專利名稱：一種用于仿真的機(jī)械系統(tǒng)及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于仿真在二維平面中的單個(gè)天線和單個(gè)標(biāo)簽的系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
射頻識別(RFID)是一種靠小型電子設(shè)備來發(fā)送和接收射頻信號以用于識別的自動(dòng)識別方法。RFID設(shè)備主要分為讀取器和標(biāo)簽。RFID讀取器是一種通過解調(diào)無線電波來從 RFID標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)并向其寫入數(shù)據(jù)的帶有天線的設(shè)備。RFID標(biāo)簽包括小型芯片和天線；芯片拾取從讀取器設(shè)備向其發(fā)射的射頻信號，并將調(diào)制有數(shù)據(jù)的信號發(fā)射回至相距幾英寸乃至20或30英尺遠(yuǎn)的任何位置。所述芯片還可以承載多達(dá)幾千字節(jié)的數(shù)據(jù)。具有唯一的標(biāo)識號碼的標(biāo)簽可以被附著或包含在產(chǎn)品，動(dòng)物或人體中，而存儲的信息可被讀取器設(shè)備通過調(diào)制的信號遠(yuǎn)程獲取從而識別附著的對象。從RFID標(biāo)簽返回的射頻(“RF”)信號可被讀取器接收，而該信號的強(qiáng)度可用接收信號強(qiáng)度指示(“RSSI”)來測量。RSSI是一種通用的射頻接收器技術(shù)度量。RSSI值通常對于接收器的用戶是透明的，但其可被用來指示RFID標(biāo)簽的可讀性。RFID標(biāo)簽分為兩種，即有源的和無源的。有源標(biāo)簽使用其自身的電池的電力有源地產(chǎn)生RF信號。無源標(biāo)簽只能基于從附近的讀取器接收到的RF信號來發(fā)射RF信號。因此，有源標(biāo)簽一般比無源標(biāo)簽具有更大的有效范圍或信號強(qiáng)度。但無源標(biāo)簽比有源標(biāo)簽更小且更便宜。RFID技術(shù)已被幾千家公司使用了十年甚至更久，RFID應(yīng)用的好處在于提高生產(chǎn)力以及減少運(yùn)營成本。直到最近，這種技術(shù)都廣泛地應(yīng)用于以下四個(gè)主要領(lǐng)域中1)供應(yīng)鏈管理，2)識別，3)運(yùn)輸，4)防偽。給定的RFID設(shè)備的性能不僅取決于產(chǎn)品規(guī)格，還取決于讀取器的設(shè)置、幾何、干擾、多徑衰減以及其他環(huán)境因素。人們可以通過反復(fù)試驗(yàn)的方法來探索這些因素。但是，這種探索過程過于繁瑣而且結(jié)果有可能是隨機(jī)的。一種更加系統(tǒng)性的方法是首先找出由幾何所產(chǎn)生的理想性能，之后，任何現(xiàn)場的偏移都是由環(huán)境因素導(dǎo)致的。更進(jìn)一步的微調(diào)就可以更加集中于多路反射、干擾和噪音等環(huán)境因素上。所以，如下機(jī)械設(shè)備會(huì)使得這個(gè)想法可行，即該機(jī)械設(shè)備可以仿真大部分幾何情況且能夠用在電波暗室中。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的一方面涉及一種用于仿真在二維平面中的單個(gè)天線和單個(gè)標(biāo)簽的系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)包括具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸的天線支架，該天線支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，其中所述天線支架還支持手動(dòng)調(diào)節(jié)天線與水平面的角度；具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)平移軸的標(biāo)簽支架，該標(biāo)簽支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；支承標(biāo)簽支架沿其移動(dòng)的軌道；軌道支架，其為所述軌道提供支承以保持在水平位置并且適合于要被連接的一個(gè)以上軌道，從而軌道可以級聯(lián)。本實(shí)用新型還涉及一種支持和控制上述方面所述的機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)， 該自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括等效位移計(jì)算模塊，根據(jù)標(biāo)簽在二維空間中相對于天線的位置計(jì)算標(biāo)簽自天線的等效位移；角度計(jì)算模塊，計(jì)算天線角度和標(biāo)簽角度；天線電機(jī)控制模塊， 控制天線電機(jī)來旋轉(zhuǎn)天線到設(shè)定的天線角度；標(biāo)簽位移電機(jī)控制模塊，控制標(biāo)簽位移電機(jī)將標(biāo)簽支架移動(dòng)到設(shè)定的位置；標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制模塊，控制標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)將標(biāo)簽支架旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度；RFID讀取器控制模塊，控制RFID讀取器的功率水平和操作頻率；接收模塊，從RFID讀取器接收測試結(jié)果；存儲模塊，將測試結(jié)果存儲到文件或數(shù)據(jù)庫中。

