CN100593174C - 具有rfid通信的传感器设备 - Google Patents

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Abstract

一种传感器设备可使用电池(133)电源通过取得传感器读数并将数据传输到一组队列(120)中或从队列中传出来操作传感器节点(132)。可使用射频识别(RFID)标签(110)来将数据无线地传递到传感器设备和/或从传感器设备传递出来而不使用来自电池的电源。传感器节点可被置于低功率模式中而不管RFID标签是否正在进行通信。在某些实施例中，该传感器设备可通过将从一个RFID读取器接收到的数据置入该组队列中并在稍后响应于来自另一RFID读取器的轮询从该组队列发射数据来用作对于其它设备的存储和转发节点。

Description

具有RFID通信的传感器设备
技术领域
本发明一般涉及传感器设备。
背景技术
传感器节点可用于监视和/或测量诸如温度、湿度、振动、光级、声级等各种信息，并将如此获得的信息报告给另一设备，在该另一设备中，该信息可被传输、解释、使用等等。某些传感器节点只要受外部设备指示就通过无线电传输无线地报告测量信息。通常期望在没有便利的电源因而可使用电池供电的传感器节点的领域中使用这类传感器。然而，在许多应用中，在电池变得被放电到足以使传感器节点不可使用的程度的任何时候更换耗尽的电池或对其重新充电可能是不切实际的。尽可能地延长电池寿命可能是使对电池供电的传感器节点的使用变得切实可行中的一个主要因素。
某些传感器节点只能以不频繁的间隔取得传感器测量值，并且可在这些测量之间进入一长时间的低功率模式以降低功耗并延长电池寿命。如果传感器节点唤醒(通电以进行传感操作)所花费的时间的百分比是其睡眠(进入低功率非活动模式)所花费的时间的一小部分，则由于传感操作而引起的功耗可被显著降低。然而，无线地发送数据可消耗相当大的电功率。另外，如果传感器节点必须保持被唤醒或经常被唤醒以监视它将要发送其数据的指示，则电池寿命会被进一步减少。
附图说明
本发明可通过参考以下描述和用于示出本发明的实施例的附图来理解。附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的传感器设备的框图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的另一传感器设备的框图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的测量和发射传感器数据的方法的流程图。
图4A和4B示出了根据本发明的一个实施例的在传感器设备中接收和处理数据的方法的流程图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的RFID传感器系统的框图。
具体实施方式
在以下描述中，陈述了众多具体细节。然而，可以理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，未示出公知的电路、结构和技术以免模糊对本发明的理解。
对“一个实施例”、“一实施例”、“示例实施例”、“各实施例”等的引用指示如此描述的本发明的实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是并非每一实施例都必须包括该特定特征、结构或特性。此外，所描述的不同实施例可具有对其它实施例所描述的某些、所有特征或没有任何这些特征。
在以下描述和所附权利要求书中，可使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语并不旨在是彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或更多元件直接彼此物理或电连接。“耦合”可意味着两个或更多元件彼此协作或交互，但是它们可能是或不是直接物理或电连接。
术语“处理器”可以指处理来自寄存器/或存储器的电子数据以将该电子数据转换成可被储存在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的一部分。“计算平台”可以包括一个或多个处理器。
术语“无线”及其派生词可用于描述可通过使用已调制电磁辐射经由非固态介质来传递数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并不暗示相关联的设备不包含任何电线，尽管在某些实施例中的确如此。
如此处所使用的，除非另外指明，否则使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等来描述一公共对象仅仅表示参考了相同对象的不同实例，而不旨在暗示如此描述的对象必须采用时间或空间上、排序或任何其它方式给定的顺序。
