CN109376390A - 一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，步骤如下：1、金属壳体环境几何信息的录入和存储；2、阅读器天线的辐射模型建立和初始化；3、阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算；4、壳体面域内表面上有效辐射范围的标定；通过上述步骤，能完成对半封闭金属壳体内表面电子标签布局设计，完成了对于金属壳体内部辐射分布的求算与分析，并最终确立壳体内表面的有效辐射范围，从而确立标签的布局范围，能广泛运用于金属壳体环境中的标签布局设计中，具备较高的实际应用价值。

Description

一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法

技术领域

本发明提供了一种电子标签的布局设计方案，具体涉及一种阅读器天线在 半封闭金属壳体内表面的辐射范围计算和标定方法，属于射频识别(以下简称 RFID)设备无线通信应用领域。

背景技术

RFID技术基于电磁感应原理而作为一种自动识别技术，能实现阅读器和标 签之间的非视距通信，从而被广泛运用于货物运输领域。但金属环境所带来的 电磁屏蔽对标签的识别产生极大干扰，而且在许多半封闭的壳体环境如货箱等， 辐射信号都会受到一定影响。本专利通过模拟自由空间中的阅读器天线和电子 标签的通信过程，研究并得出了一种专门用于解决半封闭的金属壳体内部电子 标签的布局问题的设计方法，取得了不错的效果。

发明内容

(一)本发明的目的

在RFID通信领域中，阅读器和电子标签的稳定通信保证了整个***的正常 工作，而两者之间的通信是基于电磁波的辐射传递和电磁感应原理而实现。因 为RFID设备应用的场景繁多，甚至是有大量金属物件存在的环境中，而由于电 磁波的辐射在金属表面会发生电磁屏蔽和反射等现象，使得标签的通信收到很 大影响，所以一直以来对于RFID的使用如定位，测距等对通信质量要求较高的 使用场景下都尽量避免金属环境，而在物件的识别场景下，也不断的有专门克 服金属环境的新技术出现如抗金属电子标签等，不过也仅限于是在敞露的开放 空间下的金属表面上的标签识别通信，但在半封闭金属壳体内表面的标签通信 还从未有相应的解决方案。本发明的目的就是为了提供一种能够通用快速的计 算壳体外的阅读器在半封闭金属壳体内表面的有效辐射范围，进而确定壳体内 表面的电子标签的布局范围，用以解决金属对电磁辐射的影响尤其是处于半封 闭壳体时标签布局难以确定问题。通过本方案，可以有效的在半封闭金属壳体 环境下，确定电子标签的布局范围，进而可以指导工人对标签设备的安装过程， 避免在对设备进行粘贴时将标签粘贴在辐射盲区影响和阅读器的通信。

(二)技术方案

本发明技术方案：

本发明为一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其步骤 如下：

步骤1、金属壳体环境几何信息的录入和存储；

步骤2、阅读器天线的辐射模型建立和初始化；

步骤3、阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算；

步骤4、壳体面域内表面上有效辐射范围的标定。

其中，在步骤1中所述的“金属壳体环境几何信息的录入和存储”，其做法 如下：按要求采集实际环境中的半封闭金属壳体几何信息，并规范化录入为一 系列连接的参数平面域，于计算机中完成存储，并作为后续布局设计主程序待 读取的输入文件；该步骤主要是完成了环境信息从实际到模拟的转化，并为后 续步骤提供数据基础。

其中，在步骤2所述的“阅读器天线的辐射模型建立和初始化”，其做法如 下：在程序的可视化空间坐标系中模拟出步骤1中金属壳体面域的分布，并依 照阅读器天线和壳体实际相对位置，初始化其空间坐标，根据天线实际的辐射 功率计算得出初始辐射增益值，根据电子标签的最小激活功率计算衰减阈值， 并根据辐射的微分立体角计算模型，筛选出能够辐射进入金属壳体的那部分立 体角，确定细分全立体角的粒度大小；该步骤主要是完成了辐射模型的搭建和 初始化，对壳体面域和辐射源都完成了建模和相应参数的赋值，并筛选出了条 件所需的部分入射电磁波，为后续步骤进一步提供条件。

