CN103971158A - 基于双向rssi定位的温度传感标签 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线射频识别技术领域，为提出一种基于双向RSSI定位的温度传感标签，通过在待定位的传感标签中增加检测RSSI信号强度的定位功能，使原本不具备定位功能的传感标签也能检测定位信号，从而大大提高RFID系统的定位精度和抗干扰能力。为此，本发明采取的技术方案是，基于双向RSSI定位的温度传感标签，由天线、射频模拟前端、RSSI检测电路、温度传感电路及数字基带五部分组成，射频模拟前端接收到阅读器发送的射频信号后，解调成命令数据，送入数字基带进行处理并响应；数字基带返回的相应命令数据经射频模拟前端调制、混频，产生2.45GHz射频信号，由天线发送回阅读器。本发明主要应用于无线射频识别场合。

Description

基于双向RSSI定位的温度传感标签

技术领域

本发明涉及无线射频识别技术领域，特别涉及一种带有双向RSSI定位及温度传感功能的有源电子标签的实现装置。

技术背景

随着国家大力推进“智慧城市”建设，实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用已成为信息技术的发展趋势。这为物联网、云计算、移动互联网等新兴信息技术的发展提供了广阔的应用空间。由于物联网通过智能感知、射频识别(RFID)及普适计算等技术实现人与物、物与物间的信息交换和通讯，因此被称为继计算机、互联网之后，信息产业发展的第三次浪潮。

作为物联网的关键技术之一，RFID是一种典型的感知定位技术。它通过无线射频方式进行非接触式通信，实现目标识别和数据传输，目前已广泛应用于科学研究、军事服务、医学监护及抢险搜救等领域中。根据无线电信号的传播特性，传统RFID定位系统已开发出到达角度(Angle of Arrival,AOA)、到达时间(Time of Arrival,TOA)、到达时间差(Time Difference ofArrival,TDOA)及接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)等多种定位方法。然而，随着RFID技术的飞速发展，其应用领域已突破传统的自动识别与定位。若将RFID标签芯片与传感器相结合，则可构建用于远程监测和环境信息采集的无线传感网络(WSN)。集成温度传感器的RFID标签芯片可有效利用RFID技术的无线、自动识别特性，方便快速地对温度敏感环境和物品进行信息采集和检测。因此，具有精确定位功能的RFID温度传感标签在教育卫生、食品加工、物资存储、冷链物流、火灾监测等领域具有非常广阔的应用前景。

传统RFID定位系统是通过阅读器单向读取电子标签的场强，并利用其内嵌的定位算法确定电子标签的距离和位置。然而，实际应用环境存在诸多不确定性，如阅读器附近的物体对电磁波信号产生堵塞，电磁波信号在传播过程中存在多径效应，每个路径的信号衰减程度不同，等等。这些因素都会影响RFID系统的定位精度，因此，基于单向RSSI定位的精度不高。

发明内容

为克服现有定位技术的不足，本发明旨在提出一种基于双向RSSI定位的温度传感标签，即阅读器和传感标签相互定位。通过在待定位的传感标签中增加检测RSSI信号强度的定位功能，使原本不具备定位功能的传感标签也能检测定位信号，从而大大提高RFID系统的定位精度和抗干扰能力。本发明提出的双向RSSI定位温度传感标签可应用于教育卫生、食品加工、物资存储、冷链物流、火灾监测等领域，市场潜力巨大。为此，本发明采取的技术方案是，基于双向RSSI定位的温度传感标签，由天线、射频模拟前端、RSSI检测电路、温度传感电路及数字基带五部分组成。射频模拟前端接收到阅读器发送的射频信号后，解调成命令数据，送入数字基带进行处理并响应；数字基带返回的相应命令数据经射频模拟前端调制、混频，产生2.45GHz射频信号，由天线发送回阅读器；当阅读器通过天线向标签发送请求检测RSSI信号的特定命令时，数字基带启动标签的RSSI检测电路，接收阅读器发过来的检测序列，并转变成直流电压信号输出给模数转换器ADC，经ADC采样，转换成8位RSSI信号，送入数字基带电路进行存储；当阅读器发出预接收8位RSSI信号的命令时，标签将存储的8位RSSI值通过天线返回给阅读器。

与所属标签相对应，阅读器也会检测标签发送信号强度，结合标签返回的RSSI信号与自身检测的标签信号强度，通过阅读器内嵌算法双向确定温度传感标签的位置，从而实现精确定位。

所述射频模拟前端包括以下模块：用于滤除射频信号噪声与信号放大的信号放大模块；用于将2.45GHz射频信号混频成固定中频的混频模块；用于信号镜像滤波的滤波模块；用于将信号解调成命令数据的解调模块；用于将数字基带返回数据进行正交调制的调制模块；用于将数字信号转换成模拟信号的数模转换模块；用于对信号进行脉冲整形的整流模块；用于将信号正交混频产生2.45GHz射频信号的混频模块。

