DE102019001908A1

DE102019001908A1 - Vorrichtung, Verwendung einer Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Objekten mittels RFID

Info

Publication number: DE102019001908A1
Application number: DE102019001908.3A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Bourouah; Stephan Knappmann
Original assignee: Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Current assignee: Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24

Abstract

Eine Vorrichtung (10), insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten (30), umfassend: eine Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale im Ultra-Hochfrequenzbereich, wobei die Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) in einer vorbestimmten Anordnung zueinander angeordnet ist, eine Antennensteuereinheit (14) zum Steuern der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d), und eine Empfangssignalverarbeitungseinheit (16) zum Verarbeiten und Auswerten von an der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen, wobei jedes der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) eine eigene Phasenanpassungseinheit (24) zum phasenverschobenen Senden elektromagnetischer Sendesignale mittels des jeweiligen Antennenelements relativ zu den übrigen Antennenelementen, und eine eigene Störsignalunterdrückungseinheit (22) zur Unterdrückung von Störsignalen in den an dem jeweiligen Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen umfasst. Weitere Aspekte sind eine Verwendung einer Vorrichtung und ein Verfahren insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Verwendung einer Vorrichtung und ein Verfahren, insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren beruhen herkömmlicherweise auf einer Anordnung von Antennen, die elektromagnetische Signale gezielt in einen bestimmten Raumbereich senden und somit in diesem Raumbereich befindliche RFID-Tags bzw. RFID-Transponder (RFID: Radio Frequency IDentification) aktivieren. Die so aktivierten RFID-Tags bzw. RFID-Transponder senden elektromagnetische Signale aus, die wiederum von den Antennen der Vorrichtungen empfangen werden. Über die empfangenen elektromagnetischen Signale lassen sich mit RFID-Tags versehene Objekte identifizieren.
Allerdings ist das Erkennungsvermögen bzw. das Auflösungsvermögen solcher Vorrichtungen oft nicht ausreichend.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung, eine Verwendung der verbesserten Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren, insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten, bereitzustellen.
Die obige Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten, umfassend: eine Vielzahl von Antennenelementen zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale im Ultra-Hochfrequenzbereich, wobei die Vielzahl von Antennenelementen in einer vorbestimmten Anordnung zueinander angeordnet ist, eine Antennensteuereinheit zum Steuern der Vielzahl von Antennenelementen, und eine Empfangssignalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten und Auswerten von an der Vielzahl von Antennenelementen empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen, wobei jedes der Vielzahl von Antennenelementen eine eigene Phasenanpassungseinheit zum phasenverschobenen Senden elektromagnetischer Sendesignale mittels des jeweiligen Antennenelements relativ zu den übrigen Antennenelementen, und eine eigene Störsignalunterdrückungseinheit zur Unterdrückung von Störsignalen in den an dem jeweiligen Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen umfasst.
Vorteilhafterweise verfügt die Vorrichtung gemäß des oben genannten ersten Aspekts über ein höheres Erkennungs- bzw. Detektionsvermögen als herkömmliche Vorrichtungen ohne eigene Phasenanpassungseinheit pro Antennenelement und eigene Störsignalunterdrückungseinheit pro Antennenelement. Vorteilhafterweise lassen sich alle Objekte einer Vielzahl von Objekten, die mittels der Vorrichtung erfasst, erkannt bzw. detektiert werden soll, identifizieren. Ferner lassen sich die Objekte mittels der Vorrichtung lokalisieren, d. h. insbesondere ortsaufgelöst identifizieren und ihr räumlicher Aufenthaltsort bestimmen in einem festgelegten dreidimensionalen Referenzkoordinatensystem. Zudem kommt es auf die Anordnung der Objekte, ob geordnet oder ungeordnet, nicht an.
Im Rahmen dieser Anmeldung werden unter „RFID-Tags“ alle Arten von Transpondern oder mit Transpondern versehene Etiketten, die über einen RFID-Chip verfügen, verstanden. Diese RFID-Tags können an jeglichen Objekten, die identifizierbar bzw. erfassbar oder detektierbar sein sollen, angebracht werden. Diese RFID-Tags können auch Bestandteile von zu identifizierenden bzw. erfassenden oder detektierenden Objekten sein.
Im Rahmen dieser Anmeldung umfasst der Begriff „Erfassen“ Detektieren, Erkennen, Identifizieren und/oder Lokalisieren.
Jedes einzelne Antennenelement der Vielzahl von Antennenelementen kann einen integrierten Schaltkreis zur Wandlung und/oder Bearbeitung analoger elektrischer Signale, ein sogenanntes Analog-Front-End-Modul (AFE-Modul), aufweisen. Das AFE-Modul kann zur digitalen Aufbereitung der von dem betreffenden Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Empfangssignale eingesetzt werden, d. h. es kann ein Analog-Digital-Wandler sein, sowie zum Umwandeln eingehender digitaler Signale in analoge Sendesignale, d. h. es kann ein Digital-Analog-Wandler sein. Hierzu kann das AFE-Modul einen oder mehrere Eingänge sowie einen oder mehrere Ausgänge für digitale Signale und einen oder mehrere Eingänge sowie einen oder mehrere Ausgänge für analoge Signale aufweisen.
