CN101981820A - 嵌入轮胎中的自供电半无源rfid转发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于在车辆中设置半无源转发器系统的装置和方法。采用反向散射技术的半无源模块配备有内部电源，所述内部电源为操作电路模块的至少一部分提供操作能量，以便减小相应的询问器设备的能量需求。该模块可以与安装在车辆上的轮胎相关联，从而可以在模块和车辆上的设置在中心的询问器模块之间建立双向通信。内部电源可以对应于电池、燃料电池、充电设备、能量采集设备或类似设备。

Description

嵌入轮胎中的自供电半无源RFID转发器

技术领域

本发明涉及一种安装在轮胎中的转发器。更具体而言，本发明涉及一种用于为安装在车辆轮胎中的反向散射转发器系统提供片上能量辅助通信的方法和装置。

背景技术

在现有技术中，已提出很多种用于在车辆和转动轮胎之间进行数据通信的方案。目前使用的方法在成本和性能方面有很强的局限性。现有技术中的常用结构，即发射器和中心接收器结构，包括结合在轮胎中的有源发射器，该有源发射器与安装在车辆上或车辆中的中心接收器通信。这种方法的一个优点是整个系统的成本较低，因为在轮舱中没有电子器件。但是，其缺点包括仅限于从轮胎到车辆的单向通信，对发射器的时间限制，数据更新率的限制，包括有源RF源认证变化的全球射频规则变化。

在需要双向通信的情况下，在轮胎模块中包含独立的接收器是一种复杂化因素。这种复杂化的原因是接收器不知道车辆的收发器何时开始发射，从而接收器必须长时间保持打开，因此能量需求变得难以实现。此外，将汽车标准接收器的功能设置到例如120℃是很昂贵的。

目前采用的另一种常用结构是激磁器(initiator)结构，其包括由安装在每个轮舱中的本地射频(RF)源供电的轮胎电子器件。这种方案在技术上可行，并且其允许双向通信和高数据更新率。但是，由于在每个轮舱中需要电子器件和电缆，因此车辆结构昂贵。此外，一些OEM对于轮舱电子器件具有120℃的最高操作温度规定。该操作温度要求增大了整个系统的成本，因为需要专门的部件。

考虑到与现有结构有关的这些已知问题，如果开发一种允许双向通信和高更新率同时能保持较低能量消耗的新结构是有利的。

虽然已经开发出轮胎转发器系统的各种实施方式，但是还没有基本上包含如下所述的根据本发明的技术的所有所需特性的设计。

发明内容

考虑到现有技术中遇到的以及本发明所阐明的公认特征，提出一种用于为安装在车辆中的反向散射转发器系统提供改进通信的方法和装置。

本发明的特别实施例包括一种安装在车辆中的半无源转发器系统，包括：车辆，与车辆相关联的至少一个半无源反向散射模块，以及询问器模块。在某些实施例中，询问器可以设置在车辆上。在其他实施例中，询问器模块可以对应于手持设备或推动设备。半无源模块包括天线、天线阻抗模块、数据编码器、数据解码器、存储器和内部电源，其中内部电源被配置为至少向天线阻抗模块供电。

本发明的方法包括在安装在车辆上的反向散射收发器系统中提供改进的通信，包括：提供车辆；通过提供天线、天线阻抗模块、数据编码器、数据解码器、存储器和内部电源来提供半无源反向散射模块，其中所述内部电源至少向所述天线阻抗模块供电；将至少一个所提供的半无源反向散射模块与车辆相关联；在车辆上设置询问器模块；以及将询问器模块耦合到车辆。在本发明的其他实施例中，询问器模块可以设置为手持设备或推动设备，而不是安装在车辆上。

在其他特定实施例中，内部电源可以对应于电池、燃料电池、辐射源、超级电容器或充电电池。在其他实施例中，电源可以对应于能量采集设备，包括压电设备、热电换能器和RF能量采集设备，其中RF能量采集设备包括安装在车辆轮舱中的具有激磁器的内部设备的组合、手持式设备和推动单元。

在另一些特定实施例中，半无源反向散射模块可以包括其他内部部件，包括数据编码器/解码器设备、存储器设备、微控制器、传感器和其他全部或部分地由内部电源提供操作能量的部件。

通过此处的详细描述，本发明的其他目的和优点得以阐释，或者对本领域技术人员来说是显然的。此外，还应理解，可以在本发明的不同实施例和使用中实践本发明特别显示、描述和讨论的特征和元件的修改和变化，其不背离本发明的实质和范围。所述变化可以包括但是不限于用等效装置、特征或步骤来替换所显示、描述或讨论的功能、操作或位置反向的各种部件、特征、或步骤等。

