СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ХРАНЕНИЯ ПРЕДМЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОЧАСТОТНЫХ МЕТОК
METHOD OF DETERMINING OBJECT STORAGE PLACE USING RADIO-FREQUENCY LABELS

Предлагаемый способ относится к технике связи и может использоваться для мониторинга мест хранения предметов на складах, в библиотеках и магазинах.
Радиочастотные технологии широко применяются для маркировки и идентификации предметов (например, авт. свид. СССР №1769217, патенты РФ №№2107945, 2267158, 2292587, 2296304, 2371734, 2378661; патенты США №№4885459, 5036308, 6147606, 6483427, 6639509, 7119732, 7271724; патент Франции №2630236; патенты Японии №№55-153074, 2005228146; патент ЕР №0242906; патент WO №03100732 и др.).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения места хранения предмета с использованием радиочастотных меток» (патент РФ №2378661, G01S 5/16, 2008), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный способ обеспечивает определение местоположения предмета и определение самого предмета хранения с использованием радиочастотных меток. Для этого оснащают предмет и место хранения радиочастотными метками, изменяют положение антенны радиочастотного считывателя относительно упомянутых меток, например, приближают или удаляют. На основании изменения сигналов радиочастотных меток, воспринимаемых считывателем, определяют место хранения предмета.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения предмета и места его хранения путем использования двух частот, радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
1
1
2
1
2
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что способ определения места хранения предмета с использованием радиочастотных меток, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в том, что оснащают место хранения предмета, по крайней мере, одной радиочастотной меткой места, соотносят идентификатор упомянутой радиочастотной метки предмета с упомянутым предметом, проверяют с некоторым интервалом времени радиочастотным считывателем/считывателями наличие радиочастотной метки предмета и/или места в пределах действия антенны/антенн упомянутого радиочастотного считывателя, изменяют положение антенны/антенн упомянутого радиочастотного считывателя/считывателей в пространстве относительно упомянутых радиочастотных меток места и предмета, на основании состояния сигнала упомянутой радиочастотной метки места, воспринимаемого упомянутым радиочастотным считывателем/считывателями, измеренного считывателем в интервал времени, близкий по времени к моменту изменения ответного сигнала радиочастотной метки предмета, воспринимаемого радиочастотным считывателем/считывателями, определяют место хранения упомянутого предмета, отличается от ближайшего аналога тем, что в качестве каждой радиочастотной метки места и предмета используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, формируют гармоническое колебание несущей частоты w, преобразуют его по частоте, выделяют гармоническое колебание с частотой , где отношение  выбирают дробно-рациональным, суммируют гармонические колебания с частотами w и w, излучают их с помощью приемопередающей антенны радиочастотного считывателя в эфир, принимают микрополосковыми приемопередающими антеннами радиочастотных меток места и предмета, настроенных на частоты w и w соответственно, преобразуют их с помощью встречно-штыревых преобразователей в акустические волны, обеспечивают их распространение по поверхности пьезокристаллов и обратное отражение, преобразуют с помощью встречно-штыревых преобразователей в электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которых соответствует идентификационному номеру места и предмета, излучают их в эфир, улавливают приемопередающей антенной радиочастотного считывателя, установленного на погрузчике или являющегося ручным, выделяют электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией полосовыми фильтрами, настроенными на частоты w и w соответственно, осуществляют синхронное детектирование сигналов с фазовой манипуляцией с использованием гармонических колебаний с частотами w и w в качестве опорных напряжений, выделяют низкочастотные напряжения, пропорциональные идентификационному номеру места и предмета, сравнивают их между собой и в случае их идентичности принимают решение о соответствии предмета месту его хранения.
Структурная схема радиочастотного считывателя 1 представлена на фиг.1. Функциональная схема радиочастотной метки места хранения предмета представлена на фиг.2. Функциональная схема радиочастотной метки предмета представлена на фиг.3.
Радиочастотный считыватель 1 содержит последовательно включенные задающий генератор 2, преобразователь 3 частоты, узкополосный фильтр 4, сумматор 5, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 2, дуплексер 6, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 7, первый полосовой фильтр 8, первый фазовый детектор 10, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 2, блок 12 сравнения кодов, ключ 13, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора 10, и блок 14 регистрации. К выходу дуплексера 6 последовательно подключены второй полосовой фильтр 9 и второй фазовый детектор 11, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 4, а выход подключен ко второму входу блока 12 сравнения кодов.
Радиочастотная метка 15 места хранения предмета выполнена в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), содержащим две гребенчатые системы электродов 17, соединенных между собой шинами 18 и 19, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной 10, и набор 20 отражателей.
