使用电子辨识的动物访问控制的制作方法
【专利摘要】提供控制访问多种不同位置和/或对象的方法和系统，该方法和系统可靠且一致地允许穿戴ID标签的动物访问多种位置和/或对象，例如，诸如包含在食物投放设备盘内的食物。RFID系统采用内部供电的RFID标签，通过电感耦合获取发送内容，读取器与内部多天线阵列链接，该多天线阵列专注于动物接近的全部可能方向，其范围达到36"，但是不能更高。
【专利说明】
使用电子辨识的动物访问控制
技术领域
[0001]本发明涉及用于为多种不同位置和/或对象提供受控制的访问的方法和系统。更具体地，本发明涉及自动系统，该自动系统可靠且一致地允许被ID设备标记的动物访问多种位置和/或对象，例如，诸如包含在食物投放设备盘内的食物。
【背景技术】
[0002]当需要喂养多个动物时，管理动物进食的食物的量是困难的任务。过去已经尝试许多喂养系统，其中包括尝试通过具体动物识别方法(包括使用无线射频识别)管理喂养的喂养系统。无法恰当地管理动物的食物摄入可导致动物超重和不健康。当前在美国超过50%的宠物超重。
[0003]利用RFID系统的宠物食物投放设备的大部分现有技术集中在RFID与具体食物投放设备几何体的一般组合，该具体食物投放设备几何体诸如旋转盖、传统枢转门或者打开&关闭抽屉。由于缺乏对RFID系统的复杂物理和/或动物自然习性的理解以及缺乏高级推理能力，这些食物投放设备未能执行，因此这些食物投放设备从未赢得市场或者未能在市场中恰当地运作。
[0004]在现有技术的RFID系统中，为了系统完全工作，动物必须将它的头放入箱体中或者直接位于食物投放设备前方的特定区域中。此外，由于这些系统的性质，标签的定向以及环境的其它不可控因素可导致系统意外地对动物失效。由此导致的功能缺失致使产品无法实现更好的食物管理。增加功率以解决这些问题将导致制造成本的显著增加和/或可能性的与政府规定有关的问题。
[0005]众所周知，RFID系统也用于大的区域和或大量的动物或者对象。为了满足用一致的性能覆盖大区域的需求，这些系统包括多个和多样定位的天线大功率收发器以及使系统成本非常高的复杂通信方法。因此，需要简单的和低成本的系统，该系统具有以统一结构搭建的RFID系统，该结构可识别和管理多个动物与对象互动的独特需求，该对象诸如喂养设备、垃圾箱、饮水器、玩具及可与动物互动的其它对象。本发明大体涉及改善的无线射频辨识(RFID)系统。更具体地，本发明涉及RFID访问控制系统，该RFID访问控制系统以良好限定的适中的范围以及比现有技术的RFID系统低的功率可靠地工作。
[0006]一般来说，迄今为止的RFID应用通常在极短程布置或者极长程布置下工作，这是因为对大约3英尺的距离的可靠的通信的需求不构成较大的RFID公司必须为之生产操作系统的动力。因此，现有的RFID应用集中在6英寸范围以下或者高达百英尺或者以上的工作范围。目前，在大约6英寸至大约3英尺之间工作的、具有苛刻的功能需求的RFID系统成本较高并且一般用于工业应用中。
[0007]在某些依赖于RFID的受控访问系统中，无论RFID开还是关，RFID必须被一致地读取以使得无论时间如何、房间内接近设施的温度如何，产品的响应每次均相同。例如，如果在动物访问系统中的响应不一致，则当动物尝试进食或者不允许进食时，动物将得到混淆的信号。不一致性将对动物造成问题。例如，当目的为减小进食的问题时，如果被标记允许访问食物投放设备的动物发现有时它被允许访问而有时它未允许访问，则它将变得困惑和或愤怒，以及演变成焦虑症以及进一步的进食问题。在另一个示例中，如果被锁在一个食物投放设备外面的动物得知因为系统不总是足够快速地感测到该动物而导致该动物可以偶而打开系统，则该动物将持续设法偷食。相反地，如果系统几乎所有时间都有效，则动物将发现这不可能得到回报并停止设法从食物投放设备偷食，而将注意力放在允许它访问的食物投放设备。
[0008]问题是，相对于大部分现有技术，系统必须以非常高的可靠性在食物投放设备(或者其它的产品)周围将近100%的覆盖空间内作用。因为如果存在由于稀少的天线布置而导致的或者由于接近以设计者不期望的方式反射信号的洗碗机或者其它金属设施而导致的无效区或者盲区，则动物可能发现这些薄弱的覆盖区以及得知它可以潜入系统从而偷食。再次，一旦这种情况发生，则动物将持续这样的行为，这将降低产品的有效性。
