CN104036316A - 超低功耗光激活电子标签与读卡器系统及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，由超低功耗光激活电子标签与读卡器两部分组成；电子标签包括一个光电二极管、限幅放大器、无源高通滤波器、信号比较器、微瓦功耗的微处理器A和LED；所述读卡器包括一个光接收器、微瓦功耗的微处理器B、LED驱动电路和LED阵列；工作时读卡器将要查询的标签ID码调制后通过LED阵列发送出去；当读卡器发出的光信号被电子标签接收到以后，经过标签内部的放大、调理和比较，由电子标签上的微瓦功耗的微处理器A进行判断；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID不同时，标签不做反应；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID相同时，标签上的LED被点亮，同时可通过该LED向读卡器发送信号。
Description
技术领域：
本发明属于智能电子标签领域，涉及一种可随意调节识别范围的超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，还涉及该系统的信号处理方法。
背景技术：
RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。
RFID标签已经是很成熟的技术了，目前已经得到了广泛应用。被动RFID标签利用天线与读卡器发出的射频电磁场之间的耦合效应，实现对标签的供电与读写，没有内部供电电源，价格低廉，体积小巧。虽然无源RFID标签理论上可实现无限长时间工作，但RFID的特点使其在某些特定场合难以应用。例如，距离金属太近会影响天线的性能，为了实现远距离通讯需要较大尺寸的天线，同时由于工作的频段为开放频段，标签通信信道很拥挤，也容易受到干扰。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，克服了RFID标签天线尺寸大，标签通信信道容易受到干扰的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，其创新点在于：由超低功耗光激活电子标签与读卡器两部分组成。
进一步的，所述电子标签包括一个光电二极管、限幅放大器、无源高通滤波器、信号比较器、微瓦功耗的微处理器A和LED；光电二极管用于接收读卡器发出的光信号；限幅放大器、无源高通滤波器和信号比较器依次对接受的光信号进行放大、调理和比较，微处理器A用于对信号进行判断，LED用于发出指示信号外，还可向读卡器发送调制数据的光信号。
进一步的，所述读卡器包括一个光接收器、微瓦功耗的微处理器B、LED驱动电路和LED阵列；LED驱动电路和LED阵列用于向电子标签发送光信号，微处理器B用于对要发射的信号进行编码与调制，同时负责处理接收的电子标签反馈信号，光接收器用于接收电子标签发送的信号。
进一步的，工作时读卡器将要查询的标签ID码调制后通过LED阵列以光的形式发送出去；当读卡器发出的经过调制的光信号被电子标签接受到以后，经过标签内部的放大、调理和比较步骤，由电子标签上的微处理器A进行判断；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID不同时，标签不做反应，进入休眠状态；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID相同时，标签上的LED被点亮，同时通过该LED向读卡器发送信号。
进一步的，读卡器的光束照射范围利用透镜组进行随意调节。
进一步的，当读卡器未发出查询信号时，电子标签处于休眠状态，当读卡器发出查询信号后，标签开始激活。
进一步的，标签采用纽扣电池和太阳能电池供电。
本发明的有益效果：
(1)克服了传统RFID标签系统天线面积较大、使用环境受限以及识别范围无法随意调整的缺点；(2)解决传统光学标签，如条形码和二维码识别速度慢的缺点；(3)弥补传统智能电子标签功耗大、供电困难的不足。
附图说明：
图1是本发明的电子标签与读卡器系统框图；
图2是本发明的信号限幅放大电路图；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。
一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，由超低功耗光激活电子标签与读卡器两部分组成。电子标签包括一个光电二极管、限幅放大器、无源高通滤波器、信号比较器、微瓦功耗的微处理器A和LED；光电二极管用于接收读卡器发出的光信号；限幅放大器、无源高通滤波器和信号比较器依次对接收的光信号进行放大、调理和比较，微瓦功耗的微处理器A用于对信号进行判断，LED用于发出指示信号，同时可向读卡器发送光信号。读卡器包括一个光接收器、微瓦功耗的微处理器B、LED驱动电路和LED阵列；LED驱动电路和LED阵列用于向电子标签发送光信号，微处理器B用于将输入的要查询标签ID进行编码与调制，同时处理接收的电子标签信号，光接收器用于接受电子标签发送的信号。
