ЭЛЕКТРОННАЯ МЕТКА Российский патент 2003 года по МПК B61L25/00 

Изобретение относится к системам идентификации перевозимых грузов при их прохождении через автоматический пункт считывания информации для оперативного слежения за дислокацией и обеспечения контроля за их сохранностью при перевозках, осуществляемых в вагонах, контейнерах, автофургонах и т.д.

Электронная метка (ЭМ) устанавливается на электронном запорно-пломбировочном устройстве (ЭЗПУ), расположенном, например, на транспортном средстве, на ответственных деталях подвижного состава железных дорог, и используется для дистанционного считывания информации о состоянии ЭЗПУ при проходе подвижной единицы через автоматический пункт съема информации.

Известны два основных типа ЭМ: активные (RU 2170684), содержащие кодер, соединенный через модулятор с приемопередающей антенной, и автономный источник питания, при этом кодер содержит задающий генератор и узел программирования, соединенный с матрицей памяти, т.е. содержащие в составе передатчик и источник питания, и пассивные (RU 2170684, US 3633158, US 4068232) - не имеющие собственного источника питания. Дальность считывания первых ЭМ не зависит от энергии считывателя, а вторых - определяется энергией, поступающей от считывателя.

Преимуществом активных ЭМ по сравнению с пассивными является значительно большая, не менее чем в 2-3 раза, дальность считывания и высокая допустимая скорость движения ЭМ относительно считывателя. Однако существенным недостатком являются большие габариты и относительно высокая стоимость ЭМ.

Преимуществом пассивных ЭМ является практически неограниченный срок работы, а недостатком - необходимость применения более мощных устройств считывания.

Предлагаемая ЭМ предназначена для применения в ЭЗПУ и для маркировки основных деталей подвижного состава, при этом срок работы должен быть большим и обеспечить требуемый ресурс работы ЭЗПУ (2-3 года), а мощность облучения ЭМ считывающим устройством (по медицинским нормам) должна быть небольшой.

Указанные выше требования противоречивы, т.к. для пассивной метки легко решаются проблемы малых габаритов и срока службы, но трудно реализуются требования по дальности и минимальной мощности облучения, а для активной метки ситуация меняется на противоположную.

Таким образом, для предлагаемой метки выбран компромиссный вариант, который аналогичен по принципу работы с пассивным, т.к. информация с ЭМ считывается посредством облучения электромагнитным сигналом, излучаемым считывающим устройством. Но в тоже время ЭМ имеет автономный источник питания, обеспечивающий питанием устройство хранения информации, генератор индивидуального кода и ряд других узлов, имеющих низкое энергопотребление. При этом достигается приемлемая дальность считывания информации при небольшой мощности облучающего сигнала, т.к. не требуется дополнительный расход энергии для питания других элементов ЭМ (есть батарейка).

Таким образом, техническим результатом изобретения является создание ЭМ, используемой в качестве идентификатора запорно-пломбировочного устройства или ответственной детали подвижного состава и обеспечивающей оптимальное соотношение дальности считывания, срока службы и требуемой мощности облучения считывающим устройством.

Указанный технический результат достигается тем, что в электронной метке, содержащей кодер, соединенный через модулятор с приемопередающей антенной, и автономный источник питания, при этом кодер состоит из генератора тактов и блока программирования, соединенного с матрицей памяти, кодер содержит двоичный счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактов, а выходы соединены со входами декодера вставки, декодера столбцов и декодера строк, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом декодера вставки, второй вход соединен с выходом матрицы памяти, соединенной с выходами декодера столбцов и декодера строк, преобразователь кода, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход соединен со входом сумматора, выходы которого соединены с входами модулятора, причем третий вход коммутатора соединен с выходом бока состояния электронного запорно-пломбировочного устройства (ЭЗПУ), при этом автономный источник питания соединен только с матрицей памяти и генератором тактов.

В частных случаях выполнения
- модулятор является амплитудным и содержит СВЧ диоды, выполненные с возможностью функционирования в линейном режиме при превышении уровня импульсного сигнала напряжения отсечки СВЧ диодов,
- модулятор является фазовым и содержит СВЧ диоды, напряжение на которых ограничено на уровне менее порога открывания, например 0,4 В.

- блок состояния ЭЗПУ выполнен с возможностью формирования на его выходе одинаковых цифровых последовательностей, но в инверсном коде при подаче на его вход сигнала "0", характеризующего разомкнутое состояние ЭЗПУ, или сигнала "1", характеризующего замкнутое состояние ЭЗПУ.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг.1 представлена блок схема электронной метки.

На фиг. 2 представлены цифровые последовательности, формируемые из тактовой частоты генератора.