[0009]另外，RFID系统必须具有足够测程以允许系统感测动物接近，以及足够早地开放以免使动物等待食物，而且更重要的是系统必须感测不允许得到食物投放设备中的食物的入侵动物以及在该入侵动物能够偷窃食物之前关闭。
[0010]最后，RFID系统不可具有过大的测程，否则RFID系统将感测到未等待食物投放设备的动物(无论是否允许访问)，或者将感测到可能仅仅路过的动物。如果食物投放设备感测到最接近围绕食物投放设备的空间外部的这些标签，则可对在食物投放设备处进食的动物造成以下问题:门关闭然后打开然后再关闭。
[0011]因此，需要这样的自动系统，S卩，当指定/标记的动物接近时控制对对象或者位置的访问，同时也识别其附近的全部其它动物从而当这些动物或者人接近时限制访问。本发明的另一个目的是提供以如下方式控制对对象或位置访问的系统，该方式使用RFID技术以使得在良好限定的最多3英尺的测程内实现一致且非常可靠的操作并具有最小误操作和干扰。
【发明内容】
[0012]就此而言，本发明提供设置为控制访问多种不同位置和/或对象的方法和系统。更具体地，在优选实施方式中，本发明提供自动系统，该自动系统可靠且一致地允许用ID设备标记的动物访问多种位置和/或对象，诸如包含在例如食物投放设备盘内的食物。
[0013]在第一实施方式中，本发明公开了供电的RFID标签，诸如电池辅助、太阳能供电或者在标签中储存电能以使其能够内部供电的其它系统。在可替代的标签的实施方式中，考虑通过如下方式为标签供电:当标签从馈路(feeder)接收发送内容时，该电能由接收的信号中产生。该标签使用电感耦合或者磁场耦合的共振RFID发送。在这样的系统中，可使用多种频率选择，以及可基于国家RF编码和或基于在家庭环境中不常用的频率而选择频率。在食物投放设备中，高敏感度接收器使用多天线阵列，该多天线阵列屏蔽接收的电场能量，而使用与有源RFID标签耦合的磁场来接收其发送内容。其基本原理在以下文字记载中进作出了限定，诸如:Design fundamentals and advanced techniques of RFID antennas(RFID天线的设计原理以及改进的技术)，由Christina Turcu和Sungtek Kahg编著的Development and implementat1n of RFID Technology(RFID技术的发展和实施)以及由Dr.Klaus Finkenzeller编著的RFID Handbook:Fundamentals and Applicat1ns inContactless Smart Cards and Identificat1n(RFID手册:无触点智能卡片和辨识的基本原理和应用)。
[0014]天线阵列覆盖动物接近的全部可能方向，其范围达到36"，但是不能更高。
[0015]天线阵列也可完全位于产品的主体中。
[0016]为了最佳地处理进入的信号，系统使用信号辨识和滤波协议，该协议以短持续发送时间(〈20msec)工作以及以小于2秒的间隔脉冲发送。接收器和标签都使用电线缠绕的接收/发送天线。可选地，标签可使用铁磁体芯发送天线。为了在动物在休息(睡觉等)时不必发送，可能的附加将是对加速表的使用，从而最大化标签电池的寿命以及以随机化标签消息响应的开始。为了免受游离的RF信号，使用磁场耦合的RFID和天线屏蔽。
[0017]本领域技术人员应理解，虽然本发明的技术在优选的实施方式的上下文中呈现为动物食物投放设备盘，但是本公开仅旨在作为说明性的而不旨在将本发明的范围限制于特定的配置。也应理解，在本发明的范围内，本文中公开的方法和系统可等同地应用于控制访问动物环境中的位置，诸如垃圾箱、动物供水系统(包括循环和房间外部的非循环)、动物玩具、动物笼、动物门禁、动物门、动物床和动物收容系统。相应地，方法和系统的一般范围针对访问控制技术而不针对特定实施方式。这提供了在本发明的方法和系统的上下文中被改善的动物产品的宽泛范围。
[0018]因此，本发明的目的是提供这样的自动系统，该自动系统当指定/标记的动物接近时控制对对象或者位置的访问，同时也识别其附近的全部其它动物从而当这些动物接近时限制访问。本发明的另一个目的是提供以如下方式控制对对象或位置访问的系统，该方式使用范围良好限定的、磁场耦合的RFID技术以使得以最少的误操作和干扰实现一致和可靠的操作。
[0019]这些目的与本发明的其它目的，连同描绘发明的新颖的多种特征一起在所附权利要求中具体地指明，以及形成本公开的一部分。为了更好地理解本发明、本发明的操作的有益效果以及使用本发明所达到的具体目的，需要参照示出了本发明优选实施方式的附图及相关描述。
