Применение РФИД ридеров на базе автоматических анализаторов цепей в системе сортировки и укладки для сборочных линий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396: 621.317.75:621.372.8 Николаенко А.Ю., Львов А.А.

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ РФИД РИДЕРОВ НА БАЗЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ В СИСТЕМЕ СОРТИРОВКИ И УКЛАДКИ ДЛЯ СБОРОЧНЫХ ЛИНИЙ

В работе описана система укладки-транспортировки на основе РФИД. Для решения проблемы снижения влияния блокирования слабого сигнала тага мощным несущим сигналом ридера в работе предлагается использовать автоматический СВЧизмеритель, основанный на понижении частоты сигнала измерительных плеч многополюсника. Такой подход не требует компенсации несущего сигнала ридера. Получены основные уравнения измерителя. Его преимущества обсуждаются в работе. Для данного измерителя разработаны алгоритмы измерения и калибровки. Основная идея предлагаемого метода калибровки заключается в первоначальной оценке комплексных амплитуд падающей и отраженной волн, используя сигналы только с измерительных плеч со слабой связью. Приводятся основные уравнения метода. Приведены результаты имитационного моделирования процессов измерения и калибровки с помощью описанного измерителя, которые подтверждают теоретические выводы.

Ключевые слова:

радиочастотная идентификация, ридер, векторный вольтметр, многополюсный рефлектометр.

Новые технологии оказывают большое влияние на производственный процесс современных предприятий. Внедрение новых технологий и методов имеет решающее значение для оптимизации их работы. Тем не менее, обеспечение надежной и правильной интеграции требует выполнения подробного анализа.

В работе [1] описана система укладки-транспортировки на основе РФИД (рис. 1). Высокочастотный РФИД таг был закреплен на каждой объекте. Таг хранит информацию о марке продукции. РФИД ридер считывает таги на ближайших коробках и отправляет информацию о марке продукта контроллеру сортировки, который, в свою очередь, определяет куда направить коробку. Автоматический кран-укладчик складывает пересылаемые коробки на паллеты в соответствии с их маркой. На паллетах также закреплены РФИД метки. В конце конвейера другой ридер, который использует другую частоту, обновляет метку каждого паллета новой информацией о содержащихся коробках.

При решении задачи увеличения дальности считывания метки основной проблемой является снижение влияния блокирования слабого сигнала тага несущей передатчика в приемнике ридера. В настоящее время данная проблема решается путем компенсации несущего сигнала ридера. Но поскольку комплексный коэффициент отражения (ККО) антенны определяется параметрами окружающей среды, он может меняться, например, под влиянием факторов наличия металлических объектов или жидкостей вблизи антенны. Это может нарушить оптимальность получаемого решения. Поэтому необходимы новые пути решения данной проблемы.

Рисунок 1 - Производственная линия с использованием РФИД

Для решения проблемы снижения влияния блокирования слабого сигнала тага мощным несущим сигналом ридера предлагается строить РФИД ридер на базе автоматического СВЧ измерителя. Такой подход не требует компенсации несущего сигнала ри-дера.

Для автоматического измерения комплексных коэффициентов отражения двухполюсников в настоящее время применяются два широко известных метода: векторного вольтметра (ВВ) и многополюсного рефлектометра (МР) [2]. Недостатком автоматического анализатора цепей (ААЦ), основанного на методе ВВ, является сложность изготовления и высокая стоимость. Главным недостатком метода МР является трудность калибровки.

Проведя совместный анализ данных методов, авторы предлагают объединить в одном устройстве достоинства обоих методов, максимально устранив недостатки. Данный ААЦ может быть применен во вторичном преобразователе ридера РФИД системы, блок-схема которого показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ридера на основе многоканального ВВ

На рис. 2 обозначено: Г, ОГ - основной и опорный СВЧ генераторы; МР - многополюсный рефлектометр; 1, 2, ..., N - измерительные плечи; А -антенна; См - смесители; ПФ - полосовые фильтры; БПЧ - блок понижения частоты; ПСД - плата сбора данных.

Предлагается выходы измерительных плеч МР подсоединить к смесителям БПЧ. После гетероди-нирования аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму и вводятся в память компьютера. Вся последующая обработка данных производится в цифровой форме с использованием соответствующего математического обеспечения.

