一种桶形阵列天线及其实现电子标签进出判断方法及系统与流程
本发明涉及智能安防领域，更为具体地，涉及平安校园和家校互动领域，具体地，涉及一种桶形阵列天线及其实现电子标签进出判断方法及系统，更为具体地，涉及一种桶形阵列天线及基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法及系统。
背景技术：
随着rfid(射频身份识别)技术的发展，2.45ghz有源rfid技术普遍应用于家校互动领域的远距离大批量学生上下学考勤。另外2.45ghz有源rfid技术也应用于一些贵重或者涉密的资产管理，来记录或者监督这些资产的特定区域出入情况。
2.45ghz有源rfid技术系统通常由天线(包含射频电路和数据处理部分)和电子标签构成。家校互动领域的远距离考勤系统和贵重(或者涉密)的资产管理系统通常把天线作为读取端，一般由一个数据处理单元和两个天线构成，工程实施过程中需要两个天线的读取区域尽量不能有重叠区域，然后根据两个天线读取到电子标签的先后顺序进行进出方向判断；电子标签通常做成电子学生证的形式，或者做成贵重/涉密资产的电子标牌。2.45ghz有源rfid技术的天线和电子标签之间的读取距离一般在50米～100米之间，有的可以达到100米以上。2.45ghz有源rfid技术的天线一般采用平板天线，增益在6dbi以上，根据天线的形状和极化方向，通常分为水平极化、垂直极化或者圆极化天线，其一般覆盖区域为一个不规则的扇形区域。电子标签采用低功耗技术，纽扣电池供电，通常设计为1s左右广播一次身份信息，一般可以使用3年左右。
目前遇到的问题是通常情况下学校门口或者存储贵重(涉密)资产的区域很难找到两个天线完全没有重叠读取区域的安装位置，并且这个重叠位置根据标签发射功率或者标签信号衰减情况具有不确定性，往往一个学校或者贵重(涉密)资产系统通过多年运行，电子学生证或者资产标牌有新的有旧的，同时由于系统多年运行造成的天线性能衰减，这种读取区域不重叠的不确定性变得尤为严重，同时为了兼顾新老电子标签，这种矛盾更为突出。尤其在家校互动领域中会出现规模较大的校园，为了提高上下学的吞吐量，通常大门也非常宽，实际中遇到过有的学校大门可以达到50米以上。这个时候需要把天线的灵敏度提到最高，才能避免电子标签的漏读情况，但由于天线的读取范围是一个无规则的扇形区域，这就造成了工程实施无法找到学校内外两个天线无重叠区域，从而造成了2.45ghz有源rfid技术远距离考勤系统无法实施。两个天线读写区域重叠过于严重时，经常会出现很难判断出点子标签出现的先后顺序，会造成进出状态误判；降低两个天线的灵敏度，缩短天线的读取范围，一定程度上可以改善两个天线读写区域的重叠情况，但是对于较大的大门，会出现电子标签漏读情况。后来发现漏判和误判是一对矛盾，并且都是不可接受的。
为了解决这个问题，本专利提出了基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法，从硬件和算法两个角度结合的方式来解决这个问题。
专利文献cn109121088a(申请号：201810724248.0)公开了一种无线电子栅栏及人员进出监测方法，该无线电子栅栏包括无线信号终端、至少一rfid天线以及多个rfid标签，所述rfid天线通过信号线与所述无线信号终端连接，所述rfid天线设置在监测区域，所述无线信号终端内集成设置有主控电路板，所述主控电路板上设置有rfid读卡器件和无线通信器件，当所述rfid标签进入到所述监测区域时，通过所述rfid天线获取所述rfid标签的身份信息，通过所述无线通信器件传输到上位机。通过rfid标签以及rfid天线实现对监测区域内人员进出的身份信息识别，通过无线通信器件将人员身份信息传输到上位机，从而根据人员管理系统进行判断识别，从而实现对特定人员的进出活动进行管理。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种桶形阵列天线及其实现电子标签进出判断方法及系统。
根据本发明提供的一种桶形阵列天线，包括：天线单元、环形骨架、多路射频电路、总控电路及桶形外罩；
多个所述天线单元依次设置在环形骨架上；所述多路射频电路和所述总控电路设置在环形骨架的内部；通过射频电缆连接天线单元和多路射频电路；通过通信线缆连接天线单元和总控电路；
通过所述桶形外罩将所述天线单元、所述多路射频电路和所述总控电路罩起来，保护所述天线单元、所述多路射频电路和所述总控电路。
