JP2012189542A - 交信処理装置および交信処理装置における距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグまでの距離を計測する方法として、実際の交信処理の設定に対応可能な計測を実現する。
【解決手段】交信処理装置１に、高周波信号発振器１１Ｂと中間周波発振器１１Ａとを組み込み、これらの発振器１１Ａ，１１Ｂを用いて中間周波信号が重畳された搬送波を生成し、アンテナ１０から送出する。またミキサ１６ｉ，１６ｑにより、アンテナ１０が受信した信号中の中間周波信号からＩ信号のＱ信号とを分離して抽出する。位相差検出部１１２は、タグ２からの反射波の受信が開始された後のＩ信号およびＱ信号を用いて、搬送波中の中間周波信号に対する反射波中の中間周波信号の位相差を検出する。距離算出部１１３は、位相差と中間周波信号の波長とを用いてアンテナ１０からタグ２までの距離を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続搬送波を用いてＲＦＩＤタグとの交信を行う交信処理装置に関するもので、特に、交信処理装置からのコマンドに応答したＲＦＩＤタグ（以下、単に「タグ」という場合もある。）と交信処理装置との間の距離を計測する技術に関する。

ＲＦＩＤ方式の交信処理装置では、交信処理装置において、一定の周波数による搬送波を連続的に送出しながらこの搬送波を変調することによりタグへのコマンドを送信する処理と、無変調の搬送波（Continuous Wave；略してＣＷと呼ばれる。）を送出してタグからの応答を受け付ける処理とを交互に実施する。コマンドを受信したタグでは自回路のインピーダンスを変化させることによりコマンドに応答する。このタグの応答動作により、無変調搬送波にコマンドへの応答信号が重畳された信号（反射波）が交信処理装置に返送され、応答信号が復号される。

生産現場や物流現場などでのＲＦＩＤシステムでは、あらかじめ定めた交信距離の範囲でタグとの交信を行う必要があるが、使用される電波の波長によっては、必要とする距離を上回る場所にまで電波が届くことがある。また現場の床や壁などに電波が反射して遠くのタグにまで導かれることもある。この結果、交信の必要がない場所に存在するタグがコマンドに応答して、情報処理に問題が生じるおそれがある。その具体例を図４に示す。

図４の例は、並列する経路Ｂ１，Ｂ２の横手に、それぞれ交信処理装置のアンテナＡ１，Ａ２を配置して、これらのアンテナＡ１，Ａ２により経路Ｂ１，Ｂ２を走行する車両Ｃに取り付けられたタグＴから情報を読み取るものである。図示例の場合には、車両Ｃが位置する経路Ｂ１に対応するアンテナＡ１のみがタグＴと交信できるようにする必要があるが、隣の経路Ｂ２のアンテナＡ２からの電波もタグＴに届いて、アンテナＡ２からのコマンドにタグＴが応答し、誤った情報の読み書きが実施されるおそれがある。

上記の問題点を解決するための方法として、アンテナからタグまでの距離を計測し、計測された距離が交信距離の範囲に含まれるか否かを判別する方法がある。またアンテナからタグまでの距離を計測する方法として、アンテナから送出される搬送波に対するタグからの反射波の位相のずれを利用した計測方法が提案されている。

たとえば、特許文献１には、周波数が異なる２通りの搬送波を順に送出して、周波数毎にタグからの反射波の位相の変化量を検出し、各変化量の差を利用した演算によりタグとの距離を算出することが記載されている。

また特許文献２には、定められた経路（線路）を通過する移動体（列車）に取り付けられたタグに対して２つのアンテナを用いた交信を行い、各アンテナがタグから受信した応答信号間の位相差を求め、この位相差と応答信号の波長とを用いて距離ΔＬを求めることが記載されている。また、特許文献２には、この距離ΔＬが一方のアンテナからタグまでの距離Ｌ１と他方のアンテナからタグまでの距離Ｌ２との差に相当することを利用して、各アンテナからの距離の差がΔＬになる点が構成する双曲線を設定して、この双曲線とタグリーダからタグの移動経路までの距離とを用いて、タグの位置を特定することが記載されている（特許文献１の段落００５７〜００６１、図４を参照。）。