Радиочастотная метка 21 предмета выполнена в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), содержащим две гребенчатые системы электродов 23, соединенных между собой шинами 24 и 25, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной 22, и набор 26 отражателей.
Радиочастотные метки места 15 и предмета 21 могут быть радиочастотными метками ближнего и/или дальнего поля в различных комбинациях.
В одном из вариантов изменение положения антенны/антенн радиочастотного считывателя 1 в пространстве может быть вызвано приближением или удалением к/от радиочастотных меток места и предмета.
В другом варианте изменение положения антенны/антенн радиочастотного считывателя 1 в пространстве может быть движением антенны/антенн, которое приводит к исчезновению/появлению радиочастотных меток места и предмета в зоне действия антенны/антенн радиочастотного считывателя 1.
Для удешевления системы антенна 7 радиочастотного считывателя 1 может иметь более одного направления излучения.
В некоторых вариантах радиочастотный считыватель 1 может быть установлен на погрузчик или является ручным.
В другом случае место хранения оснащают несколькими радиочастотными метками и определяют место хранения предмета на основании состояния сигнала нескольких радиочастотных меток места.
Состояние сигнала радиочастотной метки места 15 и изменение ответного сигнала метки предмета 21 может характеризоваться уровнем ответного сигнала радиочастотной метки или его изменением, воспринимаемым радиочастотным считывателем 1.
И, наконец, радиочастотный считыватель 1 может перемещаться вдоль мест хранения с постоянной или изменяемой скоростью, и можно определить место хранения, используя данные по скорости перемещения считывателя и время начала/окончания считывания меток места и предмета.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Способ может быть реализован в нескольких вариантах, которые, тем не менее, осуществляются сходным образом. В качестве примера используют склад для хранения палет (европоддонов). Палеты перемещаются электропогрузчиком и хранятся на полках или полу. Размер европалеты - 800×1200 мм. Торцы полок, к которым подъезжает погрузчик, оснащаются радиочастотными метками дальнего поля (far field) с интервалом размещения 800 мм вдоль горизонтального торца, так чтобы метки полки, которые являются в данном случае метками места, располагались посередине нижнего края палеты, когда палета установлена на полу. Каждую метку полки соотносят с полкой и расстоянием этой метки от начала полки. Середину торцевой поверхности груза, установленного на палету, так же оснащают радиочастотной меткой дальнего поля, соотнесенной с этим грузом. Погрузчик оснащается радиочастотным считывателем с узконаправленной антенной, например 30 градусов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Направление действия антенны - область перед передней частью погрузчика.
1
2
Когда погрузчик устанавливает на свои «вилы» палету, торец груза с радиочастотной меткой располагается напротив антенны 7 считывателя 1 и метка груза, которая является в данном случае меткой предмета, имеет достаточный уровень сигнала для восприятия идентификатора метки считывателем. Затем в проходе вдоль рядов полок погрузчик перемещает палету к месту хранения, при этом считыватель 1 постоянно сканирует метку 21 груза, а другие метки недоступны для считывателя 1, так как груз затеняет антенну. Когда погрузчик установил палету на полку, он отъезжает от полки задним ходом. Груз удаляется от антенны 7 и считыватель 1 может считать и метку 21 груза, и метку 15 полки. Другие метки не читаются из-за узкой направленности антенны 7. Для считывания меток 15 полки и 21 груза используются две частоты w и w.
При этом задающим генератором 2 формируют гармоническое колебание
1
1
1
1
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
которое поступает на вход преобразователя 3 частоты. На выходе преобразователя 3 образуется гармоническое колебание с частотой . Для исключения связи на гармониках отношение частот  выбирается дробно-рациональным. Это осуществляется с помощью регенеративного делителя, состоящего из двух умножителей частоты в n и  раз и выходного смесителя.