其中，步骤3所述“阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算”，其做法如下： 对步骤2中所述的可进入壳体内部的那部分立体角，依照确定的细分粒度对其 进行划分，根据自由空间的电磁衰减公式，并对每一份立体角进行跟踪计算；

具体的，先计算根据初始增益值从辐射源沿着该立体角所能到达的最远位 置坐标，然后判断该段辐射路径中是否和金属壳体相交，若无相交，则对该立 体角方向上的辐射计算完毕；否则找到最开始相交的位置作为反射点，通过反 射定律计算反射后出射方向和出射点位置，考虑到电磁辐射在金属表面的能量 损耗，出射点在同方位下沿着出射方向辐射距离会相应减小；考虑到后续可能 还会继续发生和金属壳体其他表面进行反射，这个过程需递归进行判别计算； 该步骤是布局方法的核心步骤，其内部所提及的递归方法，完成了辐射轨迹的 空间计算和增益值的变化求算，并为后续步骤的布局分析提供了所有的数据支 持。

其中，在步骤4所述的“壳体面域内表面上有效辐射范围的标定”，其做法 如下：对步骤3中所述的有效部分辐射立体角的跟踪计算中，记录所有辐射轨 迹中的反射点信息，并将所有反射点映射到各自所属的壳体面域上；对每一片 壳体面域上的反射点进行分析并找出所有反射点构成的最大凸包络体多边形， 并将所有的面域多边形信息作为布局设计参考输出；由于反射点都落于壳体的 面域上，因此对于每一片壳体面域，所有反射点的位置即代表有效的辐射范围， 而对于电子标签的布局来说，其布局依据即为标签位于天线的有效辐射范围内， 所以找出所有反射点所处的包络多边形范围，即为标签在壳体内表面的可布局 位置；该步骤主要完成了对步骤3的计算结果进一步分析处理，得出了位于每 一块壳体面域的天线有效辐射范围，并作为结果输出，进一步为标签布局提供 重要参考。

通过上述步骤，可以完成对半封闭金属壳体内表面电子标签布局设计，我 们在基于电磁辐射理论的RFID通信模型的模拟计算下，完成了对于金属壳体内 部辐射分布的求算与分析，并最终确立壳体内表面的有效辐射范围，从而确立 标签的布局范围，可广泛运用于金属壳体环境中的标签布局设计中，具备很高 的实际应用价值；

本发明适合用于RFID技术应用于大型金属壳体环境内表面的电子标签布局 问题分析，使用这一方案，针对任意输入的金属壳体环境，都可以对标签和阅 读器之间的通信模型进行了很好的模拟，并对壳体内部的辐射计算提供了可靠 的解决方案，最终提供通用且有效的标签布局设计方案。

(三)优点

在本发明之前，还并未有类似的RFID技术应用于半封闭金属壳体内部的标 签布局方案设计出现，因此本发明首次提出了可以通过微分空间立体角的辐射 计算方式，来模拟天线的辐射过程，并在半封闭的金属壳体中，在出现反射和 能损的情况下，计算其有效辐射范围。本发明是对已有的电磁辐射理论的一次 大胆应用，而且是在不常见的半封闭金属壳体场景中，为其提供了一种快速且 通用的标签布局设计方案。

附图说明

图1为本发明的所述方法的总体步骤流程图。

图2为半封闭金属壳体环境中电子标签和阅读器通信示意图。

图3为金属壳体面域几何信息展示图。

图4为点辐射立体角辐射分析示意图。

图5为电磁波遇金属壳体表面发生反射的辐射路径分析图。

图6为空间任意平面内点集划分示意图。

图7为任意平面内凸包络体求算示意图。

图8为最终壳体面域有效布局范围示意图。

图中序号、符号、代号说明如下：

图3中x轴，y轴，z轴等是***的模拟坐标系中的坐标轴，而相应的如x_min和x_max则为该面域在x轴上的取值范围，为该面域的法向量；

图4中o为点辐射源，位于坐标原点位置，θ和则分别为空间球坐标系中 的任意一组立体角坐标取值，dθ为立体角取值大小，P_max为最远辐射点坐标位置， d_max为最大辐射距离；

图5中P₀为辐射入射点，P₁为无阻挡时的最远辐射位置，P_r为入射点和最远 辐射点之间连线和金属壳体面域集合中离入射点最近的交点，P₁′为P₁关于P_r交点 所在的面域的镜像位置，而P₁″则是考虑反射碰撞能损后的出射点位置；

