БЕСПРОВОДНОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР СИГНАЛОВ И КОМАНД UHF RFID-СЧИТЫВАТЕЛЕЙ И СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ И КОМАНД UHF RFID-СЧИТЫВАТЕЛЕЙ Российский патент 2021 года по МПК G06K7/00 G08B5/00 

Изобретение относится к области радиочастотной идентификации, в частности к конструкции устройств, применяемых для обмена данными с RFID (Radio frequency identification) считывателями по беспроводному каналу связи в сверхвысоком частотном (СВЧ) диапазоне 860-960 МГц.

Аналогом изобретения являются обычные сверхвысокочастотные пассивные и полупассивные UHF (Ultra high frequency) RFID-метки, которые достаточно широко описаны в литературе [1].

Известно изобретение, в котором описывается радиочастотная идентификационная метка. Конструкция включает в себя корпус, диэлектрическую подложку, а также чип и антенну радиочастотной идентификации [2]. Попадая в «зону действия» RFID-антенны, UHF-метка отвечает информацией, закодированной в память микрочипа. Основной принцип действия сверхвысокочастотных UHF-меток заключается в том, чтобы переотразить электромагнитные СВЧ-волны, сгенерированные RFID-считывателем и излученные RFID-антенной обратно, от RFID-метеки, на источник волны (то есть на RFID-антенну и далее на RFID-считыватель). При переотражении волны на несущую накладываются данные. Обмен данными с применением радиоволн подробно рассмотрен в ряде источников, в частности в литературе по антенно-фидерной технике и электронным системам связи [3].

Недостатком описанных выше RFID-меток является то, что отсутствует возможность оценить качество связи считыватель-метка непосредственно на борту метки и предоставить эту информацию оператору для последующего анализа и принятия решений. Более того, сама по себе метка не дает возможность оценить - работает ли она, находясь в том или ином месте пространства? Попадет ли она в «зону действия» RFID-системы? Судить о работоспособности метки и о качестве связи считыватель-метка можно только на стороне RFID-считывателя (более точно - по показаниям программного обеспечения считывателя или хоста). Важным является то, что необходимо наличие двухсторонней связи и это значительно снижает общую «чувствительность» такой системы, поскольку сигнал ослабляется, пройдя двойной путь от считывателя до метки и обратно; даже находясь в «зоне действия» считывателя, энергия электромагнитного (ЭМ) поля от антенны может оказаться недостаточной для обеспечения стабильного приема на стороне считывателя. Как следствие мы не можем в полной мере оценить качество сигнала в конкретной точке пространства, где метка находится. Также метка может попасть в зону «радиотени» или в зону деструктивной интерференции сигнала считывателя с другими ЭМ волнами. Диагностика RFID-систем в основе работы которых лежит необходимость двухсторонней связи считыватель - метка становится затруднительной и трудоемкой задачей. Зачастую задача диагностики отвлекает много ресурсов и времени, а сам процесс диагностики не дает высокой точности в плане пространственной локализации метки.

Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является RFID-устройство с функцией детекции сигнала RFID считывателя и моста между считывателем и сторонним устройством и способ ее работы [4]. Изобретение содержит RFID-метку, работающую в сверхвысоком частотном диапазоне и детектор сигнала RFID-считывателя, от которого при поступлении сигнала активируется часть электронной схемы.

Недостатком прототипа является то, что он, как и обычные RFID-метки, описание которых приведено выше, должен ответить какими-либо данными, закодированными в память; эти данные генерируются микропроцессором, расположенным в стороннем устройстве, который пробуждается при получении данных от считывателя. Поэтому прототип имеет все те же недостатки, что и описанные выше RFID-метки. В прототипе функция детекции сигнала (или команд) сводится только лишь к пробуждению микропроцессора для формирования порции данных, транслируемых на считыватель и на хост. Кроме того, время для подготовки и пересылки ответа считывателю оказывается значительным - может составлять сотни миллисекунд и более. В большей степени функция прототипа - обеспечить мост между RFID-считывателем и сторонним устройством, следовательно, задачи по оценке качества приема RFID-сигнала идентификации команд считывателя и визуализации этой информации оператору может быть решена только с применением дополнительных сторонних устройств, что требует проведения дополнительных исследований, работ, временных и денежных затрат. Недостатком прототипа может являться то, что он не формирует диаграмму направленности антенны на источник RFID-сигнала, что не позволяет производить оценку качества сигнала в конкретном направлении, от конкретного источника RFID-сигнала, может быть в значительной степени подвержен негативному влиянию металлических объектов, расположенных вблизи устройства, что проявляется как смещение резонансных частот антенно-фидерного тракта RFID-метки и снижение чувствительности на прием сигнала RFID-считывателя.