特許第４２６５６８６号公報 特開２０１１−３７３７１号公報

上記特許文献１，２に記載された発明より簡単な方法として、アンテナから送信される搬送波に対するタグからの反射波の位相のずれ量を検出し、検出されたずれ量と搬送波の波長とを用いてタグまでの距離を計測する方法が考えられる。しかし、この方法では、アンテナから送出された電波が往復で一周期以内の長さとなる経路を経てアンテナに戻ることが前提となる。すなわちこの方法により計測できる距離は搬送波の半周期分の長さまでとなる。
しかしながら、波長の短い搬送波が使用されるケースでこのような条件が満たされるとは考えにくく、実用化は困難である。

たとえば、ＵＨＦ帯域にある１ＧＨｚの電波を利用する場合には、搬送波の波長は約３０ｃｍ程度となるが、この種の電波はアンテナから１０メートル程度離れた場所に到達しても、タグを反応させることができる強度を有する。またこの特性を生かして、一般に、数メートル単位の交信距離が設定される。このような仕様に対しては、３０ｃｍ程度の波長の信号の位相差を用いた距離計測は全く用をなさない。

本発明は、上記の問題に着目し、タグからの反射波を受け付ける期間中に中間周波数が重畳された搬送波を送出し、この中間周波数の位相のずれを利用した距離計測を行うことによって、実際の交信処理の設定に対応可能な計測を実現することを課題とする。

本発明による交信処理装置は、アンテナから送出される搬送波を変調することによってＲＦＩＤタグに対するコマンドを送信するコマンド送信処理と、コマンドの送信に応じてアンテナから無変調の搬送波（ＣＷ）を送出しながらこの無変調搬送波に対するＲＦＩＤタグからの反射波を受信する受信処理と、受信した反射波からＲＦＩＤタグからの応答信号を復号する復号処理とを実行するものである。この交信処理装置は、アンテナから送出される搬送波に中間周波信号を重畳させる搬送波処理手段と、受信処理において反射波の受信が開始されたことに応じて当該反射波から中間周波信号を抽出すると共に、この抽出に対応するタイミングで送出される搬送波中の中間周波信号に対する前記抽出された中間周波信号の位相差を検出する位相差検出手段と、位相差検出手段により検出された位相差と中間周波信号の波長とを用いて反射波を返したＲＦＩＤタグまでの距離を測定する距離測定手段とを具備する。

上記の構成によれば、コマンドに対するタグからの応答を受け付けるための無変調搬送波に中間周波信号を重畳し、この中間周波信号に生じる位相差を利用してタグまでの距離を計測するので、ＲＦＩＤを利用する一般的なアプリケーションに対応可能な距離を計測することが可能になる。たとえば、中間周波信号として１５ＭＨｚの周波数の信号を使用すると、その波長は約２０ｍとなるので、その半分の１０ｍまでの距離を計測することができる。

上記交信処理装置における一実施形態では、位相差検出手段は、復号処理により応答情報中のプリアンブルが検出されたことに応じて中間周波信号の抽出および位相差の検出を実行する。応答信号中のプリアンブルは、「１」および「０」のビット信号が一定のパターンで配列された構成を有するから、このパターンを検出することによって反射波の受信が開始されたことを容易に判別して、中間周波信号の抽出や位相差の検出を行うことができる。また床や壁などで反射して交信処理装置に戻ったノイズ反射波がタグからの反射波として誤認識されるのを防ぐことができる。

他の実施形態による交信処理装置は、距離計測手段により計測された距離に基づき反射波を返したＲＦＩＤタグが交信対象として適切であるか否かを判別する判別手段を、さらに具備する。このようにすれば、定められた距離の範囲内にあるタグからの応答信号のみを採用することが容易になり、誤った情報処理が実施されるのを防ぐことができる。