图6中为一位于某金属壳体平面域内的空间三维坐标点集， P_i(x_i,y_i,z_i)为其间任意一点。P_min和P_max分别为该点集中按照某种特定排序顺序排 序后的最大点和最小点坐标，P_mid为两者连线中点坐标，为该面域的法向量， 为面域内部垂直于的某平面内法向量，左子集和右子集分别为总体点集 全集合按照分布在两侧所划分的两个新点集；

图7中P_remote为当前点集中距离最远的点坐标，P_mid1和P_mid2分别是和两线段中点坐标位置，而此时的为在该平面域内垂直于 的且满足的那个面内法向量。

具体实施方式

本发明为一种半封闭金属壳体内部电子标签布局方案设计方法，其具体的 实施过程是先按要求采集金属壳体环境的三维几何信息并作为输入，然后构建 RFID通信模型进行辐射模拟计算，通过模拟真实RFID设备(包含阅读器和电子 标签)的通信过程中(如图2所示)的金属壳体内表面对电磁波辐射的反射等 影响，最终得出在相应的输入环境参数下的标签在壳体内表面的可读范围，并 作为布局方案结果输出。下面将具体的实施步骤通过实例说明如下：

本发明一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，见图1所 示，其实施步骤如下：

步骤1：金属壳体环境几何信息的录入和存储。其具体实施过程是：金属壳 体信息采集过程中，为了规范化输入，将实际环境中的金属壳体转换为本设计 方案中定义的三维坐标系中的参数平面域，保持其形状和大小不发生变化，如 图3所示。由于金属壳体是一个三维集合体，为了简化计算，将其拆分成几个 独立的参数平面域来表示每一块壳体面，并记录平面域参数的 x_min，x_max，y_min，y_max，z_min，z_max来分别定义平面的空间三维坐标范围，以及记录每个壳体 平面域的法矢量如果壳体平面带有缺口的，另需再将缺口平面单 独记录其信息，并标记该平面为特殊面，否则默认为普通面，普通面域和特殊 面域的区别在于，特殊面域带有缺口，允许电磁波穿透金属壳体表面对外辐射。 如本实例中其中的入射壳体面域几何信息：坐标x：[1.0，1.0]，y：[-1.0，1.0]，z：[-1.0，1.0]， 法向量：特殊面，缺口坐标范围：x_t：[1.0，1.0]，y_t：[-0.5，0.5]，z_t：[-0.5，0.5]。

步骤2：阅读器天线的辐射模型建立和初始化。其具体实施过程是：在对输 入的所有的参数平面域进行规范化处理并存储后，需要采集在实际环境中阅读 器对于金属壳体的相对位置信息，并在自定义的三维坐标系中标定出阅读器的 绝对位置坐标P₀＝(x₀，y₀，z₀)，在本专利的RFID通信模型中，阅读器等效为点辐射 源，因此阅读器的坐标及等效为点辐射源的坐标，如本实例中选定P₀＝(0，0，0)。

实际环境中在额定功率下正常工作的阅读器，其对外辐射的最大增益数值 是确定的值G_reader，随不同的辐射功率和天线增益变化而改变，如本实例中 G_reader＝90dB，而电子标签的最小激活增益值也是确定的数值G_tag，不同类型的电 子标签的激活功率也不同，本实现中G_tag＝20dB，因此依照自由空间的电磁辐射 衰减公式，L_bf＝32.45+201gf(MHz)+201gd(Km)dB，其中L_bf是天线辐射过程中的损 耗增益，f是天线辐射的电磁波频率，本实例选用915MHz超高频天线，d是传 输距离，按照上述计算公式，在确定辐射初始增益值和最小激活增益值后，可 以计算得出标签的最大工作距离d_max，通过计算可得d_max≈80m，因此在确定辐射 的初始立体角时，即可确定三维空间里该方位角方向上的最大辐射位置坐标。