温度传感电路包括计数器和温度脉冲转换模块。当数字基带发出复位信号时，清空计数器,同时启动温度脉冲转换模块，使其通过偏置电路产生的电流信号来采集温度信息。信息采集完成后，温度脉冲转换模块输出含有温度信息的脉冲信号至计数器；计数器通过振荡器产生的时钟信号对温度脉冲采样计数，得到9bit温度信息，并送至数字基带进行后续处理。

所设计温度传感器复用射频模拟前端电路产生的电流作为温度转换模块的偏置电流；采用异步计数器对温度脉冲信号进行计数。

所述数字基带包括：用于数据检测的命令检测模块；用于将射频模拟单元接收到的信号恢复为原始命令信号的解码模块；用于对其他模块进行管理的功耗控制模块，其通过关断和开启各个模块的时钟，以达到降低功耗的目的；用于将所述解码模块发出的串行信号进行校验的校验模块；用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块；用于存储数据的存储模块；用于向存储器进行读写操作的读控制模块和写控制模块；用于将所述数字基带向所述射频模拟单元发出命令信号进行编码的编码模块；用于接收RSSI检测信号的RSSI接收模块；用于处理异步复位的异步复位模块。当检测模块检测到信号到来，通过功耗控制模块打开解码模块的时钟，启动解码模块，完成基带信号到原始命令的转换。将解码后的命令发给循环冗余校验CRC模块校验，校验后的结果返回命令处理控制模块。若校验结果正确，则对命令进一步处理；若命令错误，则直接丢弃，不做处理。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

1、本设计提出的双向RSSI定位技术，实现了阅读器和传感标签双向检测对方信号强度，通过两个信号强度值，综合确定RFID传感标签的位置，本技术可降低多径效应、信号堵塞的影响，大大提高RFID系统的定位精度和抗干扰能力；

2、标签数字基带部分采用门控时钟、多模块控制组合、多时钟区域等技术，使标签功耗大大降低；

3、温度传感电路复用电子标签射频模拟前端产生的电流作为温度转换模块的偏置电流，有效减小芯片面积，降低功耗；

4、由于RFID定位传感标签内嵌了低功耗的温度传感器，因此本发明可同时测量所处位置的温度信息，用于食品加工与存储、火灾报警等领域，市场潜力巨大；

综上所诉，本发明提出基于双向RSSI定位方法的有源温度传感标签即可精确定位，又可同时检测环境温度，因而具有良好的应用前景。

附图说明

图1给出本发明所设计的双向RSSI定位温度传感标签的系统架构。

图2给出本发明设计标签的RSSI及温度信息检测过程示意图。

图3给出数字基带的结构示意图。

图4给出标签基带工作原理示意图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：

1、本发明提出的基于双向RSSI信号检测方法定位的温度传感标签包括：

天线：用来接收阅读器发送的射频信号，并将其传送至射频模拟前端，以及向阅读器发送射频信号。

射频模拟前端：将射频信号混频成固定的中频，并进行信号放大处理，最后解调成命令数据，送入数字基带。

RSSI检测电路：其作用是检测阅读器发送的RSSI场强信号；

温度传感电路：通过复用射频模拟前端产生的电流作为温度转换模块的偏置电流，采用时域数字量化设计低功耗的温度传感电路，用来测量环境的温度。

数字基带：它是RFID传感芯片的重要组成部分，主要完成数据编解码、CRC码校验与生成、防碰撞算法、指令识别与执行、信息读写控制、温度信息处理、初始化电路及对RSSI信号响应等标签协议处理。

射频天线是用来发射与接收射频信号，RSSI检测电路是用来检测阅读器发送来的射频信号中低频电压信号，数字基带是用来控制RSSI检测电路是否开启工作，同时对RSSI检测电路检测的信号值进行存储、处理的作用。RSSI检测电路直接通过射频天线对阅读器定位，定位信息由阅读器通过数字基带读取。

2、根据各功能模块对时钟需求的不同，采用不同频率的时钟。此外，通过在电路中插入门控时钟的方法降低标签功耗，延长电池使用寿命。

3、考虑到传统RFID传感标签不具备检测射频信号的定位功能，本发明在待定位的标签芯片中增加检测信号强度的RSSI检测电路，使原本不具备定位功能的RFID传感标签也能检测定位信号。通过阅读器和RFID传感标签双向检测对方信号强度，综合确定标签位置，大大提高RFID系统的定位精度和抗干扰能力。

