CN101501707B - 射频传感器系统及用于操作射频传感器系统的方法 - Google Patents

射频传感器系统及用于操作射频传感器系统的方法 Download PDF

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Abstract

实施例提供了包括射频发射端和射频接收端的射频传感器系统。该系统包括用于生成多个频率时钟的振荡电路部件、用于对射频接收端上存在的信号进行耦合的信号耦合器、用于检测取决于对象的移动的耦合信号的变化并生成检测信号的信号检测器、以及用于分析检测信号并根据分析结果来有区别地使用所述频率时钟的控制器。

Description

射频传感器系统及用于操作射频传感器系统的方法
技术领域
实施例涉及射频(RF)传感器系统及用于操作射频传感器系统的方法。
背景技术
泛在网络技术已经吸引了全世界的关注。泛在网络技术允许用户不管时间和位置如何都能够容易地访问各种网络。
这种泛在网络技术包括射频识别(RFID)技术和泛在传感器网络(USN)技术。其中典型地使用了用于商业交易的RFID技术。
泛在传感器网络(USN)技术被称为构建网络以便以无线方式获得由各种传感器收集的多个信息片的网络技术。根据USN技术，在难以进行个人访问的区域中安装多个传感器网络节点，由此允许个人对该区域进行监测。
用于商业交易的RFID系统包括：附加到货物上的、配备有与该货物相关的详细信息的RFID标签，以及用于通过RF通信来读取嵌入在RFID标签中的详细信息的RFID阅读器。附加到货物上的RFID标签在经过RFID阅读器所位于的区域时通过RF通信将信息发射给RFID阅读器。相应地，提供了能够有效处理供应链管理(SCM)的基础设施，所述供应链管理包括配送、组装、价格变动和货物营销。
相关的RFID系统包括阅读器和标签，阅读器定期地发射信息请求信号以便与进入天线的无线电区域的标签之间建立RFID通信信道，并收集与该标签相关的信息。
在这种情况下，由于阅读器对与未指定数量的标签相关的信息进行收集，因此阅读器总是在高功率下发射信息请求信号。因此，这种通信方案可能降低硬件资源的效率并导致严重的功率浪费。
例如，由于不管标签进入到通信区域中的进入状态如何，阅读器都必须定期地发射信息请求信号，并且主工作电路以全模式操作且保持空闲状态，因此电路的负荷不必要地增大，并且消耗了大量的功率。
为了克服这种低效的通信方案，已经提出了使用附加检测器的方案。例如，诸如光(红外)传感器和振动(超声波)传感器之类的多个检测器对阅读器的通信区域进行监测，并在检测到对象的情况下向阅读器发射操作信号。
如果经由包括串行电缆的网络而在阅读器中接收到操作信号，则阅读器发射信息请求信号，并启动用于与标签进行RFID通信的电路和操作资源。
但是，添加了多个检测器，使得安装成本增加，网络结构变复杂，并且额外地需要软件资源和硬件资源以处理从检测器传送的信号。
发明内容
技术问题
实施例提供了RF传感器系统以及用于操作RF传感器系统的方法，其能够在不需要附加的监测系统和附加的网络的情况下通过使用RFID或USN通信环境的特性来确定对象(标签)进入到通信区域中的进入状态，并且能够根据对象的进入状态来有效地使用操作资源和功率。
技术方案
实施例提供了一种包括射频发射端和射频接收端的射频传感器系统。该系统包括：用于生成多个频率时钟的振荡电路部件，用于对射频接收端上存在的信号进行耦合的信号耦合器，用于检测取决于对象的移动的耦合信号的变化并生成检测信号的信号检测器，以及用于分析检测信号并根据分析结果来有区别地使用所述频率时钟的控制器。
实施例提供了一种用于操作射频传感器系统的方法。该方法包括：向射频接收端供电，在设于射频接收端中的天线周围形成预定的电场，确定在形成电场的区域中的对象的移动状态，如果对象移动则驱动射频发射端，或者如果对象不移动则停止射频发射端的操作。
有益效果
根据实施例，由于在不需要附加的检测系统的情况下通过使用反射波信号来监测无线电区域，并且可以根据监测结果而有区别地利用功率和操作资源，因此可以防止浪费功率和操作资源。