Существенным отличием от описанного выше прототипа является то, что заявленное изобретение рассчитано не на переотражение ЭМ волн обратно, как это происходит с пассивными/полупассивными RFID-метками, а наоборот - только на прием электромагнитной волны, излучаемой RFID-антенной; RFID-метка формирует диаграмму направленности, что позволяет оценить сигнал, распространяющийся в конкретных направлениях, притом угол раскрытия диаграммы направленности зависит от конструктивного исполнения и может быть изменен; изобретение содержит два независимо работающих детектора сигнала - аналоговый и цифровой, оба детектора по результатам своей работы управляют элементами индикации, расположенными на борту устройств; оператор, анализируя состояния индикации обоих детекторов может адекватно оценить качество приема RFID-сигналов и RFID-команд, состав пакета с данными. При некоторых условиях изобретение, по аналогии с пассивной/полупассивной RFID-меткой тоже может переотразить ЭМ волну обратно, но этот факт является лишь дополнительной особенностью изобретения. Также беря во внимание тот факт, что изобретение не переотражает сигнал обратно, а лишь фиксирует факт его приема, то чувствительность изобретения к сигналу (соответственно, к командам), безусловно выше, нежели у прототипа, поэтому мощность сигнала, требуемая для активации и последующей работы изобретения может быть существенно ниже, что приводит к увеличению дальности работы устройства и более стабильной работе.

Прототип не позволяет визуализировать статус работы метки и качество приема сигнала от RFID-считывателя непосредственно на борту метки, в связи с чем отсутствует достаточная информация о зонах «видимости» или «невидимости» RFID-меток; мы имеем тот факт, что при излучении электромагнитных волн RFID-системой формируются зоны неоднородностей - так называемые зоны «радиотени» и зоны «дыр». Зачастую, при работе с RFID-системами мы сталкиваемся с тем, что RFID-метки могут откликаться нестабильно. В реальных приложениях, в тех местах, где ожидается 100% результат сканирования RFID-меток, на практике получают неоднозначный результат, иногда неудовлетворительный результат. Когда метки уверенно сканируются в тех местах, где этого происходить не должно, как правило, подобная ситуация наблюдается при отражении СВЧ ЭМ волн от металлических объектов. Все вышеперечисленное приводит к снижению стабильности работы RFID-систем, к значительным временным затратам и финансовым издержкам. В таких условиях RFID-системы, предназначенные для повышения эффективности производственных процессов могут показать свою несостоятельность и даже принести вред. Предоставление большей информации о зонах «видимости» или «невидимости» RFID-меток может в значительной степени исправить описанную ситуацию еще на этапе разработки, внедрения и пуско-наладки RFID-оборудования.

Задачей заявленного изобретения является повышение стабильности работы, возможность идентифицировать и визуализировать наличие «полезного сигнала» непосредственно в том месте пространства, где изобретение, физически располагается; тем самым позволяет идентифицировать сигнал: оценивать его стабильность, интенсивность, частоту трансляции команд RFID-считывателем, оценивать состав пакета с данными.

Это достигается за счет того, что беспроводной сверхвысокочастотный детектор сигналов и команд UHF RFID-считывателей, содержит RFID-метку, работающую в сверхвысоком частотном диапазоне, которая образована импедансным проводником, сформированным микрополосковыми линиями на диэлектрической подложке, с расположенным на нем приемопередатчиком, являющимся чипом радиочастотной идентификации. Изобретение содержит два независимо работающих детектора команд -аналоговый и цифровой, работающие независимо друг от друга, причем RFID-метка соединяется с каждым из детекторов проводными линиями связи, а радиочастотный тракт UHF RFID-метки и детекторы расположены по разные стороны печатной платы, отделены друг от друга металлическим экраном, линейные размеры которого превышают размеры антенного тракта RFID-метки, приемопередатчик и оба детектора запитаны от источника питания. RFID-метка отделенная от электронной части изобретения металлическим экраном, формирует диаграмму направленности, угол раскрытия которой по вертикали и горизонтали зависит от линейных размеров указанного металлического экрана и от толщины диэлектрической подложки, на которой расположены микрополосковые линии импедансного проводника антенно-фидерного тракта; аналоговый детектор производит сравнение огибающей сигналов RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи и посредством электронного ключа управляет элементами индикации с частотой приема команд; цифровой детектор декодирует команды считывателя, производит синтаксический разбор данных, идентифицирует их -производится оценка качества принимаемого сигнала, с применением цифровых ключей происходит управление элементами индикации, притом алгоритмы работы с командами и данными, а также режимы управления цифровыми ключами могут быть перепрограммированы пользователем, в том числе дополнены стеком протоколов; элементы сигнализации располагаются непосредственно на самом изобретении; оператор, анализируя состояния индикации обоих детекторов может адекватно оценить качество приема RFID-сигналов и состав RFID-команд.

