在使用单独的全部的读取器的情况下成本更低的布置。如上所述，有益地，每一个读取器收发器可充当分集接收器，而收发器可被布置成单独地进行发射，或同时进行发射。

Claims (21)

1、一种RFID读取器系统，该系统包括：一个或多个收发器模块，用于与多个RFID标签通信；控制单元，具有用于向所述一个或多个收发器模块提供基准频率的基准频率生成器；控制总线，将所述控制单元连接到所述一个或多个收发器模块，以便与所述一个或多个收发器模块通信，以及所述控制单元具有允许控制单元与应用主机系统通信的通信端口。
2、如权利要求1所述的系统，包括：多个收发器模块，所述控制单元向所述收发器模块提供公共基准频率。
3、如权利要求2所述的系统，其中，所述控制单元可控制收发器模块中的至少一个来读取多个标签中的一个或多个。
4、如权利要求3所述的系统，其中，所述控制单元可控制所述收发器模块来单独地进行发射、或以群组方式进行发射、或同时进行发射。
5、如权利要求3或4所述的系统，其中，所述控制单元可控制所述收发器模块中的每一个轮流地或者以随机或伪随机顺序被激活来读取所述标签中的一个或多个。
6、如权利要求1至5中的任何一个所述的系统，其中，所述收发器模块或每一个收发器模块被提供有直接数字合成器或锁相环合成器，所述直接数字合成器或锁相环合成器从由控制单元发射的基准频率取得其基准，以生成运行频率。
7、如权利要求1至6中的任何一个所述的系统，其中，所述收发器模块被提供有天线，所述天线被布置以使得其辐射图彼此重叠，从而提供对期望的读取器容积的连续覆盖。
8、如权利要求1至7中的任何一个所述的系统，其中，所述收发器中的一个或多个而非全部收发器被布置成发射激励信号，而其它收发器中的一个或多个使其接收器激活来充当分集接收器。
9、如权利要求1至8中的任何一个所述的系统，其中，所述多个收发器中的至少一个或多个的频率使其基准频率偏移于其它收发器的频率，从而提供可被调节成落在标签中的检测器的截止频率之下的低频拍音。
10、如权利要求9所述的系统，其中，通过在控制单元的控制下借助于直接数字合成器调整锁相环合成器基准频率来实现所述基准频率偏移。
11、如权利要求1至10中的任何一个所述的系统，其中，每一个收发器模块通过同轴馈线而被连接到其自身的天线。
12、如权利要求1至11中的任何一个所述的系统，其中，通过柔性同轴电缆将来自控制单元的频率基准信号馈送到每一个收发器。
13、如权利要求1至12中的任何一个所述的系统，其中，收发器模块中的两个或多个被布置成在将被询问的容积的每一侧上彼此面对，由此控制所述模块在相同频率上同时进行发射而不会产生在所发射的载波频率之间的拍音，从而在激励场中不会出现深度调制零点来干扰读取器收发器和标签之间的通信。
14、如权利要求1至13中的任何一个所述的系统，其中，收发器模块中的至少两个被布置成彼此成直角，从而通过对来自收发器的天线的场进行重叠来限定立体读取区。
15、如权利要求1至14中的任何一个所述的系统，其中，所述收发器模块可调整其输出功率级别以改变该模块的运行或读取范围。
16、如权利要求15所述的系统，其中，所述控制单元可控制来自单独读取器模块的辐射的功率级别被不同地设置，以便调节由读取器收发器模块阵列所形成的读取区的形状和相位。
17、一种读取标签的方法，该方法包括以下步骤：将公共基准频率提供给多个收发器模块；以及从控制单元控制所述收发器模块中的至少一个来读取所述多个标签中的一个或多个。
18、如权利要求17所述的方法，包括以下步骤：控制收发器单独地进行发射、或以群组方式进行发射、或同时进行发射。
19、如权利要求17或18所述的方法，包括以下步骤：控制所述收发器模块中的每一个轮流地或者以随机或伪随机顺序被激活来读取所述标签中的一个或多个。
20、如权利要求17至19中的任何一个所述的方法，包括以下步骤：所述收发器中的一个或多个而非全部收发器发射激励信号，而其它收发器中的一个或多个使其接收器激活来充当分集接收器。
21、如权利要求17至20中的任何一个所述的方法，包括以下步骤：控制所述多个收发器中的至少一个或多个的频率以使其基准频率偏移于其它收发器的频率，从而提供可被调节成落在标签中的检测器的截止频率之下的低频拍音。
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