本発明の交信処理装置の好ましい形態は、ＲＦＩＤタグに対する情報の読み出しおよび書き込みを行うＲＦＩＤリーダライタであるが、これに限らず、情報の読み出しのみを行うＲＦＩＤリーダとして構成してもよい。

本発明による距離計測方法は、アンテナから送出される搬送波を変調することによってＲＦＩＤタグに対するコマンドを送信するコマンド送信処理と、コマンドの送信に応じてアンテナから無変調の搬送波を送出しながらこの無変調搬送波に対するＲＦＩＤタグからの反射波を受信する受信処理と、受信した反射波に含まれるＲＦＩＤタグからの応答信号を復号する復号処理とを実行する交信処理装置において実施される。この方法では、アンテナから送出される搬送波に中間周波信号を重畳し、受信処理において反射波の受信が開始されたことに応じて当該反射波から中間周波信号を抽出すると共に、この抽出に対応するタイミングで送出される搬送波中の中間周波信号に対する前記抽出された中間周波信号の位相差を検出する。そして検出された位相差と中間周波数の波長とを用いて反射波を返したＲＦＩＤタグまでの距離を計測する。

本発明によれば、コマンドに対するＲＦＩＤタグからの応答を受け付けるためにアンテナから送出する無変調搬送波に中間周波信号を重畳し、ＲＦＩＤタグからの反射波に含まれる中間周波信号と送信中の搬送波に含まれる中間周波信号との位相差とを用いてタグまでの距離を計測するので、設定され得る交信距離に対応する長さの距離を計測することが可能になる。

本発明が適用されるリーダライタの構成を示すブロック図である。 交信処理の流れを示すタイムチャートである。 交信処理装置の制御部における処理手順を示すフローチャートである。 誤った交信処理の例を示す説明図である。

図１は、本発明が適用された交信処理装置の一例であるリーダライタの構成を示す。
この実施例のリーダライタ１は、ＵＨＦ帯域の電波を用いてパッシブタイプまたはセミパッシブタイプのＲＦＩＤタグ２と交信をして、このタグ２から情報を読み出したり、タグ２に情報を書き込む処理を実施するもので、アンテナ１０を含む送受信回路１００と、この送受信回路の動作を制御する制御部１１０とを具備する。なお、使用する電波はＵＨＦ帯域に限らず、他の帯域の電波を使用してもよい。

送受信回路１００には、アンテナ１０のほか、サーキュレータ１０１、９０度位相器１０２、２種類の発振器１１Ａ，１１Ｂ、送信処理用のミキサ１２Ａ，１２Ｂ、受信処理用のミキサ１３Ａ，１３Ｂ，１６ｉ，１６ｑ、分配器１４，１５、アンプ１８、Ａ／Ｄ変換器１７ｉ，１７ｑ，１９などが含まれる。制御部１１０の実体はプログラムロジック回路（ＦＰＧＡ）であって、送信制御部１１１、位相差検出部１１２、距離算出部１１３、復号処理部１１４、出力処理部１１５の各機能が設けられる。

また図１には示していないが、このリーダライタ１には、図示しない上位機器に対するインタフェース回路が設けられる。制御部１１０は、上位機器から送信される指示に基づいてタグ２との交信処理を実施し、その処理結果を上位機器に送信する。

第１の発振器１１Ａからは、約１５ＭＨｚの中間周波信号（以下「ＩＦ信号」という。）が出力される。第２の発振器１１Ｂからは、約１ＧＨｚの高周波信号（以下「ＲＦ信号」という。）が出力される。ＩＦ信号は送信側のミキサ１２Ａに供給されるほか、分配器１４を介して受信側のミキサ１３Ａおよび９０度位相器１０２に供給される。ＲＦ信号は送信側のミキサ１２Ｂと受信側のミキサ１３Ｂとに供給される。