Предлагаемое техническое решение имеет направленную диаграмму приема, что позволяет исследовать сигнал вдоль конкретных направлений и однозначно судить о качестве сигнала вдоль этих направлений; обеспечивается резонансная частота в соответствии с требованиями радиочастотного регулирования региона применения изобретения; изобретение может применяться как вплотную к излучаемой RFID-антенне, так и на удалении до двух-трех десятков метров в зависимости от эффективной излучаемой мощности исследуемой RFID-системы и ее чувствительности; регистрирует сигналы, генерируемые RFID-считывателями; игнорирует сигналы от других устройств, не относящихся к RFID, но работающих на близких к частотах в диапазоне 860-960 МГц; антенно-фидерный тракт может располагается полностью на экранирующей подложке, что делает работу изобретения стабильной вне зависимости от его размещения вблизи различных материалов (как металлов, так и диэлектриков) с тыльной стороны (то есть со стороны, противоположной диаграмме направленности); имеет систему оповещения о приеме команд от RFID-считывателя, оповещая оператора световой, звуковой или вибрационной сигнализацией, может передавать данные в другие типы оборудования по шинам данных и телекоммуникационным интерфейсам.

Заявленное изобретение характеризуется тем, что содержит антенно-фидерный тракт - диэлектрическую подложку с расположенным на ней импедансным проводником, выполненным в виде микрополосковой линии, и позволяет создать направленную антенну, настроенную на радиоволны диапазона частот 860-960 МГц, угол раскрытия диаграммы направленности антенны может быть изменен в широких пределах от 30° до 180°; изобретение имеет высокую чувствительность вплоть до -27 dBm на резонансной частоте. Для обеспечения работы аналоговой, цифровой составных частей изобретения и элементов сигнализации используется источник питания, который установлен на устройстве.

Антенно-фидерный тракт обеспечивает минимальный уровень коэффициента стоячей волны, менее 1.10 и настраиваемый уровень коэффициента усиления, что в совокупности обеспечивает высокий уровень чувствительности, составляющий величину порядка -27 dBm (или лучше) на рабочих частотах, применяемых в регионе использования изобретения, обусловленных требованиями радиочастотного регулирования. Также чувствительность устройства может меняться для достижения нужной дистанции работы в конкретных условиях. Аналоговый и цифровой детекторы изобретения должны обеспечить обработку полученного сигнала, идентифицировать сигнал и производить выдачу управляющих воздействий на элементы сигнализации о наличии полезного сигнала, комбинацией которых информировать оператора о качестве принимаемого сигнала.

На фиг. 1 представлен общий вид в изометрии конструкции детектора, где:

1 - верхняя печатная плата,

2 - нижняя печатная плата,

3 - проводная линия связи от чипа до цифрового и аналогового детекторов,

4 - металлический экран,

5 - приемопередатчик,

6 - импедансный проводник антенно-фидерного тракта,

7 - диэлектрическая подложка,

8 - переходные отверстия заземления плечей антенны.

На фиг. 2 представлен общий вид, где:

2 - нижняя печатная плата,

3 - проводная линия связи от чипа до детекторов,

8 - переходные отверстия заземления плечей антенны,

9 - источник питания,

10 - аналоговый детектор,

11 - цифровой детектор.

На фиг. 3 приведен график оценки дальности работы изобретения при настройке под полосу частот, применяемых в России в диапазоне от 860 до 870 МГц (более точно под 866.3-867.5 МГц) после корпусирования, где:

12 - кривая оценки дальности работы изобретения в режиме переотражения сигнала, когда на RFID-считыватель транслируется уникальный код в формате ЕРС,

13 - кривая оценки дальности работы изобретения в режиме детектора команд RFID-считывателя без транслирования уникального кода ЕРС на RFID-считыватель.