5、与无源标签相比，有源标签系统更稳定，可集成更丰富的电路功能，因此本发明采用基于ISO/IEC18000-4协议的有源标签。

以下结合附图对本发明的实施方案进行详细描述：

如图1所示，本发明提供一种基于双向RSSI信号定位的温度传感标签。该标签包括天线、射频模拟前端、RSSI检测电路、温度传感电路及数字基带五部分。所述射频模拟前端包括以下模块：用于滤除射频信号噪声与信号放大的信号放大模块；用于将2.45GHz射频信号混频成固定中频的混频模块；用于对信号镜像滤波的滤波模块；用于将信号解调成命令数据的解调模块；用于将标签基带返回数据进行正交调制的调制模块；用于将数字信号转换成模拟信号的数模转换模块DAC；用于对信号进行脉冲整形的整流模块；用于将信号正交混频产生2.45GHz射频信号的混频模块。标签收发信号的通信过程如下：射频模拟前端接收到阅读器发送的射频信号后，经过噪声滤除与信号放大，将2.45GHz射频信号混频成固定中频，再经镜像滤波与信号放大等处理，最后解调成命令数据，送入数字基带进行处理并响应。数字基带返回的相应命令数据经射频模拟前端进行正交调制、数模转换、脉冲整形、正交混频和放大等处理，最后产生2.45GHz射频信号，由射频天线发送回阅读器。

在本发明所设计的RFID定位温度传感标签中，RSSI检测过程如示意图2所示。当阅读器通过射频天线向标签发送请求检测并接收RSSI信号的特定命令时，标签通过射频天线接收该命令，同时，数字基带启动标签内的RSSI检测电路，接收阅读器发送的检测序列，同时对检测序列命令的中低频电压信号进行分析。该电压信号经过RSSI检测电路处理后，转化为直流电压信号，输出给模数转换器ADC，经ADC采样，转换成8位RSSI信号，送入数字基带电路进行存储。由于电压信号的强弱随距离远近而发生改变，因此，RFID定位标签所检测到的RSSI信号值是位置的函数。当阅读器发出预接收8位RSSI信号的命令时，标签将存储的8位RSSI值返回给阅读器。阅读器结合标签返回的RSSI信号与自身检测的标签信号强度，通过其内嵌算法双向确定温度传感标签的位置，从而实现精确定位。

RFID传感标签的温度信息检测过程如图2所示。当RFID标签开始工作时,数字基带发出复位信号，清空计数器,同时启动温度脉冲转换模块，使其通过偏置电路产生的电流信号来采集温度信息。信息采集完成后，温度脉冲转换模块输出含有温度信息的脉冲信号至计数器。计数器通过振荡器产生的时钟信号对该脉冲采样计数，得到9bit温度信息，并送至数字基带进行后续处理。

所设计温度传感器的最大特点是复用射频模拟前端电路产生的电流作为温度转换模块的偏置电流。由于该电流与温度平方成比例，将其作用于温度转换模块即可获得宽度随温度上升而线性减小的脉冲信号。通过复用了射频模拟前端电路的偏置电流，避免了传统绝对温度成正比(PTAT)和成反比(CTAT)电流引入的额外功耗。采用射频模拟前端振荡器产生的信号作为传感电路计数器的时钟信号，有效降低了芯片面积和功耗。由于仅采用与温度成平方关系的电流来获取温度信息脉冲，所设计温度传感电路具有测量范围宽、分辨率高的优点。此外，设计中采用异步计数器对温度脉冲信号进行计数，有利于进一步降低功耗。仿真结果表明，在1.5V工作电压下，温度传感电路的功耗仅为100nW。

如图3所示，所述数字基带包括：用于数据检测的命令检测模块；用于将射频模拟单元接收到的信号恢复为原始命令信号的解码模块；用于对其它模块进行管理的功耗控制模块，其关断和开启各个模块的时钟，以达到降低功耗的目的；用于将所述解码模块发出的串行信号进行校验的校验模块CRC；用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块；用于存储数据的存储模块；用于向存储器进行读写操作的读控制模块和写控制模块；用于将所述标签基带向所述射频模拟单元发出命令信号进行编码的编码模块；用于接收RSSI检测信号的RSSI接收模块；用于处理异步复位的异步复位模块。当检测模块检测到信号到来，通过功耗控制模块打开解码模块的时钟，启动解码模块，完成基带信号到原始信息的转换。将解码后的命令发给循环冗余校验CRC模块校验，校验后的结果返回命令处理控制模块。若校验结果正确，则对命令进一步处理；若命令错误，则直接丢弃，不做处理。

如图4所示，所述双向RSSI定位的温度传感标签工作原理如下：依据ISO/IEC18000-4协议，阅读器和标签交互过程有三大逻辑频道：N-CH，C-CH和SC-CH。在N-CH频道中，温度传感标签通过插入slot结构到阅读器中，与阅读器进行双向通信来完成身份识别；标签和阅读器在C-CH频道内进行读写操作；SC-CH频道用来搜索免费频段。通常情况下，SC-CH频道不工作。只有当N-CH和C-CH频道不工作时，SC-CH频道才可以被激活。阅读器与标签之间采用时分多路复用方式进行通信，因此，数据传输是在时隙内完成的。