ミキサ１２Ａは、送信制御部１１１から出力されるデータ信号と上記のＩＦ信号とを入力して両信号を混合し、ミキサ１２Ｂは、ミキサ１３Ａからの混合信号とＲＦ信号とを入力して両信号を混合する。この２段階の混合処理により、ＲＦ信号による搬送波信号にＩＦ信号が重畳され、データ信号による変調が生じた搬送波信号が生成される。生成された信号は、ミキサ１２Ｂからサーキュレータ１０１を介してアンテナ１０に導かれ、電磁波として送出される。

送信制御部１１１は、コマンドを構成するデータ信号を出力した後は、連続波を送信する。搬送波に実質的な変調が生じるのはコマンドが送信される期間である。データ信号が連続波になると、ＲＦ信号にＩＦ信号が重畳された信号が無変調搬送波ＣＷ（以下「無変調波」という。）として送出される。この無変調波が送出される期間にタグ２がコマンドに対する応答動作を行うと、その動作による反射波がアンテナ１０に到着する。

アンテナ１０がタグ２から受信した反射波は、サーキュレータ１０１を介してミキサ１３Ｂへと導かれる。ミキサ１３Ｂでは、ＲＦ信号との混合処理により受信信号からＲＦ成分を取り除き、タグ２からの応答信号が重畳されたＩＦ信号を出力する。この応答信号を含むＩＦ信号（以下「受信ＩＦ信号」という。）は、分配器１５によりミキサ１３Ａ，１６ｉ，１６ｑに分配される。

ミキサ１３Ａでは、受信ＩＦ信号を発振器１１ＡからのＩＦ信号（以下「基準ＩＦ信号」という。）と混合することによって、応答信号を復調する。復調された応答信号はアンプ１８で増幅された後にＡ／Ｄ変換器１９によりディジタル変換される。ディジタル変換後の応答信号は制御部１１０の復号処理部１１４に入力され、応答内容を示す情報（応答情報）が復号される。

ミキサ１６ｉは、発振器１２Ａからの基準ＩＦ信号と受信ＩＦ信号とを混合することにより、受信ＩＦ信号に含まれるＩ信号を抽出する。ミキサ１６ｑは、９０度位相変換器１０２により位相が９０度ずらされた基準ＩＦ信号と受信ＩＦ信号とを混合することにより、受信ＩＦ信号に含まれるＱ信号を抽出する。Ｉ信号およびＱ信号は、それぞれＡ／Ｄ変換回路１７ｉ，１７ｑによりディジタル変換された後に、位相差検出部１１２に入力される。

位相差検出部１１２では、復号処理部１１４が応答情報の復号を開始したか否かをチェックし、復号が開始された後の任意のタイミングでのＩ信号Ｉ（ｔ）およびＱ信号Ｑ（ｔ）を用いて以下の＜式１＞の演算を実施することにより、基準ＩＦ信号に対する受信ＩＦ信号の位相差を示す角度φを算出する。距離算出部１１３は、位相差検出部１１２が求めた位相差φとＩＦ信号の周波数λとを用いて＜式２＞の演算を実施することにより、アンテナ１０からタグ２までの距離Ｒを算出する。

＜式１＞ φ＝ｔａｎ^−１（Ｑ（ｔ）／Ｉ（ｔ））
＜式２＞ Ｒ＝（φ／２π）＊λ／２

出力処理部１１５は、距離算出部１１３により算出された距離Ｒをあらかじめ上位機器から送信された基準の距離と比較し、基準の距離以内の距離が算出されたタグからの応答信号を上位機器に送信する。距離算出部１１３により算出された距離が基準の距離を上回った場合には、復号処理部１１４は、交信中のタグは交信対象として適切ではないと判別して、復号処理を中止する。