Предложенное изобретение работает следующим образом - аналоговый детектор производит сравнение огибающей сигналов RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи и посредством электронного ключа управляет элементами индикации с частотой приема команд; цифровой детектор декодирует команды считывателя, производит синтаксический разбор данных, идентифицирует их - производится оценка качества принимаемого сигнала, с применением цифровых ключей происходит управление элементами индикации, притом алгоритмы работы с командами и данными, а также режимы управления цифровыми ключами могут быть перепрограммированы пользователем, в том числе дополнены стеком протоколов; элементы сигнализации располагаются непосредственно на самом изобретении; оператор, анализируя состояния индикации обоих детекторов может адекватно оценить качество приема RFID-сигналов и состав RFID-команд.

Изобретение содержит две печатные платы, размещенные одна - сверху, другая - снизу; линейные размеры (по длине и ширине) нижней печатной платы 2 превышают линейные размеры верхней печатной платы 1; угол раскрытия диаграммы направленности формируется выбором линейных размеров металлического экрана 4 и толщиной диэлектрической подложки 7 между экраном 4 и импедансным проводником антенно-фидерного тракта 6; на верхней печатной плате 1 располагается импедансный проводник антенно-фидерного тракта 6, приемопередатчик 5 и проводные линии связи 3. Импедансный проводник 6, расположенный на верхней стороне диэлектрической подложки 7, является четвертьволновым симметричным антенным вибратором, плечи которого заземлены на тыльную сторону верхней печатной платы 1 и на металлический экран 4 лицевой стороны нижней печатной платы 2 с помощью переходных отверстий 8. Импедансный проводник 6 соединяется с приемопередатчиком 5 фидерными линиями сформированными печатными микрополосковыми линиями связи, обеспечивающими высокое соответствие импедансу, реальной и мнимой частей комплексного сопротивления, используемого приемопередатчика 5, обеспечив тем самым минимальный уровень коэффициента отражения S11 порядка -20 dB и минимального значения коэффициента стоячей волны, менее 1.10.

На лицевой стороне нижней печатной платы 2 располагается экран 4, который обеспечивает защиту антенно-фидерного тракта верхней печатной платы 1 от помех, распространяющийся с тыльной стороны изобретения, а также играет роль в формировании диаграммы направленности импедансного проводника 6 по горизонтали и по вертикали. Экран 4 - это слой сплошной металлизации, имеющий короткое замыкание с «земляным» слоем верхней печатной платы 1; также земляные слои верхней и нижней печатных плат могут быть гальванически развязаны. С тыльной стороны нижней печатной платы 2 располагается схема источника питания 9 в составе: питающий элемент (батарейка или аккумулятор), предназначенный для запитки приемо-передатчика, аналоговой и цифровой схем, стабилизатор питания и схема обвязки; на нижней печатной плате 2 располагается аналоговая схема детекции - аналоговый детектор 10 с элементами сигнализации о факте приема команд и их качестве; на нижней печатной плате 2 располагается цифровая схема - цифровой детектор 11 с элементами сигнализации о факте приема команд и их качестве, также за счет применения микропроцессора цифровая схема позволяет произвести цифровую обработку принятого сигнала и оценить состав пакета данными (с командами) принятыми от RFID-считывателя; схема цифрового детектора 11 обеспечивает ретрансляцию на сторонние системы посредством использования цифровых портов микропроцессора, имеющих выводы на клеммную колодку. Схема аналогового детектора 10 и цифрового детектора 11 соединена с приемопередатчиком 5 проводными линиями 3.

Способ детектирования сигналов и команд UHF RFID-считывателей заключается в том, что оператор направляет изобретение лицевой стороной в сторону источника RFID-сигнала, благодаря сформированной диаграмме направленности и углу раскрытия изобретение воспринимает электромагнитные волны вдоль конкретного направления; регистрация команд и данных, происходит в момент облучения электромагнитной волной, сгенерированной RFID-считывателем и излученной RFID-антенной; аналоговым детектором производится сравнение огибающих сигналов от RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи который, посредством электронного ключа управляет элементами индикации с частотой прихода данных, тем самым предоставляя оператору информацию о стабильности сигнала RFID-считывателя или нестабильности; а цифровой детектор производит декодирование команд RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи, производит фильтрацию команд и синтаксический разбор данных, после чего оценивает состав пакета с данными и частоту их прихода цифровой детектор, посредством электронного ключа управляет элементами индикации. Оператор, анализируя состояния индикации обоих детекторов может адекватно оценить качество приема RFID-сигналов и состав RFID-команд.