Действительный сигнал на выходе 7-го смесителя:

иу = и у • I + <у )• сов[(а - =

0,5 • и у ^соб^ • Г + <у )+ сов[(2а -у) + <у \}'

7=1,2,...,N

где < - соответственно, неизвестные ампли-

туда и фаза СВЧ-сигнала в 7-м измерительном плече МР соответственно; а - известная круговая частота СВЧ сигнала; ( - известная разность между частотами основного Г и опорного ОГ генераторов.

Полосовой фильтр выделяет только низкочастотную составляющую сигнала

Зу () = и у СОэ(( • I + <у )+ , 7 = 1,2,..., N

где ^ - ошибка измерения в ]-м канале.

В ПСД сигналы форму:

Зу преобразуются в цифровую

(tk) = Sjk = Uj - cos(v• k -T + Vj, (j = 1,2,...,N; k=l,2,..., K) (1) где t - время между двумя последовательными отсчетами в одной последовательности; k - номер отсчета измеренного оцифрованного сигнала.

Задача заключается в нахождении оценок неизвестных параметров a и b по цифровым отсчетам измеренных напряжений Sjk (1). Комплексная амплитуда

отклика j-го измерительного плеча uj связана с комплексными амплитудами падающей b и отраженной a волн уравнением:

Uj = Aj - a + Bj - b + w j , j=1,2,..., N (2)

где Aj, Bj - известные комплексные коэффициенты передачи j-го канала для отраженной и падающей волн, соответственно, найденные при калибров ке; wj комплексная ошибка измерения Uj.

Таким образом, если оценки амплитуд Uj известны, то можно вычислить оценки параметров a и b. Следовательно, первый этап обработки данных Sjk , полученных с измерительных плеч МР должен

заключаться в оценивании на их основе комплексных амплитуд Uj.

Систему (1) преобразуем для удобства следующим образом:

Vjk = Uj - cos(v-k-t)-cos(vj)-Uj - sin(v-k-t)-sin(vj)+£jk

(3)

Тогда после замены переменных

yj = Uj cos(Vj } Jxjk = cos(v - k - t),

Zj = Uj sin ) lx2k = - sin ( - k - t) '

(j = 1,2,...,N; k=1,2,..., K) (4) система (3) может быть переписана следующим образом:

vjk = yj - x1k + zj - x2k +íjk , (5)

Разность частот V остается постоянной в течение всего периода измерения Кт. Поэтому все параметры V, Х1к и Х2к считаются известными в каждом измерении. Ошибки ^к обусловлены действием теплового шума согласующих усилителей ПСД, следовательно, они могут считаться независимой выборкой нормального процесса с нулевым математическим ожиданием и неизвестной фиксированной дисперсией о2.

Оценки этих компонентов могут быть определены из линейной системы (5) с помощью метода максимального правдоподобия (ММП). В случае нормальных погрешностей измерения он состоит в решении (5) по методу наименьших квадратов [3]. Таким образом, оценки У2 и Zj получаются из выражения

-11

u j = (х Х)-1 (х Vj),

j=1,2,...,N

где

u j=(y j,z j У

V j =(v

jj

v иг У -

вектор соответствующих оценок;

состоящий из K отсчетов

\Vj-i,...,У]К ) - вектор

напряжения в j-м канале; X - матрица плана экспе римента, состоящая из величин хдк (4)

ХУ=

11

12

1K

Х21 х22 ••• Х2К _

После того, как найдены оценки из (6), легко построить оценки комплексных амплитуд

uj = UJ-^-Vj}= yj +i-

j

(7)

Подставляя оценки Uj из (7) в (2), можно получить систему уравнений относительно неизвестных переменных а и Ь, подобную системе (5). Поэтому оптимальные оценки параметров а и Ь могут быть получены по ММП. Для простоты система из N комплексных уравнений преобразована в эквивалентную систему из 2N действительных уравнений

y j = Re(Aj ke(a)- Im(Aj frm(a) + ReB )Re(b) - Im(Bj )lm(b) + Re'

= Im(Aj )Re(a) + Re(Aj )lm(a) + Re(Bj )Re(b)+Re(B j )lm(b) + Iml

(8)

где Ре и 1т - действительная и мнимая части комплексной величины, j = 1,..., N.

