Система радиочастотной идентификации контейнеров с твёрдыми коммунальными отходами Российский патент 2023 года по МПК G01S13/74 G08B3/00 

Предлагаемая система относится к области телеметрических систем и может использоваться для радиочастотной идентификации объектов жилищно-коммунального хозяйства, в частности контейнеров с твердыми коммунальными отходами (ТКО).

Известны системы радиочастотной идентификации объектов (авт. свид. СССР №498.197, 536.990, 1.054.887, 1.773.191, 1.818.799; патенты РФ №2.003.544, 2.065.134, 2.126.165, 2.191.127, 2.200.095, 2.222.030, 2.238.208, 2.322.692, 2.336.539, 2.344.437, 2.351.945, 2.454.717, 2.514.130, 2.624.556; патенты США №3.771.119, 4.059.831, 4.546.241, 4.551.725, 4.625.208, 4.734.698, 4.739.328, 6.018.719, 7.229.821; патенты Великобритании №2.165.424, 2.289.602; патенты Германии №1.279.785, 4.231.800, 4.336.898; патенты Франции №2.630.236; патенты ЕР №0.242.906, 0.469.769; Обзор автоматической идентификации. Доклады конференции М.: Совинцентр, 20-21 сентября 1988 г; Гош Дж. ПАВ - прибор - основа системы идентификации автомобилей. Электроника, 1990, вып.3 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система радиочастотной идентификации объектов военного назначения» (патенты РФ №2.624.556, H04L 9/00, 2016), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система обеспечивает подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Однако кроме зеркального и комбинационных каналов приема существуют интермодуляционные каналы приема и канал прямого прохождения.

Если частота со_п помехи равна промежуточной частоте ω_пр (ω_п=ω_пр), то образуется канал прямого прохождения. Для ложных сигналов (помех) принимаемых по каналу прямого прохождения, блоки приемника являются простыми передаточными звеньями.

Если два или более мощных сигнала на частотах ω₁ и ω₂ попадают в полосу пропускания Δω_п1, расположенную «слева» от полосы прохождения, Δω_п преобразователя частоты (фиг. 5), то их взаимодействие между собой на нелинейных элементах, приводит к образованию интермодуляционных помех, которые попадают в полосу пропускания Δω_п преобразователя частоты. При этом

где ω₁, ω₂ - граничные частоты, определяющие полосу пропускания Δω_п1, попадания в которую двух или более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.

Если два или более мощных сигнала на частотах ω₃ и ω₄ попадают в полосу пропускания Δω_п2, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω_п преобразователя частоты (фиг. 6), то их взаимодействие между собой на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных помех, которые попадают в полосу пропускания Δω_п преобразователя частоты. При этом

где ω₃, ω₄ - граничные частоты, определяющие полосу пропускания Δω_п2, попадание в которую двух или более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам и по каналу прямого прохождения, приводит к снижению помехоустойчивости преобразователя частоты и достоверности радиочастотной идентификации объектов коммунального назначения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности радиочастотной идентификации объектов коммунального хозяйства путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам и каналу прямого прохождения.

Поставленная задача решается тем, что система радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, считыватель, датчик и центральное устройство обработки информации, при этом считыватель состоит из блока СВЧ и обработки сигналов, устройства включения и линии передачи данных, блок СВЧ и обработки сигналов содержит последовательно подключенные к выходу устройства включения, управляющее устройство, генератор несущей частоты, циркулятор, вход- выход которого через полосовой фильтр связан с приемопередающей антенной, смеситель, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты, усилитель, демодулятор, блок обработки сигнала, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего устройства, запоминающее устройство и устройство согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства, а выход подключен к линии передачи данных, датчик выполнен в виде радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах, которая представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящих из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, центральное устройство обработки информации выполнено в виде последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его входом, блока поиска, гетеродина, асинхронного детектора, фильтра нижних частот, однополярного вентиля и накопителя, выход которого соединен с входом порогового блока, к выходу фильтра нижних частот подключен блок регистрации, отличающийся от ближайшего аналога тем, что центральное устройство обработки информации снабжено узкополосным фильтром, двумя полосовыми фильтрами, тремя фазоинверторами и тремя сумматорами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу асинхронного детектора.

Структурная схема считывателя 3 представлена на фиг. 1. Функциональная схема датчика 6 изображена на фиг. 2. Структурная схема центрального устройства 30 обработки информации показана на фиг. 3. Частотные диаграммы, иллюстрирующие преобразования сигналов, изображены на фиг. 4, 5 и 6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы асинхронного детектора, показаны на фиг. 7.