此外，应理解本发明的不同实施例以及目前的不同优选实施例可以包括目前公开的特征、步骤或元件或其等效物的不同组合或配置(包括没有明确显示在附图中或者没有明确记载在附图的具体描述中的特征、部件或步骤或其配置的组合)。没有明确记载在发明内容部分的本发明的其他实施例可以包括和包含以上总结的目的中描述的特征、部件或步骤的各方面的不同组合，和/或在本发明中没有讨论的其他特征、部件或步骤。本领域技术人员通过阅读本说明书的剩余部分将更好地理解这些以及其他实施例的特征和方面。

附图说明

下面将参考附图在说明书中向本领域技术人员阐明本发明的完整和可行公开，包括其最佳实施方式，其中：

图1显示了根据现有技术的转发器通信系统；

图2显示了具有设置在中心的收发器和四个轮胎的车辆，其中每个轮胎包含转发器；

图3显示先前采用的无源转发器，其被配置为从外部源获得操作电能；

图4显示根据本发明的编码器和天线模块；以及

图5显示根据本发明的包括本地电源的半无源转发器。

在本说明书和附图中，用相同的附图标记来表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

如发明内容部分中所述，本发明特别涉及与车辆相关联的半无源转发器系统。

所公开的技术的方面的选定组合对应于本发明的多个不同实施例。应注意，在此给出和讨论的每个示例性实施例均不表示对本发明的限制。作为一个实施例的一部分显示或描述的特征或步骤可以与其他实施例的方面组合使用，以便获得其他的实施例。此外，某些特征可以与没有明确提到的执行相同或类似功能的类似设备或特征互换。

下面将详细参考本发明的自供电半无源RFID转发器装置和方法的优选实施例。现在参考附图，图1显示了根据本发明的转发器通信系统100。在操作中，询问器110通过天线112向反向散射模块120的天线122发射信息，该信息通常由信号116表示。在示例性结构中，可以在从850到950MHz的工业、科学和医用(ISM)频段发射该信息。一旦接收到来自询问器110的发射，反向散射模块120就通过调制器来调制天线122的阻抗来修改反射信号126的振幅和/或相位，从而进行应答。

如下所述，询问器110可以对应于安装在车辆上的设备，或者可以对应于耦合到远程或更多的本地数据采集设备或系统的手持设备或推动设备。在使用手持设备的实施例中，手持设备可以被配置为读取并存储来自于反向散射模块120的数据以便将来使用和/或转发到本地或远程数据采集和/或处理设备或系统。本发明的与询问器驱动有关的实施例也可以存储和/或处理数据以便用于本地或远程，或者仅被配置为将数据发射到远程位置以便进行处理。

除了为反向散射模块120供电所需的能量不是来源于询问器110的载波之外，系统的工作方式与无源RFID系统类似。但是，电能来自于本地电源130。在示例性结构中，本地电源130可以对应于电池、燃料电池、辐射源、超级电容器、能量采集设备或其组合。在其他示例性结构中，能量采集设备可以对应于压电换能器、热电换能器和射频(RF)能量采集设备之一。

如现有技术中已知，无源RFID系统的读取范围受到通过入射光束能量为RFID标签供电的能力的限制。计算显示对于反向散射数据通信，需要比必需的功率高30dB，即1000倍的功率为标签供能。通过采用本发明的能量辅助，该30dB成为可以被返回到前向链路功率预算的增益。无源标签在自由空间中的读取范围大约是2米，与此相比，该30dB转化为能量辅助标签在自由空间中的大约100米的读取范围。

可以通过多种方式使用外部链路裕度，包括：增大读取范围以便与车辆中心的询问器通信，增强抗扰度以削弱环境中的因素，以及减小询问器发射器功率以便减小与更严格的RF规则的冲突或符合更严格的RF规则。

进一步参考图1，可以注意到反向散射模块120可以包括编码器/解码器模块128和用于控制反向散射模块120的整体操作的控制器140。本地电源130可以配置为向反向散射模块120的一个或多个不同部件提供操作电能，这些部件包括天线阻抗模块124、编码器/解码器模块128和控制器140。本领域技术人员可以理解编码器/解码器模块128可以对应于独立的编码器和解码器设备。此外，控制器140可以对应于微控制器、状态机、或微处理器，还可以包括一个或多个与传感器、存储器设备、串行设备和其他设备的接口。如152、154、156所示的传感器可以对应于用于监测例如轮胎温度或压力的外部接口至反向散射模块120的传感器，例如156所示的传感器内部接口至反向散射模块120以用于监测选定模块的相关参数。

现在参考图2，其显示了具有设置在中心的收发器210和四个轮胎220，222，224，226的车辆200，其中每个轮胎包含未显示的转发器。收发器212配置为通过天线212与轮胎220，222，224，226中的模块通信。

