CN101852793B - 一种射频无线湿度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频识别领域及无线传感器技术领域，涉及一种射频无线湿度传感系统，该系统可由以下两个部分组成：用于发射探测信号的单芯片无线收发阅读器；用于检测湿度变化并反馈信号的无芯片射频标签。其中无线收发机使用跳频发射的方式，检测射频标签随湿度变化的谐振反馈信号来实现对标签环境湿度的检测。该无线传感系统具有的优势包括：无线收发机功能简单、单芯片集成成本低廉；无芯片射频标签为无源标签，不使用芯片，所以使用寿命长、面积小、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于射频识别领域及无线传感器技术领域，涉及一种无源低成本湿度无线传感系统。
背景技术
现行的无线湿度传感系统一般由带湿度检测功能、完成湿度信号采集终端和完成信号收集终端构成。其中完成湿度信号采集的终端一般采用分立器件与低功耗有源发射机一起构成一个信号采集发射模块。这样构架的无线湿度传感系统，测量精度较高，但是成本高昂，尤其是完成信号采集发送的终端需要多点布置时，一次投入成本大。其次，由于完成信号采集终端发射机为有源设备，其使用供电电池的寿命有限，一次布置完成后尚需要维护。
现有已提出的技术改进方案包括使用无源RFID技术与湿度传感器的结合，但是由于湿度传感部分的高功耗，一般工作距离较近，不适合普及应用。
发明内容
为实现远距离，低成本的无线传输，本发明提出了一种无需使用芯片的无源远距离湿度传感器系统。
为此，本发明采用如下的技术方案：
一种射频无线湿度传感系统，包括由单芯片集成的有源阅读器和无源的无芯片湿度传感器，
所述的单芯片有源阅读器，包括收发天线、环形器、低噪声放大器、混频器、滤波网络、控制模块、频率综合器、跳频发射模块和外部设备；所述的控制模块与外部设备、频率综合器分别相连，完成系统的总体控制与信号处理；所述的频率综合器，用来在控制模块的控制下产生跳频信号和载波频率信号，其所产生的跳频信号经过跳频发射模块发送到环形器，再经过环形器后由收发天线发射，其所产生的载波频率信号被送入混频器的一个输入端；由所述收发天线接收来的射频信号经过所述环形器后被送入低噪声放大器，由低噪声放大器输出的经过放大的射频信号被送入混频器的另一个输入端；混频器输出的下变频信号经过滤波网络滤去高频信号后所得到的基带信号经过放大处理后被送入控制模块；
所述的无源无芯片湿度传感器，包括固定在在陶瓷基底上并涂覆有聚酰乙胺的裸装天线和连接天线两端并作为电阻负载的馈线，用于接收并反射所述的阅读器的发射信号。
作为优选实施方式，所述的控制模块包括相互通信的CPU和DSP以及控制电路和存储电路，所述的CPU通过控制电路控制频率综合器产生在一个频率范围循环的跳频信号，每个频率点持续相同的时间长度；所述的DSP将接收到的基带信号进行幅频响应分析，就此计算出无芯片湿度传感器对应此湿度信息的谐振频率，并将此信息送给CPU，控制模块的存储电路里存储有频率湿度查找表，CPU根据此频率值与频率湿度查找表得到此时湿度传感器处的湿度。
本发明具有以下突出优点：
1、阅读器部分实现了单芯片集成，大大降低了阅读器的成本，顺应大规模应用的需求。
2、控制模块中采用基于MCS-51指令集的CPU内核，具有良好的可配置性和扩展性。
3、采用一个高速数字信号处理DSP电路完成运算与幅频响应分析，更高速快捷的完成实时信号采集与处理。
4、湿度传感器件采用无芯片的天线，成本低廉。
5、湿度传感器件为无源被动响应器件，使用寿命长。
6、所述的湿度传感器的存储电路中，包含一个可设置的频率湿度查找表和一个可设置的跳频信号跳频范围与跳频间隔查找表，方便对系统进行配置。
附图说明
图1是本发明的工作原理图；
图2是本发明的湿度阅读器部分结构框图；
图3是本发明的湿度采集部分示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的无线湿度传感系统由两个部分组成，一个是单芯片集成有源阅读器，另一部分是无源无芯片的湿度传感器。图2是单芯片集成有源阅读器的结构框图。发射链路为无调制的跳频载波信号，阅读器的接收链路解调方式为幅度解调；采用的幅度解调方式为对混频滤波后的基带信号进行较高采样率、较高采样精度的模数转换后，在控制模块中进行分析处理。
无线湿度传感器空间信号载波频率在3GHz以上，以避免进入现有已划分的无线频段内。作为湿度读取的过程，首先阅读器通过控制器的控制，产生包含多个频率分量的跳频载波，发射到空间中。湿度传感器中的天线对其谐振频率附近的信号全吸收，而其余频率信号大部分能量将被反射回来。在不同湿度情况下，湿度传感器中天线谐振频率分别为特定值，这样作为湿度测量与传输的传感器对接收到的频率调制信号，将反射回不同的能量，这个过程相当于对接收到的信号进行幅度调制并反射回阅读器。阅读器接收到湿度传感器反射回的射频信号，通过环形器分离出来。之后通过低噪声放大器进行信号幅度放大，通过混频器与之前频率综合器输出的载波频率信号进行混频操作，再通过滤波网络进行一系列滤波操作后，得到基带信号。此基带信号通过一个可变增益放大器，将分离出的基带信号放大到模数转换部分可以处理的电平，然后通过模数转换电路转换为数字信号。控制模块通过对模数转换后的信号做幅度、频率响应分析，得到湿度传感器裸装天线的谐振频率，从而转化为湿度信息。控制模块由一个基于MCS-51指令集的8位CPU内核、一个DSP电路、一些外围控制电路与存储电路四个部分组成。其中基于MCS-51指令集的CPU内核完成读取命令控制，调制信号产生等，另外完成数字信号处理部分的数据准备工作；DSP完成数模转换后的输入信号的幅频响应分析等；外围控制电路中包含AGC自动增益控制电路和控制频率综合器的控制电路等，由CPU内核通过控制电路控制频率综合器产生在一个频率范围循环的跳频信号，并通过跳频发射模块传送到环形器，然后开始向外发射信号；存储电路里存储有频率湿度查找表，供CPU查询，完成湿度的检测。