优选地，所述桶形外罩采用的是微波传输材料。
优选地，所述天线单元根据增益和方向性能进行选择，并制定桶形阵列天线单元的个数。
本发明提供的一种基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法，运用上述所述的桶形阵列天线执行如下步骤：
步骤m1：采用桶形阵列天线获取电子标签多次发射的信号强度，并记录每次发射信号时的时钟数据；
步骤m2：根据获取电子标签多次发射的信号强度和记录的每次发射信号时的时钟数据对电子标签总体流向进行判断；
步骤m3：根据电子标签总体流向的判断得出电子标签的进出方向判断。
优选地，所述每个天线单元独立采集电子标签发射的信号。
优选地，所述步骤m1包括：总控电路接收各个天线单元射频电路接收到的电子标签信号强度，总控电路给每次电子标签信号配上实时时钟。
优选地，所述步骤m2包括：
步骤m2.1：剔除桶形阵列天线首尾相接的无效天线单元数据，形成有效弧形阵列天线单元的数据集合；
步骤m2.2：对单个天线单元采集到的电子标签通过时所形成的信号强度数组进行滤波，然后搜寻信号强度有效峰值，并记录峰值实时时钟；
步骤m2.3：对各个天线单元按照机械结构位置顺序进行编号，根据编号顺序记录各个天线单元接收到的信号强度有效峰值对应的时钟；
步骤m2.4：按照天线单元的位置顺序，遍历每一个天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟进行比较，当当前天线单元的有效峰值时钟早于后面所有天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“1”，相等时，则判断值记为“0”，晚于后面天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“-1”。
优选地，所述步骤m3包括：将遍历完成所有天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟的比较得到的所有判断值进行求和；当求和结果大于“0”时，则电子标签总体流向结果为“进”；当求和结果小于“0”时，则电子标签总体流向结果为“出”；当求和结果等于“0”时，则电子标签总体流向为往复运动，结果为“出现”。
根据本发明提供的一种基于桶形阵列天线的电子标签进出判断系统，运用上述所述的基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法实现如下功能：
模块m1：采用桶形阵列天线获取电子标签多次发射的信号强度，并记录每次发射信号时的时钟数据；
模块m2：根据获取电子标签多次发射的信号强度和记录的每次发射信号时的时钟数据对电子标签总体流向进行判断；
模块m3：根据电子标签总体流向的判断得出电子标签的进出方向判断。
优选地，所述每个天线单元独立采集电子标签发射的信号；
所述模块m1包括：总控电路接收各个天线单元射频电路接收到的电子标签信号强度，总控电路给每次电子标签信号配上实时时钟；
所述模块m2包括：
模块m2.1：剔除桶形阵列天线首尾相接的无效天线单元数据，形成有效弧形阵列天线单元的数据集合；
模块m2.2：对单个天线单元采集到的电子标签通过时所形成的信号强度数组进行滤波，然后搜寻信号强度有效峰值，并记录峰值实时时钟；
模块m2.3：对各个天线单元按照机械结构位置顺序进行编号，根据编号顺序记录各个天线单元接收到的信号强度有效峰值对应的时钟；
模块m2.4：按照天线单元的位置顺序，遍历每一个天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟进行比较，当当前天线单元的有效峰值时钟早于后面所有天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“1”，相等时，则判断值记为“0”，晚于后面天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“-1”；
