一种RFID单头全向动态扫描系统及快速扫描方法与流程

本发明涉及rfid扫描运动机构领域，特别涉及一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法。

背景技术：

rfid技术中所衍生的产品大概有三大类：无源rfid产品、有源rfid产品、半有源rfid产品。其中无源rfid产品发展最早，也是发展最成熟，市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125khz、高频13.56mhz、超高频433mhz，超高频915mhz。

无源标签的实用范围大约在10厘米至几米左右，单个阅读器覆盖范围有限。在单个空间内不同方向的标签读取需要多个读头才能实现。有源rfid可解决覆盖问题，但其价格成本昂贵，且有源标签里面电池寿命有限，维护困难。传统rfid单个读头成单面单向的椭圆形如图1所示。

在一些使用场景，如资产管理的密闭空间的财务检测场景中，为了解决无源rfid单个读头的覆盖范围窄而多个读头组合成本高的问题，且在不需要实时获取标签信息，并在可容忍数十秒或者分钟或更长的延时的场景下，需要采用可进行待测空间进行全向动态扫描的rfid扫描运动机构。所述全向动态扫描指能够以待测空间三维空间的某一点，通过运动机构进行扫射，使以该点为球星的球形范围内都能被扫描射线覆盖的一种扫描方式。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供了一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，解决了无源rfid单个读头的覆盖范围有限和多个读头的成本高、无法对待测空间进行全向动态扫描的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，包括悬挂杆、连接架、旋转架、摆动架、读头，所述悬挂杆一端固定在待测空间的天花板上，另一端通过连接轴承与连接架连接，所述连接架内设置有第一电机，所述第一电机与连接轴承连接，可带动连接架整体以悬挂杆的中轴线为旋转中心线旋转；所述连接架底部设置有联轴器，所述联轴器另一端与旋转架固定连接；所述旋转架内设置有两层，上层设置有第二电机，下层设置有主控板，所述主控板引出线连接第一电机和第二电机；所述第二电机的转轴与摆动架的一端摆动支点连接；所述旋转架表面与第二电机转轴凸出位置相反的方向，设置有凸出的支座，所述摆动架另一端的摆动支点与支座连接；所述摆动架背离摆动支点的一端设置rfid的读头。第一电机带动连接架在与天花板平行的平面上做360度的旋转运动，同时通过联轴器，使旋转架与连接架同步运动；同时，通过第二电机，控制摆动架另一端的位置，实现与天花板垂直的面的扫描，通过这种联合运动实现rfid读头的全向动态扫描。

进一步地，所述第一电机、第二电机采用舵机，并通知设置在主控板的舵机驱动模组驱动。舵机适用于待测空间小于100立方米的场景，通过小尺寸小载荷来实现成本降低和有效利用资源的目的。

进一步地，所述第一电机、第二电机采用步进电机，并通过设置在主控板的步进电机驱动模组驱动。步进电机适用于待测空间大于100立方米的场景，通过大尺寸大载荷来实现稳定的全向动态扫描功能。通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景。

进一步地，所述步进电机驱动模组采用a4988步进电机驱动模块。a4988步进电机驱动模块，具有低漏源通态电阻rds，可选择的自动电流衰减模式，混合和慢速电流衰减模式，低功耗的同步整流，内部uvlo，兼容3.3和5v逻辑电平的特点，能够有效对步进电机进行精确控制。

进一步地，所述主控板上还搭载有外部通讯板。所述外部通讯板选择但不限定nb-iot和wifi模组，或标准通讯模块3g、4g通讯模组。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。nb-iot支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。wifi模组和nb-iot实现的功能都是将外部的控制信号接入主控板中，实现对扫描动作的触发。

进一步地，摆动架的摆动支点与旋转架上的支座之间设置有摆动轴承。所述摆动轴承有助于防止摆动架持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。

一种rfid单头全向动态扫描方法，包括主控板、第一电机、第二电机、读头，还包括定时器，执行以下步骤：

s1，主控板唤醒并进行自检；

s2，第一电机、第二电机初始化自检；

s3，第一电机、第二电机零点位复位；

s4，主控板读取数据表，获取标签位置信息；所述数据表已记载有标签位置信息；

s5，主控板逐条发送带有标签位置信息的控制信号至驱动模组；

s6，驱动模组控制第一电机、第二电机转动，依次对准第p个标签位置；第一次执行时p取值为0，所述第p个标签位置为记录在标签位置信息中的单组数据，p取值为0至数据表数组容量大小之间的正整数；

s7，主控板通过读头扫描/监听标签，并接受标签的应答/记录，并使p等于p+1；

s8，执行s5至s7，直至遍历全部数据表中记录的标签位置，即p等于数据表数组容量大小时，设定唤醒定时器，主控板进入休眠；

s9，定时器唤醒主控板，循环执行s1至s9。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置悬挂杆、连接架、旋转架、摆动架等装置，实现了单个rfid读头的全向动态扫描；