实施例
系统结构如图1所示。读卡器上的光电二极管采用Sharp公司的PD100MCOMP。微处理器B采用TI的MSP430F122和一个内部RC振荡器。该微处理器B在最深睡眠模式下的静态工作电流为100nA，因此可以降低功耗。读卡器发出的调制光信号会引起标签上光电二极管中产生电流，用于唤醒标签上微处理器A。为了避免环境光和低频照明光的影响，光电二极管产生的电流信号会被通过无源RC高通滤波器调理后，由LTC1540纳瓦功率比较器与内部参考电压对比。在照明充分时，该过程会产生一个干净的数字门信号，因此不需要线性放大器，降低了系统功耗。比较器产生唤醒微处理器A的中断命令。一旦微处理器A被唤醒，会将收到的编码与存储在标签中的识别码对比。如果两个码相同，这时就会驱动标签上的绿色LED闪动一段时间，表明标签被找到。
读卡器调制信号频率为10kHz，可以满足快速识别的需要。为了增加识别距离和光斑尺寸，读卡器部分采用了高密度LED阵列，其中包含了20个红色LED，这些LED分为4行排列，每行有5个LED。在正常工作模式下，该LED阵列的工作电压为12-13V，工作电流为350-450mA。由于普通的硅光电探测器对红外光的响应更强烈，因此该LED阵列发出近红外的845nm光，该光与PD100M光电二极管的最高敏感峰匹配很好。LED阵列每一行的最后一个LED为一个可见的超亮红LED。这样做可以为用户提供视觉反馈，使其更容易将读卡器与标签对准，同时在系统调试中也有用，使得读卡器与标签通讯是否成功变得显而易见。
为了增加识别距离，在标签的电路中增加了一个TI的OPA349运算放大器，来为比较器之前的信号提供增益，尽管这会增加标签的功耗，但该运算放大器的最大稳态电流为2uA，因此不会对标签上的电源使用寿命产生太大影响。由于光电二极管的输出电流在不同照度情况下差别很大，因此采用了对数限幅放大器。该放大器可以根据接收的读卡器光信号的强度调整其增益，如图2所示为信号限幅放大电路。
经过放大的信号在送到微处理器A前需要经过纳瓦功率的比较器的识别。微处理器A采用32针QFN封装的MSP430F112HBR，具有电路布局超小和功耗超低的特点。内部的数控振荡器采用了外部晶振，使电路尺寸与功耗达到最小。微处理器A内部的数控振荡器从低功耗模式的唤醒时间仅为6us。为了增加供电电路的稳定性，采用了一个TI的TPS3836电压管理芯片。该电压管理芯片的工作电流小于0.5uA，因此其对标签功耗的影响可以忽略。为了对微处理器A进行重新编程，还连接了一个Molex的扁平电缆连接器。
由于放大后的光电二极管信号通过AC耦合方式经过高通滤波器送到比较器，因此编码方式必须是零平衡的，其中不许有一些充当1位的0位。本专利中通过双相曼彻斯特码实现，其中对于每一个信息位，读卡器发送两个位，即“10”表示逻辑1，“01”表示逻辑0。通过这种方式将数据传输速率降低了一半，但仍然能够传输5Kbps的信号，足够在几微妙的时间内传输4字节码，因此也足够快速光束扫描的应用。经过曼彻斯特编码的信号被放进一个RS-232串行通信打包器，使得微处理器B和标签可通过其UART模块发送和接受数据。通过增加这样的抽象层，增加了系统的可用性和鲁棒性(例如，MSP430串口处理器可实施错误检测)，并可以利用其先进性能，如“接收开始边探测”等，其中可以存放足够长的初始字节，以等待微处理器A从低功耗休眠模式唤醒，并对信号进行处理。一旦收到一个字符后，标签的微控制器A可以验证它是否是框架的边界。如果是，微控制器会根据前面所述的逆过程对接收来的字符进行解码。MSP430仅在它的UART接到一串有效数据的有效字并产生中断后才会被激活。尽管在存在快速亮光变化时(例如，室内亮度快速开关时)会产生误转换，但误激活发生的概率会非常低。
标签电路板的尺寸为12mm，因此其封装尺寸主要由电池决定。读卡器基于一个改造的手电筒，可通过添加的键盘输入要查询的标签ID码。距离该读卡器几米范围内且位于90度锥形立体角范围的标签都可以进行读取，当标签距离为8m时，可读取的锥形立体角减小为45度。读卡器采用两个2.15A-h/7.4V锂离子可充电电池供电。
为了允许标签与读卡器之间进行通讯，即增加了一个数据链，可通过两种方式实现。第一种方法是在标签上多用了一个红外LED，用来以37KHz的频率发送放大的幅移键控数据。读卡器上使用一个集成的PNA4613红外接收器模块。该数据链支持1米范围内标签与读卡器之间以1200bps速率的通信。这样的通信速率足够在60ms内发送包含有框架字节和6个数据字节。第二种方法利用绿色可见光LED，通过如前所述的曼彻斯特编码方式将数据调制到10kHz的载波上，可以在几厘米距离内与实现标签与读卡器之间的通信。由于利用对讲机制是为了解决包括查询特定标签在内的系统安装调试时的问题，因此近距离操作更加适合。这两种方式中，标签都在读卡器发送数据包的间隙发回数据，这时读卡器的LED是灭的。。