以下、アンテナ１０からタグ２までの距離を計測する方法を中心に、リーダライタ１において実施される交信処理を詳細に説明する。

まず図２は、上記のリーダライタ１とタグ２との間で実施される交信処理の流れを、時間軸に沿って示したものである。この実施例では、EPCglobal C1 Gen2仕様に基づき、リーダライタ１において、コマンドが重畳された搬送波を送出する期間と無変調波（ＣＷ）を送出しながらタグ２からの応答を受け付ける期間とを交互に実施する。タグ２までの距離を計測するための処理も無変調波の送出期間中に実施される。

図２を参照して、交信処理の具体的な流れを説明する。まずリーダライタ１は、交信可能な範囲に含まれる全てのタグ２を対象に、検出用のコマンド（クエリーコマンド）を送信する（図２の（ａ））。このコマンドを受信したタグ２では乱数を生成し、この乱数をリーダライタ１に送信する（図２の（ｂ））。乱数を受信したリーダライタ１は、その受信数により交信可能なタグの数を認識し、以下、受信した乱数により交信相手を特定して情報の読み出しを求めるコマンド（Ａｃｋコマンド）を送信する処理と、当該コマンドに対するタグからの応答信号を受け付ける処理とを、タグ毎に順に実行する（図２の（ｃ）（ｄ））。

さらに上記のＡｃｋコマンドに対する応答信号の受信が開始されると、上述したＩＦ信号の位相差を検出する処理および距離Ｒの計測処理が実施される（図２の（ｅ））。なお、応答信号の受信が開始されたことは、復号処理部１１４により応答信号の先頭のプリアンブルが検出されたことによって判別することができる。

図３は、図２に示した処理を実現するためにリーダライタ１の制御部１１０において実施される一連の処理の流れを示す。
まずステップＳ１では、クエリーコマンドの送信およびタグ２からの応答を受信して復号する処理を実施して、交信が可能なタグ２を検出する。

この後は、検出されたタグ２毎にステップＳ２以下の処理を実行する。
まず、ステップＳ２ではＡｃｋコマンドを送信し、つぎのステップＳ３ではＩＦ信号が重畳された無変調波の送信および復号処理を開始する。この後は、復号処理において応答信号のプリアンブルの復号が開始されるまで待機する（ステップＳ４）。

プリアンブルの復号が開始されると（ステップＳ４が「ＹＥＳ」）、プリアンブルが続く間に入力されるＩ信号およびＱ信号を用いて、基準ＩＦ信号に対する受信ＩＦ信号の位相差φを検出する（ステップＳ５）。さらに検出された位相差φおよびＩＦ信号の周波数λを用いてアンテナ１０からタグ２までの距離Ｒを算出する（ステップＳ６）。

つぎに算出された距離Ｒを基準の距離Ｒ０と比較する。Ｒ≦Ｒ０であれば（ステップＳ７が「ＹＥＳ」）、引き続き復号処理を続けて全ての応答信号を復号する（ステップＳ８）。さらに、復号された応答信号を距離Ｒと共に上位機器に送信する（ステップＳ９）。一方、Ｒ＞Ｒ０となった場合（ステップＳ８が「ＮＯ」）には、ステップＳ１０に進み、復号処理を中止する。

以下、同様の処理を実施することにより、距離Ｒが基準の距離Ｒ０以内となったタグからの応答信号のみが復号され、距離Ｒと共に上位機器に送信される。全てのタグに対する処理が終了したことをもってステップＳ１１が「ＹＥＳ」となると、処理を終了する。

上記のリーダライタ１で使用されるＩＦ信号の周波数（１５ＭＨｚ）によれば、その波長は約２０ｍとなるから、アンテナ１０から１０ｍ以内の距離にあるタグ２に対する距離計測を行うことが可能になる。よって、タグを反応させることができる強度の電波が届く最大の距離が約１０ｍになると想定される場合には、その条件に対応する範囲の距離を計測することが可能になる。