【附图说明】
[0020]附图示出了当前所设想的用于实现本发明的最佳方式，其中:
[0021]图1是根据本发明的教导的动物喂养盘的主视立体图；
[0022]图2是示出了3个天线阵列的立体图，其中每个天线对准3维坐标系统中的每个维度中的一个；
[0023]图3是动物喂养盘的天线的俯视图；
[0024I图4是标记的包括剖视图的图组；
[0025]图5是天线扫描和选择逻辑的一种模式的流程图；
[0026]图6是天线扫描和选择逻辑的可替代的模式的流程图；
[0027]图7是可替代的消息格式的示意图；以及
[0028]图8是典型的电源滤波电路的示意图。
【具体实施方式】
[0029]现在参照附图，提供了控制动物访问多种不同位置和/或对象的方法和系统，以及更具体的，在优选的实施方式中，提供自动系统，该自动系统允许穿戴授权ID标签的动物访问多种位置和/或对象，诸如包含在例如食物投放设备内的食物。穿戴未授权ID标签的动物导致设备关闭以阻止该动物访问设备。
[0030]在最一般的实施方式中，系统被提供用于控制动物访问位置或者对象。系统包括待控制的位置或者待控制的对象、用于阻止动物访问上述位置或者对象的装置、以及配置和布置为选择地松开用于阻止动物访问的装置的传感器系统。传感器系统包括至少一个激活标签以及第一传感器，其中，该至少一个激活标签提供访问位置或者对象的授权，该至少一个标签优选地设置在授权的动物上，第一传感器用于通过以下方式控制动物访问:通过磁场耦合RF通信检测标签的存在以及松开用于阻止动物访问的装置；以及进一步检测除授权的动物之外的动物的存在以及接合用于阻止动物访问的装置。
[0031]本技术领域技术人员应理解，虽然本发明的技术最一般地呈现为用于控制动物访问位置或者对象的系统，以及虽然本发明在一些优选的实施方式的上下文中示出，但是这样的公开仅旨在作为说明性的而不旨在将本发明的范围限制于特定的配置。也应理解，在本发明的范围内，本文中公开的方法和系统可等同地应用于控制访问喂养系统、垃圾箱、动物供水系统(包括循环和房间外非循环)、动物玩具、动物笼、动物门禁、动物门、动物床和动物收容系统。相应地，方法和系统的一般范围针对动物辨识和访问控制技术而非特定的实施方式。这提供了在本发明的方法和系统的上下文中被改善的动物产品的宽泛范围。
[0032]现在参见图1，图1具体地示出动物食物投放设备10。可见，食物投放设备10包括壳体12和电子器件18，其中，壳体12中包括隔板16，电子器件18用于控制整个系统。基座部14覆盖如图3中所示的天线阵列。
[0033]现在参见图2，一个实施方式使用多天线阵列，在该多天线阵列中，一个天线与标准三维正交坐标系中的各坐标轴对准。这种天线阵列和所连接的接收器与图4的RFID标签结合以用于快速响应且范围良好限定的系统。长寿命电池辅助标签可位于设备的3英尺内的任何定向和位置，但是低功率RFID信号必须以非常高的可靠性接收以保证系统以一致可重复的方式响应，以免使动物困惑/受挫。为了做到这些，已经开发了定制低成本系统，该系统包括天线阵列以可靠地覆盖当动物接近对象时可能出现标签200的三维空间。在现有技术中，可能从接收能力薄弱的方向接近一个天线布置，正如许多RF天线一样，导致遗漏信号。相对于现有技术，提供了一种天线阵列。优选的，天线放置在三维空间中的三个正交平面中的每个中。
[0034]现在参见图3，更优选地，天线100、天线101、天线102和天线103最好定向为检测动物接近食物投放设备的方向，即，竖直地且朝着食物投放设备的正面和前方偏斜。优选地，天线阵列使用2、3或者四个天线，这些天线布置成其中至少2个彼此接近成直角。在一个布置中，阵列设置成由至少2个天线组成，其中它们之间的夹角不小于60度且不大于120度。天线可以是线绕式、铁氧体磁芯或者位于印刷电路板上。
[0035]已知较高频电学RF能量具有信号跳动的问题，该问题可导致有害的或者共振的信号干扰或者附加范围增加。为了克服以上指出的问题，本发明采用较低的RF频率以及标签与天线阵列之间的电感耦合或者磁场耦合。一旦频率进入VHF范围，则由于生物组织的高含水量而导致RF能量具有被生物组织吸收的问题。采用较低频率磁场通信(近场)解决了组织吸收的问题。磁场通信也提供在设备的工作范围内的更好的控制。与按照I每距离的平方衰减的RF相比，磁场信号以I每距离的立方衰减，从而在系统的范围内给予更多有限控制以防止错误检测，进而产生了功能性目标的从产品起直至3英尺的良好限定的范围。