根据本发明的半无源结构具有几个优点。首先，可以在合理的能量预算内实现双向通信。此外，能够获得高更新率。在示例性结构中，每几秒钟执行更新。有利地，轮胎中没有有源RF源。反向散射模块120操作在询问器110的频率下，从而在询问器水平而不是在轮胎水平保证了国家之间的RF依从性，从而不需要多个轮胎模块配置来为多个国家提供不同的配置。当然，仅设置反向散射电子器件比设置发射器和接收器电子器件更简单。最后，由于询问器可以在需要时从轮胎模块请求信息，因此询问器变为通信的主导者。当用在车辆结构中时，本发明的另一个优点是基于无源设备的车辆结构要求询问器电线接近轮胎，通常位于轮舱中。这在几方面是不利的，因为：1)车辆系统结构变得昂贵；2)询问器天线变得易于被石头或其他障碍物破坏；以及3)天线和任何轮舱相关的电子器件必须在高达120摄氏度的温度下操作。

现在参考图3，其显示了先前采用的无源转发器300，其被配置为通过耦合到标签天线连接器310和312的天线从外部源获取操作电能。转发器300被配置为从例如询问器(图1)接收数据，并从通过询问器被发射到转发器300的RF能量中提取电能。交流/直流转换器320对接收的RF信号进行整流和滤波以便除去RF分量。所得到的直流能量用于通过功率控制电路322对标签上的半导体电路供电。这样的半导体电路包括解调器330、解码器332、调制器334、编码器336、指令序列设备340以及存储设备342。每个设备根据本领域技术人员的通常预期来工作。本领域技术人员可以理解，某些设备，例如指令序列设备340，对应于例如微控制器、微处理器、状态机和其他的类似控制设备的设备。

如图3所示的标签通过使用反向散射调制技术将数据发射到读取器或询问器。当标签必须通信时，询问器或读取器发送连续波信号至标签。标签的天线(图3中未显示，但是与图1的天线122类似)将把一些能量反射回询问器。

现在参考图4，其显示了根据本发明的编码器436和天线调制器434。可以看出，天线端子410和412对应于图3中显示的类似端子(310，312)，并作为标签天线的连接点。调制器434对应于电气开关，所述开关在编码器436的控制下通过周期性缩短天线端子来调制耦合到端子310和312的天线的阻抗。耦合到端子410和412的天线的变化端阻抗将导致反射信号的振幅和/或相位相应变化。询问器(读取器)在信号上截取调制以便从标签接收数据。本领域技术人员可以理解，虽然标签不产生RF能量，但是其通过调制从询问器(读取器)入射的反射能量的水平进行通信。

UHF无源标签的操作范围在三至五米之间。这种标签必须在与读取器很近的范围内操作，因为其需要10-500微瓦的RF功率来对其电路供能。该功率必须来自由读取器天线发射的RF信号。读取器和标签之间的路径损耗、路径中的RF吸收或反射材料以及RF噪声减小标签所见的功率。路径损耗与距离的平方成比例，从而导致范围成为RFID最难以获得的参数之一。

无源标签通常需要最小为-10dBm(100μW)的功率以便启动，接收仅比最小要求高7dB的功率。这7dB的裕度对于现实情况来说通常不足。RF噪声或RF吸收或反射可以轻易地超过该裕度。例如，在有水的情况下，需要大约25dB来穿过和读取轮胎标签。

在车辆环境中，根据本发明的本地能量辅助无源标签提供比无源标签大得多的范围和可靠性。对标签中的电路供电的本地直流电源不需要标签从询问器(读取器)RF能量中获取全部操作电能。现在参考图5，其显示了包括本地电源520的半无源转发器500，根据本发明，所述本地电源520可用在车辆环境中以便应付现有技术的诸多不足。

如图5所示，半无源标签500包括天线端子510和512，解调器530，解码器532，调制器534，编码器536，指示顺序设备540，以及存储设备542，每个部件的功能对应于参考图3显示和描述的具有类似附图标记和功能的部件。但是此外，标签500包括解调器530和解码器532之间的增益模块或放大器534，其配置为放大接收信号并从而增大接收器敏感性。这大大增加了这些半无源设备的读取范围和可靠性。

此外，本地电源520为指示顺序(逻辑)设备540，存储器542和包括外部和内部传感器在内的标签上的或由标签支撑的任何其他功能部件(图5中未显示，但是示例性地显示在图1中)提供电能。本领域技术人员可以理解，虽然在此使用标准电池符号来象征性地表示本地电源520，但是这不是对本发明的限制。如上所述，本地电源520可以对应于电池、燃料电池、辐射源、超级电容器、或充电电池。此外，本地电源520可以对应于能量采集设备，包括压电设备、热电换能器和RF能量采集设备，其中RF能量采集设备包括安装在车辆轮舱中的具有激磁器的内部设备的组合、手持式设备和推动单元。

