CN101604399A - 有源射频识别标签 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源射频识别标签，属于数据识别技术领域。其包括：能量存储装置、中央处理器、无线收发模块，能量存储装置与中央处理器连接，中央处理器与无线收发模块连接，其特点是：还设有太阳能电池、电源管理器、定时器、存储器，太阳能电池的输出端连接能量存储装置的输入端，能量存储装置的输出端通过能量检测器连接电源管理器的输入端，定时器的输出端连接电源管理器的输入端，电源管理器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端连接存储器的输出端。本发明工作寿命极长，可被固定于各种物体或人员上，提供定位跟踪和监测功能，使用当前市场上常见的低端电容器和微型太阳电池组，有利于环保。

Description

有源射频识别标签

技术领域

本发明涉及一种基于通讯的可识别标签，尤其涉及一种有源射频识别标签，属于数据识别技术领域。

背景技术

自二十世纪八十年代以来，以利用射频方式进行非接触式双向数据通信为特征的射频识别(RFID，即Radio Frequency Identification)技术已在工业、商业、交通运输等行业得到了广泛应用，创造了巨大的经济和社会效益。

近年来，新兴的有源RFID技术(又称主动式RFID)开始迅速发展。与需要通过读写器获取能源的传统无源(或被动式)RFID不同，有源RFID自身具备供电装置，可不依赖读写器自主工作。有源RFID技术具有通信可靠性强，数据传输速率高，传输距离远，功能多样，易于扩展等突出优点，适用于局域定位、远程监测、自动识别、家庭自动化等新的应用领域。

然而，当前有源RFID技术的发展也面临一些问题，其中最突出的问题之一就是电池寿命经常难以满足需要。结合国专利申请200710119625.X的《有源射频识别标签系统及其读写方法》来看，目前大量潜在的有源RFID应用均要求标签能够在无人维护的条件下长期工作，如集装箱货物跟踪通常要求3到五年的电池寿命，环境监测方面应用的标签工作寿命要求更高达3年甚至10年以上。并且，现有的有源RFID标签均采用化学电池供电。化学电池能量密度受到现有电池技术水平的限制，如常用的锂锰电池能量密度约在580毫瓦小时/立方厘米。同时RFID应用往往对电池和整个标签体积和重量有严格限制，因此电池能够储存的总电量有限。而有源RFID标签为支持其高性能，需要消耗相对较大的能量，这就造成了标签的工作寿命受到电池的严重制约。以采用802.11b无线局域网传输技术的标签为例，目前最先进的采用一次性电池的产品在每30秒传输一次的条件下，工作寿命仅能达到2年左右。而可充电电池不仅电量有限，而且需要经常性充电，也无法运用于此类场合。

再者，电池对标签成本的影响也是一个严重问题，无论是一次性高容量电池或可充电电池，其成本均较高，经常占到标签总成本的30％甚至50％以上，这就在相当程度上限制了标签的应用范围。此外，废旧电池对环境也构成威胁，需要耗费大量人力物力进行回收处理。

综上所述，如何做到在保证标签功能的同时，有效延长其工作寿命并降低成本已成为当前有源RFID技术推广应用道路上所面临的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种有源射频识别标签。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

有源射频识别标签，包括：能量存储装置、中央处理器、无线收发模块，能量存储装置与中央处理器连接，中央处理器与无线收发模块连接，其特征在于：还设有太阳能电池、电源管理器、定时器、存储器，太阳能电池的输出端连接能量存储装置的输入端，能量存储装置的输出端通过能量检测器连接电源管理器的输入端，定时器的输出端连接电源管理器的输入端，电源管理器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端连接存储器的输出端。

上述的有源射频识别标签，其中：所述的能量存储装置至少由一个电容器构成。

进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的电源管理器设有直流-直流转换器和固体电子开关。

更进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的无线收发模块采用IEEE802.11b标准的直接扩频方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.11g标准的正交频分复用方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.15.4-2003标准与无线局域网设备通信；或是采用蓝牙标准2.4GHZ数字跳频方式与无线局域网设备通信。

更进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的无线收发模块使用全球定位系统接收有关定位信息，发送ISO24730-2标准的定位信息。

更进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的中央处理器上双向连接有数据加密模块。

更进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的电源管理器的输入端上相互连接有温度传感器，或是压力传感器，或是加速度传感器，或是震动传感器，或是湿度传感器，或是亮度传感器。