Но составляющие yj и Zj зависимы, и система (8) должна быть решена в соответствии с взвешенным методом наименьших квадратов:

(нУ-W-H)"1^-W-Z) ,

(9)

где T=[Re(a известных

- W - H)

f Im(b)]r - вектор неподлежащих оценке;

Т = (ИТ

, Im(а), Re(Ь) параметров,

£ = (гУ1,^1 ,...,Уы -¿ы 1 - соответствующие оценки; Н и № - матрица плана эксперимента и диагональная весовая матрица ковариаций вектора Z, соответственно:

Яе(4) - 1ш(4) Ке(В1) - 1ш(В1)" 1ш(Л1) ЯеЦ) 1ш(51) Яе(51)

Ие^) - \ш(Лы) Яе(В^) - 1ш(Вы) 1ш(4ы) Яе(^ы) 1ш(вм) Яе(Вм) W = ^ (С, С,..., С)

с = (хТх )-1.

С - ковариационная матрица (2x2) векторов Иj

определяемая соотношением (6). Все операции, выполняемые с исходными данными

н =

напряжениями

jk

являются линейными, вплоть

может быть откалиброван по набору неизвестных нагрузок без использования прецизионных калибровочных эталонов. Подобная процедура может быть предложена для калибровки ААЦ, использующих комбинированный многополюсный рефлектометр (КМР). Схематическое изображение ридера на базе многоканального ВВ с КМР приведено на рис. 3.

до самого последнего шага.

Для обеспечения низкой стоимости автоматического анализатора цепей на основе многоканального ВВ и, как следствие, ридера РФИД системы необходимо использовать калибровочные нагрузки, к параметрам которых не предъявляется никаких жестких требований.

В работе [4] было показано, что ААЦ, основанный на многозондовой измерительной линии (МИЛ),

Рисунок 3 - Схема РФИД ридера на базе многоканального ВВ

На рис. 3 обозначено: Г, ОГ - основной и опорный СВЧ генераторы; МР - многополюсный рефлектометр; 1, 2, ..., N - измерительные плечи; МИЛ - многозондовая измерительная линия; 1, 2, ..., Р - зонды МИЛ; А - антенна; С - смесители; ПФ -полосовые фильтры; БПЧ - блок понижения частоты; ПСД - плата сбора данных, ПК - персональный компьютер.

Математическая модель МИЛ с последующим ге-теродинированием сигнала может быть описана следующей системой уравнений:

Уут = ау С0Цуат С0<т +ау 31ПЦуат 31П<т + + ау с°щатРт с°5 (< -фт )-

-ау *1п¥уатРт ^П (<т - фт ) + ^(^ут )= 2ут = -ау ^ ¥уат С08 <т + ау С08 Vуат 81П <т +

( ■ ГТ > у = 1,

т = 1, М

+ ау s1пVу■amРm С08 (<т - фт ) +

+ау с°^уатРт ^ (<т - фт ) + 1т(5ут ),

(10)

где У7т и Zjm - действительные и мнимые части соответствующих комплексных амплитуд иут на выходе

7-го канала при т-й подсоединенной нагрузке; а -коэффициент передачи 7-го зонда; ат, фт - соответственно, модуль и аргумент комплексной амплитуды падающей волны при т-й нагрузке; рт, <т - соответственно, модуль и фаза комплексного коэффициента отражения т-й нагрузки; ц = X, ^ - рассто-

яние от фланца нагрузки до ^-го зонда (точно известно), X - длина волны в тракте МИЛ (точно известна); (ут - погрешность измерения напряжения

на выходе ^-го канала при т-й нагрузке; М - число калибровочных нагрузок в наборе.

С физической точки зрения, аддитивные погрешности МР и МИЛ с последующим гетеродинированием частоты можно считать независимыми нормально распределенными величинами.

Основная идея предлагаемого метода калибровки рассматриваемого векторного измерителя заключается в первоначальной оценке амплитуд ат и Ьт, используя только сигналы с измерительных плеч со слабой связью, для которых справедлива модель МИЛ (10).