Вышеописанное в совокупности позволяет добиться решения поставленной цели, а именно, повысить стабильность работы RFID-систем и RFID-меток, позволяя решить основную задачу - оценить равномерность зоны покрытия ЭМ сигнала, излучаемого RFID-антеннами и генерируемого от UHF RFID-считывателями. Таким образом применение изобретения на практике позволяет сократить финансовые издержки при внедрении систем, при разработке RFID-оборудования и RFID-систем, а также повысить эффективность их использования на реальных объектах внедрения.

Источники информации

1. Daniel M. Dobkin. The RF in RFID, UHF RFID in Practice. Second edition. Newnes, 2013.

2. Патент РФ №2704279.

3. Томаси У. Электронные системы связи. Перевод с английского Бирюкова Н.Л., М.: Техносфера, 2007.

4. Патент Корея №20150096928 - прототип.

Изобретение относится к области радиочастотной идентификации. Технический результат заключается в повышении стабильности работы RFID-систем и RFID-меток, в возможности оценки равномерности зоны покрытия ЭМ сигнала, излучаемого RFID-антеннами и генерируемого от UHF RFID-считывателями, в сокращении финансовых издержек при внедрении систем, при разработке RFID-оборудования и RFID-систем, а также в повышении эффективности их использования на реальных объектах внедрения. Технический результат достигается благодаря тому, что происходит формирование диаграммы направленности, а с помощью аналогового и цифрового детекторов производится регистрация сигналов, команд и данных. Аналоговым детектором производится сравнение сигналов от RFID-считывателя и предоставляется оператору информация о стабильности или нестабильности сигнала RFID-считывателя, притом управление элементами индикации производится незамедлительно, обеспечивая высокую скорость реакции изобретения на сигналы RFID-считывателя. А цифровым детектором, в свою очередь, производится декодирование команд RFID-считывателя, фильтрация команд, синтаксический разбор данных и сообщается информация оператору о качестве сигнала и команд RFID-считывателя. Способ реализуется при помощи устройства, содержащего RFID-метку: антенно-фидерный тракт и приемопередатчик; два детектора команд - аналоговый и цифровой, работающие независимо друг от друга. Приемопередатчик и оба детектора запитаны от источника питания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Беспроводной сверхвысокочастотный детектор сигналов и команд UHF RFID-считывателей, содержащий RFID-метку, работающую в сверхвысоком частотном диапазоне, которая образована импедансным проводником, сформированным микрополосковыми линиями на диэлектрической подложке, с расположенным на нем приемопередатчиком, являющимся чипом радиочастотной идентификации, отличающийся тем, что содержит систему оповещения о приеме команд RFID-считывателя для оповещения оператора, световой, звуковой или вибрационной сигнализацией, при этом направленная антенна, настроена на радиоволны диапазона частот 860-960 МГц, угол раскрытия диаграммы направленности может быть изменен в широких пределах от 30° до 180°; а также два независимо работающих детектора команд - аналоговый и цифровой, работающие независимо друг от друга, причем RFID-метка соединяется с каждым из детекторов проводными линями связи, а радиочастотный тракт UHF RFID-метки и детекторы расположены по разные стороны печатной платы, отделены друг от друга металлическим экраном, линейные размеры которого превышают размеры антенного тракта RFID-метки, приемопередатчик и оба детектора запитаны от источника питания, плечи антенны заземлены в крайних точках импедансного проводника антенно-фидерного тракта.

2. Способ детектирования сигналов и команд UHF RFID-считывателей, включающий формирование диаграммы направленности, регистрацию команд и данных, отличающийся тем, что в момент облучения электромагнитной волной аналоговым детектором производится сравнение огибающих сигналов от RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи, который посредством электронного ключа управляет элементами индикации с частотой прихода данных, тем самым представляя оператору информацию о стабильности сигнала RFID-считывателя или нестабильности, притом индикация о приеме сигналов от RFID-считывателя производится незамедлительно при получении первого же полезного сигнала, производится сквозная сигнализация о каждом принятом бите данных, а система оповещения о приеме сигнала от RFID-считывателя оповещает оператора световой, звуковой или вибрационной сигнализацией, а также то что направленная антенна позволяет оператору изучать сигнал вдоль конкретных направлений, настроена на радиоволны диапазона частот 860-960 МГц, угол раскрытия диаграммы направленности может быть изменен в широких пределах от 30° до 180°; а цифровой детектор производит детектирование команд RFID-считывателя, ретранслированных RFID-меткой по проводной линии связи, производит фильтрацию команд и синтаксический разбор данных, после чего оценивает состав пакета с данными и частоту их прихода на цифровой детектор, посредством электронного ключа управляет элементами индикации, может передавать данные в другие типы оборудования по шинам данных и телекоммуникационным интерфейсам.