[0036]由于系统在低功率下工作，所以诸如图7中所示的众所周知的滤波方法可防止线路噪声进入系统。在本发明的一个实施方式中，存在DC电源滤波器以在电力进入食物投放设备电子器件前净化电力。这种滤波器的目的是减弱从电源至食物投放设备沿电线传导的噪声。这些噪声可来自墙式适配器(wall adapter)及其线缆、连接有墙式适配器的AC电源线路，或者来自附近的辐射噪声源(辐射噪声源在电源电线中产生天线噪声电流)，其中电源电线还可包括来自位于产品内部或外部的电池电源的电源电线。此外，多点背景噪声水平滤波器始终运行以及时刻更新背景噪声水平，以使得更容易识别输入的发送内容。
[0037]现在参见图4，可见该系统的标签200的一个实施方式。包围件201和202包围和保护电源、标签板203和线圈天线204，其中电源示作为通常用于小型低功率设备的纽扣电池205。
[0038]系统可通过以下两种方式中的一种工作:(I)标签始终以周期性的时间发送(可按照小于2秒钟的间隔)，以及食物投放设备中的接收器简单地收听;或者(2)标签是静态的直到从食物投放设备中的基收发器接收到唤醒呼叫，此时标签作出响应并如上所述地周期性发送直到动物离开发送范围，此时该标签再次进入静态。在该实施方式中，该唤醒呼叫也可提供能量从而为标签发送供能。标签发送已经设计为每个标签在响应之间均具有的不同间隔以防止多个标签相互“同步冲突”，这种情况在每个标签均具有固定的等待时间时可能发生。通过看门狗定时器(watch dog timer)中组件的不确定性以及源自如标签的唯一ID字段中存在的五个LSB的标签响应时间中的有意编程随机化，标签之间的等待时间被随机化，从而给出标签响应时间中的32个不同的变化。此外，标签的响应时间也通过如下不确定性而随机化:一旦标签的加速度计被激活则标签唤醒。
[0039]在一个实施方式中，在逻辑系统的初始化设定时，标签被确定为授权的或未授权的。如图5中所示，一个实施方式的逻辑如下所述:通过在各天线间切换(在每个天线中分别小于毫秒)，接收器系统在各天线处在短的持续时间内收听。系统暂时存储每个天线接收的信号的接收能量水平。(其随后被该天线的下一时间能量水平覆盖)。在任一情况下，当接收的信号高于背景水平某预定量时，系统评估所记录的阵列中的各天线的能量水平。
[0040]当被标记的动物接近食物投放设备时，系统判断该标签是否被授权。如果出现授权的标签，则门打开以允许动物访问包含在食物投放设备中的食物。系统通过逻辑评估信号电平。执行上述操作时，在发送期间，系统扫描序文以确定具有良好接收信号强度的天线。以这种方式，接收能量用来对准以及选择最佳接收状态。一旦最佳选择天线被确定，则系统转向该天线而忽略阵列中的全部其它天线，以及从该最佳选择天线接收信号的均衡。然后系统确认发送内容是否有效，以及确认接受该标签或拒绝该标签。
[0041]在可替代的实施方式中，一旦检测到信号，则系统即校验每个天线扫描间隔的全部标签消息。然后通过将标签消息CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)与实际接收的消息匹配，系统验证接收的标签消息。如果读取软件能够读取(即，标签消息被无错误地接收)，则系统存储具体接收的标签消息。在某个天线上检测到信号之后，天线扫描停留时间延长至至少一个消息的持续时间，以保证检测到消息的开始以及以在切换至下一个天线之前保持在该天线直到至少一个完整的消息被接收(由实际的天线扫描间隔与标签发送的开始之间的异步性而决定)。用于该可替代的实施方式中的进程的逻辑的一个方法在图6中的事件流程图中示出。
[0042]该可替代的扫描方法允许更短的消息且因此允许更快的消息以及允许多个连续的消息发送。图7示出该较短的持续时间消息。延长的停留时间可适配为接收一定数量的消息以及切换至下一个天线或者读取每个发送数据串的最大数量的消息。然后系统软件可判断在哪个天线读取最多的标签(通过计算每个天线的标签读取量)。这个天线则将具有高几率成为特定标签按照接近程度最接近的一个天线且因此具有接收发送内容的高可靠性。
[0043]因为天线以既对准主要接近路径的3D空间又覆盖大部分正交定向的图案形式排列，所以系统被优化以最佳地将极低功率系统用于最高的灵敏度，同时仅需要一个接收器的费用和复杂性。为此，标签以预定的顺序以小于2秒的间隔发送它的发送消息(其持续时间小于20毫秒)以作为项目的组合。首先发送序文，接收器用该序文来识别功率水平和理想天线。
