CN102722744A - 利用rfid标签实现的一种无线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用RFID标签实现的一种无线传感器,包括RFID标签和1-wire状态机,RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路,以及EEPROM,1-wire状态机的输入端连接EEPROM,输出端连接寄存器,并通过信号处理电路连接天线,寄存器与1-wire传感器连接;在EEPROM中存储1-wire命令查询表,状态机按顺序从EEPROM中读取命令,然后驱动1-wire总线,执行读取传感器数据的功能,读取的数据存入寄存器;冲突检测单元探测到无冲突之后,RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。优点是:利用现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能,传感器数据的读取通过现有的RFID读写器,而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(1-wire)传感器类型及拓扑结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器,尤其是一种利用RFID标签实现的一种无线传感器。
背景技术
无线传感器网络由数十、数百,甚至上千个分散布置的传感器组成,来监控物理或者环境变量。每个传感器都是一个节点,多个传感器通过不同的拓扑结构连接起来,构成网络,拓扑结构可以有多种,如星型,网格型等等。其上层协议还有路由、接力及防数据溢流等功能。无线传感器的基本结构包括: RF收发机,天线,微处理器,传感器接口,电源(电池或电源收获装置)。
无线传感器网络技术是最近10年来随着无线技术的发展,应用,而发展起来的。目前IEEE802.15.4为主要技术标准,定义了低速率无线个人局域网(WPAN)的物理层,和媒体访问控制层的协议。标准根据地域不同,采用3个频段:
868.0-868.6 MHz: 欧洲。
902-928 MHz: 北美。
2400-2483.5 MHz: 全球。
其基本的通信范围为10米左右。在此标准基础上有ZigBee,Wireless HART,ISA100等标准定义具体的应用方向,及网络其它层的协议。
另外的一系列标准IEEE21451,则定义网络化,智能化传感器接口协议,如电子表单格式,传感器自动校准,等等,该套标准侧重于传感器网络,而并非指定有线,或无线。其中最新的标准IEEE21451.7定义了RFID和传感器的通信协议,电子表单格式。
上述各系列标准的实施,基本上可以涵盖从传感器接口,到OSI 7层协议的所有方面,是个全面解决方案。
当前各种解决方案的主要问题是成本,基于802.15.4基础上的传感器网络,都是有源传感器,其可靠性,维护需求,复杂程度都导致成本过高,是制约其广泛应用的最大问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种利用RFID标签实现的无线传感器,用低成本RFID标签,结合市场现有的1-wire数字传感器,使其成为无线传感器。和专用无线传感器模块相比,RFID标签技术成熟,成本极低。
按照本发明提供的技术方案,利用RFID标签实现的一种无线传感器,包括RFID标签,所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路,以及EEPROM,所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连,信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连,所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连,所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器,冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPROM,寄存器的输入端连接EEPROM,寄存器的输出端连接计数器,本发明还包括1-wire状态机模块,1-wire状态机模块的输入端连接EEPROM,1-wire状态机模块的输出端连接寄存器,并通过所述信号处理电路连接天线,所述寄存器与1-wire传感器连接;在EEPROM中存储1-wire命令查询表,根据1-wire协议的要求,1-wire状态机模块按顺序从EEPROM中读取需要向1-wire总线上发出的命令,然后驱动1-wire总线,执行读取传感器数据的功能,读取的数据存入寄存器;在冲突检测单元探测到无冲突之后,RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。