所述模块m3包括：将遍历完成所有天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟的比较得到的所有判断值进行求和；当求和结果大于“0”时，则电子标签总体流向结果为“进”；当求和结果小于“0”时，则电子标签总体流向结果为“出”；当求和结果等于“0”时，则电子标签总体流向为往复运动，结果为“出现”。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明降低了工程调试中对于天线读取范围的调试难度，不用太多考虑行业原来采用一个数据处理终端托两个天线方案中两个天线读取区域不能过度重叠的问题；
2、本发明不用太关心每个天线的读取范围，因此每个天线的读取范围可以调的较大，能够轻松兼顾出入口较宽的场合；
3、本发明桶形阵列天线不需要一个数据处理终端托两个天线，工程走线穿线工程量变小；
4、本发明采用了桶形阵列天线获得了更多的电子标签数据，采用数据流的方式来判断进出，电子标签进出判断的结果更加稳定、不太可能出现漏读误判情况，整个系统的对于电子标签的漏读误判行业痛点解决的更好。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为桶形阵列天线的内部结构示意图；
图2为桶形阵列天线在单位/企业等大门口的安装示意图；
图3为电子标签总体流向判断算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对采用2.45ghz有源rfid技术的家校互动领域的远距离大批量学生上下学考勤和贵重(涉密)资产出入特定区域时的漏判和误判的难题，本专利提出了基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法。
实施例1
根据本发明提供的一种桶形阵列天线，包括：天线单元、环形骨架、多路射频电路、总控电路及桶形外罩；
多个所述天线单元依次设置在环形骨架上；所述多路射频电路和所述总控电路设置在环形骨架的内部；通过射频电缆连接天线单元和多路射频电路；通过通信线缆连接天线单元和总控电路；如图1所示，通过图中标注的50ω同轴射频电缆链接了天线单元和多路射频电路；图中标注的射频电路与总控电路之间是通过通信线缆连接的。
通过所述桶形外罩将所述天线单元、所述多路射频电路和所述总控电路罩起来，保护所述天线单元、所述多路射频电路和所述总控电路。
具体地，所述桶形外罩采用的是微波传输材料。
具体地，所述天线单元根据增益和方向性能进行选择，并制定桶形阵列天线单元的个数。
根据本发明提供的一种基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法，运用上述所述的桶形阵列天线执行如下步骤：
步骤m1：采用桶形阵列天线获取电子标签多次发射的信号强度，并记录每次发射信号时的时钟数据；
步骤m2：根据获取电子标签多次发射的信号强度和记录的每次发射信号时的时钟数据对电子标签总体流向进行判断；
步骤m3：根据电子标签总体流向的判断得出电子标签的进出方向判断。
具体地，所述桶形阵列天线的天线单元数量大于等于3个，每个天线单元独立采集电子标签发射的信号，对于天线的一致性没有特别要求。
具体地，所述步骤m1包括：总控电路接收各个天线单元射频电路接收到的电子标签信号强度，总控电路给每次电子标签信号配上实时时钟，并进行后续数据处理和算法执行。
本发明提出了电子标签总体流向判断算法，该算法的提出基于三个基本规律：a、剔除首尾相接的天线单元数据，确保电子标签的经过顺序服从近端天线单元先读取到，远端天线单元后读取到的总体规律，中间天线单元都是两端天线单元的读取顺序的渐变过程；b、与原来两个天线相比增加了参与信息采集和计算的天线单元个数，提高数据量，确保了进出判断的结果的稳定性，并且随着天线单元数量的增加也降低了漏读漏判的可能性；c、采用了天线单元有效峰值时钟信号，克服了个别天线由于波瓣图差异、旁瓣的影响以及现场环境的影响，减少干扰或者信号跳变的影响。总体上来来说，每个天线单元在读取电子标签信号过程中服从电子标签靠近天线时天线单元读取到的信号会变强的规律。采用有效峰值时刻的时钟信号，避免了对于天线单元获取到的电子标签信号强度值的依赖，只需要能够找到相对有效峰值即可，降低了对各个天线单元一致性的要求。最后在桶形阵列天线硬件基础和这三个基本规律基础上进行电子标签总体流向判断并给出进出判断结果。
具体地，所述步骤m2包括：
步骤m2.1：剔除桶形阵列天线首尾相接的无效天线单元数据，形成有效弧形阵列天线单元的数据集合；
步骤m2.2：对单个天线单元采集到的电子标签通过时所形成的信号强度数组进行滤波，然后搜寻信号强度有效峰值，并记录峰值实时时钟；