Считыватель 3 содержит последовательно включенные устройство 4 включения, управляющее устройство 21, генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, вход-выход которого через полосовой фильтр 22 связан с приемопередающей антенной 2, смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 несущей частоты, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом управляющего устройства 21, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства 21, линию 5 передачи данных.

Генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигналов, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования, управляющее устройство 21, полосовой фильтр 22 и приемопередающая антенна 2 образуют блок 1 СВЧ и обработки сигналов.

Датчик 6 содержит пьезокристалл 7, микрополосковую приемопередающую антенну 8, электроды 9, шины 10 и 11, набор 12 отражателей.

Центральное устройство 30 обработки информации содержит последовательно включенные приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, узкополосный фильтр 35, первый фазоинвертор 36, первый сумматор 37, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, первый полосовой фильтр 38, второй фазоинвертор 39, второй сумматор 40, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 37, второй полосовой фильтр 41, третий фазоинвертор 42, третий сумматор 43, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 40, асинхронный детектор 27, второй вход которого через гетеродин 26 соединен с выходом блока 25 поиска, фильтр 28 нижних частот, однополярный вентиль 31, накопитель 32 и пороговый блок 33, второй вход которого через линию задержки 34 соединен с его выходом, а вход подключен к выходу блока 25 поиска. К выходу фильтра 28 нижних частот подключен блок 29 регистрации.

Система работает следующим образом.

Во время появления датчика 6 в зоне диаграммы направленности приемопередающей антенны 2 устройство 4 включения, считывателя 3, выделяет сигнал на включение излучения. При этом сигналом с первого выхода управляющего устройства 21 включается генератор 13 несущей частоты, который формирует гармонические колебания

где v_c, ω_с, φ_с и Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

Это колебание через циркулятор 14 и полосовой фильтр 22 поступает в приемопередающую антенну 2, излучается ею в эфир, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 8, датчика 6 и преобразуется встречно-штыревым преобразователем (ВШП) в акустическую волну. Последняя распространяется по поверхности пьезокристалла 7, отражается набором отражателей 12 и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

где φ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем φ_k1(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, ..., N),

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=N ⋅ τ_э).

Модулирующий код M₁(t) содержит информацию о идентификационном номере датчика 6, установленного на контейнере, двигающегося мимо считывателя 3.

Сложный ФМн сигнал u₁(t) излучается микрополосковой приемопередающей антенной 8 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 2 считывателя 3 и через полосовой фильтр 22 и циркулятор 14 поступает на второй вход смесителя 15, на первый вход которого подается гармоническое колебание u_c(t) с выхода генератора 13 несущей частоты. Полосовой фильтр 22 обеспечивает подавления сигнала вне полосы полезного сигнала. С выхода смесителя 15 сигналы поступают на вход усилителя 16 и далее на вход демодулятора 17. Выделяемый демодулятор 17 полезный сигнал поступает на вход блока 18 обработки сигнала. Блок 18 обработки сигнала принимает решение о достоверности идентификационного кода и записывает его в энергозависимое запоминающее устройство 19. Блок 18 обработки сигнала обрабатывает информацию при наличии сигнала со второго выхода управляющего устройства 21.

При необходимости, записанные в запоминающем устройстве 19 идентификационные коды M₁(t) и М₂(t), где М₂(t) - идентификационный код считывателя 3, могут быть отправлены по линии 5 передачи данных в центральное устройство 30 обработки информации.

Для этого линией 5 передачи информации формируется сложный ФМн сигнал

где φk₂(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с суммарным модулирующим кодом М_∑(t)=M₁(t)+M₂(t),

который излучается в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты и сумматоры 37, 40 и 43, у которых работает только одно плечо, поступает на первый вход асинхронного детектора 27, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 26 линейно-изменяющейся частоты (фиг. 7, а)

где γ=Df/Tr - скорость изменения частоты гетеродина.

Просмотр заданного диапазона частот Df и поиск сложных ФМн сигналов осуществляется с помощью блока 25 поиска, который периодически с периодом T_r осуществляет перестройку частоты ω_r гетеродина 26. В качестве блока 25 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.