所述1-wire命令查询表包括的命令有:1-wire处理终止命令、1-wire总线数据读取命令、所连接传感器ROM的ID;1-wire状态机工作过程如下:遵循RFID标准协议,向RFID读写器发送RFID标签的ID,发送完成之后,1-wire状态机模块被激活;1-wire状态机模块首先输出复位与检测信号,检测总线上是否有传感器,如果探测到传感器,则开始按顺序读取1-wire命令查询表中储存的命令,从索引0开始,1-wire状态机模块按照1-wire信号标准输出命令到总线上;如果读取的命令是1-wire处理终止命令,表示命令结束,1-wire状态机模块从寄存器中读取传感器数据,经信号处理电路和天线发送到RFID读写器;如果读取的命令不是1-wire处理终止命令,1-wire状态机模块读取1-wire命令查询表的下一条命令继续操作。所述1-wire处理终止命令用0xff标示,1-wire总线数据读取命令用0x0标示。
所述1-wire状态机模块内部包括:EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组,寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM,寄存器连接比较与判断电路的输入端,比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路,比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器,移位寄存器的输出端连接I/O接口电路,I/O接口电路还连接寄存器组;使能信号激活整个1-wire状态机模块,在时钟控制下,1-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中,每个字读取完成后,输入到比较与判断电路,以判断是否为特殊命令:包括1-wire 复位命令、读取时间段命令,若非特殊命令,则该命令输入到移位寄存器中,I/O接口电路把每个数位按照1-wire 总线的信号协议输出到1-wire总线上;若为读取时间段命令,则I/O接口电路按1-wire总线信号协议输出读取时间段命令,然后I/O接口电路把1-wire总线上的数据读入到寄存器组,该数据的信号输出到RFID标签。
本发明的优点是:利用了现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能,传感器数据的读取可通过现有的RFID读写器,通过适当的应用程序来实现,而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(1-wire)传感器类型,及拓扑结构,不需对传感器做改动而把传统传感器转变为无线传感器网络。
附图说明
图1是典型被动RFID标签结构框图。
图2是带有传感器接口的RFID标签电路框图。
图3是本发明的应用模式一。
图4是本发明的应用模式二。
图5是本发明的应用模式三。
图6是1-wire状态机流程图。
图7是1-wire状态机实施例的功能框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明采用远场(far field)甚高频,或者微波频段的RFID技术,被动标签采用后向散射对信息进行调制。在标准RFID标签电路的基础上,做一些改动,从而实现与1-wire传感器的接口。
RFID标签由天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路,以及EEPROM构成,图1是一种典型RFID标签结构框图。
被动标签没有电源,其前端电路从RFID读写器的射频信号中获取电源,由整流、稳压、复位(生成POR,加电复位信号)等电路构成。通常,RFID标签数字电路由数千个门电路构成,更高级些的RFID标签还包括一些基本的安全性机制。其存储装置EEPROM通常只存储标识信息。
数字部分的冲突检测单元,是最复杂和最重要的部分,因为不仅这个单元要实现随机冲突防止算法,还要实现内容的读/写操作。
本发明,对典型RFID电路进行修改,添加1-wire协议接口及状态机逻辑电路。如图2所示。
和图1的典型RFID标签框图比较,本发明增添了一个功能模块,即“1-wire状态机”模块,另外,还增加了EEPROM中的存储内容,其内容为”1-wire命令查询表”。其基本功能,是根据1-wire协议的要求,状态机按顺序从EEPROM中读取需要向1-wire总线上发出的命令,然后驱动1-wire总线,执行读取传感器数据的功能,读取的数据存入寄存器。
单纯的RFID标签在冲突检测单元探测到无冲突之后,向读写器发送EEPROM中储存的ID,对于本发明的应用,标签在发送了EEPROM中的ID之后,还要向读写器发送读取的传感器数据。所以读写器的应用程序,要做适当的修改以接收传感器数据,这方面的实现不在本发明的考虑范围之内。
对于上述集成有传感器接口的RFID标签,可以有3种应用:
1、单一标签外接单一传感器,如图3所示。
2、单一标签和单一传感器集成到同一芯片上,如图2所示。
3、单一标签外接多个传感器,通过1-wire总线连接到一起,如图3所示。