[0044]在另一个实施方式中，系统可发送通过标签中的加速度计所获取的动物活跃的时间量和或活动的时间/强度，这些信息用于在动物不活跃时关闭标签从而节约电池寿命。应当理解，发送时间帧优选地小于20ms以及更优选地小于10ms。
[0045]因此可以看出，本发明提供自动系统，该自动系统就其使用和操作而言以相对小的复杂性和高的性价比提供选择性控制以及对其它多种位置和对象的访问，诸如动物相关项目，例如食物投放设备、垃圾箱、包括循环和房间外非循环的动物供水系统、动物玩具、动物笼和门禁、动物门、动物床以及动物收容系统。为此，本发明被认为代表了本技术领域中的显著进步，本发明具有显著的商业价值。
[0046]虽然本文中示出和描述了用于实现本发明的某些具体结构，但是本技术领域技术人员将理解，在不背离基本发明构思的精神和范围的前提下，可对部件作出多种修改和重新布置。除非由所附权利要求的范围限定，否则用于实现本发明的具体结构不限于本文中所示出和描述的特定形式。
【主权项】
1.用于控制动物访问动物系统的系统，包括: 待控制的动物系统； 用于防止动物访问所述动物系统的装置；以及 天线系统，覆盖3个维度以及将RF信号屏蔽，所述天线系统用于使用所述信号的电感耦合或磁场耦合来检测标签的存在；以及 被授权且供电的RFID标签，配置为与所述天线系统磁性地耦合， 其中，控制系统扫描所述天线系统以获取靠近所述动物系统的标签的发送内容，一旦感测到被授权的标签则松开所述用于防止动物访问的装置。2.根据权利要求1所述的系统，其中当检测到所述被授权的标签之外的标签时，所述用于防止动物访问的装置重新接合。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线系统包括相对于彼此大致正交布置的至少两个天线。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线系统包括相对于彼此大致正交布置的至少三个天线。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线系统包括朝着动物接近的方向偏置的至少两个天线。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线系统位于产品的主体内部。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制依次扫描所述天线系统中的每个天线以检测在背景噪声信号以上的信号。8.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制基于检测到的信号的信号强度选择所述天线系统中的所述天线中的一个天线，所述控制一旦检测到所述一个天线的最佳信号强度则不再查询所述天线中的其余天线。9.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制基于所发送的数据选择所述天线系统中的所述天线中的一个天线，所述控制一旦检测到所述一个天线的正确发送数据则不再扫描所述天线中的其余天线。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述标签由接收的信号供电。11.根据权利要求1所述的系统，其中所述标签具有内部电源。12.根据权利要求1所述的系统，还包括位于所述控制系统的电源上的噪声滤波器以过滤环境噪声以防止所述环境噪声到达所述RF系统。13.根据权利要求1所述的系统，所述系统采用信号控制电路以监测所述天线系统中的每个天线。14.根据权利要求1所述的系统，其中，电子RFID标签具有随机化的发送时间间隔，所述随机化的发送时间间隔由所述标签的唯一 ID数据字段中存在的LSB字节组确定。15.根据权利要求1所述的系统，其中，出于节省电池的原因，电子RFID标签通过加速度计或其它运动检测装置唤醒。
【文档编号】A01K5/02GK105934152SQ201480071086
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年11月26日
【发明人】大卫·贾尔伯特, 大卫·萨尔, 黛安·埃克
【申请人】韦特创新有限责任公司