更进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的存储器为快闪存储器；或是电可擦除可编程只读存储器。

再进一步地，上述的有源射频识别标签，其中：所述的中央处理器是输入端连接有外围接口，上连有液晶显示器或是发光二极管显示器，扬声器或是蜂鸣器，键盘或是按键。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：工作寿命极长。标签的工作寿命与化学电池容量无关，理论上可不受限制。实际应用中，只要保证所用器件和封装的质量，使用年限可以达到20年或更长；应用场合广泛。标签可被固定于各种物体或人员上，提供定位跟踪和监测功能。本发明通过采用太阳电池供电以及独特的能量储存和管理方法，可保证标签即使在光强低于200勒克司的室内环境中亦能正常工作；成本较低。由于采用了独特的电源管理技术和低功耗的无线通信技术，可使用当前市场上常见的低端电容器和微型太阳电池组。相对于大容量化学电池而言，可节约成本40％以上；较强的功能。标签可用于产品识别，物体定位，人员跟踪，数据传输，遥感遥测等多种应用中；有利于环境保护，减少了废旧化学电池带来的环境污染。由此可见本发明具有实质性技术特点和显著的技术进步，其应用前景非常广阔。

附图说明

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。这些附图当中，

图1是有源射频识别标签的构造示意图；

图2是有源射频识别标签的工作过程示意图。

具体实施方式

如图1所示的有源射频识别标签，包括太阳能电池1、能量存储装置2、电源管理器4、定时器6、中央处理器10、存储器11、无线收发模块9，太阳能电池1的输出端连接能量存储装置2的输入端，由此可以实现由太阳能电池1自主供电，无需读写器的激励即可工作。换句话说，将固定于各种物体或人员上，即可提供定位跟踪和监测功能。并且，能量存储装置2的输出端通过能量检测器3连接电源管理器4的输入端，定时器6的输出端连接电源管理器4的输入端，电源管理器4的输出端连接中央处理器10的输入端，中央处理器10的输出端连接存储器11的输出端。能量检测器3可随时监测系统中能量存储值。中央处理器10的输出端同时连接无线收发模块9的输入端。进一步来看，可以采用一个或多个定时器6，定时器6的初始值可由中央处理器10编程，定时器6可产生事件通知电源管理器4。

再进一步来看，可采用一个或多个并联的低成本电容器作为主要的能量存储装置2。电容器可根据需要选用普通电解电容器或超级电容器，视应用场合而定。同时，也可使用小容量一次性电池如锂锰纽扣电池，或可充电电池如锂离子电池或锂聚合物电池作为后备电源。为保证从太阳能电池1获取最大输出功率，本发明使用充电控制电路将电池的工作电压和电流控制在一定范围内，具体范围可以通过太阳能电池1的组合数量来调节。太阳能电池1通过其所带的光电转换产生电流对电容器充电，以储存标签正常工作所需要的能量。根据用户需求，可使用小容量一次性或可充电电池作为后备电源，连入能量存储装置2内。

同时，通过能量检测器3来检测储能电容器两端电压值，直接反映了其所储存能量的大小。能量检测器3对该电压值进行测量并将结果发送给电源管理器4。电源管理器4根据能量检测结果和当前系统状态需要，决定是否向标签其他部分的供电。

再结合图1来看，电源管理器4设有直流-直流转换器8和固体开关7，控制对标签其他功能模块的供电，以降低标签各部分在非工作情况下的能量消耗。固体开关7要求开关响应快，损耗小。可选用金属氧化物场效应管(MOSFET)或结型场效应管(JFET)实现。回路中同时设有直流-直流转换器8，其作用是将输入的储能电容器电压转换为系统其他模块所需的工作电压。

电源管理器4根据能量检测器3的输出结果和当前系统状态，控制向包括中央处理器10在内的标签其他部分的供电。电源管理器4可与中央处理器10通信并传递有关能量信息，中央处理器10据此信息进行调节。并且，中央处理器10，按不同应用对处理能力的需要，可选择采用低功耗的8位，16位单片机或32位RISC处理器。处理器使用标准总线与标签其他模块互联。图1中的外围接口12包括，支持异步串行通信接口，通用串行总线，安全数据输入输出，串行外围接口12，芯片互联总线等输入输出接口。由此，实现了一个多层次的电源管理机制，以确保电容器所储存的能量能被高效地供应给本标签的其他电路。在多数时间里，标签处于休眠状态，能量检测器3监测电容器中能量存储值并向电源管理器4报告。电源管理器4根据能量检测结果和当前系统状态需要，决定是否通过向标签其他部分的供电以唤醒系统并使其进入工作状态。当标签处于工作状态后，中央控制器加载控制软件，电源管理器4可与中央处理器10通信并传递有关能量信息，中央处理器10据此决定下一步系统操作，如无线接收和发送等。