本发明的各实施例可用硬件、固件和软件中的一种或其组合来实现。本发明也可被实现为储存在机器可读介质上的指令，该指令可由计算平台读取并执行以实现此处所描述的操作。机器可读介质可包括用于储存、发送或接收可由机器(例如，计算机)读取的形式的信息的任何机制。例如，机器可读介质可包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光学存储介质；闪存设备；电、光、声或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号、发送和/或接收这些信号的接口和/或天线等)等等。
本发明的各实施例可使用传感器上的射频识别(RFID)标签来将数据无线地发送到传感器设备或从传感器设备无线地发送数据，由此保存了用于传感器节点的电池功率。通过允许通信功能在不消耗来自板载电池的任何功率的情况下工作，传感器节点可以仅仅为传感操作而被唤醒，且可显著延长有效的电池寿命。在某些实施例中，RFID逻辑也可被用作用于其它设备之间的通信的数据中继点。
图1示出了根据本发明的一个实施例的传感器设备的框图。在所示的实施例中，传感器设备100可包括三个主要组件：用于传感和/或测量操作的传感器节点130、用于传递到传感器设备100中或从其传出的RFID标签110、以及用于在数据在RFID标签110和传感器节点130之间传输时保持数据的一组队列120。
在本发明的上下文中，RFID标签可以是适用于通过其天线接收传入的射频能量、使用该能量的一部分来向其自己的电路供电、以及操作该电路以调制射频信号来通过天线将该数据发射出去的电子电路。(注意：尽管某些技术文献将RFID标签称为是“反射”已调制信号而非“发射”该信号，但是在本文中，术语“发射”及其派生词将始终用于包含这两个术语。)RFID标签110还可包含执行另外的操作的电路。在某些实施例中，所发射的数据包括标识正在响应的RFID标签并且通过关联可标识传感器设备100的标识码。RFID标签可使用任何可行的当前现有或尚待开发的RFID技术，这些技术使用传入的电磁能量作为用于RFID电路的电源。在某些实施例中，RFID标签110也能够从出站队列124中读取数据并将该数据作为传输的一部分从天线发射。在某些实施例中，RFID标签能够接收已通过其天线接收的数据，并将该数据写入入站队列122中。
队列120可用作用于在RFID标签110和传感器节点130之间传递的数据的临时存储。队列120被示为用于正从RFID标签110传输到传感器节点130的数据的入站队列，以及用于正从传感器节点130传输到RFID标签110的数据的出站队列，但是其它实施例可使用其它的安排。仅在一个方向上传输数据的某些实施例可以仅使用入站队列或仅使用出站队列而不使用两个队列。队列120物理上可以用任何可行的方式，诸如但不限于移位寄存器缓冲器、可寻址存储器等来实现。在某些实施例中，队列可以由当移开电源时保持其状态的非易失性逻辑组成。在某些实施例中，队列可以用可仅用由RFID标签110通过其天线接收的功率来操作的非易失性低功率逻辑来实现，但是其它实施例可使用其它技术，诸如使用由传感器节点中的电池供电的易失性逻辑。
传感器节点130可用于执行传感操作。所示的实施例包括中央处理单元(CPU)131、存储器132、电池133、时钟134和模-数(A/D)转换器135。传感器节点130可以具有诸如但不限于温度传感器、湿度传感器、光传感器等(未示出是因为有太多类型可以使用)的传感器或具有到这些传感器的接口。A/D转换器135可取得来自这一传感器的信号并将其转换成可由传感器节点130中的数字逻辑处理的数字值。
CPU 131可以执行存储器132中的指令，并且可以对存储器132中的数据进行读取/写入/操作。存储器132可包括任何适当类型的易失性和/或非易失性存储器。电池133可以提供电源以操作传感器130的各部分。时钟134可用于向CPU 131提供操作上的时钟源和定时信息。在某些实施例中，传感器节点130可通过停止或减慢对诸如睡眠定时器等需要维持低功率状态之外的所有逻辑的时钟信号来进入低功率模式。在某些实施例中，传感器节点130可处在低功率模式中时降低对各电路的电压电平。这些技术中的任一种或两者可用作降低功耗的方法。从传感操作收集的数据可被写入出站队列124。
在某些实施例中，传感器节点130可能在低功率模式中度过很长时间，从而足够长地唤醒到操作模式以取得传感器测量值并将相关数据写入出站队列124中，然后返回到低功率模式，直到取得另一测量值的时刻。RFID标签110稍后可在RFID标签通过传入的电磁辐射激活时接收来自出站队列的数据，并在不进一步涉及传感器节点130的情况下发射该数据。在某些实施例中，将数据从RFID标签110写入入站队列122可使得传感器节点醒来以从入站队列122检索该数据。这一醒来动作可通过任何可行的手段，诸如但不限于对传感器节点230的中断来触发。