圖1是所述機(jī)械系統(tǒng)的三維視圖。圖2是繪圖，示出了所述機(jī)械系統(tǒng)的頂視圖和側(cè)視圖。圖3示出了天線支架(holder)的放大的三維視圖。圖4是示出幾何關(guān)系的放大的頂視圖。圖5是在二維平面內(nèi)的讀訪問測量的布置的頂視圖。圖6是繪圖，示出了圖5所示的測試的測量結(jié)果。圖7是一種應(yīng)用場景的三維視圖，天線安裝在墻上，標(biāo)簽粘在盒子上并沿運(yùn)輸帶移動(dòng)。圖8示出圖7所示的仿真情況的幾何的計(jì)算。圖9示出圖8所示的測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖10示出笛卡爾坐標(biāo)和極坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。圖11示出標(biāo)簽支架的旋轉(zhuǎn)和平移的參考機(jī)械系統(tǒng)。圖12示出天線支架的旋轉(zhuǎn)的參考機(jī)械系統(tǒng)。圖13示出測試操作的流程圖。圖14示出用于測試參數(shù)轉(zhuǎn)換的幾何的流程圖。圖15示出自動(dòng)化軟件系統(tǒng)的框圖。圖16是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型涉及在不同相對取向和位移從讀取器獲得單個(gè)標(biāo)簽的訪問性能的機(jī)械系統(tǒng)。術(shù)語訪問性能指RFID標(biāo)簽的讀、寫、鎖定和消除(killing)的性能。在大多數(shù)的RFID部署中，有以下幾個(gè)參數(shù)需要調(diào)節(jié)，S卩，天線取向、標(biāo)簽取向、標(biāo)簽和天線間的距離以及讀取器的發(fā)送功率和靈敏度。還有不能被完全控制的環(huán)境因素，例如濕度、溫度、多徑衰減、干擾。如果想要在對環(huán)境因素引起的波動(dòng)毫不知情的情況下微調(diào)控制參數(shù)，這個(gè)過程會(huì)非常耗時(shí)而且性能可能永遠(yuǎn)也達(dá)不到最佳。[0033]這里我們提出用兩個(gè)步驟來微調(diào)系統(tǒng)。步驟1:在電波暗室中進(jìn)行測試。所有的干擾都被屏蔽掉，使多徑衰減最小化?？刂茲穸群蜏囟?。利用本實(shí)用新型公開的機(jī)械系統(tǒng)可以仿真許多幾何關(guān)系。從而可以在理想情況下測量性能。然后，在步驟2中，現(xiàn)場測量性能。因?yàn)榫哂忻總€(gè)點(diǎn)處的標(biāo)簽訪問性能的先驗(yàn)知識，所以任何偏轉(zhuǎn)都是由環(huán)境因素造成的。 工程師可以專注于控制環(huán)境因素來將現(xiàn)實(shí)和理想狀況的差異減到最小。本機(jī)械系統(tǒng)的目的是在二維平面內(nèi)仿真不同的幾何結(jié)構(gòu)。在一個(gè)平面中的任意兩個(gè)點(diǎn)形成一條直線，且兩點(diǎn)間的距離是明確的。參考圖10，笛卡爾平面內(nèi)的任意一點(diǎn)(X，y)都可以唯一地映射到極坐標(biāo)(r，θ )。其中r可以由
π2+ y2獲得，而9由^rT1(I)獲得。對于在自由空間內(nèi)行進(jìn)的無線電波，物理特性取
決于相對距離，但與參考坐標(biāo)系無關(guān)。相位角θ不影響RF特性且可以忽略。因此，具有一個(gè)方向的平移的設(shè)備就足以仿真在二維平面內(nèi)的任何兩點(diǎn)系統(tǒng)。在RF通信中，讀取器天線的天線方向圖和標(biāo)簽一般來說并非各向同性的。天線取向和標(biāo)簽取向影響標(biāo)簽訪問性能。 如果有允許天線和標(biāo)簽360度旋轉(zhuǎn)的支架，那么就可以仿真RFID應(yīng)用的完整的幾何關(guān)系。 圖4示出仿真的過程。圖4中的第一系統(tǒng)與X軸成角度δ。平移是通過將整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度-S實(shí)現(xiàn)的。只要角α和β不變，在無線電特性上不會(huì)有任何物理差別。本機(jī)械系統(tǒng)為天線提供一條旋轉(zhuǎn)軸，為標(biāo)簽提供一條旋轉(zhuǎn)軸和一條平移軸。參考圖4，α和β的值以及位移都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。這些電機(jī)與計(jì)算機(jī)控制器面板連接。所以， 幾何關(guān)系的仿真是可編程的。圖1示出該機(jī)械系統(tǒng)的三維視圖，天線支架101可沿通過支承桿103的中心的縱軸自由旋轉(zhuǎn)。機(jī)械設(shè)備為101的旋轉(zhuǎn)提供機(jī)械轉(zhuǎn)矩并由機(jī)械外殼102所保護(hù)。標(biāo)簽支架 104是泡沫板，用于持有處于豎直位置的平面上的受測試標(biāo)簽。標(biāo)簽支架支承桿105可沿通過其中心的縱軸自由旋轉(zhuǎn)。小車106可沿軌道107移動(dòng)。用于標(biāo)簽支架旋轉(zhuǎn)及小車106 移動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩由在106處儲備的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生。