同时，本发明可选择使用多种低功耗的射频模块作为无线收发模块9，所述的无线收发模块9采用IEEE802.11b标准的直接扩频方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.11g标准的正交频分复用方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.15.4-2003标准与无线局域网设备通信；或是采用蓝牙标准2.4GHZ数字跳频方式与无线局域网设备通信，以此来适应不同的工作需要。同时，无线收发模块9使用全球定位系统接收有关定位信息，发送ISO24730-2标准的定位信息。再者所述的无线收发模块9支持对接收信号的强弱和到达时间的测量。并且，可选用小体积内置或外置天线13连接无线收发模块9。具体来说：无线收发模块9由媒体访问控制器90，基带信号处理器91，射频处理器92三部分组成。其中，媒体访问控制器90通过对通信频道的检测和执行和外部网络设备间的同步，达到避免媒体访问冲突的目的。基带信号处理器91进行对发送和接收信号的调制解调，差错控制编解码，基带滤波，接收信号的比特同步和帧同步，模数和数模转换等功能。射频处理器92完成信号的上下行变换，阻抗匹配，发射功率放大，接收信号放大，射频滤波等功能。

考虑到对传输数据进行一个有效的安全加密，所述的中央处理器上双向连接有数据加密模块。通过软硬件配合，可以支持中国WAPI国家标准，美国DES，AES国家标准，国际电子电气工程师协会802.11i标准等多种数据安全标准。

为了实现监测功能的进一步扩展，电源管理器4的输入端上相互连接有温度传感器5，或是压力传感器5，或是加速度传感器5，或是震动传感器5，或是湿度传感器5，或是亮度传感器5。传感器5接口可预先设置一定的系统唤醒条件，当传感器5测量值满足设定条件时，传感器5接口可产生事件通知电源管理器4或产生报警信号。

更进一步来看，所述的存储器11为快闪存储器；或是电可擦除可编程只读存储器。存储器11内存有应用软件、系统配置和其他重要信息，通过和外部标签管理服务器通信支持远程管理和软件版本自动更新。

本发明可选择使用多种输入和输出方式实现人机界面，即有源射频识别标签上设有液晶显示或是发光二极管显示，扬声器或蜂鸣器，键盘或按键等手段作为人机界面，其通过外围接口连入中央处理器。

再具体结合图1来做进一步的说明，太阳能电池1的作用是将接收到的光能转换为电能。常用的低成本非晶硅太阳电池单元的转换效率约在6％～8％左右。在室外光照度约10,000勒克司的条件下，1平方厘米的电池单元可产生约300微瓦的功率输出。在室内日光灯光照度约200勒克司的条件下，一平方厘米的电池单元可产生约5微瓦的功率输出。因此，在本标签的平均功率为80～100微瓦时，采用面积为20平方厘米的太阳电池单元即可满足需要。在需要更高功率或更小体积时，还可选用转换效率更高(约14％～19％)的多晶硅太阳电池。

以下结合图2说明本发明的工作流程：多数情况下，标签处于休眠状态S0。在此状态下，太阳电池向能量储存装置充电。传感器5和定时器6处于低功耗运行模式。并且，中央处理器10预先设置以下系统唤醒条件：1、定时器6结束时间；2、传感器5所应检测的外部环境事件，如环境温度超过所设置门限值，标签由静止转为运动状态等；3、系统处理事件所需的最低能量门限值，系统的各类事件可以有各自相应的门限值。

在休眠状态下，电源管理器4保持对可能发生的事件进行监测。在探测到事件后，首先进行步骤S1，判断所发生的事件是否定时器6事件。如果是，则进行步骤S3；否则进行步骤S2，判断所发生的事件是否传感器5事件，如果是，则进行步骤S3；否则判断为虚假事件，标签返回休眠状态S0。