Системы уравнений (10) можно представить в виде

уут = + у 2Ч2т + у393т + у4ЧЛт + К6ут ) , (11)

= 10\т + 1у2^2т +1 у3Ч3т + 1у494т +1т(вут ) , (12)

ут

где

= а у соц у 5у 2 = а у з1п ц у у = ау соЦу 5 у 4 :

у = -ау 8т цу, ¡у 2 = ау соцу, у = а у 8т Цу, а у 81П ц у, [1у 4 = а у соз Цу,

91т = ат с0зфт,

92т = ат 81П фт ,

93т = атРт с0з(фт - <т I

94т = атРт в1П (фт -<т ),

(у=С) ■

(т = 1, М) ,

(13)

(14)

У11 У12 - - У1М

211 212 - - 21М

У21 У22 - - У2М

221 222 - - 22М

Уы УЫ2 - - уЫМ

2Ь1 2Ы2 - - 2ЫМ

1тЫ

МЙ2) 1т(Й2)

Яе^) Яе((22)

1т((21) 1т((22) ) )

}т((ц) 1т((2)

511 512 513 514

Н^М )

1т(1М )

М(м)

1т(2М )

1т(М

X =

_ (Ь1

Решение

11

12

13

14

521 522 523 524

21

22

23

24

•5Ь1 ^¿2 '5Ь3 5Ы4

о =

911 912 - • 91М

921 922 - ■ 92М

931 932 - ■ 93М

941 942 - ■ 94М

42 1Ь3 1Ь4 _

системы нелинейных уравнений по методу максимального правдоподобия, описываемых выражением (15), можно искать в классе сепара-бельных моделей [5]:

X = WS

-1

0 = sмV

(16

где № - матрица размерности 2Ьх4, составленная из собственных векторов матрицы Грама иЦт, соответствующих четырем ее собственным значениям; V - матрица размерности Мх4, составленная из собственных векторов матрицы Грама ити, соответствующих четырем ее собственным значениям; Б -невырожденная матрица, содержащая неизвестные коэффициенты разложения и имеющая размер 4х4; М = ¡2, ¡Из, ¡а} - диагональная матрица,

состоящая из сингулярных чисел матрицы и.

Коэффициенты передачи щ, |АИ| и \Вп\ относительные величины, следовательно, произвольный коэффициент передачи одного из зондов может быть положен равным единице, а остальные (^Ь-1) будут рассчитываться относительно него. Ограничения на введенные параметры, составляющие строки матрицы X, в данном случае имеют вид:

°/1

*у 2

С08Ц, 81ПЦ/

2

= 0;

= 0;

- 5 у 3 = 0;

С08Ц» ЗПЦ/

. (у=)

(17)

¡1

= 0;

СОЦ, Ъ1ПЦ<

- 2 = 0;

4т т т т

С учетом введенных переменных, можно записать следующую матричную форму для выражений (11) и (12):

и = Х0 + 5 , (15)

где И , а - матрицы размера 2ЬхМ, составленные из действительных и мнимых частей соответствующих комплексных амплитуд Ыут на выходе 7-го канала при т-й подсоединенной нагрузке; X - матрица плана эксперимента, содержащая коэффициенты модели, размерности 2Ьх4; 0 - матрица состояния системы размерности 4хМ, имеющие вид:

И =

41

у 3

= 0;

С08Ц» 31ПЦ/

- ^4 =

На основе проведенных рассуждений и из соотношений (16) и (17) можно определить элементы матрицы №-1, решив систему уравнений, составленную на основе (16). Если число датчиков МИЛ равно трем (Х=3), то система уравнений получается достаточной относительно неизвестных переменных ^11,..., ^44. После вычисления матрицы можно

определить оценки элементов матриц X и 0 из (16). Оценки неизвестных величин Зуц , tjи и 9ип , полученные в результате решения уравнений (11) и (12) по ММП, являются оценками максимального правдоподобия и обладают всеми их оптимальными свойствами. Подставив эти значения оценок в (13) и (14), можно рассчитать оценки коэффициентов передачи датчиков МИЛ аоценки параметров используемых неточно известных калибровочных нагрузок Рт и <т, а также относительные значения амплитуд ат и значения фаз фт падающих волн.