2、本发明一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景；

3、本发明一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，通过设置摆动轴承，有助于防止摆动架持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是传统rfid单个读头成单面单向的椭圆形覆盖范围的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的结构示意图(主视图的剖视图)；

图3是本发明一种实施例摆动架和读头部分的结构示意图(左视图)；

图4是本发明一种实施例舵机驱动模组的结构示意图；

图5是本发明一种实施例步进电机驱动模组的结构示意图；

图6是本发明一种实施例主控板的结构示意图；

图7是本发明一种实施例运动机构使用过程的流程图；

图8是本发明一种实施例运动机构使用过程的流程图。

图中，1.悬挂杆，2.连接架，3.连接轴承，4.第一电机，5.联轴器，6.旋转架，7.第二电机，8.主控板，9.摆动架，10.摆动轴承，11.读头，12.步进电机驱动模组，13.舵机驱动模组。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2至图8对本发明作详细说明。

实施例1

本发明一种rfid单头全向动态扫描系统及快速扫描方法，包括悬挂杆1、连接架2、旋转架6、摆动架9、读头11，所述悬挂杆1一端固定在待测空间的天花板上，另一端通过连接轴承3与连接架2连接，所述连接架2内设置有第一电机4，所述第一电机4与连接轴承3连接，可带动连接架2整体以悬挂杆1的中轴线为旋转中心线旋转；所述连接架2底部设置有联轴器5，所述联轴器5另一端与旋转架6固定连接；所述旋转架6内设置有两层，上层设置有第二电机7，下层设置有主控板8，所述主控板8引出线连接第一电机4和第二电机7；所述第二电机7的转轴与摆动架9的一端摆动支点连接；所述旋转架6表面与第二电机7转轴凸出位置相反的方向，设置有凸出的支座，所述摆动架9另一端的摆动支点与支座连接；所述摆动架9背离摆动支点的一端设置rfid的读头11。如图2、图3所示，第一电机4带动连接架2在与天花板平行的平面上做360度的旋转运动，同时通过联轴器5，使旋转架6与连接架2同步运动；同时，通过第二电机7，控制摆动架9另一端的位置，实现与天花板垂直的面的扫描，通过这种联合运动实现rfid读头11的全向动态扫描。

本发明的使用过程为：悬挂杆1悬挂运动机构，使运动机构处于待测空间中，依次执行扫描准备阶段、全球初始化扫描阶段、待机阶段，如图7所示：

扫描准备阶段：然后使系统上电，主控板8中的主控器执行初始化自检。然后执行电机初始化自检、电机零点位复位，电机零电位是为了提供初始的记录位置。

全球初始化扫描阶段：以运动机构重心建立垂直直角坐标系，xy轴确定的平面为水平面，z轴垂直水平面。通过主控板8控制第一电机4坐标系原点旋转n度，n取值在0至360°之间，选择但不限定等差数列的方式进行旋转度数递增，从而实现xy轴的全面覆盖；考虑到rfid的覆盖范围以及xy轴全面覆盖或部分覆盖模式的可选性，提高扫描的效率，因此可设置n完成一个旋转周期的旋转度数为0-360°之间任意度数区间。当n完成一个旋转周期后，第二电机7转动，控制摆动架9摆动m度，m取值在-90°至85°之间，选择但不限定等差数列的方式进行摆动度数递增，从而通过不断调整m和n的取值，实现运动机构的全向动态扫描。之所以在xy轴所在平面上仅需摆动85°，是出于两方面的考虑：一是为了避免与悬挂杆1造成碰撞，二是由于传统rfid单个读头11成单面单向的椭圆形扫描面积，足以覆盖5°的扫描面积就能实现全向动态扫描，因此m取值在-90°至85°之间。当每一次扫描到待测空间内存在标签时，主控器将控制记录标签信息及当前的n、m值到数据表中，从而在完成全向动态扫描的同时，记录每个标签的位置，便于后期的回溯。

待机阶段，当n的取值按照数值变化规则完成0°至360°内任意度数区间的变化，同时m的取值按照数值变化规则完成-90°至85°内任意度数区间的变化，以及数据表已记录清楚每个标签的位置，完成一次全向动态扫描周期，即完成首次初始化扫描，主控器进入休眠状态。