进一步来看执行步骤S3，电源管理器4根据能量检测器3的当前输出，判断当前储存的能量是否足够进行所发生事件的处理。如果是，即决定唤醒系统，进入工作状态S4。否则标签返回休眠状态S0，等待能量储存装置继续充电。在工作状态下，首先执行步骤S5，向中央处理器10和存储器11供电。处理器复位并开始执行软件程序。系统软件首先判断所发生事件的类型和系统设置，进行初步处理。随后执行步骤S6，判断是否需要进行无线接收。如果是，则执行步骤S7；否则结束处理，标签返回休眠状态S0。

执行步骤S7时，中央处理器10读取能量检测器3的当前输出，判断当前储存的能量是否足够进行无线接收，即储存能量值大于接收门限值。如果是，则执行步骤S8；否则结束处理，标签返回休眠状态S0。

随后执行步骤S8，向无线收发模块9中有关接收的功能电路供电，并进行接收信号处理。

随后执行步骤S9，判断是否需要进行无线发送。如果是，则执行步骤S10；否则结束处理，标签返回休眠状态S0。

随后执行步骤S10，中央处理器10读取能量检测器3的当前输出，判断当前储存的能量是否足够进行无线发送，即储存能量值大于接收门限值。如果是，则执行步骤S11；否则结束处理，标签返回休眠状态S0。

随后执行步骤S11，向无线收发模块9中有关接收的功能电路供电，并执行无线信号发送。无线发送完成后，标签返回休眠状态S0。

结合上述的工作流程，考虑到标签在完成同一项功能所需的能量和使用的太阳电池输出功率都会因周围的环境条件不同而变化，为使能量利用率达到最大化，标签软件采用自适应算法，即根据能量检测器3的输出结果，实时测算各项操作所需能量以及能量的补充情况，并据此调整各项操作相对应的能量门限值。

通过上述文字描述并结合附图可以看出，与现有技术相比本发明具有以下突出的优点：

1、工作寿命极长。标签的工作寿命与化学电池容量无关，理论上可不受限制。实际应用中，只要保证所用器件和封装的质量，使用年限可以达到20年或更长。

2、应用场合广泛。标签可被固定于各种物体或人员上，提供定位跟踪和监测功能。本发明通过采用太阳电池供电以及独特的能量储存和管理方法，可保证标签即使在光强低于200勒克司的室内环境中亦能正常工作。

3、成本较低。由于采用了独特的电源管理技术和低功耗的无线通信技术，可使用当前市场上常见的低端电容器和微型太阳电池组。相对于大容量化学电池而言，可节约成本40％以上。

4、较强的功能。标签可用于产品识别，物体定位，人员跟踪，数据传输，遥感遥测等多种应用中。

5、有利于环境保护，减少了废旧化学电池带来的环境污染。

Claims (9)

1、有源射频识别标签，包括：能量存储装置、中央处理器、无线收发模块，能量存储装置与中央处理器连接，中央处理器与无线收发模块连接，其特征在于：还设有太阳能电池、电源管理器、定时器、存储器，太阳能电池的输出端连接能量存储装置的输入端，能量存储装置的输出端通过能量检测器连接电源管理器的输入端，定时器的输出端连接电源管理器的输入端，电源管理器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端连接存储器的输出端。

2、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的能量存储装置至少由一个电容器构成。

3、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的电源管理器设有直流-直流转换器和固体电子开关。

4、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的无线收发模块采用IEEE 802.11b标准的直接扩频方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.11g标准的正交频分复用方式与无线局域网设备通信；或是采用IEEE802.15.4-2003标准与无线局域网设备通信；或是采用蓝牙标准2.4GHZ数字跳频方式与无线局域网设备通信。

5、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的无线收发模块使用全球定位系统接收有关定位信息，发送ISO24730-2标准的定位信息。

6、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的中央处理器上双向连接有数据加密模块。

7、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的电源管理器的输入端上相互连接有温度传感器，或是压力传感器，或是加速度传感器，或是震动传感器，或是湿度传感器，或是亮度传感器。

8、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的存储器为快闪存储器；或是电可擦除可编程只读存储器。

9、根据权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于：所述的中央处理器是输入端连接有外围接口，上连有液晶显示器或是发光二极管显示器，扬声器或是蜂鸣器，键盘或是按键。

Images