Unter „vorbestimmter Anordnung“ ist zu verstehen, dass die Vielzahl von Antennenelementen für den jeweiligen Einsatzzweck der Vorrichtung angeordnet wird und die einzelnen Antennenelemente an festen, vorher festgelegten Positionen im Raum relativ zueinander angeordnet sind. Insbesondere können sich diese Positionen auf ein geeichtes oder normiertes, oder abgestimmtes dreidimensionales Referenzkoordinatensystem beziehen.
Die Vielzahl von Antennenelementen kann vier oder mehr Antennenelemente umfassen.
Jedes der Antennenelemente kann eine Senderantenne zum Senden der elektromagnetischen Sendesignale und eine Empfangsantenne zum Empfangen der elektromagnetischen Empfangssignale aufweisen, oder jedes der Antennenelemente kann eine eigene bzw. gemeinsame Antenne zum Senden der elektromagnetischen Sendesignale und zum Empfangen der elektromagnetischen Empfangssignale aufweisen.
Mit anderen Worten kann jedes der Antennenelemente der Vielzahl von Antennenelementen monostatisch, bistatisch oder aber auch multistatisch operieren.
Der Ultra-Hochfrequenzbereich kann Frequenzen oberhalb von 800 MHz, insbesondere die Frequenzen 868 MHz und 915 MHz, umfassen. Bevorzugt sind Frequenzen im Bereich von 800 MHz bis 1 GHz. Noch bevorzugter sind Frequenzen von 858 bis 878 MHz und von 900 bis 930 MHz.
Vorteilhafterweise lassen sich durch das Senden von elektromagnetischen Signalen in den obengenannten Frequenzbereichen in ihrer Bauweise kleinere RFID-Tags einsetzen, um Objekte zu kennzeichnen.
Die RFID-Tags können beispielsweise die Ausmaße 6,8 × 2,1 × 2,1 mm³ oder 5 × 2 × 1,5 mm³ haben.
Die Antennenelemente können in einer Linie oder in einem Raster, insbesondere in einer Matrix, angeordnet sein. Die Abstände der einzelnen Antennenelemente zueinander können equidistant, periodisch, teilweise equidistant oder voneinander verschieden sein. Die Antennenelemente können in jeder eindimensionalen, zweidimensionalen, vorzugsweise matrixförmigen, oder dreidimensionalen Anordnung angeordnet sein.
Vorteilhafterweise kann durch eine matrixförmige Anordnung das Erkennungs- bzw. Erfassungsvermögen von mit RFID-Tags versehenen Objekten der Vorrichtung gemäß des ersten Aspekts weiter erhöht werden.
Die Antennensteuereinheit kann ein Computersystem umfassen, das geeignet ist, digitale Signale an die einzelnen Antennenelemente der Vielzahl von Antennenelementen zu schicken und so die Antennenelemente zu steuern bzw. anzusteuern. Die Antennensteuereinheit kann ein Benutzerinterface zur aktiven Steuerung der Antennenelemente durch einen Benutzer aufweisen. Beispielsweise kann das Computersystem einen Personal Computer, einen Tablet-Computer oder ein Smartphone umfassen. Ferner kann die Antennensteuereinheit einen Mikroprozessor umfassen, der Programmanweisungen zur Steuerung bzw. Ansteuerung der Antennenelemente ausführt.
Mittels der Antennensteuereinheit kann die Vielzahl von Antennenelementen gleichzeitig oder zeitlich versetzt gesteuert werden. Mittels der Antennensteuereinheit kann insbesondere eines der Vielzahl von Antennenelementen gleichzeitig oder zeitlich versetzt gesteuert werden. Weiterhin können mittels der Antennensteuereinheit insbesondere mehr als eines und weniger als alle der Vielzahl von Antennenelementen gleichzeitig oder zeitlich versetzt gesteuert werden, oder alle der Vielzahl von Antennenelementen können mittels der Antennensteuereinheit gleichzeitig oder zeitlich versetzt gesteuert werden.
Hierbei bedeutet „gleichzeitig“, dass mindestens eine Gruppe von Antennenelementen der Vielzahl von Antennenelementen zeitgleich, zum selben Zeitpunkt bzw. ohne zeitlichen Versatz angesteuert werden können. Der Begriff „zeitlich versetzt“ bedeutet, dass mindestens eine Gruppe von Antennenelementen der Vielzahl von Antennenelementen nacheinander, mit zeitlichem Überlapp oder ohne Überlapp, angesteuert werden können. Es ist ferner möglich, dass die Antennensteuereinheit eine erste Gruppe von Antennenelementen der Vielzahl von Antennenelementen untereinander gleichzeitig ansteuert und ein anderes, nicht in der ersten Gruppe enthaltenes Antennenelement oder eine zweite Gruppe von Antennenelementen, die nicht mit der ersten Gruppe übereinstimmt, relativ zur ersten Gruppe zeitlich versetzt ansteuert, wobei die Antennenelemente der zweiten Gruppe untereinander gleichzeitig oder zeitlich versetzt angesteuert werden können. Die Antennenelemente können auch ohne zeitlichen Überlapp nacheinander mittels der Antennensteuereinheit angesteuert werden.