在某些实施例中，在低功率模式期间，睡眠定时器可以实际上是由电池供电的唯一电路，由此将功耗降低到极其低的水平。与常规的电池供电无线传感器设备相比，通过组合以下三个特征可以显著延长电池寿命：1)使用无电池的RFID标签用于通信，2)使用电池供电的传感器节点用于取得测量值，以及3)使用队列来将传感器节点的操作与由RFID标签提供的通信操作解除耦合。
诸如RFID读取器(未示出)等外部设备可用于通过轮询RFID标签110以读取出站队列124中的数据并将该数据发射到外部设备来收集传感器测量数据。外部设备然后可以处理该测量数据和/或组合来自多个传感器设备的测量数据以供处理，和/或将该测量数据转发到另一外部设备。以类似的方式，外部设备可通过RFID标签将数据发射到传感器设备100。数据可被打包成分组或其它格式，并且可被寻址使得如果多个RFID标签接收消息，仅被寻址的那一个RFID标签可对该消息起作用。在某些实施例中，这些数据可包括指令或配置信息，诸如但不限于：1)何时或是否取得测量值，2)在将数据置于出站队列中之前如何处理传感器节点中的测量值，3)当被轮询时RFID标签应当如何标识其自身，4)是否清除任何数据的特定队列，5)其它。
图2示出了根据本发明的一个实施例的另一传感器设备的框图。图2的传感器设备200可以非常类似于图1的传感器设备100，不同之处在于传感器设备200具有一附加队列226。为方便和清楚起见，图1和2的对应元件用1xx和2xx来标记以指示它们可执行类似的功能(例如，图1中的存储器132可对应于图2的存储器232)，尽管本发明的各实施例在这一方面可以不受限制。在某些实施例中，传感器设备200可按与传感器设备100相同的方式来执行相同的操作，但是也可通过用作用于在两个外部设备之间进行通信的存储和转发节点来执行另外的操作。
如果RFID标签210接收要被转发到另一外部设备，诸如另一RFID读取器的入站数据，则它可将该数据置于传输队列226中。当稍后由其它RFID读取器轮询RFID标签210时，它可从传输队列226中读取数据并将该数据发射到其它RFID读取器。可使用任何可行的方法来在要以此方式转发的数据与要被忽略的数据之间进行区分。
图3示出了根据本发明的一个实施例的测量和发射传感器数据的方法的流程图。在所示的流程图300的实施例中，动作310-350可以由传感器节点执行，而动作360-380可以由RFID标签来执行，尽管其它实施例可以与该设置不同。在310处，RFID节点可从低功率模式中被唤醒。该动作可通过任何可行的手段，诸如但不限于计数器超时或外部刺激来触发。在320处，可读取传感器。传感器可以是任何可行类型的传感器，并且可以在传感器设备的内部或外部。在330处，可处理传感器读数。这一处理可以包括任何可行的动作，诸如但不限于以下的一种或多种：1)将模拟值转换成数字值，2)将原始读数转换成规范化数据，3)对多个读数求平均，4)引用值表，5)用算法处理数据，6)其它。一旦数据处于合适的形式，该数据可在340处被写入出站队列。传感器节点然后可返回到低功率模式。
稍后的某时刻，RFID标签可在360处接收RFID轮询。RFID轮询可以是从预期激活RFID标签的RFID读取器发射的电磁辐射。在某些实施例中，轮询可以是非特定的，并且可以激活RFID读取器范围内的任何RFID标签。在其它实施例中，RFID轮询可针对一个或多个特定RFID标签，并且图3的RFID标签可能必须确定轮询是否针对它。特定的轮询可用各种方式来指示预期的目标RFID标签，诸如但不限于用目的地地址来调制电磁辐射。一旦RFID标签通过非特定或特定轮询被激活，RFID标签可在370处从出站队列中读取先前储存的数据，并在380处发射该数据以及标识特定传感器设备的标识码。在某些实施例中，该标识可以在制造期间在RFID标签本身中被完全或部分编码。380处的发射可包括此处未具体描述的其它信息。
图4A和4B示出了根据本发明的一个实施例的在传感器设备中接收和处理数据的方法的流程图。在所示的流程图400的实施例中，动作410-450可以由RFID标签执行，而动作460-475可以由传感器节点执行，然而其它实施例可以与此安排不同。参考图4A，在410处，RFID标签可接收已定址的RFID消息，即包含消息的目的地地址的消息。另外，消息可包含其它地址、数据、指令、开销信息等等。可在415处分析目的地地址以确定它是否寻址到正在执行流程图400的方法的传感器设备。如果是，则该消息或至少该消息的相关部分可在455处被写入入站队列中。