該機(jī)械設(shè)備的技術(shù)圖如圖11所示。電機(jī)1用于平移，電機(jī)2用于旋轉(zhuǎn)。對于天線支架，圖12示出了對應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)。圖2示出布置的側(cè)視圖和頂視圖。天線的中心與標(biāo)簽的中心對準(zhǔn)，并且它們都處于地面上同一高度。圖3示出天線支架的三維視圖。這是一個(gè)參考設(shè)計(jì)。天線(301)安裝在背板(302) 上。該背板安裝在U形臺(303)上。臺(303)上的槽允許進(jìn)行對天線與地之間的角度的小調(diào)節(jié)。這對于天線對準(zhǔn)十分重要。整個(gè)測試是在自動(dòng)化軟件的控制下進(jìn)行的。軟件框圖如圖15所示。整個(gè)控制處于主引擎(main engine)之下。圖形用戶界面接受用戶的命令。幾何仿真管理器將二維位置轉(zhuǎn)換成標(biāo)簽支架的一維位移。同時(shí)，計(jì)算天線角度和標(biāo)簽支架角度。仿真計(jì)算的流程如圖14所示。測試矢量管理器接受用戶關(guān)于功率水平和操作頻率的輸入并接收幾何仿真管理器的輸出。它通過數(shù)據(jù)庫接口驅(qū)動(dòng)器將測試矢量存儲到數(shù)據(jù)庫中。然后，將矢量發(fā)送到測試控制管理器。測試控制管理器命令電機(jī)控制管理器調(diào)節(jié)機(jī)械硬件的設(shè)置。同時(shí)，它通過命令RFID控制管理器來配置RFID讀取器。測試控制管理器的流程如圖13所示。這里給出兩個(gè)實(shí)例來說明怎樣使用該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中來仿真不同的幾何結(jié)構(gòu)。例1 [0042]例如，有一個(gè)新天線，我們希望知道在不同角度和位移下的讀訪問性能。一個(gè)標(biāo)簽位于不同的(x，y)坐標(biāo)，其中法線總是指向天線的中心。參見圖5，我們可以根據(jù)勾股定理將χ-位移和y_位移轉(zhuǎn)換成標(biāo)簽和天線間的位移。然后旋轉(zhuǎn)天線來產(chǎn)生所需的角度位移。 因此，所以這些幾何信息都輸入幾何仿真管理器中用來生成測試矢量。一旦用戶輸入功率水平和操作頻率，測試矢量就準(zhǔn)備就緒。之后用戶可以通過圖形用戶界面來開始測試操作。 測試控制管理器將處理所有的測試序列。流程圖如圖13所示。執(zhí)行測試，而測量結(jié)果如圖6所示。彩色代碼表示成功讀取率。在位置(0，1800)， 成功讀取率接近100%。在位置(-900，1558)，成功讀取率也接近100%。但是，在位置(+900， 1588)，成功讀取率接近于0?？梢钥吹?，天線方向圖偏到左側(cè)。現(xiàn)在我們知道了如何定向該新天線以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍。例 2 在圖7中，天線(702)安裝在墻(701)上。傳送帶相對于墻(701)垂直移動(dòng)。天線指向得與墻成45度角。盒子(704)由帶移動(dòng)。RFID標(biāo)簽(703)安裝在盒子上?，F(xiàn)在我們想要知道天線功率是否能覆蓋帶的整個(gè)寬度以及在什么位置可以檢測到盒子。該幾何在圖 8中呈現(xiàn)。要找出第一個(gè)問題的答案，就需要驗(yàn)證當(dāng)y等于帶寬的時(shí)候是否能夠得到可接受的成功讀取率(如90%)。要找出第二個(gè)問題的答案，就需要求出具有可接受的成功讀取率的χ的最大值。仿真測試是要測量在整個(gè)(χ，y)坐標(biāo)范圍內(nèi)的所有讀訪問性能。這時(shí)， δ =45°。β和位移根據(jù)每個(gè)χ和y值計(jì)算出來。圖8中可找到該方程式。所有這些幾何信息和計(jì)算公式都輸入到幾何仿真管理器中。執(zhí)行測試。成功讀取率的測量如圖9所示。當(dāng)y=600mm，x的讀取范圍是1600 mm。 當(dāng)y=1300mm，x的讀取范圍是1000 mm。正如所預(yù)期的，y的值越大，χ方向上的讀取范圍就越小。我們還會(huì)看到盲區(qū)(黑點(diǎn))。這些盲區(qū)是由于標(biāo)簽的天線方向圖而產(chǎn)生的。有了以上的信息，工程師可以選擇帶寬(可靠的y讀取范圍)的實(shí)用的值并且知道檢測的可靠位置(可靠的X讀取范圍)。圖16是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的框圖。該自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括等效位移計(jì)算模塊，用于根據(jù)標(biāo)簽在二維空間中相對于天線的位置計(jì)算標(biāo)簽自天線的等效位移；角度計(jì)算模塊，用于計(jì)算天線角度和標(biāo)簽角度；天線電機(jī)控制模塊，用于控制天線電機(jī)來旋轉(zhuǎn)天線到設(shè)定的天線角度；標(biāo)簽位移電機(jī)控制模塊，用于控制標(biāo)簽位移電機(jī)將標(biāo)簽支架移動(dòng)到設(shè)定的位置； 標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制模塊，用于控制標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)將標(biāo)簽支架旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度；RFID讀取器控制模塊，用于控制RFID讀取器的功率水平和操作頻率；接收模塊，用于從RFID讀取器接收測試結(jié)果；以及存儲模塊，用于將測試結(jié)果存儲到文件或數(shù)據(jù)庫中。