Die Empfangssignalverarbeitungseinheit kann ein Computersystem umfassen, das geeignet ist, digitale Signale von den einzelnen Antennenelementen der Vielzahl von Antennenelementen zu empfangen und diese zu verarbeiten und auszuwerten. Die Empfangssignalverarbeitungseinheit kann ein Benutzerinterface zur aktiven Auswertung der Empfangssignale durch einen Benutzer aufweisen. Beispielsweise kann das Computersystem einen Personal Computer, einen Tablet-Computer oder ein Smartphone umfassen. Ferner kann die Empfangssignalverarbeitungseinheit einen Mikroprozessor umfassen, der Programmanweisungen zur Auswertung der Empfangssignale ausführt. Die Empfangssignalverarbeitungseinheit kann die Empfangssignale auch automatisch, ohne aktiven Benutzer, auswerten. Die Empfangssignalverarbeitungseinheit und die Antennensteuereinheit können eine Einheit, z. B. eine Steuerungs- und Verarbeitungseinheit, bilden oder voneinander getrennte Computersysteme darstellen.
Die Phasenanpassungseinheit kann ein analoger oder digitaler Schaltkreis sein, der es ermöglicht, die Phase der von jedem einzelnen Antennenelement der Vielzahl von Antennenelementen zu sendenden elektromagnetischen Sendesignale individuell und separat einzustellen und/oder anzupassen. Die einzelnen Phasenanpassungseinheiten können mittels der Antennensteuereinheit gesteuert werden, d. h. mittels der Antennensteuereinheit und den einzelnen Phasenanpassungseinheiten kann die Phasenbeziehung der von den Antennenelementen zu sendenden elektromagnetischen Sendesignale zueinander eingestellt und geregelt werden.
Die Phasenanpassungseinheit kann insbesondere einen herkömmlichen analogen Phasenschieber, wie den JSPHS-1000+ von Mini Circuits, einen Analog-Digital-Umsetzer, der die nötige Spannung erzeugt, die der benötigten bzw. einzustellenden Phase entspricht, und einen Mikrocontroller, der die benötigte bzw. einzustellende Phase für den Phasenschieber berechnet und/oder regelt, umfassen.
Ein Antennenelement oder mehrere Antennenelemente, insbesondere alle Antennenelemente der Vielzahl von Antennenelementen kann/können mittels der Phasenanpassungseinheit jedes einzelnen Antennenelements die elektromagnetischen Sendesignale im Wesentlichen in einen vorbestimmbaren räumlichen und/oder zeitlich variablen Zielbereich senden.
Dieser Zielbereich ist durch ein vorgegebenes bzw. festgelegtes dreidimensionales Referenzkoordinatensystem bestimmbar. Ferner kann der Zielbereich ein räumlich begrenztes Volumenelement, gemessen relativ zu einem festgelegten dreidimensionalen Referenzkoordinatensystem, sein. Insbesondere kann das Volumenelement infinitesimal klein sein.
Mittels der einzelnen Phasenanpassungseinheiten lässt sich die Phasenbeziehung der einzelnen Antennenelemente bzw. der von den einzelnen Antennenelementen zu sendenden elektromagnetischen Sendesignale zueinander festlegen, sodass sich die gesendeten elektromagnetischen Sendesignale in einer bestimmten Raumrichtung konstruktiv zu einem Gesamtsendesignal überlagern, d. h. interferieren, und sich überall sonst auslöschen oder bevorzugt reduzieren. Hierdurch kann das Strahlungsmaximum des Gesamtsendesignals in eine feste, vorbestimmte Raumrichtung gerichtet werden. Durch Variation der Phase der zu sendenden elektromagnetischen Sendesignale der einzelnen Antennenelemente mittels der einzelnen Phasenanpassungseinheiten, zum Beispiel durch Einstellen der Phase mittels der Antennensteuereinheit, lässt sich die Phasenbeziehung ändern, wodurch das Strahlungsmaximum des Gesamtsendesignals zeitlich in verschiedenen Raumrichtungen gerichtet werden kann. Die örtliche Position des Strahlungsmaximums des Gesamtsendesignals kann über die Zeit verändert werden.
Jedes einzelne Antennenelement der Vielzahl von Antennenelementen kann das zugehörige elektromagnetische Sendesignal in einen vorbestimmten, dem jeweiligen Antennenelement zugeordneten räumlichen Zielbereich senden, und die maximale Gesamtstrahlungsleistung der Vielzahl von Antennenelementen kann mittels Phasenverschiebung der elektromagnetischen Sendesignale der einzelnen Antennenelemente aufgrund von Interferenz der elektromagnetischen Sendesignale in einem vorbestimmbaren räumlich und zeitlich variablen Zielbereich konzentriert werden bzw. sein.