传感器节点可以在460处从低功率模式中被唤醒。该唤醒可通过任何可行的手段，诸如超时的过期来触发。在某些实施例中，将数据写入入站队列可触发唤醒传感器节点的中断或其它信号。可在465处从入站队列中读取消息，并且在470处由传感器节点处理该消息。这一处理可以包括任何可行的动作，诸如但不限于：1)检查消息的内容并确定如何解释那些内容，2)基于该消息重新配置传感器节点操作，3)基于该消息改变睡眠定时器参数，4)基于该消息改变传感器处理操作(见图3的330)，5)响应于对RFID在前一次传输中接收到数据的确认而从一个或多个队列中擦除该数据，6)其它。在完成了所有处理动作之后，传感器节点可在475处返回到低功率模式。
返回到415，如果消息未定址到正在执行流程图400的操作的传感器设备，则可在420处(图4B)再一次分析该目的地地址以确定它是否指示传感器设备应当用作对该消息的存储和转发网络节点。在该确定中可使用任何可行的寻址方案和/或网络配置。如果目的地地址不指示存储和转发操作，则可假设消息是针对附近的另一传感器设备的，并且可忽略该消息。然而，如果目的地地址指示传感器设备应用作存储和转发节点，则消息或其至少一部分可在430处被写入传输队列中。
在稍后的某刻，在440处，RFID标签可接收另一轮询，但是此次该轮询来自与储存在传输队列中的消息的目的地地址相关联的另一RFID读取器。如何确定该关联取决于所使用的寻址方案和网络配置。RFID标签可通过在445处从传输队列中读取消息并在450处将该消息连同任何其它相关数据一起发射到RFID读取器来作出响应。
图5示出了根据本发明的一个实施例的RFID传感器系统的框图。在所示的图5的实施例中，RFID读取器590可以是通过向传感器设备发射电磁辐射并从传感器设备上的RFID标签接收响应来轮询RFID通信范围内的各个传感器设备500的设备。每一传感器设备可具有电池供电的传感器节点、RFID标签、以及在传感器节点和标签之间传输数据的至少一个队列。RFID读取器590和传感器设备中的任一个之间的通信可以遵循先前所描述的任何通信方法，或者未描述的其它方法。某些传感器设备也可对一个或多个其它RFID读取器(未示出)作出响应。
以上描述旨在说明性而非限制性的。本领域的技术人员可以明白各种改变。这些改变旨在被包括在仅受所附权利要求书的精神和范围限制的本发明的各实施例中。

Claims (9)

1.一种装置，包括：
传感器节点，具有控制所述传感器节点处于低功率模式的时间长度的定时器；
射频识别(RFID)标签；
第一队列，耦合在所述传感器节点与所述RFID标签之间以便于第一数据从所述传感器节点传输到所述RFID标签；
第二队列，耦合在所述传感器节点与所述RFID标签之间以便于第二数据从所述RFID标签传输到所述传感器节点；
第三队列，耦合到所述RFID标签，以存储所述RFID标签从第一RFID读取器接收的第三数据以及提供所存储的第三数据由所述RFID标签向第二RFID读取器传输。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器节点被配置成，当所述传感器节点不处于低功率模式时，将传感器数据写入所述第一队列。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器节点处理来自所述第二队列的所述第二数据。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器节点由电池供电，但所述RFID标签由从所述第一或第二RFID读取器接收的射频能量的一部分来供电。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述RFID标签被配置成对已定址的无线轮询作出响应。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述RFID标签被配置成识别所述已定址的无线轮询中的特定地址并响应于对所述特定地址的识别发射所述第一数据。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述RFID标签响应于来自所述第一RFID读取器的第一轮询存储从所述第一RFID读取器接收的所述第三数据，以及响应于来自所述第二RFID读取器的第二轮询向所述第二RFID读取器发射所述第三数据。
8.一种方法，包括：
用传感器节点取得传感器读数；
将表示所述传感器读数的第一数据置入第一队列中；
使用定时器将所述传感器节点置于低功率模式中预定时间；
当所述传感器节点处于所述低功率模式时，从射频识别(RFID)标签发射所述第一队列中的所述第一数据；
接收包含第二数据的RFID轮询；
将所述第二数据置于第二队列中；以及
当所述传感器节点不处于低功率模式时，从所述第二队列读取所述第二数据。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发射包括响应于RFID轮询来发射。
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