Электронная метка содержит кодер 1, соединенный через модулятор 2 с приемопередающей антенной 3. Кодер 1 состоит из генератора тактов 4 и блока программирования 12, соединенного с матрицей памяти 11, двоичный счетчик 5, вход которого соединен с выходом генератора тактов 4, а выходы соединены со входами декодера вставки 7, декодера столбцов 8 и декодера строк 9, коммутатор 10, первый вход которого соединен с выходом декодера вставки 7, второй вход соединен с выходом матрицы памяти 11, соединенной с выходами декодера столбцов 8 и декодера строк 9, преобразователь кода 13, вход которого соединен с выходом коммутатора 10, а выход соединен со входом сумматора 6, выходы которого соединены с входами модулятора 2, причем третий вход коммутатора 10 соединен с выходом блока 14 состояния электронного запорно-пломбировочного устройства (ЭЗПУ).

Генератор тактов 4 может быть выполнен в виде задающего генератора на основе RC элементов (встроенный в ПЛМ) либо, при необходимости, с применением внешнего кварцевого резонатора и предназначен для формирования тактовой частоты для узла цифровой обработки.

Антенна 3 предназначена для изменения параметров облучающего СВЧ поля в соответствии с управляющим воздействием модулятора 2.

Электронная метка функционирует следующим образом.

При проходе транспортного средства с ЭМ через автоматический пункт считывания информации напольное считывающее устройство, входящее в его состав, через антенную систему облучает ЭМ зондирующим СВЧ сигналом с частотой 850-950 МГц или 2400 - 2450 МГц.

ЭМ переизлучает часть СВЧ сигнала, при этом осуществляя его модуляцию в соответствии с кодом, содержащимся в ее памяти 11.

Антенная система напольного считывающего устройства (не показан) принимает модулированный СВЧ сигнал и осуществляет его декодирование.

Далее макет информации, содержащий данные ЭМ по сети передачи, передается к месту ведения баз данных, содержащих сведения о дислокации и состоянии перевозимых груза.

Генератор тактов 4, собранный на RC времязадающих элементах, генерирует основную тактовую частоту F₀=80 кГц. Указанные RC элементы могут быть введены внутрь ПЛМ, при этом тактовая частота устанавливается программно.

Из частоты F₀ вырабатывают цифровые последовательности:
вида - 0010, принимаемые за логическую 1 в Манчестер коде,
вида - 1000, принимаемые за логический 0 в Манчестер коде (фиг.2).

Кодер 1 содержит также матрицу памяти 11, которая является однократно программируемым постоянным запоминающим устройством - 128-битная программируемая память с адресным счетчиком. В матрицу памяти 11 при программировании заносится необходимая информация (128 бит), не разрушающаяся при отсутствии питания. Матрица памяти 11 может содержать информацию о номере пломбы (детали), коде владельца и т.д.

При подаче питания на кодер 1 двоичный счетчик 5 в соответствии с тактовыми импульсами начинает перебор адресов матрицы памяти 11, используя декодеры строк 9 и столбцов 8. Каждый бит информации с выхода блока 11 кодируется в соответствии с фиг.2. В заданный декодером вставки 7 момент времени коммутатор 10 отключает программируемую матрицу памяти 11 и подключает входы блока 14 состояния ЭЗПУ. При этом выходную последовательность кодера 2 вставляются два бита состояния ЭЗПУ. С выхода коммутатора 10 последовательность информационных импульсов подается на преобразователь кода 6 для преобразования в Манчестер код и далее на выход кодера 1 в узел модулятора 2.

Информация о состоянии ЭЗПУ поступает на кодер 1 (непосредственно на выводы ПЛМ) в виде двух сигналов:
00 - ЭЗПУ выключено,
01 - ЭЗПУ включено, но не закрыто (контроль работоспособности),
10 - ЭЗПУ включено и замкнуто,
11 - ЭЗПУ вскрыто.

Возможен и иной способ введения информации о состоянии ЗПУ. Если ограничиться двумя битами информации, например "0" - выключено, "1" - включено, то при вскрытии ЗПУ, т.е. при попадании уровня "1" на специальном выводе ПЛМ, кодер начинает генерировать ту же цифровую последовательность, но в инверсном коде (вместо "0" - "1", и вместо "1" - "0").

Аккумуляторная батарея (не показана) предназначена для обеспечения электропитания ЭМ в квазипассивном режиме. Она необходима для поддержания работоспособность кодера 1, т.к. энергии СВЧ поля при облучении ЭМ, для данного малогабаритного варианта антенны, недостаточно. Энергопотребление кодера 1, т.к. ПЛМ собрана по К-МОП технологии, невелико: при напряжении питания - 3 В ток потребления не превышает 20 мкА, что позволяет при применении Li батареи обеспечить работоспособность кодера в течение около 1...2 лет.

Модулятор 2 может быть реализован двух типов:
- амплитудный "AM";
- фазовый "ФМ".

Принципиальные схемы выполнения обоих модулятор одинаковы.

Для амплитудной модуляции, СВЧ диоды 15 и 16 должны работать в линейном режиме, т.е. напряжение импульсного (кодового) сигнала должно превышать напряжение отсечки (для кремниевых (р-n переходов: 0,4...0,6 В).