其中,应用1,适用范围广泛,可以和多种传感器结合。应用2,成本低,因为是集成解决方案,但每个标签支持单一固定传感器,所以不很灵活。应用3,适合于小范围内的多点监控/测量应用,但要对各传感器提供外接电源。
下面描述电路结构与实施例。
本发明采用1-wire状态机来实现与传感器的通信,状态机的作用为:
· 1-wire总线的初始化和检测。
· 生成和发送ROM命令对1-wire传感器进行寻址操作。
· 按顺序读取和发送EEPROM中存储的传感器特定1-wire命令。
为了增强应用灵活性,和传感器兼容性,本发明采用1-wire命令查询表,预存储需要状态机发送的1-wire命令,1-wire命令查询表是RFID的EEPROM内容的一部分。显然,对于不同的应用模式,其命令查询表内容不会相同,本发明要求EEPROM可读写,在确定了应用模式之后,使用RFID读写器对EEPROM内容进行写操作,从而把特定的1-wire查询表内容写入。每个1-wire命令的长度为一个字节。除了传感器特定的1-wire命令之外,查询表包括以下共有的命令:
· 1-wire处理终止命令,用0xff标示。
· 1-wire总线数据读取命令,用0x0标示。
· 对于应用模式1(图3),和应用模式2(图4),存储8个字节的传感器ROMID。
· 对于应用模式3(图5),存储8×n个字节的传感器ROM ID,其中n为1-wire总线上传感器的个数。
图6描述了状态机的流程图。如图6所示,1-wire状态机工作过程描述如下:
遵循RFID标准协议,向RFID读写器发送其ID,发送完成之后,1-wire状态机电路被激活:
· 状态机首先输出复位与检测信号,检测总线上是否有传感器。
· 如果状态机探测到传感器,则开始按顺序读取 1-wire命令查询表中储存的命令,从索引0开始。
· 状态机按照1-wire信号标准输出命令到总线上。
· 如果读取的命令是0xFF,表示命令结束,状态机从寄存器中读取传感器数据到奇偶校验/编码电路,从而发送到RFID读写器。
· 如果读取的命令不是0xFF ,状态机将命令查询表加1,既读取下一条命令继续操作。
1-wire命令查询表实例。下面以应用模式1,外接DS18S20,1-wire数字温度传感器为实例,说明命令查询表存储内容。
实例中,假设64位ROM ID用xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx 表示。
表1 1-wire命令查询表实例
索引 | 内容 | 索引 | 内容 |
0 | 0x55 | 7 | 0xxx |
1 | 0xxx | 8 | 0xxx |
2 | 0xxx | 9 | 0xxx |
3 | 0xxx | 10 | 0x44 |
4 | 0xxx | 11 | 0xBE |
5 | 0xxx | 12 | 0x00 |
6 | 0xxx | 13 | 0xFF |
针对表一实例,状态机在复位/传感器探测完成后,将执行以下命令序列从传感器中读取温度数据:
1. 发送 MATCH ROM 命令 0x55,对传感器寻址。
2. 发送8个字节的传感器ROM ID。
3. 发送CONVERT T命令0x44,执行温度数据转换。
4. 发送READ SCRATCH PAD 命令 0xBE,从SCRATCH REGISTER 中读取温度数据。
5. 命令标示0x00,通知状态机发送“读取时间段”到1-wire总线。
6. 读取传感器数据。
7. 命令标示0xFF,通知状态机处理结束,对1-wire总线复位。
图7给出一种1-wire状态机模块的功能框图,包括EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组,寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM,寄存器连接比较与判断电路的输入端,比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路,比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器,移位寄存器的输出端连接I/O接口电路,I/O接口电路还连接寄存器组。
在图7的实例中,使能信号ONE_WIRE_EN激活整个1-wire状态机模块。在时钟SYS_CLK控制下,1-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中,每个字读取完成后,输入到判断与比较电路,以判断是否为特殊命令(1-wire复位命令,或“读取时间段”命令);若非特殊命令字,则该命令输入到移位寄存器中,I/O接口电路把每个数位按照1-wire 总线的信号协议输出到1-wire总线上。若命令字为“读取时间段”命令,则I/O接口电路按1-wire总线信号协议输出“读取时间段”命令,然后I/O接口电路把1-wire总线上的数据读入到寄存器组。该数据通过ONE_WIRE_DATA信号输出到外部(RFID寄存器),数据的发送由标准RFID标签电路提供,不是本发明内容。