本发明所述的定位机构选择但不限定资产管理领域，用于在存储重要资产的封闭房间内，在无人的环境下定时检测存储物件，仅需通过在物品上贴上rfid标签即可实现。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：所述第一电机4、第二电机7采用舵机，并通知设置在主控板8的舵机驱动模组13驱动。舵机适用于待测空间小于100立方米的场景，通过小尺寸小载荷来实现成本降低和有效利用资源的目的。所述主控板8上还搭载有外部通讯板。所述外部通讯板选择但不限定nb-iot和wifi模组，或标准通讯模块3g、4g通讯模组。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。nb-iot支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。wifi模组和nb-iot实现的功能都是将外部的控制信号接入主控板8中，实现对扫描动作的触发。摆动架9的摆动支点与旋转架6上的支座之间设置有摆动轴承10。所述摆动轴承10有助于防止摆动架9持续摆动时，对支座产生永久性的磨损。所述主控板8采用但不限定stm32f103c8t6型单片机，其接线图如图6所示。

如图4所示，引入舵机后，全球初始化扫描阶段的主要工作流程为：主控器中的单片机接收到nb-iot或wifi的外部接入的读取命令后，舵机驱动模组13驱动舵机使读头11进行全向动态扫描，与此同时单片机也启动rfid读头11读取标签数据，该过程中如果读到标签数据，单片机立即通过串口向nb-iot和wifi模组发送读到的标签，并记录到数据表中，等待运动结束，单片机通知nb-iot和wifi模组本次读取结束，进入待机阶段。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上做出了如下进一步限定：所述第一电机4、第二电机7采用步进电机，并通过设置在主控板8的步进电机驱动模组12驱动。步进电机适用于待测空间大于100立方米的场景，通过大尺寸大载荷来实现稳定的全向动态扫描功能。通过设置舵机和步进电机两种模式，适应不同的待测空间使用场景。所述步进电机驱动模组12采用a4988步进电机驱动模块。a4988步进电机驱动模块，具有低漏源通态电阻rds，可选择的自动电流衰减模式，混合和慢速电流衰减模式，低功耗的同步整流，内部uvlo，兼容3.3和5v逻辑电平的特点，能够有效对步进电机进行精确控制。在电机初始化自检时，可选择采用舵机或步进电机的方式进行，人工接入线插入对应的插口即可。

如图5所示，引入步进电机后，主要应对待测空间较大，如大于100立方米的场景，即需要采用大尺寸的运动机构和承载更大负荷的场景，同时全球初始化扫描阶段的主要工作流程为：主控器中的单片机接收到nb-iot或wifi的外部接入的读取命令后，步进电机模组驱动舵机使读头11进行全向动态扫描，与此同时单片机也启动rfid读头11读取标签数据，该过程中如果读到标签数据，单片机立即通过串口向nb-iot和wifi模组发送读到的标签，并记录到数据表中，等待运动结束，单片机通知nb-iot和wifi模组本次读取结束，进入待机阶段。

实施例4

一种rfid单头全向动态扫描方法，包括主控板8、第一电机4、第二电机7、读头11，还包括定时器，如图8所示，执行以下步骤：

s1，主控板8唤醒并进行自检；

s2，第一电机4、第二电机7初始化自检；

s3，第一电机4、第二电机7零点位复位；

s4，主控板8读取数据表，获取标签位置信息；所述数据表已记载有标签位置信息；

s5，主控板8逐条发送带有标签位置信息的控制信号至驱动模组；

s6，驱动模组控制第一电机、第二电机转动，依次对准第p个标签位置；第一次执行时p取值为0，所述第p个标签位置为记录在标签位置信息中的单组数据，p取值为0至数据表数组容量大小之间的正整数；

s7，主控板8通过读头11扫描/监听标签，并接受标签的应答/记录，并使p等于p+1；

s8，执行s5至s7，直至遍历全部数据表中记录的标签位置，即p等于数据表数组容量大小时，设定唤醒定时器，主控板8进入休眠；

s9，定时器唤醒主控板8，循环执行s1至s9。

全向动态扫描方法是全球初始化扫描阶段完成后进入待机阶段时，依据数据表中存在的标签位置实现的，所述数据表为实施例1中的n、m值数据组成的数据表，核心思想是通过n、m值直接通过坐标系定位的方法，反向指引第一电机4、第二电机7直接转动对准初始化扫描阶段时记录有标签信息的位置，从而实现快速的定位，进而节约第一电机4与第二电机7的转动周期和路径，对已检测过一次的空间实现二次智能扫描。

以上，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。