步骤m2.3：对各个天线单元按照机械结构位置顺序进行编号，根据编号顺序记录各个天线单元接收到的信号强度有效峰值对应的时钟；
步骤m2.4：按照天线单元的位置顺序，遍历每一个天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟进行比较，当当前天线单元的有效峰值时钟早于后面所有天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“1”，相等时，则判断值记为“0”，晚于后面天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“-1”。
具体地，所述步骤m3包括：将遍历完成所有天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟的比较得到的所有判断值进行求和；当求和结果大于“0”时，则电子标签总体流向结果为“进”；当求和结果小于“0”时，则电子标签总体流向结果为“出”；当求和结果等于“0”时，则电子标签总体流向为往复运动，结果为“出现”。
根据本发明提供的一种基于桶形阵列天线的电子标签进出判断系统，运用上述所述的一种基于桶形阵列天线的电子标签进出判断方法实现如下功能：
模块m1：采用桶形阵列天线获取电子标签多次发射的信号强度，并记录每次发射信号时的时钟数据；
模块m2：根据获取电子标签多次发射的信号强度和记录的每次发射信号时的时钟数据对电子标签总体流向进行判断；
模块m3：根据电子标签总体流向的判断得出电子标签的进出方向判断。
具体地，所述桶形阵列天线的天线单元数量大于等于3个，每个天线单元独立采集电子标签发射的信号，对于天线的一致性没有特别要求。
具体地，所述模块m1包括：总控电路接收各个天线单元射频电路接收到的电子标签信号强度，总控电路给每次电子标签信号配上实时时钟，并进行后续数据处理和算法执行。
本发明提出了电子标签总体流向判断算法，该算法的提出基于三个基本规律：a、剔除首尾相接的天线单元数据，确保电子标签的经过顺序服从近端天线单元先读取到，远端天线单元后读取到的总体规律，中间天线单元都是两端天线单元的读取顺序的渐变过程；b、与原来两个天线相比增加了参与信息采集和计算的天线单元个数，提高数据量，确保了进出判断的结果的稳定性，并且随着天线单元数量的增加也降低了漏读漏判的可能性；c、采用了天线单元有效峰值时钟信号，克服了个别天线由于波瓣图差异、旁瓣的影响以及现场环境的影响，减少干扰或者信号跳变的影响。总体上来来说，每个天线单元在读取电子标签信号过程中服从电子标签靠近天线时天线单元读取到的信号会变强的规律。采用有效峰值时刻的时钟信号，避免了对于天线单元获取到的电子标签信号强度值的依赖，只需要能够找到相对有效峰值即可，降低了对各个天线单元一致性的要求。最后在桶形阵列天线硬件基础和这三个基本规律基础上进行电子标签总体流向判断并给出进出判断结果。
具体地，所述模块m2包括：
模块m2.1：剔除桶形阵列天线首尾相接的无效天线单元数据，形成有效弧形阵列天线单元的数据集合；
模块m2.2：对单个天线单元采集到的电子标签通过时所形成的信号强度数组进行滤波，然后搜寻信号强度有效峰值，并记录峰值实时时钟；
模块m2.3：对各个天线单元按照机械结构位置顺序进行编号，根据编号顺序记录各个天线单元接收到的信号强度有效峰值对应的时钟；
模块m2.4：按照天线单元的位置顺序，遍历每一个天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟进行比较，当当前天线单元的有效峰值时钟早于后面所有天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“1”，相等时，则判断值记为“0”，晚于后面天线单元有效峰值时钟时，则判断值记为“-1”。
具体地，所述模块m3包括：将遍历完成所有天线单元有效峰值时钟与后面所有天线单元有效峰值时钟的比较得到的所有判断值进行求和；当求和结果大于“0”时，则电子标签总体流向结果为“进”；当求和结果小于“0”时，则电子标签总体流向结果为“出”；当求和结果等于“0”时，则电子标签总体流向为往复运动，结果为“出现”。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
参见图1，其所示为本发明中的桶形阵列天线的内部结构示意图。其实现主要包括以下步骤：