对于点辐射源在三位全空间各个方向划分立体角dθ，并对每一份立体角的 辐射进行跟踪分析，如图4所示。但本专利是仅从半封闭金属壳体内部进行辐 射分布考虑，对于没能从入口辐射进入壳体内部的电磁波不允考虑，所以只需 要对点辐射源在全空间立体角中通过入射缺口平面的那一部分立体角进行分析 即可，立体角划分的越细结果越精准，运算量也越大，如本实例将全空间的立 体角沿着周向和径向分别划分为360份和180份。

步骤3：阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算。其具体实施过程是：对于 每一份通过壳体入射面域的立体角dθ，计算沿着该立体角方向所能辐射的最大 位置P₁＝(x₁，y₁，z₁)，如在从辐射源P₀＝(0，0，0)沿着矢量出射的立体角最远 可辐射位置可计算为P₁＝(8，0，0)，最开始将辐射源P₀作为入射点，

(1)计算从入射点到该位置P₁间连线与所有壳体面域信息的交点；

(2)如果没有交点，那么说明沿着该立体角辐射的电磁波并未遇到金属壳 体发生反射，退出该立体角dθ的跟踪计算；

(3)否则计算得出所有交点，并取其中离入射点最近的作为反射点P_r，依 照反射定律，计算得出P₁的镜像出射点P₁′，考虑到电磁波入射到金属表 面时带来的能损，实际的出射点所在位置位于P_r和P₁′连接线段中的某点 P₁″，可通过弗里斯传输公式计算得出，该过程参见图5；

(4)将P_r加入到该立体角的辐射轨迹中，并以P_r为入射点，P₁″为最远辐射 位置，继续重复步骤(1)。

步骤4：壳体面域内表面上可读范围的标定。其具体实施过程是：将所有的 通过入口进入金属壳体内部的立体角都计算完之后，下面对所有辐射轨迹进行 分析。对于任意立体角的辐射经过的轨迹点中凡是落在某一金属壳体面域内的， 那么该点必然属于阅读器的可读范围内，因此将所有轨迹点划分到各自属于的 平面域内，每一个壳体平面域维护一个轨迹点集，求出该平面内所有轨迹点的 包络体多边形，即为内表面上标签的可布局的有效范围。

和二维平面的求包方法不同的是，本设计中的求包方法，必须适用于空间 任意坐标平面，而不局限于二维坐标下的单个平面，因此本专利对于普通的平 面求包算法做了相应的拓展，具体实现步骤如下：

(1)对于处于同一平面的一系列空间点找出最小点P_min和最 大点P_max，其中两个点大小取决于坐标x，y，z的大小并安装其优先级顺序 进行比较，维护一个包络体多边形点集，并把P_min和P_max加入其中；

(2)可通过当前平面法矢和做叉积，计算在平面内垂直于P_minP_max的向量维护两个新点集，初始化为空，左、右点集分别用来存储该 平面内位于该直线上部分和下部分的所有点，对从线段中点P_mid出 发到该平面内所给的点集中任意点P_i的向量进行判别，

若P_i加入左点集，若P_i加入右点集，该过程参 见图6。先后取出左、右点集作为当前点集，以及平面法矢当前P_min和P_max及其中点P_mid，执行下一步骤；

(3)如果当前点集为空，则直接返回，否则找出当前点集中距离最 远的点，若距离相同，则取离P_mid更近的那个点P_remote，加入包络体多边 形点集中；

(4)对于线段计算其中点P_mid1，以及根据当前平面法矢 和做叉积，计算在平面内垂直于P_remoteP_max的向量并单位化， 如果那么反向；对于同理得出符合条件的和 P_mid2；

(5)维护两个初始化为空的新点集s₁和s₂，对于当前点集中任意点P_i进行 判别，如果P_i加入到s₁中，否则如果P_i加入 到s₂中，该过程参见图7所示。依次将s₁和s₂置为当前点集，对应s₁时将 P_remote赋值给P_min，P_mid1赋值给P_mid，对应s₂时将将P_remote赋值给P_max，P_mid2赋值给P_mid，重复操作(3)；

按照上述步骤最终可从每个包络体多边形点集中可得出该壳体内部的可读 面域多边形点集合，如图8所示，其围成的凸平面域即为电子标签的可读范围， 将所有的可读面域范围综合起来，即为整个半封闭金属壳体内表面的标签的可 粘贴范围，可将所围成的多边形轮廓信息输出，用作RFID电子标签的粘贴参考 和指导，至此完成了标签的布局设计。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化 或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1、金属壳体环境几何信息的录入和存储；