Mit anderen Worten kann jedes einzelne Antennenelement elektromagnetische Signale in eine jedem einzelnen Antennenelement zugewiesene Raumrichtung bedingt durch die Anordnung des Antennenelements senden, d. h. jedes einzelne Antennenelement erzeugt eine fest vorgegebene, dem jeweiligen Antennenelement zuordenbare Strahlungskeule. Die einzelnen Strahlungskeulen können zu einem Gesamtsendesignal interferieren, dessen maximale Strahlungsleistung in einem bestimmten stationären räumlichen Zielbereich liegt. Mittels Phasenverschiebung, einstellbar durch die einzelnen Phasenanpassungseinheiten, der elektromagnetischen Sendesignale der einzelnen Antennenelemente kann der räumliche Zielbereich, in dem die maximale Strahlungsleistung des Gesamtsendesignals liegt, variiert werden.
Die einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten können analoge und/oder digitale Schaltungen umfassen. Wesentliche elektronische Bestandteile der Störsignalunterdrückungseinheiten können insbesondere ein Koppler und/oder ein Zirkulator sein.
Die mittels der einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten zu unterdrückenden Störsignale liegen vorzugsweise auf, bei, an oder im Bereich der Trägerfrequenz der elektromagnetischen Empfangssignale.
Die Störsignale können elektromagnetische Reflexionen der Umgebung der Vielzahl von Antennenelementen umfassen, und/oder die Störsignale können einen Teil der elektromagnetischen Sendesignale, die von der Vielzahl von Antennenelementen ausgesendet werden, umfassen, und/oder die Störsignale können Lecksignale der elektrischen Schaltungen der einzelnen Antennenelemente, insbesondere des Kopplers, umfassen, und/oder die Störsignale können elektromagnetische Reflexionen an den einzelnen Antennenelementen aufgrund von unzureichender Impedanzanpassung umfassen.
Die elektromagnetischen Empfangssignale beruhen vorzugsweise auf von den RFID-Tags ausgesendeten elektromagnetischen Signalen.
Die RFID-Tags können jeweils einen passiven und/oder aktiven RFID-Chip aufweisen. Aktive RFID-Chips benötigen im Gegensatz zu passiven RFID-Chips eine externe Energieversorgung.
Die Objekte sind vorzugsweise metallische Gegenstände, insbesondere chirurgische Instrumente. Die Objekte können geordnet, teilweise geordnet oder ungeordnet vorliegen. Sie können sich in einem Behälter, wie zum Beispiel in einer Kiste und/oder in einem oder mehreren Regalen, befinden oder haufenartig, z. B. als Schüttgut, vorliegen.
Vorteilhafterweise können mittels der Vorrichtung gemäß des ersten Aspekts dicht benachbarte metallische Objekte mit erhöhtem Erkennungsvermögen und erhöhtem Auflösungsvermögen erfasst werden. Metallische Objekte rufen nämlich üblicherweise elektromagnetische Störsignale, in Form von elektromagnetischen Reflexionen eines Teils oder der gesamten durch die Vorrichtung gesendeten elektromagnetischen Sendesignale an den metallischen Objekten, in den durch die Vorrichtung empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen hervor.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung einer Vorrichtung zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten, wobei die Verwendung umfasst: Anordnen einer Vielzahl von Antennenelementen in einem vorbestimmten Abstand zu den zu erfassenden Objekten, Auswählen, mittels der Antennensteuereinheit, einer Teilmenge von Antennenelementen oder aller Antennenelementen der Vielzahl von Antennenelementen zum Senden elektromagnetischer Sendesignale, Senden, mittels der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen, elektromagnetischer Sendesignale, Variieren, mittels der Antennensteuereinheit und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten der ausgewählten Antennenelemente, der Phase der ausgewählten Antennenelemente, Erfassen, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit und der einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten der ausgewählten Antennenelemente, von elektromagnetischen Empfangssignalen, und Auswerten, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit, der elektromagnetischen Empfangssignale zum Detektieren von Objekten.
Vorteilhafterweise lässt sich mit der Verwendung des zweiten Aspekts ein höheres Erkennungs- bzw. Detektionsvermögen von mit RFID-Tags versehenen Objekten erzielen. Es lassen sich alle Objekte einer Vielzahl von Objekten, die erfasst, erkannt bzw. detektiert werden soll, identifizieren und sogar lokalisieren. Auf die Anordnung der Objekte, ob geordnet oder ungeordnet, kommt es nicht an.
Alle in Bezug auf den ersten Aspekt gemachten Erläuterungen gelten entsprechend auch für den zweiten Aspekt und umgekehrt. Ferner können alle beispielhaft genannten und/oder optionalen Merkmale des ersten Aspekts mit dem Gegenstand des zweiten Aspekts kombiniert werden.
Das Detektieren kann Identifizieren und/oder Lokalisieren umfassen.
Vorteilhafterweise können die mit RFID-Tags versehenen Objekte nicht nur detektiert werden, d. h. festgestellt werden, ob ein solches Objekt vorhanden ist, sondern die Objekte können auch identifiziert werden, d. h. die in den RFID-Tags gespeicherten Informationen können ausgelesen werden, um das einzelne Objekt von anderen Objekten zu unterscheiden. Ferner lassen sich die Objekte lokalisieren, d. h. ortsaufgelöst identifizieren und ihr räumlicher Aufenthaltsort kann bestimmt werden.
Das Auswählen der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen kann gleichzeitig, in einer räumlich festgelegten Abfolge, in einer zeitlich festgelegten Abfolge und/oder zufällig umfassen.