关于电源,本发明可用既可用于被动标签,又可用于主动标签。被动标签的应用更为灵活,受空间限制小,不需要电源线,但由于标签电路要驱动额外的状态机电路,和外接的传感器电路,所以在具体实现上要考虑RF能量是否足够提供所需电源。
与1-wire传感器接口时,1-wire传感器有2种工作模式:1. 外接电源模式;2. 寄生电源模式。
采用第一种模式时,外接电源只提供电源给传感器,而不提供电源给标签。标签所需的电源不会因为外接传感器而增加而显著的增加。
采用第二种模式时候,标签和传感器所需电源完全由RF能量收获来提供。
市场现有的1-wire传感器中,有一部分支持“寄生电源”模式,既传感器直接从数据线上获得电源。本发明采用在被动标签和传感器上集成大容量电容,RFID读写器在读取传感器数据之前,向标签发送足够时间的preamble序列,内部电路回收RF能量,保持1-wire总线高电平状态,以对电容进行充电。
Claims (4)
1.利用RFID标签实现的一种无线传感器,包括RFID标签,所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路,以及EEPROM,所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连,信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连,所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连,所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器,冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPROM,寄存器的输入端连接EEPROM,寄存器的输出端连接计数器,其特征是:还包括1-wire状态机模块,1-wire状态机模块的输入端连接EEPROM,1-wire状态机模块的输出端连接寄存器,并通过所述信号处理电路连接天线,所述寄存器与1-wire传感器连接;在EEPROM中存储1-wire命令查询表,根据1-wire协议的要求,1-wire状态机模块按顺序从EEPROM中读取需要向1-wire总线上发出的命令,然后驱动1-wire总线,执行读取传感器数据的功能,读取的数据存入寄存器;在冲突检测单元探测到无冲突之后,RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。
2.如权利要求1所述利用RFID标签实现的一种无线传感器,其特征是,所述1-wire命令查询表包括的命令有:1-wire处理终止命令、1-wire总线数据读取命令、所连接传感器ROM的ID;1-wire状态机工作过程如下:遵循RFID标准协议,向RFID读写器发送RFID标签的ID,发送完成之后,1-wire状态机模块被激活;1-wire状态机模块首先输出复位与检测信号,检测总线上是否有传感器,如果探测到传感器,则开始按顺序读取1-wire命令查询表中储存的命令,从索引0开始,1-wire状态机模块按照1-wire信号标准输出命令到总线上;如果读取的命令是1-wire处理终止命令,表示命令结束,1-wire状态机模块从寄存器中读取传感器数据,经信号处理电路和天线发送到RFID读写器;如果读取的命令不是1-wire处理终止命令,1-wire状态机模块读取1-wire命令查询表的下一条命令继续操作。
3.如权利要求2所述利用RFID标签实现的一种无线传感器,其特征是,所述1-wire处理终止命令用0xff标示,1-wire总线数据读取命令用0x0标示。
4.如权利要求1所述利用RFID标签实现的一种无线传感器,其特征是,所述1-wire状态机模块内部包括:EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组,寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM,寄存器连接比较与判断电路的输入端,比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路,比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器,移位寄存器的输出端连接I/O接口电路,I/O接口电路还连接寄存器组;使能信号激活整个1-wire状态机模块,在时钟控制下,1-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中,每个字读取完成后,输入到比较与判断电路,以判断是否为特殊命令:包括1-wire复位命令、读取时间段命令,若非特殊命令,则该命令输入到移位寄存器中,I/O接口电路把每个数位按照1-wire 总线的信号协议输出到1-wire总线上;若为读取时间段命令,则I/O接口电路按1-wire总线信号协议输出读取时间段命令,然后I/O接口电路把1-wire总线上的数据读入到寄存器组,该数据的信号输出到RFID标签。
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