进一步参考图5，可以理解使用与无源标签相同的反向散射技术将数据发射到询问器(读取器)。与需要政府许可(即，美国的联邦通讯委员会(FCC)和其他国家的类似机构)的实际上为发射器的有源标签不同，本地电源辅助或半无源标签反射由询问器(读取器)发送的信号。在标签中不产生RF能量。此外，本地电源仅用于对形成标签的各种半导体器件(芯片)供电，所述半导体器件可以是与标签相关联的内部和外部传感器。

本发明结合安装在车辆中的系统的使用为具有本地源辅助的无源标签产生基于增大的链路裕度的几个优点。第一个优点是大大扩展了标签范围。虽然对于无源标签和半无源标签来说，从反向散射发射器到询问器(读取器)的标签读取距离基本上相等，但是根据本发明的半无源标签提供了大大扩展的前向链路(即从询问器到标签)，从而该额外的功率能使操作范围增大到标准无源标签的操作范围的二十倍以上。可以使用该增加的链路裕度来保证反向RF吸收或噪音环境中的准确读取和写入。此外，可以减小询问器RF功率以及相应的对共享相同频谱的其他无线系统的潜在干扰，以便在小于一百米的距离与标签通信。最后，增大的读取范围允许在车辆上设置集中的询问器。其优点在于：1)降低了整个系统的成本，以及2)允许车辆询问器集中设置在远离轮舱的车辆的保护部分中，轮舱中温度高而且道路障碍物可能损坏单元。

虽然参考本发明的特定实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，一旦理解了前述内容就可以轻易地制造出所述实施例的替换、变化和等效方案。相应地，本公开的范围是示例性的，而不是限制性的，本公开并不排除对本领域技术人员显而易见的对本发明的修改、变化和/或增加。

Claims (22)

1.一种半无源转发器系统，包括：

车辆；

与所述车辆相关联的至少一个半无源反向散射模块；以及

询问器模块，

其中所述半无源反向散射模块包括天线、天线阻抗模块、数据编码器、数据解码器、存储器和内部电源，其中所述内部电源至少向所述天线阻抗模块供电。

2.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述至少一个半无源反向散射模块位于安装在所述车辆上的至少一个轮胎中。

3.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述内部电源包括电池、燃料电池、辐射源、超级电容器、能量采集设备和其组合中的一个。

4.根据权利要求3所述的半无源转发器系统，其中所述能量采集设备包括压电换能器、热电换能器和射频RF能量采集设备之一。

5.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述询问器模块还包括至少一个天线、收发器、数据编码器和数据解码器。

6.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，进一步包括：

与所述车辆相关联并且与所述至少一个半无源反向散射模块接口的至少一个外围设备，

从而额外的数据可以被发射到所述询问器模块。

7.根据权利要求6所述的半无源转发器系统，其中所述外围设备包括传感器和微控制器之一。

8.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述内部电源还向所述数据编码器、所述数据解码器和所述存储器供电。

9.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述询问器安装在所述车辆上。

10.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述询问器被配置为手持设备。

11.根据权利要求1所述的半无源转发器系统，其中所述询问器被配置为推动设备。

12.一种用于在安装在车辆上的反向散射收发器系统中提供改进的通信的方法，包括：

提供车辆；

通过提供天线、天线阻抗模块、数据编码器、数据解码器、存储器和内部电源来提供半无源反向散射模块，其中所述内部电源至少向所述天线阻抗模块供电；

将至少一个半无源反向散射模块与车辆相关联；以及

提供询问器模块，其用于通过半无源反向散射模块启动通信。

13.根据权利要求12所述的方法，其中将至少一个半无源反向散射模块与车辆相关联包括：

提供轮胎；

将至少一个半无源反向散射模块与轮胎相关联；以及

将轮胎安装在车辆上。

14.根据权利要求12所述的方法，其中提供内部电源包括提供电池、燃料电池、辐射源、超级电容器、能量采集设备和其组合中的一个。

15.根据权利要求14所述的方法，其中提供能量采集设备包括提供压电换能器、热电换能器和射频RF能量采集设备之一。

16.根据权利要求12所述的方法，其中提供询问器模块进一步包括提供至少一个天线、收发器、数据编码器和数据解码器。

17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

提供至少一个外围设备；

将所述至少一个外围设备与所述车辆相关联；以及

将所述至少一个外围设备与所述至少一个半无源反向散射模块接口。

18.根据权利要求17所述的方法，其中提供外围设备包括提供传感器和微控制器之一。

19.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

将来自内部电源的能量提供给数据编码器、数据解码器、存储器以及组合中的一个或多个。

20.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

在车辆上安装询问器。

21.根据权利要求12所述的方法，其中所述询问器设置为手持设备。

22.根据权利要求12所述的方法，其中所述询问器设置为推动设备。

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