根据实施例，通过引入反射波技术可以精确地确定对象的移动状态，并且通过利用内部资源可以构建对反射波信号的检测系统。相应地，在不需要附加的成本的情况下通过简单的电路结构和软件处理可以容易地构建反射系统。
附图说明
图1是示出了根据实施例的RF传感器系统的框图；以及
图2是示出了根据实施例的信号检测器的框图。
具体实施方式
在下文中将参照附图来描述实施例。
根据实施例的RF传感器系统包括与标签进行通信的阅读器。此外，该RF传感器系统可以用作泛在传感器网络(USN)系统的阅读器。
如图1所示，RF传感器系统100包括第一天线105、低噪声放大器(LNA)110、信号耦合器115、第一滤波器120、第一信号转换器130、解调器135、信号检测器140、控制器145、第一振荡电路部件150、第二振荡电路部件155、调制器160、第二信号转换器170、第二滤波器180、功率放大器模块185、第二天线190和电源195。
控制器145对电源195进行控制，使得向包括从低噪声放大器110至解调器135的接收通路端连续地供电。相应地，在构成接收通路端的电路中产生预定的阻抗。
第一天线105接收RFID信号，并且在接收通路端被连续地供电的情况下具有在第一天线105周围形成的电磁场。如果人或者诸如金属材料之类的导体正在第一天线105的电磁场中移动，则接收通路端的阻抗可能被改变，也就是说，可能使得该阻抗不匹配。
这是基于洛伦兹力(Lorentz force)定律的现象，即，物理力(例如对象的动力)对电磁场施加影响，使得在具有该电磁场的导体上可能产生电流。换言之，如果对象在RF传感器系统100的附近移动，则在接收通路端上可能产生某种电流。
可以将上述电流作为由于预定的连接端子(例如基于第一天线105的连接端子)上的阻抗差异而产生的反射量(反射系数)来进行分析。相应地，该电流可以是某种具有预定反射系数(Γ)的反射波信号(在下文中，将由于对象的移动而在接收通路端上产生的电流称为“反射波信号”)。
可以根据以下公式来计算反射系数。
[公式1]
Γ = V - V + = Z L - Z O Z L + Z O
在公式1中，“V+”表示输入电压(在接收通路端中保持的电源电压)，“V-”表示反射电压(反射波信号的电压变化)。“ZL”表示在保持接收通路端中的电源时所产生的阻抗(在下文中称为“初始阻抗”)，“Zo”表示由反射波信号产生的阻抗。
根据上述原理，RF传感器系统100可以检测反射波信号。如果检测到反射波信号，则确定对象进入RF传感器系统100的范围中。
如果检测到反射波信号(确认了对象的移动)，则控制器145确定必须进行RFID通信，即，控制器145识别了标签访问而要以全模式操作。此外，如果未检测到反射波信号，则控制器以功率节省模式操作。稍后将描述与控制器145的关于全模式和功率节省模式的功能相关的描述。
在下文中将描述RF传感器系统100的组件。
如果经由第一天线105接收的信号的功率由于衰减和噪声的影响而降低，则低噪声放大器110对该功率进行放大。在这种情况下，由于接收信号包括外部噪声，因此低噪声放大器110在尽可能地抑制噪声分量的同时对接收信号的功率进行放大。
信号耦合器115连接在低噪声放大器110与第一滤波器120之间，并对接收通路端上存在的信号分量进行相互耦合，以将所述信号分量传送至信号检测器140。信号耦合器115可以通过使用耦合电容器或方向耦合器来实现。
如果信号耦合器115包括耦合电容器，则信号耦合器115包括具有预定介电常数的电介质材料，以在不损耗原始的RF信号的情况下将接收信号传送至信号检测器140。
此外，如果信号耦合器115包括方向耦合器，则可以使用具有四个端口的波导。输入端口和直通端口分别可以连接到低噪声放大器110和第一滤波器120，输出端口可以经由电容器而连接到信号检测器140，隔离端口可以是穿过电阻器的接地端子。
通过波导而耦合的信号被经由电容器而传送至信号检测器140。该电容器防止来自信号检测器140的具有直流分量的信号被引入到接收通路端中，并且隔离端口的电阻器将具有反射分量的信号发射至接地端子，以去除该具有反射分量的信号。