步骤1，根据需要选择合适增益和方向性能的天线，并制定桶形阵列天线单元个数。
步骤2，设计内部环形骨架并把所有天线按照顺序固定在环形骨架上，同时对天线单元按照顺序(顺时针或者逆时针均可)进行编号。
步骤3，设计和天线单元配套的多路射频电路，以及数据处理总控电路，并把射频电路和总控电路固定到环形骨架内部，并把射频电缆及通信线缆接好。
步骤4，设计外部适合微波传输材料的桶形外罩，并用该外罩把天线单元以及内部电路罩起来，以保护内部天线单元和电控电路。
参见图2，其所示为本发明中的桶形阵列天线在大门口的安装示意图。桶形阵列天线研制出来以后，在工程实施中的场景通常如图2所示，桶形阵列天线通常安装在大门口一侧的围墙上(有岗亭的时候可以挂在岗亭的侧壁上)。大门打开时，电子标签的通过区域基本上是一个枕形区域，即电子标签进来时有5种可能的路径：1、从桶形阵列天线近端进入近端离开；2、从桶形阵列天线近端进入远端离开；3、从桶形阵列天线远端进入近端离开；4、从桶形阵列天线远端进入远端离开；5、从枕形区域中间区域直接通过进入。电子标签出去的情况是进来时的反过程，情况类似，也有五种情况。
参见图3，其所示为本发明中的电子标签总体流向判断算法流程图。其实现主要包括以下步骤：
步骤1，获取特定电子标签通过枕形区域时，桶形阵列天线各个天线单元获取到的信号强度和时钟数据。假设单个天线获取的特定电子标签单次发射的信号数据为a[s,t]，其中a代表某个天线，s代表该天线读到特定标签某一次发射信号时接受到的信号强度，t代表该天线读到该信号时的时钟。
假设桶形阵列天线一共有n个天线单元，即天线单元分别为ant1、ant2…antn。往往一个标签经过桶形阵列天线的时候，各个天线单元都会多次读到特定标签的信号，不同天线读到的次数各不相同，则某个天线读到特定电子标签的全部信号可以记作ai{[s1,t1],[s2,t2]…[sm,tm]}，其中i代表第i个天线单元，m代表对于特定标签一共读到m个信号。
步骤2，根据经验进行无效天线单元数据剔除。依据桶形阵列天线在大门口的安装示意图，根据工程经验，往往和墙面(或者岗亭侧壁)交接的几个天线单元，属于首尾相接，区分度不够的天线单元，这个天线单元的数据需要剔除。假设1＜j＜k＜n，定义[ant1,…,antj-1]及[antk+1,…,antn]的数据需要剔除，则有效参数计算的天线单元数据为[antj,…,antk]。
步骤3，对单个天线单元对于特定电子标签的数据进行滤波，并进行有效峰值搜寻。假设j≤i≤k，则对第i个天线的数据根据信号强度进行滤波(根据信号特征可以选择均值滤波、中值滤波、或者其他加权滑动滤波等)去除抖动和跳变信号，则滤波之前的数据ai{[s1,t1],[s2,t2]…[sm,tm]}转变为滤波之后的滤波ai{[snew1,tnew1],[snew2,tnew2]…[snewm,tnewm]}，其中下缀new表明是滤波之后的值。对数组ai{[snew1,tnew1],[snew2,tnew2]…[snewm,tnewm]}，根据滤波之后的信号强度进行峰值搜寻，第i天线单元的有效峰值记作ai[si,ti]＝max{[snew1,tnew1],[snew2,tnew2]…[snewm,tnewm]}。
步骤4，按照天线单元的编号顺序进行有效峰值时钟序列构建。对于参与计算[antj,…,antk]天线单元，假设j≤i＜l≤k，其有效峰值序列构建为，[aj[sj,tj],…,ai[si,ti],…al[sl,tl],…,ak[sk,tk]]，则参与计算[antj,…,antk]天线单元的有效峰值时钟序列构建为[tj,…,ti,…tl,…,tk]。
步骤5，电子标签总体流向判断算法。假设j≤i＜l≤k，其中i代表j和k之间的任意天线单元。假设前一个天线的有效峰值时钟和后面任意一个天线的有效峰值时钟的早晚情况计为x，定义前面一个天线的有效峰值时钟早于后面任意一个天线的有效峰值时钟时计为“1”，相等时计为“0”，晚于时计为“-1”，表达式为：
继续构建有效峰值时钟序列的时钟先后判断结果矩阵：
最后对xil进行求和，即
步骤5，输出判断结果。上一步的判断结果f(x)，就可以反映电子标签总体流向，即
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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