尽管采用信号驱动唤醒方法会将标签工作电流降到最低，因此可采用太阳能电池供电。根据标准的太阳能电池在典型办公室照明条件下能够产生10-100uW/cm2的电力计算，通过6.5cm2太阳能电池从环境光中获得的电力累积起来，标签就可以在LED关闭的情况下得到6-60％的工作时间，在LED开启的情况下标签可工作2-20％的时间。这样，在太阳能电池供电下，24小时内，系统可以获得无LED工作的90分钟工作时间，或者有LED工作的30分钟工作时间。这对标签工作来讲，完全足够了，因为即使标签匹配时，有LED工作的时间也仅为1秒，标签不匹配时，标签工作时间更短。
本发明未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，其特征在于：由超低功耗光激活电子标签与读卡器两部分组成。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，其特征在于：所述电子标签包括一个光电二极管、限幅放大器、无源高通滤波器、信号比较器、微瓦功耗的微处理器A和LED；光电二极管用于接收读卡器发出的光信号；限幅放大器、无源高通滤波器和信号比较器依次对接受的光信号进行放大、调理和比较，微处理器A用于对信号进行判断，LED用于向读卡器发送光信号。
3.根据权利要求1所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统，其特征在于：所述读卡器包括一个光接收器、微瓦功耗的微处理器B、LED驱动电路和LED阵列；LED驱动电路和LED阵列用于向电子标签发送光信号，微处理器B用于将要查询标签编号进行编码与调制，同时处理光接收器接收到的信号，光接收器用于接收电子标签发送的信号。
4.一种权利要求1所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统的信号处理方法，其特征在于：工作时读卡器将要查询的标签ID码调制后通过LED阵列以光的形式发送出去；当读卡器发出的经过调制的光信号被电子标签接受到以后，经过标签内部的放大、调理和比较步骤，由电子标签上的微处理器A进行判断；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID不同时，标签不做反应，进入休眠状态；当读卡器发出的查询ID与标签内置ID相同时，标签上的LED被点亮，同时通过该LED向读卡器发送信号。
5.根据权利要求4所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统的信号处理方法，其特征在于：读卡器的光束照射范围利用透镜组进行随意调节。
6.根据权利要求4所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统的信号处理方法，其特征在于：当读卡器未发出查询信号时，电子标签处于休眠状态，当读卡器发出查询信号后，标签开始激活，并在处理完该次查询任务后，再次进入休眠状态。
7.根据权利要求4所述的一种超低功耗光激活电子标签与读卡器系统的信号处理方法，其特征在于：标签采用纽扣电池和太阳能电池供电。
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Denomination of invention: Ultra low power optically activated electronic tag and card reader system and its signal processing method Effective date of registration: 20210729 Granted publication date: 20170517 Pledgee: Hangzhou High-tech Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: HANGZHOU WOPUWULIAN SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021330001017 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20231102 Granted publication date: 20170517 Pledgee: Hangzhou High-tech Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: HANGZHOU WOPUWULIAN SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021330001017 |