また、このリーダライタ１では、タグ２からの応答信号を復号する処理を行いながら距離Ｒを計測するので、通常の交信処理のサイクルの中で距離の計測を完了すると共に、タグ２の情報を取得することができる。したがって、移動するタグ２との交信においても支障が生じるおそれがない。また、距離Ｒが基準の距離Ｒ０を上回るタグ２に対しては応答信号の復号を中止するので、効率良く処理を進めることができ、上位機器に不要な情報が送信されるのを防ぐことができる。また、復号された応答信号と共に距離Ｒの算出結果を上位機器に送信するので、上位機器では、タグ２の情報を識別すると共にこのタグ２とアンテナ１０との距離を認識することが可能になる。

ただし、タグ２からの応答信号をリーダライタ１で選別することは必須ではない。すなわち距離Ｒの値に関わらず、交信対象の全てのタグ２からの応答信号を復号し、各応答信号を距離Ｒと共に上位機器に送信してもよい。または、距離Ｒと基準の距離Ｒ０との比較処理までを実施し、各タグからの応答信号に距離の比較結果を示すデータを紐付けたものを上位機器に送信してもよい。このようにすれば、上位機器において応答信号を容易に選別することができる。

タグ２に情報の書き込みを行う場合にも、タグ２からの情報の読み取りが終了してから書き込みコマンドを送信するので、交信対象を特定した最初のコマンドに対するタグ２からの応答を受信したときに、基準の距離Ｒ０を上回る場所にあると判別したタグ２に対する処理を中止すれば、当該タグ２に誤った情報が書き込まれるのを防ぐことができる。

１ 交信処理装置（リーダライタ）
２ ＲＦＩＤタグ
１１Ａ，１１Ｂ 発振器
１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ ミキサ
１６ 加算器
１００ 送受信回路
１１０ 制御部
１１２ 位相差検出部
１１３ 距離算出部
１１４ 復号処理部

Claims (4)

1. アンテナから送出される搬送波を変調することによってＲＦＩＤタグに対するコマンドを送信するコマンド送信処理と、前記コマンドの送信に応じてアンテナから無変調の搬送波を送出しながらこの無変調搬送波に対するＲＦＩＤタグからの反射波を受信する受信処理と、受信した反射波からＲＦＩＤタグからの応答信号を復号する復号処理とを実行する装置であって、
   前記アンテナから送出される搬送波に中間周波信号を重畳させる搬送波処理手段と、
   前記受信処理において反射波の受信が開始されたことに応じて当該反射波から中間周波信号を抽出すると共に、この抽出に対応するタイミングで送出される搬送波中の中間周波信号に対する前記抽出された中間周波信号の位相差を検出する位相差検出手段と、
   位相差検出手段により検出された位相差と前記中間周波信号の波長とを用いて前記反射波を返したＲＦＩＤタグまでの距離を計測する距離計測手段とを具備する、交信処理装置。
2. 前記位相差検出手段は、前記復号処理により応答信号中のプリアンブルが検出されたことに応じて中間周波信号の抽出および位相差の検出を実行する請求項１に記載された交信処理装置。
3. 前記距離計測手段により計測された距離に基づき前記反射波を返したＲＦＩＤタグが交信対象として適切であるか否かを判別する判別手段を、さらに具備する請求項１に記載された交信処理装置。
4. アンテナから送出される搬送波を変調することによってＲＦＩＤタグに対するコマンドを送信するコマンド送信処理と、前記コマンドの送信に応じて前記アンテナから無変調の搬送波を送出しながらこの無変調搬送波に対するＲＦＩＤタグからの反射波を受信する受信処理と、受信した反射波に含まれるＲＦＩＤタグからの応答信号を復号する復号処理とを実行する交信処理装置において実施される方法であって、
   前記アンテナから送出される搬送波に中間周波信号を重畳し、前記受信処理において反射波の受信が開始されたことに応じて当該反射波から中間周波信号を抽出すると共に、この抽出に対応するタイミングで送出される搬送波中の中間周波信号に対する前記抽出された中間周波信号の位相差を検出し、検出された位相差と前記中間周波数の波長とを用いて前記反射波を返したＲＦＩＤタグまでの距離を計測する、
   ことを特徴とする交信処理装置における距離計測方法。

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