第一滤波器120包括声表面波滤波器，该声表面波滤波器用于只让经由第一天线105接收的信号中的具有RFID频带的接收信号通过。
第一信号转换器130对从第一滤波器120传送的信号和从锁相环(PLL)传送的基准频率信号进行混频，以构成中频信号。
第一信号转换器130可以通过两个混频器132和134将已从第一滤波器120接收的信号变换成同相(I)信号和相位正交(Q)信号。
解调器135将模拟信号解调成数字信号，以将该数字信号传送至控制器145。
信号检测器140将耦合信号转换成具有预定电平的数字信号，以将该数字信号传送至控制器145，控制器145对该转换后的信号进行分析，以确定是否存在反射波信号。
信号检测器140可以包括诸如对数放大器之类的隔离器，以基于耦合信号的电场和阻抗的数值来测量输入输出阻抗。
对数放大器可以包括放大器、检测电路、补偿电路、隔离电路和偏置电路。对数放大器将从天线端子反馈的模拟状态信号输出为与分贝值成比例的直流电压信号，该直流电压信号被反馈给基准阻抗值，由此扩展了阅读器的可接受的工作范围。
控制器145包括用于控制与RFID标签之间的无线通信的通信协议。控制器145将从解调器135传送的信号处理为应用层上的数字信号，并将该数字信号传送至调制器160。
此外，控制器145对从RFID标签接收的用于器具识别信息的代码进行分析。在这种情况下，控制器145变换数据格式并执行滤波操作，以提取必需的信息。
控制器145可以选自现场可编程门阵列(FPGA)电路、数字信号处理(DSP)电路和ARM9电路等。
第一振荡电路部件150向控制器145提供具有百万赫兹(MHz)频带的频率时钟，例如14.765MHz的时钟(在下文中称为“第一频率时钟”)。第二振荡电路部件155向控制器145提供具有千赫兹(KHz)频带的频率时钟，例如32.768KHz的时钟(在下文中称为“第二频率时钟”)。
如果确定了从信号检测器140传送的信号是反射波信号，则由内部切换电路根据第一频率时钟来驱动控制器145。如果未检测到反射波信号，则根据第二频率时钟来驱动控制器145。
相应地，如果未实现与标签之间的通信，则由于以低速模式在空闲状态下驱动控制器145，因此可以防止功率浪费，并且可以有效地使用操作资源。
如果确定了从信号检测器140传送的信号是反射波信号，则控制器145向电源195施加控制信号，使得向从调制器160至功率放大器模块185范围内的发射通路端供电。如果未检测到反射波信号，则控制器145切断发射通路端的电源。
换言之，在未检测到对象的移动的空闲状态中只维持接收通路端的操作，如果通过反射波信号而检测到对象的移动，则发射通路端也操作，由此进行RFID通信。因此，RF传感器系统100可以防止浪费功率。
因此，将控制器145根据低速频率时钟来操作且发射通路端的电源被切断的情况称为“功率节省模式”，并将控制器145根据高速频率时钟来操作且发射通路端的电源被保持的情况称为“全模式”。
电源195可以通过使用电源管理集成电路(PMIC)器件来实现。
在诸如解调器135、调制器160和控制器145之类的工作芯片中，由于必须向包括数字核心、模拟核心和输入/输出(I/O)核心在内的多个元件供电，因此严格地规定了对电源接通/切断状态中的电源应用定时的限制，并且由于考虑到连续待机时间而必须定期地控制电源接通/切断状态，以防止由于每个电路的高速操作而增大电流消耗。
作为示例，在表1中示出了RF传感器系统100的控制器145的RF载波检测器表。
表1
[表1]
[表]
  VSWR(xxx：1)   回波损耗(dB)   反射系数(Γ)
  1.00   ∞   0
  1.01   46.06   0.005
  1.02   40.09   0.01
  1.03   36.61   0.015
  1.04   34.15   0.02
  1.05   32.26   0.024
  1.06   30.71   0.029
  1.07   29.42   0.034
  1.08   28.3   0.038
  1.09   27.32   0.043
  ...   ...   ...