Если сложный ФМн сигнал u₂(t) попадает в полосу протекания асинхронного детектора 27 в первом цикле перестройки частоты ω_r гетеродина 26 (фиг. 7, а), то на его выходе образуется колебание разностной частоты (фиг. 7, б)

Когда частота ω₂ принимаемого ФМн сигнала u₂(t) будет равна частоте ω_r гетеродина 26 в момент времени t₁, то на выходе асинхронного детектора 27 образуется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты)

где пропорциональное суммарному модулирующему коду M_∑(t), которое фиксируется блоком 29 регистрации.

Одновременно низкочастотное напряжение u_н(t) поступает на вход однополярного вентиля 31, который пропускает только положительные импульсы, которые накапливаются накопителем 32 v_н и сравниваются с пороговым напряжением v_nop в пороговом блоке 33. Пороговый уровень v_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. Пороговый уровень v_nop превышается только при приеме сложного ФМн сигнала. При превышении напряжения v_н накопителя 32 порогового напряжения v_пop (v_н>v_пор) в пороговом блоке 33 в момент времени t₁ формируется импульс (фиг. 7, в), который поступает на вход линии 34 задержки и на управляющий вход блока 25 поиска, выключая его.

По истечении времени т₃ линии 34 задержки указанный импульс поступает на вход сброса порогового блока 33 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом блок 25 поиска включается, т.е. переводится в свое исходное состояние.

При обнаружении следующего ФМн сигнала на другой несущей частоте ω₃, излучаемого другим считывателем, например, во втором цикле перестройки частоты ω_r гетеродина 26, работа системы радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО происходит аналогичным образом.

При этом в центральном устройстве 30 обработки информации собирается информация со всех используемых в системе считывателей (ридеров).

Описанная выше работа системы соответствует случаю приема полезных ФМн сигналов по основному каналу на частоте ω_с (фиг. 4).

Частота настройки ω_н узкополосного фильтра 35 выбрана равной промежуточной частоты ω_пр (фиг. 4)

Частота настройки ω_н1 и полоса пропускания Δω_п1 первого полосового фильтра 38 выбраны следующим образом (фиг. 5):

где ω₁, ω₂ - граничные частоты, определяющие полосу пропускания Δω_п1, расположенную «слева» от полосы пропускания Δω_п преобразователя частоты, попадание в которую двух и более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех, попадающих в полосу пропускания Δω_п преобразователя частоты.

Частота настройки ω_н2 и полоса пропускания Δω_п2 второго полосового фильтра 41 выбраны следующим образом (фиг. 6):

где ω₃, ω₄ - граничные частоты, определяющие полосу пропускания Δω_п2, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω_п преобразователя частоты, попадание в которую двух и более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех, попадающих в полосу пропускания Δω_п преобразователя частоты.

Если ложный сигнал (помеха) поступает по каналу прямого прохождения на частоте ω_п (фиг. 4)

где ω_п=ω_пр,

то он поступает на первый вход первого сумматора 37, выделяется узкополосным фильтром 35 и поступает на вход первого фазоинвертора 36. На выходе последнего образуется напряжение

которое поступает на второй вход первого сумматора 37. На выходе первого сумматора 37 напряжение u_n(t) и u_п1(t) взаимно компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на частоте ω_п=ω_пр, подавляется с помощью фильтра-пробки, состоящего из узкополосного фильтра 35, первого фазоинвертора 36, первого сумматора 37 и реализующего фазокомпенсационный метод.

Если ложные сигналы (помехи) поступают по интермодуляционному каналу в полосе частот Δω_п1 (фиг. 5), то они с выхода приемной антенны 23 через усилитель 24 высокой частоты и первый сумматор 37, у которого работает только одно плечо, поступает на первый вход второго сумматора 40, выделяется первым полосовым фильтром 38, инвертируется по фазе на 180° вторым фазоинвертором 39 и поступает на второй вход второго сумматора 40.

На выходе второго сумматора 40 указанные ложные сигналы (помехи) взаимно компенсируются.

Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые в полосе частот Δω_п1 подавляются с помощью фильтра-пробки, состоящего из первого полосового фильтра 38, второго фазоинвертора 39, второго сумматора 40 и реализующего фазокомпенсационный метод.

Подобным образом подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые в полосе частот Δω_п2, с помощью фильтра-пробки, состоящего из второго полосового фильтра 41, третьего фазоинвертора 42, третьего сумматора 43 и реализующего фазокомпенсационный метод.

Предложенная схемная конструкция обеспечивает совмещение двух процедур: преобразование принимаемых ФМн сигналов на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения u_н(t), пропорционального модулирующему коду M_∑(t), т.е. синхронное детектирование принимаемых ФМн сигналов.