結(jié)論我們提出了用于微調(diào)RFID部署的兩步方法。第一步是弄清楚天線和標(biāo)簽的幾何的效果，第二步是調(diào)節(jié)環(huán)境因素以得到最佳性能。第一步是在電波暗室中進(jìn)行的，消除了例如多徑衰減、干擾等所有環(huán)境因素。使用我們所提出的機(jī)械系統(tǒng)，可以測試涉及在一個(gè)二維平面上的單個(gè)天線和一個(gè)標(biāo)簽的所有幾何。盡管實(shí)用新型結(jié)合其特定實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是顯然許多更改、修改和變型對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，旨在涵蓋所有這樣的落入所附權(quán)利要求的精神和寬泛范圍內(nèi)的更改、修改和變型。另外，在本申請中的任何參考的引用或標(biāo)識不應(yīng)被解釋為承認(rèn)這樣的參考可用作本實(shí)用新型的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種用于仿真在二維平面中的單個(gè)天線和單個(gè)標(biāo)簽的系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)包括具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸的天線支架，該天線支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，其中所述天線支架還支持手動(dòng)調(diào)節(jié)天線與水平面的角度；具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)平移軸的標(biāo)簽支架，該標(biāo)簽支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 支承標(biāo)簽支架沿其移動(dòng)的軌道；軌道支架，其為所述軌道提供支承以保持在水平位置并且適合于要被連接的一個(gè)以上軌道，從而軌道可以級聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械系統(tǒng)，還包括該天線安裝在其上的背板，該背板又安裝在 U形臺上。
3.如權(quán)利要求2所述的機(jī)械系統(tǒng)，其中該U形臺具有允許對天線與地之間的角度進(jìn)行小調(diào)節(jié)的槽。
4.一種支持和控制權(quán)利要求1所述的機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括等效位移計(jì)算模塊，根據(jù)標(biāo)簽在二維空間中相對于天線的位置計(jì)算標(biāo)簽自天線的等效位移；角度計(jì)算模塊，計(jì)算天線角度和標(biāo)簽角度；天線電機(jī)控制模塊，控制天線電機(jī)來旋轉(zhuǎn)天線到設(shè)定的天線角度；標(biāo)簽位移電機(jī)控制模塊，控制標(biāo)簽位移電機(jī)將標(biāo)簽支架移動(dòng)到設(shè)定的位置；標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制模塊，控制標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)電機(jī)將標(biāo)簽支架旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度；RFID讀取器控制模塊，控制RFID讀取器的功率水平和操作頻率；接收模塊，從RFID讀取器接收測試結(jié)果；存儲模塊，將測試結(jié)果存儲到文件或數(shù)據(jù)庫中。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種用于仿真的機(jī)械系統(tǒng)及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)包括具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸的天線支架，該天線支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，其中所述天線支架還支持手動(dòng)調(diào)節(jié)天線與水平面的角度；具有一個(gè)豎直旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)平移軸的標(biāo)簽支架，該標(biāo)簽支架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；支承標(biāo)簽支架沿其移動(dòng)的軌道；軌道支架，其為所述軌道提供支承以保持在水平位置并且適合于要被連接的一個(gè)以上軌道，從而軌道可以級聯(lián)。本實(shí)用新型還提出一種支持和控制所述的機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
文檔編號G06K7/00GK202306569SQ20112036749
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者張成志, 羅國梁 申請人:香港科技大學(xué)