Informationen über ein detektiertes Objekt, insbesondere die räumliche Position und/oder die Identifikationsnummer des RFID-Tags, können mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit nach der Detektion des Objekts in eine Liste, die auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert werden kann, eingetragen werden und/oder die Informationen über ein Objekt können mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit von der Liste gelöscht werden, sobald das Objekt nicht mehr detektierbar ist.
Vorteilhafterweise kann so überprüft werden, dass alle Objekte einer Vielzahl von zu erfassenden Objekten detektiert bzw. erfasst worden sind und dass alle Objekte, die für eine bestimmte Verwendung vorgesehen sind und deren Informationen in einer dafür vorgesehenen Verwendungsliste gespeichert sind, in Verwendung sind.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Auswählen, mittels der Antennensteuereinheit, einer Teilmenge von Antennenelementen oder aller Antennenelementen einer Vielzahl von Antennenelementen zum Senden elektromagnetischer Sendesignale, Senden, mittels der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen, elektromagnetischer Sendesignale, Variieren, mittels der Antennensteuereinheit und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten der ausgewählten Antennenelemente, der Phase der ausgewählten Antennenelemente, und Auswerten, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit, der an den einzelnen Antennenelementen mithilfe der zugehörigen Störsignalunterdrückungseinheiten empfangenen Empfangssignale.
Vorteilhafterweise können die mit RFID-Tags versehenen Objekte mit dem beanspruchten Verfahren detektiert werden, d. h. es kann festgestellt werden, ob ein solches Objekt vorhanden ist, und die Objekte können identifiziert werden, d. h. die in den RFID-Tags gespeicherten Informationen können ausgelesen werden, um das einzelne Objekt zu identifizieren und/oder von anderen Objekten zu unterscheiden. Ferner lassen sich die Objekte lokalisieren, d. h. die Objekte können ortsaufgelöst identifiziert und ihr räumlicher Aufenthaltsort bestimmt werden. Auf die Anordnung, ob geordnet oder ungeordnet, der Objekte kommt es nicht an.
Alle in Bezug auf den ersten und/oder zweiten Aspekt gemachten Erläuterungen gelten entsprechend auch für den dritten Aspekt und umgekehrt. Ferner können alle beispielhaft genannten und/oder optionalen Merkmale des ersten und/oder zweiten Aspekts mit dem Gegenstand des dritten Aspekts kombiniert werden.
Das Verfahren kann ferner umfassen: Variieren, mittels der Antennensteuereinheit, der Auswahl der Antennenelemente, und Variieren, mittels der Antennensteuereinheit, der zeitlich und räumlichen Abfolge des Sendens der elektromagnetischen Sendesignale durch die ausgewählten Antennenelemente.
Das Auswerten kann Zuordnen der einzelnen erfassten Objekte ihrer jeweiligen Position im Raum umfassen.
Informationen über ein detektiertes Objekt, insbesondere die räumliche Position und/oder die Identifikationsnummer des RFID-Tags, können mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit nach der Detektion des Objekts in eine Liste, die auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert werden kann, eingetragen werden und/oder die Informationen über ein Objekt können mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit von der Liste gelöscht werden, sobald das Objekt nicht mehr detektierbar ist.
Vorteilhafterweise kann so überprüft werden, dass alle Objekte einer Vielzahl von zu erfassenden Objekten detektiert bzw. erfasst worden sind und dass alle Objekte, die für eine bestimmte Verwendung vorgesehen sind und deren Informationen in einer dafür vorgesehenen Verwendungsliste gespeichert sind, in Verwendung sind.
Im Folgenden werden Figuren beschrieben, die zur beispielhaften Verdeutlichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstands dienen sollen. Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf die im Folgenden beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Einzelmerkmale individueller Ausführungsformen können voneinander losgelöst zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden.
Es zeigt:

1 eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung gemäß des ersten Aspekts und der zu erfassenden Objekte;
2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1;
3a eine schematische Darstellung eines AFE-Moduls;
3b ein elektrisches Schaltbild einer Störsignalunterdrückungseinheit;
4 diagrammatische Darstellung des Verfahrens gemäß des dritten Aspekts.

1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung 10 gemäß des ersten Aspekts und ihre Verwendung zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten 30.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform befinden sich die Objekte 30 in einem Behälter 40, wie zum Beispiel einer Kiste. Alle Objekte 30 sind mit einem RFID-Tag (hier nicht dargestellt) gekennzeichnet. Die Objekte 30 sind der Einfachheit halber geordnet dargestellt. Sie können aber genauso ungeordnet in dem Behälter 40 liegen oder Schüttgut sein.