下面以工作在3GHz载波频率的无线射频湿度传感系统为例，简要介绍整个系统的具体实现方式。
首先阅读者通过外设向阅读器发出开始湿度读取命令，内置的CPU采集到此命令后，开始从内置存储电路(FLASH存储单元)中取出已设置或默认设置的起始跳频频率，送入频率综合器的寄存器中。完成后CPU传送一个使能信号到频率综合器，由频率综合器产生的跳频信号通过跳频发射模块开始向外发射。跳频信号本身不携带信息，为未调制的载波信号。跳频信号的跳频速率为500跳/秒。跳频范围从起始频率跳频到起始频率后100MHz，跳频分辨率为1MHz，跳频方式为逐级递增并在跳频上限频率跳回起始频率。这样每秒钟跳频频率恢复5次。下面以跳频起始频率3GHz，跳频上限频率3.1GHz为例，做一个具体实例分析。
图3给出了用于湿度采集的无芯片射频标签的示意图，其中左面是俯视示意图，右图为剖面示意图。整个采集器件由涂覆聚酰乙胺材料的陶瓷基底4天线1与连接天线两端的馈线2构成，其中馈线2为天线设计谐振频率处的50Ω等效电阻馈线。当聚酰乙胺涂层3感受到的湿度改变时，受其影响的天线1皆振频率会随之发生改变，湿度越大，天线1的谐振频率将越低。由于馈线2负载的作用，其接收到的信号在天线谐振处将被完全吸收，而谐振频率外的信号能量大部分将被反射。这样就相当于湿度传感器件完成了一个为信号调幅并反向散射的过程，湿度传感器能量吸收峰出现的频率为5Hz。天线设计为50％湿度作用下，谐振频率为跳频起始频率与上限频率之间的中间值。
跳频实现方案为控制频率综合器通过整数倍频实现。
阅读器天线接收到湿度传感器反向散射回的信号，通过环形器分离出来，然后通过低噪声放大器与混频器的作用，转化为基带信号。在混频器中与频率为3GHz载波信号进行混频，混频后的基带信号带宽为100MHz。此混频后的基带信号经过低通滤波后，通过一个可变增益放大器进行信号放大，然后通过6bit位400MHz的两步型数模转换器转化为数字信号送入DSP。DSP协同内置CPU，完成幅频分析与谐振频率分析等过程。最后得到的谐振频率数值通过内置查找表在内置CPU的数个周期内转化为湿度信息，并输出到外设上显示得到的数值。
其中，阅读器的跳频信号的可选的起始频率存储在存储电路(FLASH存储单元)M1中，可通过CPU外部调节，从2.8GHz到3.3GHz一共有9个跳频频段可选，分别为：
1、2.8GHz-2.9GHz；
2、2.85GHz-2.95GHz；
3、2.9GHz-3GHz；
4、2.95GHz-3.05GHz；
5、3.0GHz-3.1GHz；
6、3.05GHz-3.15GHz；
7、3.1GHz-3.2GHz；
8、3.15GHz-3.2GHz；
9、3.25GHz-3.3GHz
其中每个频段的跳频范围都为100MHz，跳频分辨率为1MHz。
芯片内置的谐振频率与湿度转化关系查找表也存储在芯片内置的FLASH存储单元中，可以通过外置接口写入与改写。
Claims (2)
1.一种射频无线湿度传感系统，包括由单芯片集成的有源阅读器和无源的无芯片湿度传感器，
所述的单芯片有源阅读器，包括收发天线、环形器、低噪声放大器、混频器、滤波网络、控制模块、频率综合器、跳频发射模块和外部设备；所述的控制模块与外部设备、频率综合器分别相连，完成系统的总体控制与信号处理；所述的频率综合器，用来在控制模块的控制下产生跳频信号和载波频率信号，其所产生的跳频信号经过跳频发射模块发送到环形器，再经过环形器后由收发天线发射，其所产生的载波频率信号被送入混频器的一个输入端；由所述收发天线接收来的由无源的无芯片湿度传感器反射回的射频信号经过所述环形器后被送入低噪声放大器，由低噪声放大器输出的经过放大的射频信号被送入混频器的另一个输入端；混频器输出的下变频信号经过滤波网络滤去高频信号后所得到的基带信号经过放大处理和数模转换后被送入控制模块；
所述的无源无芯片湿度传感器，包括固定在陶瓷基底上的裸装天线和连接天线两端并作为电阻负载的馈线，用于接收并反射所述的阅读器的发射信号，在裸装天线外涂覆有聚酰乙胺。
2.根据权利要求1所述的射频无线湿度传感系统，其特征在于，所述的控制模块包括相互通信的CPU和DSP以及控制电路和存储电路，所述的CPU通过控制电路控制频率综合器产生在一个频率范围循环的跳频信号，每个频率点持续相同的时间长度；所述的DSP将接收到的基带信号进行幅频响应分析，就此计算出无芯片湿度传感器对应此湿度信息的谐振频率，并将此信息送给CPU，控制模块的存储电路里存储有频率-湿度查找表，CPU根据此频率值与频率-湿度查找表得到此时湿度传感器处的湿度。
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