步骤2、阅读器天线的辐射模型建立和初始化；

步骤3、阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算；

步骤4、壳体面域内表面上有效辐射范围的标定；

通过上述步骤，能完成对半封闭金属壳体内表面电子标签布局设计，我们在基于电磁辐射理论的RFID通信模型的模拟计算下，完成了对于金属壳体内部辐射分布的求算与分析，并最终确立壳体内表面的有效辐射范围，从而确立标签的布局范围，能广泛运用于金属壳体环境中的标签布局设计中，具备很高的实际应用价值；

本发明能用于RFID技术应用于大型金属壳体环境内表面的电子标签布局问题分析，使用这一方案，针对任意输入的金属壳体环境，都能对标签和阅读器之间的通信模型进行了很好的模拟，并对壳体内部的辐射计算提供了可靠的解决方案，最终提供通用且有效的标签布局设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其特征在于：

在步骤1中所述的“金属壳体环境几何信息的录入和存储”，其做法如下：按要求采集实际环境中的半封闭金属壳体几何信息，并规范化录入为一系列连接的参数平面域，于计算机中完成存储，并作为后续布局设计主程序待读取的输入文件；该步骤主要是完成了环境信息从实际到模拟的转化，并为后续步骤提供数据基础。

3.根据权利要求1所述的一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其特征在于：

在步骤2中所述的“阅读器天线的辐射模型建立和初始化”，其做法如下：在程序的可视化空间坐标系中模拟出步骤1中金属壳体面域的分布，并依照阅读器天线和壳体实际相对位置，初始化其空间坐标，根据天线实际的辐射功率计算得出初始辐射增益值，根据电子标签的最小激活功率计算衰减阈值，并根据辐射的微分立体角计算模型，筛选出能够辐射进入金属壳体的那部分立体角，确定细分全立体角的粒度大小；该步骤主要是完成了辐射模型的搭建和初始化，对壳体面域和辐射源都完成了建模和相应参数的赋值，并筛选出了条件所需的部分入射电磁波，为后续步骤进一步提供条件。

4.根据权利要求1所述的一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其特征在于：

在步骤3在所述的“阅读器天线电磁辐射过程的模拟与计算”，其做法如下：对步骤2中所述的可进入壳体内部的那部分立体角，依照确定的细分粒度对其进行划分，根据自由空间的电磁衰减公式，并对每一份立体角进行跟踪计算；

具体的，先计算根据初始增益值从辐射源沿着该立体角所能到达的最远位置坐标，然后判断该段辐射路径中是否和金属壳体相交，若无相交，则对该立体角方向上的辐射计算完毕；否则找到最开始相交的位置作为反射点，通过反射定律计算反射后出射方向和出射点位置，考虑到电磁辐射在金属表面的能量损耗，出射点在同方位下沿着出射方向辐射距离会相应减小；考虑到后续还会继续发生和金属壳体其他表面进行反射，这个过程需递归进行判别计算；该步骤是布局方法的核心步骤，其内部所提及的递归方法，完成了辐射轨迹的空间计算和增益值的变化求算，并为后续步骤的布局分析提供了所有的数据支持。

5.根据权利要求1所述的一种半封闭金属壳体内表面电子标签布局方案设计方法，其特征在于：

在步骤4中所述的“壳体面域内表面上有效辐射范围的标定”，其做法如下：对步骤3中所述的有效部分辐射立体角的跟踪计算中，记录所有辐射轨迹中的反射点信息，并将所有反射点映射到各自所属的壳体面域上；对每一片壳体面域上的反射点进行分析并找出所有反射点构成的最大凸包络体多边形，并将所有的面域多边形信息作为布局设计参考输出；由于反射点都落于壳体的面域上，因此对于每一片壳体面域，所有反射点的位置即代表有效的辐射范围，而对于电子标签的布局来说，其布局依据即为标签位于天线的有效辐射范围内，所以找出所有反射点所处的包络多边形范围，即为标签在壳体内表面的可布局位置；该步骤主要完成了对步骤3的计算结果进一步分析处理，得出了位于每一块壳体面域的天线有效辐射范围，并作为结果输出，进一步为标签布局提供重要参考。