Die Vorrichtung 10 ist zu zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ während des Erfassens der Objekte 30 gezeigt. Zum Zeitpunkt t₁ sind mittels der Antennensteuereinheit 14 (hier nicht dargestellt; siehe 2) und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten 24 (hier nicht dargestellt; siehe 2) der in der gezeigten Ausführungsform vorhandenen vier Antennenelemente (hier nicht dargestellt; siehe Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d in 2) die Phasen an den einzelnen Antennenelementen zueinander und damit die globale Phasenbeziehung aller Antennenelemente derart eingestellt, dass die Vorrichtung 10 elektromagnetische Signale mit gesteigerter Leistung in einen durch die Phasenbeziehung bedingten Zielbereich ZB₁ sendet. Der gezeigte Zielbereich ZB₁ ist ein begrenztes Volumenelement des Behälters 40. In 1 ist das Volumenelement zweidimensional als Schnitt gezeigt und ist durch die gepunkteten Linien und die Wandung des Behälters 40 begrenzt. Die gepunkteten Linien stellen ferner die Ausbreitung des elektromagnetischen Gesamtsendesignals, das die Vorrichtung 10 zum Zeitpunkt t₁ aussendet, dar. In drei Dimensionen breitet sich das elektromagnetische Gesamtsendesignal kegelförmig aus. Der Zielbereich ZB₁ kann aber auch infinitesimal klein sein und die Ausbreitung des elektromagnetischen Gesamtsendesignals kann näherungsweise strahlförmig sein. Der durchgezogene Pfeil innerhalb der gepunkteten Linien kann zum Beispiel den Poynting-Vektor P₁ des von der Vorrichtung 10 zum Zeitpunkt t₁ gesendeten elektromagnetischen Gesamtsendesignals darstellen.
Zum Zeitpunkt t₂ wurde die Phase an den einzelnen Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d mittels der Antennensteuereinheit 14 und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten 24 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d verändert, sodass die globale Phasenbeziehung der Antennenelemente sich verändert hat und die Vorrichtung 10 in einen vom Zeitpunkt t₁ verschiedenen Zielbereich ZB₂ ein elektromagnetisches Gesamtsendesignal in Richtung des Poynting-Vektors P₂ sendet.
2 zeigt eine schematische Detailansicht der Vorrichtung 10 aus 1. Die Vorrichtung 10 weist eine Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 12 und vier Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d auf. Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 12 weist wiederum die Antennensteuereinheit 14 und die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 auf. Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 12 kann hier beispielsweise ein Computersystem wie ein Personal Computer oder ein Handheld-Gerät, das zumindest über einen Mikroprozessor verfügt, sein. Sowohl die Antennensteuereinheit 14 als auch die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 ist elektrisch, insbesondere kabelgebunden, mit den Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d verbunden. Die Antennensteuereinheit 14 und die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 können auch elektromagnetisch, insbesondere drahtlos, mit den Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d verbunden sein.
Im gezeigten Beispiel ist die Antennensteuereinheit 14 elektrisch mit je einem AFE-Modul 20 eines der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d verbunden. Über diese elektrische Verbindung 15 (dargestellt durch die durchgezogenen gewinkelten Pfeile von links nach rechts) kann die Antennensteuereinheit 14 digitale Signale zur Steuerung der Antennen 26 der einzelnen Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d an die Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d schicken. Ferner ist die Antennensteuereinheit 14 direkt elektrisch verbunden mit den einzelnen Phasenanpassungseinheiten 24 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d (dargestellt durch die gestrichelten gewinkelten Pfeile von links nach rechts). Über diese elektrische Verbindung 15a kann die Antennensteuereinheit 14 die Phase an den einzelnen Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d einstellen und regeln, und damit die Phase der von den einzelnen Antennen 26 gesendeten elektromagnetischen Sendesignale beeinflussen.
Die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 ist ebenfalls elektrisch mit je einem AFE-Modul 20 eines der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d verbunden. Über diese elektrische Verbindung 17 (dargestellt durch die durchgezogenen gewinkelten Pfeile von rechts nach links) können digitale Signale von den Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d zur Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 gelangen. Diese digitalen Signale beruhen auf den von den einzelnen Antennenelementen 18a, 18b, 18c und 18d empfangenen Empfangssignalen, die von den RFID-Tags der Objekte 30, induziert durch das Aussenden elektromagnetischer Sendesignale der Vorrichtung 10, ausgesendet wurden, und enthalten Informationen darüber, ob und wo sich ein oder mehrere der Objekte 30 im mittels der Vorrichtung 10 anvisierten Zielbereich befinden. Die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 verarbeitet mithilfe der einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten 22 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d alle eingehenden, von den AFE-Modulen 20 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d kommenden digitalen Signale und wertet diese aus, um zu bestimmen, ob ein oder mehrere Objekte im anvisierten Zielbereich gefunden wurden, und um den genauen Ort des oder der gefundenen Objekte zu bestimmen. Die pro Antennenelement 18a, 18b, 18c und 18d vorgesehenen Störsignalunterdrückungseinheiten 22 tragen zur genaueren Auswertung durch die Empfangssignalverarbeitungseinheit 16 und damit verbundenen Bestimmung der Objekte 30 bei.
3a zeigt ein Beispiel eines AFE-Moduls 20. Das gezeigte AFE-Modul 20 weist eine Sendereinheit S und eine Empfängereinheit E auf. Jede dieser Einheiten verfügt über einen Signaleingang SE sowie einen Signalausgang SA, um digitale Signale, zum Beispiel von der Antennensteuereinheit 14 kommend (auf die Sendereinheit S weisender Pfeil), in analoge Signale (von der Sendereinheit S weg weisender Pfeil) und analoge Signale, zum Beispiel von der Störsignalunterdrückungseinheit 22 kommend (auf die Empfängereinheit E weisender Pfeil), in digitale Signale (von der Empfängereinheit E weg weisender Pfeil) umzuwandeln.