电压驻波比(VSWR)表示驻波的幅度之间的比率，回波损耗被表示为功率相对于反射系数(Γ)的对数标度。可以通过公式2来计算VSWR。
[公式2]
Figure G2007800299967D00071
控制器145必须对初始阻抗或电场进行数值补偿(初始化)，以确定接收通路端的初始阻抗是否被反射波改变，并且可以基于RF载波检测器表来执行该补偿操作。
控制器145将阻抗或电场设置为用于计算公式1和2的参数，并将结果值与该表的数值进行比较，由此确定是否从信号检测器140传送了反射波。
调制器160、第二信号转换器170、第二滤波器180和功率放大器模块185构成了上述的发射通路端，并且根据对反射波信号的检测状态来控制针对调制器160、第二信号转换器170、第二滤波器180和功率放大器模块185的供电。
调制器160将数字信号调制为模拟信号。第二信号转换器170包括对I信号和Q信号进行处理的两个混频器172和174。第二信号转换器170将从调制器160传送的经调制的信号转换为RFI信号和RFQ信号。
第二滤波器180包括声表面波滤波器，该声表面波滤波器用于去除在频率变换中被混合的、具有不必要的分量的信号。
PAM 185对经滤波后的信号进行放大，以将放大后的信号传送至第二天线190，并且与阅读器相关的信息被经由第二天线190而发射给RFID标签。
同时，例如，典型地可以将信号检测器140实现为如图2所示。
如图2所示，信号检测器140包括衰减器201、第一滤波器203、隔离器205、第一开关207、第二开关209、第一放大器211、混频器213、第二滤波器215、第二放大器217和频率等级检测器219。
衰减器201设于信号检测器140中，以执行阻抗匹配。第一滤波器203对来自输入至第一滤波器203的反射波信号的、具有期望频带的信号进行滤波。第一滤波器203对来自在信号耦合器115中耦合的信号的、具有被设置用于检测耦合信号的变化范围的频率的信号进行滤波。
隔离器205防止输入的入射波被反馈。隔离器205防止已通过第一滤波器203的信号被反馈回第一滤波器203而对第一滤波器施加影响。此外，隔离器205执行对天线端子和RF端子的匹配。
第一开关207被设置用于将信号切换到用于测量输入信号的强度的通路中。此外，第二开关209被设置用于：如果输入信号具有导致对设备的损害的强度，则通过将输入信号切换到另一通路中来保护设备。
第一放大器211对输入信号进行放大，混频器213和第二滤波器215对频带进行转换并对具有预定频带的信号进行滤波，使得输入信号被进行分析。例如，经滤波后的信号可以是具有中频频带的信号。
可以在第二放大器211中对经滤波后的信号进行放大。此外，放大后的信号被输入到频率等级检测器219中，使得信号检测器140可以用作传感器。
本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的任何引用意味着：结合该实施例描述的特定的特性、结构或特征被包括在本发明的至少一个实施例中。这种措词在本说明书中各处的出现并不一定都表示相同的实施例。此外，当结合任何实施例描述了特定的特性、结构或特征时，认为结合其它的多个实施例来实现这种特性、结构或特征是在本领域的技术人员的能力范围之内的。
尽管已经参照实施例的若干示例性实施方式而描述了实施例，但是应当理解，本领域的技术人员可以想到落入本公开的精神和范围之内的、许多其它的修改和实施方式。更具体地，可以对在本公开、附图和所附的权利要求的范围之内的主题组合布置的组成部分和/或组件布置进行各种变化和修改。除了对组成部分和/或组件布置的变化和修改之外，替代性的用途对于本领域的技术人员而言也是明显的。
工业实用性
根据实施例，由于在不需要附加的检测系统的情况下通过使用反射波信号来监测无线电区域，并且可以根据监测结果而有区别地利用功率和操作资源，因此可以防止浪费功率和操作资源。
根据实施例，通过引入反射波技术可以精确地确定对象的移动状态，并且通过利用内部资源可以构建对反射波信号的检测系统。相应地，在不需要附加成本的情况下通过简单的电路结构以及软件处理可以容易地构建反射系统。

Claims (20)

1.一种包括射频发射端和射频接收端的射频传感器系统，所述系统包括：
振荡电路部件，用于生成多个频率时钟；
信号耦合器，用于对所述射频接收端上存在的信号进行耦合；
信号检测器，用于检测取决于对象的移动的、耦合信号的变化并生成检测信号；以及
控制器，用于分析所述检测信号并根据分析结果来有区别地使用所述频率时钟。