На выходе преобразователя 3 частоты формируется гармоническое колебание
2
2
2
2
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
1
которое выделяется узкополосным фильтром 4 и поступает на первый вход сумматора 5, на второй вход которого подается гармоническое колебание u(t) со второго выхода задающего генератора 2. На выходе сумматора 5 образуется суммарное напряжение
Σ
1
2
u(t)=u(t)+u(t),
1
2
1
2
которое через дуплексер 6 поступает в приемопередающую антенну 7 и излучается в эфир, облучая радиочастотные метки 15 и 21 полки и груза соответственно. При этом радиочастотная метка 15 полки настроена на частоту w, а радиочастотная метка 21 груза настроена на частоту w. Гармонические колебания u(t) и u(t) преобразуются встречно-штыревыми преобразователями в акустические волны, которые распространяются по поверхности пьезокристаллов, отражаются от набора 20 и 26 отражателей соответственно и преобразуются встречно-штыревыми преобразователями опять в электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн):
3
3
1
к
1
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ],
4
4
2
к
2
с
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
к
к
э
э
э
где φ(1)={0; π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с идентификационным номером полки и груза, причем φ(t)=const при Kτ<t<(K+1)τ и может изменяться скачком при t=Kτ, т.е. на границе между элементарными посылками (K=1, 2, …, N);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ),
н1
1
н2
2
1
2
которые излучаются микрополосковыми приемопередающими антеннами 16 и 22 соответственно в эфир, улавливаются приемопередающей антенной 7 считывателя 1, выделяются полосовыми фильтрами 8 и 9 с частотами настройки w=w и w=w соответственно и поступают на первые (информационные) входы фазовых детекторов 10 и 11 соответственно. На вторые (опорные) входы фазовых детекторов 10 и 11 подаются гармонические колебания u(t) и u(t) с выходов задающего генератора 2 и узкополосного фильтра 4 соответственно. В результате синхронного детектирования на выходе фазовых детекторов 10 и 11 образуются низкочастотные напряжения:
н1
н1
к
u(t)=U·Cosφ(t),
н2
н2
к
c
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
где
;
;
пропорциональные идентификационному номеру M(t) полки и груза.
н1
Указанные низкочастотные напряжения поступают на два входа блока 12 сравнения кодов. При идентичности кодов блок 12 сравнения кодов формирует постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 13, открывая его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт. При этом низкочастотное напряжение u(t) с выхода фазового детектора 10 через открытый ключ 13 поступает на вход блока 14 регистрации и фиксируется им. Это означает полное соответствие между полкой и грузом, т.е. предмет размещен на нужном месте, а их идентификационный номер зафиксирован в блоке 14 регистрации.
Для того чтобы двигаться вдоль полок по проходу, погрузчик совершает поворот на 90 градусов, при этом метка полки 15 и метка груза 21 пропадают из «поля зрения» антенны 7 считывателя 1 практически одновременно. То, что метка груза 21 не читается, означает, что груз не находится на погрузчике и где-то установлен. Запомненный идентификатор метки груза позволяет однозначно идентифицировать груз. А идентификатор метки полки, ставший недоступным практически одновременно с идентификатором груза, позволяет определить полку и расстояние от края полки. Можно точно определить, что груз с таким идентификатором расположен именно на таком месте полки.
Обе или одна из меток груза и полки может быть меткой ближнего поля. Это поле действует приблизительно в пределах длины волны (около 30 см). Если метки груза и полки разных типов, то можно применять две антенны, подключенные к одному считывателю, или использовать одну, так как все антенны дальнего поля имеют и зону ближнего поля. Можно для каждого типа меток применить свой считыватель со своей антенной. Если обе метки - ближнего поля, то при оставлении груза на полке обе метки перестанут читаться практически одновременно, что позволит идентифицировать груз и место хранения. Если одна из них - ближнего поля, а другая - дальнего, то можно сканировать только метку ближнего поля, и в момент ее исчезновения можно считать метку дальнего поля, таким образом определив пару меток места и предмета, чтобы выполнить задачу идентификации места хранения.
Локализовать предмет можно, приближая антенну 7 считывателя 1 к меткам предмета 21 и меткам места 15. Например, в библиотеке можно оснастить торцы горизонтальной части полок метками ближнего поля с интервалом 10 см, книги библиотеки также оснастить метками ближнего поля. Затем подносим ручной радиочастотный считыватель к торцу полки с книгами. Используя значение уровня ответного сигнала считанных меток, определяем, к какой метке места ближе всего находится книга.
В другом варианте можно перемещать считыватель 1 с постоянной скоростью вдоль полки с книгами, например, на тележке со штативом для антенны 7. Зная скорость тележки, расстояние, на котором начинают считываться метки полок и метки книг, легко устанавливаемое для меток ближнего поля экспериментально, и фиксируя время появления меток в поле действия антенны 7 считывателя 1, можно вычислить место размещения книг на полках. Если упомянутую тележку оснастить измерителем скорости и запоминать мгновенные значения скорости, либо расстояние и время, с определенной частотой, то перемещать тележку можно с произвольной скоростью, вычисляя местоположение книг на полках.
1
2
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повысить достоверность определения предмета и места его хранения. Это достигается использованием двух частот w и w, радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Для исключения связи на гармониках отношение частот  выбирают дробно-рациональным с помощью регенеративного делителя, состоящего из двух умножителей частоты в n и  раз и выходного смесителя.
Отличительной особенностью радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах являются малые размеры и отсутствие источника электропитания.
Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.
Сложные ФМн-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять эти сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.