3b zeigt den beispielhaften schematischen Aufbau einer Störsignalunterdrückungseinheit 22. 3b zeigt ein elektrisches Schaltbild. Die gezeigte elektrische Schaltung ermöglicht es, dass die einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten 22 Störsignale bzw. Rauschsignale im Bereich der Trägersignalfrequenz der einzelnen Antennen 26 unterdrücken, dämpfen oder filtern. Ein wesentliches Bauelement der Störsignalunterdrückungseinheit 22 ist insbesondere ein Zirkulator, der sicherstellt, dass Sendesignale und Empfangssignale voneinander entkoppelt sind. Der Zirkulator gibt zum Beispiel ein von einer Antenne 26 eines der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d empfangenes Empfangssignal an die Empfangseinheit E des AFE-Moduls 20 weiter. Durch den Zirkulator können Sendesignale von der Sendereinheit S des AFE-Moduls 20 nur zur Antenne 26 eines der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d und nicht zur Empfängereinheit E gelangen. Die Empfängereinheit E wird so geschützt und es geht keine Signalleistung verloren. Weitere Bauelemente können der in 3b gezeigten Schaltung entnommen werden.
4 zeigt schematisch die einzelnen Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß des dritten Aspekts. Im Schritt S1 werden alle vorhandenen Antennenelemente (im vorliegenden Fall vier Stück) mittels der Antennensteuereinheit 14 synchron angesteuert, wobei jede Antenne 26 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d mit mittels der Antennensteuereinheit 14 und der Phasenanpassungseinheit 24 individuell eingestellter Phase elektromagnetische Signale aussendet (Schritt S1a). In Schritt S1b wird die Phase der Antennen 26 mittels der Antennensteuereinheit 14 und der Phasenanpassungseinheit 24 des entsprechenden Antennenelements variiert, wodurch der gesamte Objektraum, d. h. der mögliche Raum, in dem sich die Objekte 30 befinden, abgescannt wird. Dies wird als „Beam-Stearing“ bezeichnet. Gleichzeitig werden Störsignale bzw. Rauschsignale im Bereich des Trägersignals der einzelnen Antennen 26 der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d mittels der Störsignalunterdrückungseinheit 22 in jedem Antennenelement einzeln unterdrückt, gedämpft oder gefiltert, um eine minimale Reflexion an der Empfängereinheit E des AFE-Moduls 20 eines jeden Antennenelements 18a, 18b, 18c und 18d zu bekommen. In Schritt S1c wird der Scanvorgang aus Schritt S1b so lange wiederholt, bis keine neuen Objekte mehr erfasst oder erkannt werden.
In Schritt S2 werden alle Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d mittels der Antennensteuereinheit 14 einzeln nacheinander angesteuert, sodass die jeweiligen Antennen 26 mit maximal erlaubter Leistung senden.
In Schritt S3 werden per Zufallsgenerator mehrere Antennenelemente (zum Beispiel zwei Stück), aber nicht alle der Antennenelemente 18a, 18b, 18c und 18d, mittels der Antennensteuereinheit 14 ausgewählt (Schritt S3a). Es können auch räumlich benachbarte Antennenelemente ausgewählt werden. In Schritt S3b wird die Phase der ausgewählten Antennenelemente von 0° bis 360° variiert. Ferner können mittels der Antennensteuereinheit 14 benachbarte Antennenelemente zu einem Antennenelement kombiniert werden, sodass eine höhere Leistung in eine bestimmte Raumrichtung gesendet werden kann. In Schritt S3c werden wiederholt mehrere Antennenelemente wie in Schritt S3a ausgewählt und deren Phase wie in Schritt S3b variiert, die Schritte S3a und S3b werden so lange wiederholt, bis keine weiteren Objekte mehr erfasst oder erkannt werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Steuerungs- und Auswertungseinheit
14: Antennensteuereinheit
15, 15a: elektrische Verbindung
16: Empfangssignalverarbeitungseinheit
17: elektrische Verbindung
18a, 18b, 18c, 18d: Antennenelemente
20: Analog-Front-End Modul (AFE)
22: Störsignalunterdrückungseinheit
24: Phasenanpassungseinheit
26: Antenne
30: Objekte
40: Behälter
ZB₁, ZB₂: Zielbereich
P₁, P₂: Poynting-Vektor
S, E: Sendereinheit, Empfängereinheit
SE, SA: Signaleingang, Signalausgang

Claims

Vorrichtung (10), insbesondere zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten (30), umfassend: - eine Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale im Ultra-Hochfrequenzbereich, wobei die Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) in einer vorbestimmten Anordnung zueinander angeordnet ist, - eine Antennensteuereinheit (14) zum Steuern der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d), und - eine Empfangssignalverarbeitungseinheit (16) zum Verarbeiten und Auswerten von an der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen, - wobei jedes der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) - eine eigene Phasenanpassungseinheit (24) zum phasenverschobenen Senden elektromagnetischer Sendesignale mittels des jeweiligen Antennenelements relativ zu den übrigen Antennenelementen, und - eine eigene Störsignalunterdrückungseinheit (22) zur Unterdrückung von Störsignalen in den an dem jeweiligen Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Empfangssignalen umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) vier oder mehr Antennenelemente umfasst; und/oder wobei die mittels der einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten (22) zu unterdrückenden Störsignale auf der Trägerfrequenz der elektromagnetischen Empfangssignale liegen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei jedes der Antennenelemente eine Senderantenne zum Senden der elektromagnetischen Sendesignale und eine Empfangsantenne zum Empfangen der elektromagnetischen Empfangssignale aufweist, oder wobei jedes der Antennenelemente eine Antenne (26) zum Senden der elektromagnetischen Sendesignale und zum Empfangen der elektromagnetischen Empfangssignale aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antennenelemente (18a, 18b, 18c, 18d) in einer Linie oder in einem Raster, insbesondere in einer Matrix, angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mittels der Antennensteuereinheit (14) die Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) gleichzeitig oder zeitlich versetzt steuerbar ist, wobei insbesondere mittels der Antennensteuereinheit (14) eines oder mehr als eines und weniger als alle, oder alle der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) gleichzeitig oder zeitlich versetzt gesteuert werden.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei ein Antennenelement oder mehrere Antennenelemente, insbesondere alle Antennenelemente der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) mittels der Phasenanpassungseinheit (24) jedes einzelnen Antennenelements die elektromagnetischen Sendesignale im Wesentlichen in einen vorbestimmbaren räumlichen und/oder zeitlich variablen Zielbereich (ZB₁, ZB₂) sendet bzw. senden; und/oder - wobei jedes einzelne Antennenelement der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) das zugehörige elektromagnetische Sendesignal in einen vorbestimmten, dem jeweiligen Antennenelement zugeordneten räumlichen Zielbereich sendet, und wobei die maximale Gesamtstrahlungsleistung der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) mittels Phasenverschiebung der elektromagnetischen Sendesignale der einzelnen Antennenelemente aufgrund von Interferenz der elektromagnetischen Sendesignale in einem vorbestimmbaren räumlich und zeitlich variablen Zielbereich (ZB₁, ZB₂) konzentrierbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Störsignale elektromagnetische Reflexionen der Umgebung der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) umfassen, und/oder wobei die Störsignale einen Teil der elektromagnetischen Sendesignale, die von der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) ausgesendet werden, umfassen, und/oder wobei die Störsignale Lecksignale der elektrischen Schaltungen der einzelnen Antennenelemente, insbesondere der Koppler, umfassen, und/oder wobei die Störsignale elektromagnetische Reflexionen an den einzelnen Antennenelementen aufgrund von unzureichender Impedanzanpassung umfassen.
Verwendung einer Vorrichtung (10) zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten (30), wobei die Verwendung umfasst: - Anordnen einer Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) in einem vorbestimmten Abstand zu den zu erfassenden Objekten (30), - Auswählen, mittels der Antennensteuereinheit (14), einer Teilmenge von Antennenelementen oder aller Antennenelemente der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) zum Senden elektromagnetischer Sendesignale, - Senden, mittels der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d), elektromagnetischer Sendesignale, - Variieren, mittels der Antennensteuereinheit (14) und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten (24) der ausgewählten Antennenelemente, der Phase der ausgewählten Antennenelemente, - Erfassen, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit (16) und der einzelnen Störsignalunterdrückungseinheiten (22) der ausgewählten Antennenelemente, von elektromagnetischen Empfangssignalen, und - Auswerten, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit (16), der elektromagnetischen Empfangssignale zum Detektieren von Objekten (30).
Verwendung nach Anspruch 8, wobei das Detektieren Identifizieren und/oder Lokalisieren umfasst; und/oder wobei das Auswählen der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) gleichzeitig, in einer räumlich festgelegten Abfolge, in einer zeitlich festgelegten Abfolge und/oder zufällig umfasst.
Verfahren zum Erfassen von mit RFID-Tags versehenen Objekten (30), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Auswählen, mittels der Antennensteuereinheit (14), einer Teilmenge von Antennenelementen oder aller Antennenelemente einer Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) zum Senden elektromagnetischer Sendesignale, - Senden, mittels der Teilmenge oder aller der Vielzahl von Antennenelementen (18a, 18b, 18c, 18d), elektromagnetischer Sendesignale, - Variieren, mittels der Antennensteuereinheit (14) und der einzelnen Phasenanpassungseinheiten (24) der ausgewählten Antennenelemente, der Phase der ausgewählten Antennenelemente, und - Auswerten, mittels der Empfangssignalverarbeitungseinheit (16), der an den einzelnen Antennenelementen mithilfe der zugehörigen Störsignalunterdrückungseinheiten (22) empfangenen Empfangssignale.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Variieren, mittels der Antennensteuereinheit (14), der Auswahl der Antennenelemente, und Variieren, mittels der Antennensteuereinheit (14), der zeitlich und räumlichen Abfolge des Sendens der elektromagnetischen Sendesignale durch die ausgewählten Antennenelemente; und/oder - wobei das Auswerten Zuordnen der einzelnen erfassten Objekte (30) ihrer jeweiligen Position im Raum umfasst.