2.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述振荡电路部件生成第一频率时钟以及具有比第一频率时钟的频带低的频带的第二频率时钟，并且所述控制器在确定了所述耦合信号已改变的情况下根据第一频率时钟来操作，或者在确定了所述耦合信号未改变的情况下根据第二频率时钟来操作。
3.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述信号检测器检测所述耦合信号的阻抗和电场中的至少一个的数值变化，以生成所述检测信号。
4.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述控制器在确定了所述耦合信号已改变的情况下驱动所述射频发射端，或者在确定了所述耦合信号未改变的情况下停止所述射频发射端的操作。
5.根据权利要求4所述的射频传感器系统，其中所述控制器控制电源向所述射频发射端供电或切断向所述射频发射端的供电。
6.根据权利要求2所述的射频传感器系统，其中第一频率时钟具有百万赫兹(MHz)频带，第二频率时钟具有千赫兹(KHz)频带。
7.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述信号检测器包括对数放大器。
8.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述控制器根据所述检测信号来计算反射系数，由此确定所述耦合信号的变化状态。
9.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述振荡电路部件包括生成多个频率时钟的多个振荡电路。
10.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中不管所述检测信号如何，所述控制器都使所述射频接收端保持处于工作模式中。
11.根据权利要求3所述的射频传感器系统，其中所述控制器包括射频载波检测器表，并基于所述射频载波检测器表的数值来补偿所述阻抗和电场。
12.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述射频传感器系统是射频识别(RFID)系统或泛在传感器网络(USN)系统的阅读器。
13.根据权利要求1所述的射频传感器系统，包括用于在向所述射频接收端供电的情况下产生具有预定区域的电场的第一天线，其中所述对象的移动在所述电场的所述预定区域中实现。
14.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述射频接收端包括：与所述信号耦合器的前端部分相连接的低噪声放大器，连接在所述信号耦合器与所述控制器之间的第一滤波器、第一信号转换器以及解调器；所述射频发射端包括调制器、第二信号转换器、第二滤波器和放大器。
15.根据权利要求1所述的射频传感器系统，其中所述信号检测器包括：
滤波器，用于对具有频带集合的信号进行滤波，以检测所述耦合信号的变化；以及
隔离器，用于防止已通过所述滤波器的信号被反馈到所述滤波器。
16.一种用于操作射频传感器系统的方法，所述方法包括：
向射频接收端供电；
在设于所述射频接收端中的天线周围形成预定的电场；
生成多个频率时钟；
对所述射频接收端上存在的信号进行耦合；
检测取决于对象的移动的、耦合信号的变化并生成检测信号；以及
通过控制器分析所述检测信号并根据分析结果来有区别地使用所述频率时钟。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述控制器在确定了所述耦合信号已改变的情况下驱动射频发射端，或者在确定了所述耦合信号未改变的情况下停止射频发射端的操作。
18.根据权利要求16所述的方法，其中对射频发射端的操作进行控制的所述控制器在检测到所述耦合信号的变化的情况下根据第一频率时钟来操作，或者在未检测到所述耦合信号的变化的情况下根据低于第一频率时钟的第二频率时钟来操作。
19.根据权利要求16所述的方法，其中对所述射频接收端的阻抗和电场中的至少一个的数值变化进行检测，以检测所述耦合信号的变化。
20.根据权利要求16所述的方法，其中不管所述耦合信号的变化如何，都使所述射频接收端保持处于工作模式。
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