Совмещение двух указанных процедур обеспечивает подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, и устранение явления «обратной работы».

Сложные ФМн сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

Основными достоинствами радиочастотных меток на ПАВ, входящих в систему, радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО, являются:

- малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов);

- длительный срок эксплуатации;

- высокая достоверность и скорость определения кода радиочастотной метки (транспондера);

- большой объем информации, который могут нести пассивные транспондеры;

- радиочастотные метки (транспондеры) практически невозможно подделать;

- радиочастотная система может использоваться в агрессивных средах, а пассивные транспондеры могут читаться считывателем (радаром) через грязь, краски, пар, воду, пластмассу и древесину.

Наряду с достоинствами радиочастотным меткам (транспондерам) присущи и некоторые недостатки. К ним относятся:

- относительно высокая стоимость;

- взаимные коллизии;

- подверженность помехам в виде электромагнитных полей;

- относительно небольшая дальность.

В настоящее время ведутся интенсивные научно-исследовательские работы по устранению отмеченных недостатков и улучшению эксплуатационных характеристик радиочастотных меток.

К основным характеристикам системы радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО можно отнести следующие:

- мощность передатчика ридера средняя - не менее 100 мВт;

- частотный диапазон: 400-420 МГц (900-920 МГц);

- дальность действия - не менее нескольких десятков метров;

- количество кодовых комбинаций - 2³² - 2¹²⁸;

- габариты транспондера - 8×15×5 мм;

- срок службы транспондера - не менее 20 лет;

- потребляемая транспондером мощность - 0 Вт.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности радиочастотной контейнеров с ТКО.

Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам и каналу прямого прохождения. С помощью фильтров-пробок, состоящих из узкополосного фильтра (полосовых фильтров), фазоинверторов, сумматоров и реализующих фазокомпенсационный метод.

Изобретение относится к области телеметрических систем и может использоваться для радиочастотной идентификации жилищно-коммунального хозяйства, в частности контейнеров с твердыми коммунальными отходами (ТКО). Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам и каналу прямого прохождения. Система радиочастотной идентификации контейнеров с ТКО содержит считыватель (3), датчик (6) и центральное устройство (30) обработки информации. Считыватель (3) содержит блок (1) СВЧ и обработки сигналов, приемопередающую антенну (2), устройство (4) включения, линию (5) передачи данных, генератор (13) несущей частоты, циркулятор (14), смеситель (15), усилитель (16), демодулятор (17), блок (18) обработки сигнала, запоминающее устройство (19), устройство (20) согласования, управляющее устройство (21) и полосовой фильтр (22). Датчик (6) содержит пьезокристалл (7), микрополосковую приемопередающую антенну (8), электроды (9), шины (10) и (11), набор (12) отражателей. Центральное устройство (30) обработки информации содержит приемную антенну (23), усилитель (24) высокой частоты, блок (25) поиска, гетеродин (26), асинхронный детектор (27), фильтр (28) нижних частот, блок (29) регистрации, однополярный вентиль (31), накопитель (32), пороговый блок (33), линию задержки (34), узкополосный фильтр (35), три фазоинвертора (36, 39, 42), три сумматора (37, 40, 43), два полосовых фильтра (38, 41). 7 ил.

Система радиочастотной идентификации контейнеров с твердыми коммунальными отходами, содержащая считыватель, датчик и центральное устройство обработки информации, при этом считыватель состоит из блока СВЧ и обработки сигналов, устройства включения и линии передачи данных, блок СВЧ и обработки сигналов содержит последовательно подключенные к выходу устройства включения, управляющее устройство, генератор несущей частоты, циркулятор, вход-выход которого через полосовой фильтр связан с приемопередающей антенной, смеситель, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты, усилитель, демодулятор, блок обработки сигналов, второй вход которого соединен со вторым выходом управляющего устройства, запоминающее устройство и устройство согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства, а выход подключен к линии передачи данных, датчик выполнен в виде радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах, которая представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей; центральное устройство обработки информации выполнено в виде последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, блока поиска, гетеродина, асинхронного детектора, фильтра нижних частот, однополярного вентиля и накопителя, выход которого соединен с входом порогового блока, к выходу фильтра нижних частот подключен блок регистрации, отличающаяся тем, что центральное устройство обработки информации снабжено узкополосным фильтром, двумя полосовыми фильтрами, тремя фазоинверторами и тремя сумматорами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен ко второму входу асинхронного детектора.