При наличии на выходе кодера 1 высокого (отрицательного) напряжения, соответствующего, например, уровню логической единицы, диоды 15 и 16 переходят в открытое состояние и шунтируют антенну 3, при нулевом напряжении на выходе кодера 1 (уровень логического нуля), диоды 15 и 16 заперты и антенна 3 представляет собой достаточно добротный, в заданном диапазоне частот, колебательный контур.

При облучении ЭМ СВЧ излучением, если антенна 3 (колебательный контур) не шунтирована ("0" на выходе кодера), то она переизлучает часть энергии в соответствии со своей добротностью и других собственно антенных параметров. Если антенна шунтирована ("1" на выходе кодера ), ЭМ не вносит в параметры облучающего сигнала никаких изменений.

Таким образом, осуществляется амплитудная манипуляция на рабочей частоте считывателя.

В метке может быть реализован и метод фазовой модуляции "ФМ", при котором напряжение на диодах 15 и 16 ограничивается на уровне менее 0,4 - (0,25. . . 32) В. При этом прямой ток через диоды 15 и 16 не протекает (ток утечки менее 1 мкА), а изменяется лишь емкость запертого p-n перехода, что приводит к перестройке частоты настройки колебательного контура (антенны).

Перестройка, в соответствии с кодом, генерируемым кодером 1, колебательного контура (антенны) приводит к перестройке фазы переизлученной антенной 3 энергии СВЧ излучения. При этом ЭМ всегда переизлучает СВЧ энергию считывателя.

Антенна 3 может быть выполнена любым способом, важно лишь, чтобы она была достаточно эффективна в заданном диапазоне частот. В рассматриваемом варианте построения ЭМ антенна 3 представляет собой укороченный "диполь", настроенный на рабочие частоты вместе со средней емкостью СВЧ диодов и учетом конструктивного исполнения ЭМ. В качестве VD1 15 и VD2 16 применены СВЧ диоды с малой емкостью и высоким быстродействием, достаточным для работы в рассматриваемом диапазоне частот.

Предлагаемая ЭМ имеет высокий ресурс работы - 2-3 года, дальность считывания до 10 метров и небольшую мощность облучения ЭМ считывающим устройством, которая соответствует современным медицинским нормам.

Изобретение относится к системам идентификации перевозимых грузов при их прохождении через автоматический пункт считывания информации для оперативного слежения за дислокацией и обеспечения контроля за их сохранностью при перевозках, осуществляемых в вагонах, контейнерах, автофургонах и т.д. Электронная метка (ЭМ) содержит кодер, соединенный через модулятор с приемопередающей антенной. Кодер содержит генератор тактов, блок программирования, соединенный с матрицей памяти, двоичный счетчик, соединенный с генератором тактов, декодерами вставки, столбцов и строк, коммутатор, соединений с декодером вставки, матрицей памяти, преобразователь кода, соединенный с сумматором. Выходы последнего соединены с входами модулятора. Третий вход коммутатора соединен с выходом блока состояния электронного запорно-пломбировочного устройства. Техническим результатом изобретения является создание ЭМ, используемой в качестве идентификатора запорно-пломбировочного устройства или ответственной детали подвижного состава и обеспечивающей оптимальное соотношение дальности считывания, срока службы и требуемой мощности облучения считывающим устройством. 3 з.п.ф-лы. 2 ил.

1. Электронная метка, содержащая кодер, соединенный через модулятор с приемопередающей антенной и включающий в себя генератор тактов и блок программирования, соединенный с матрицей памяти, отличающаяся тем, что кодер снабжен двоичным счетчиком, вход которого соединен с выходом генератора тактов, а выходы соединены со входами декодера вставки, декодера столбцов и декодера строк, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом декодера вставки, второй вход соединен с выходом матрицы памяти, соединенной с выходами декодера столбцов и декодера строк, преобразователь кода, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход соединен с входом сумматора, выходы которого соединены с входами модулятора, причем третий вход коммутатора соединен с выходом блока состояния электронного запорно-пломбировочного устройства (ЭЗПУ). 2. Электронная метка по п. 1, отличающаяся тем, что модулятор является амплитудным и содержит СВЧ диоды, выполненные с возможностью функционирования в линейном режиме при превышении уровня импульсного сигнала напряжения отсечки СВЧ диодов. 3. Электронная метка по п. 1, отличающаяся тем, что модулятор является фазовым и содержит СВЧ диоды, напряжение на которых ограничено на уровне менее порога открывания, например 0,4 В. 4. Электронная метка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что блок состояния ЭЗПУ выполнен с возможностью формирования на его выходе одинаковых цифровых последовательностей: или в инверсном коде при подаче на его вход сигнала "0", характеризующего разомкнутое состояние ЭЗПУ, или в прямом коде при подаче на его вход сигнала "1", характеризующего замкнутое состояние ЭЗПУ.