当温度传感标签进入有效区域被激活后，标签首先向阅读器发送自身的slot结构。当阅读器检测到slot结构后，判断是否有未使用的子帧，即已接入系统的标签数量是否已达到64，若未达到64，则将被检测到的标签安排在未使用的子帧上。标签一旦被安排在某个子帧，该子帧的使用权将一直属于该标签，其它标签不得使用，直到通信结束，该标签离开为止。之后标签进入N-CH逻辑频道，标签向阅读器发送同步信息和自身ID的固定序列，直到阅读器向标签发送首条指令为止，这意味着阅读器识别出了该标签。此时切换逻辑频道，系统进入C-CH频道。在C-CH中，阅读器通过射频天线向标签发送一个请求检测并接收RSSI信号和检测温度信息的特定命令时，标签通过射频天线接收该命令，此时传感标签的RSSI检测电路和温度传感电路启动，RSSI检测电路检测接收命令的中低频电压信号，该电压信号经过RSSI检测电路的处理，转变为直流电压信号，并输出至模数转换器ADC，经过ADC采样转换成8位RSSI信号，与温度传感电路产生的温度信息一同送入数字基带电路进行存储。在阅读器要求接收定位信号与温度信息时，标签通过天线向阅读器发送此8位RSSI数字信号和9位温度信息。结合温度传感标签返回的RSSI信号值及阅读器检测的标签信号强度，双向确定阅读器与传感标签的位置，实现标签定位与温度监测的功能。

Claims (6)

1.一种基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，由天线、射频模拟前端、RSSI检测电路、温度传感电路及数字基带五部分组成，射频模拟前端接收到阅读器发送的射频信号后，解调成命令数据，送入数字基带进行处理并响应；数字基带将返回的相应命令数据经射频模拟前端调制、混频，产生2.45GHz射频信号，由天线发送回阅读器；当阅读器通过天线向标签发送请求检测RSSI信号的特定命令时，数字基带启动标签的RSSI检测电路，接收阅读器发送过来的检测序列，将检测序列的中低频电压信号转变成直流电压信号，输出至模数转换器ADC，经ADC采样，转换成8位RSSI信号，送入数字基带电路进行存储；当阅读器发出预接收8位RSSI信号的命令时，标签将存储的8位RSSI值通过天线返回给阅读器。

2.如权利要求1所述的基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，与所属标签相对应，同时阅读器也会检测标签发送信号强度，结合标签返回的RSSI信号与自身检测的标签信号强度，通过阅读器内嵌算法双向确定温度传感标签的距离和位置，实现精确定位。

3.如权利要求1所述的基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，所述射频模拟前端包括以下模块：用于滤除射频信号噪声与信号放大的信号放大模块；用于将2.45GHz射频信号混频成固定中频的混频模块；用于对信号镜像滤波的滤波模块；用于将信号解调成命令数据的解调模块；用于将数字基带返回数据进行正交调制的调制模块；用于将数字信号转换成模拟信号的数模转换模块；用于对信号进行脉冲整形的整流模块；用于将信号正交混频产生2.45GHz射频信号的混频模块。

4.如权利要求1所述的基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，温度传感电路包括计数器和温度脉冲转换模块；当数字基带模块发出复位信号时，清空计数器,同时启动温度脉冲转换模块，使其通过偏置电路产生的电流信号来采集温度信息。信息采集完成后，温度脉冲转换模块输出含有温度信息的脉冲信号至计数器；计数器通过振荡器产生的时钟信号对该脉冲采样计数，得到9bit温度信息，并送至数字基带进行后续处理。

5.如权利要求3所述的基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，所设计温度传感电路复用射频模拟前端电路产生的电流作为温度转换模块的偏置电流；采用异步计数器对温度脉冲信号进行计数。

6.如权利要求1所述的基于双向RSSI定位的温度传感标签，其特征是，所述数字基带包括：用于数据检测的命令检测模块；用于将射频模拟前端接收到的信号恢复为原始命令的解码模块；用于管理各模块的功耗控制模块，其关断和开启各个模块的时钟，以达到降低功耗的目的；用于将所述解码模块发出的串行信号进行校验的校验模块；用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块；用于存储数据的存储模块；用于向存储器进行读写操作的读控制模块和写控制模块；用于将所述标签基带向所述射频模拟前端发送命令进行编码的编码模块；用于接收RSSI检测电路信号的RSSI接收模块；用于处理异步复位的异步复位模块；当检测模块检测到信号到来，通过功耗控制模块打开解码模块的时钟，启动解码模块，完成基带信号到原始命令的转换；将解码后的命令发给循环冗余校验CRC模块校验；校验后的结果返回命令处理控制模块。