С целью проведения статистического имитационного моделирования процессов измерения и калибровки с помощью описанного векторного измерителя с четырьмя датчиками МР и тремя датчиками МИЛ был разработан специальный пакет программ

для оптимального оценивания параметров исследуемых нагрузок по дискретным отсчетам на выходах измерительных каналов по ММП.

Исследовалась точность измерения, характеризуемая средней квадратической ошибкой в зависимости от отношения сигнал/шум на выходах измерительных плеч ААЦ. Собственные константы МР определялись в процессе калибровки. Параметры нагрузок случайным образом принимали значения из диапазона 0,1^0,95. Отношение сигнал/шум равнялось Ъ2/о2, где о2 - дисперсия погрешностей измерений ^к. Моделирование проводилось для различных значений коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) исследуемой нагрузки.

Для каждого заданного значения отношения сигнал/шум и КСВн проводилось по 10000 модельных экспериментов по оцениванию модуля и фазы ККО р. После чего рассчитывался средний квадрат погреш-

2

ности измерений ( Sл

i+И

10000

КСВн =

1 -и'

S2 =-

— У (л -л* )2 000 У v m '

10000

где Л обозначает модуль или фазу оцениваемого ККО, Лт - оценка параметра в т-ом модельном экс-ЛЛ - истинное значение параметра в

перименте опыте.

Рисунок 4

Зависимость дисперсии погрешности оценивания модуля

сигнал/шум по мощности

б

и фазы

ККО от отношения

Из анализа результатов моделирования следует, что при использовании многоканального ВВ на основе комбинированной схемы МР и МИЛ погрешности, определяемые неточностью знания параметров калибровочных нагрузок, перестают быть основными, поскольку алгоритм калибровки не предполагает их точного знания.

Предлагаемый подход к построению РФИД риде-ров, в совокупности с разработанными алгоритмами измерения и калибровки рассмотренного измерителя, позволяет с высокой точностью оценивать модуль и фазу слабого информационного сигнала тага. Данный подход не предполагает точного знания ККО антенны, поэтому не зависит факторов наличия металлических объектов или жидкостей вблизи антенны.

Таким образом, можно достичь увеличения дальности считывания РФИД систем без применения методов компенсации несущего сигнала ридера, что, в совокупности с дешевизной производства и простотой конструкции, делает возможным применение данного ридера в современных пассивных СВЧ РФИД системах.

На основании вышеизложенного авторы предполагают, что описанный РФИД ридер на основе ААЦ может быть весьма перспективным при использовании в системах сортировки и укладки для производственных линий.

Предлагаемый многоканальный векторный ААЦ также может быть применен в качестве приемника в системах с применением датчиков давления [6, 7].

ЛИТЕРАТУРА

1. Tan, J. A RFID Architecture Built in Production and Manufacturing Field / J. Tan, H. Wang, D. Li, Q. Wang // ICCIT '08. Third International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology, 2008. Vol. 1, P. 1118 - 1120.

2. Рейзенкинд, Я.А. Состояние и перспективы развития методов измерения параметров двухполюсников и четырехполюсников на СВЧ / Я.А. Рейзенкинд, В.А. Следков // Зарубежная радиоэлектроника. - 1988, N°8. - С.30-60.

3. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. -М.: ГИФМЛ, 1958. - 334 с.

4. Львов А.А. Метод калибровки автоматической многозондовой измерительной линии / А.А. Львов, К.В. Семёнов // Измерительная техника, 1999, №4. - С. 34-39.

5. Львов А.А. Прямой метод решения нелинейных задач калибровки измерителей в системах управления прецизионными обрабатывающими центрами / А.А. Львов, К.В. Семёнов // Межвуз. научн. сб. Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 1998. - С. 147-162.

6. Николаенко, А.Ю. Компенсация температурной погрешности интеллектуальных датчиков давления / А.Ю. Николаенко, А.А. Львов, П.А. Львов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество», 2014, Т. 2 - С. 57-59.

7. Коновалов, Р.С. Высокотемпературные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество», 2014, Т2 - С. 48-50.

m=1

d