CN104361388A

CN104361388A - 一种超高频无线传感标签

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Publication number: CN104361388A
Application number: CN201410658852.XA
Authority: CN
Inventors: 冯鹏; 吴南健; 于双铭
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2034-11-18
Also published as: CN104361388B

Abstract

本发明公开了一种结合无源与半有源工作模式的超高频无线传感标签。此传感标签包括了射频整流电路，ASK信号解调电路和能够改变天线输入阻抗的背射调制电路，使得标签能够以无源的方式实现传感数据的无线收发，从而降低功耗和成本。当标签启动无源工作模式时，可启动片上传感器并进行传感数据的采集和传输；当标签启动半有源工作模式时，可以启动片外传感器并进行传感数据的采集和传输。该传感标签使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPC C1G2中规定的指令来完成片上传感器或片外传感器的启动、控制及数据上传，因此无需设计专用控制芯片，并可利用任何符合所述国际标准的超高频读写器进行传感数据的采集和上传。

Description

一种超高频无线传感标签

技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)和无线传感技术领域，一种结合无源与半有源工作模式的超高频无线传感标签。该传感标签可望应用于冷链物流，种子及特殊物品的仓储和流通领域。

背景技术

无线传感器具有安装便捷，零布线成本的优势，其在环境监测、医疗护理、农业种植和设备管理等领域有着十分广阔的应用前景。传统的无线传感器通常采用ZigBee、蓝牙以及无线局域网等技术进行数据传输。在这些技术中，通讯节点需要主动发射数毫瓦至几十毫瓦的电磁波用于无线数据传输，并且需要设计灵敏度较高的射频接收电路，这类通信技术中射频收发电路芯片的功耗通常可达几十毫安电流，且设计难度较高，芯片面积也较大。因此采用上述通信技术的无线传感器通常功耗较大，工作寿命受限而且成本也较高。

而无源超高频RFID技术是一种新兴的低功耗低成本近距离无线通信技术。如图1所示，无源超高频RFID系统由附着在目标物体上的标签、读写器、读写器天线和计算机组成，这里的“无源”主要是指标签中不含有电池。其中标签里存储有目标物体的相关信息，读写器以电磁波为载体将能量、及指令数据发送给标签。当带有标签的物体进入读写器的通信范围时，读写器根据应用的需要可以无接触的方式将标签里的信息读取出来并传送给计算机进行高级处理，或者对标签写入新的信息。由于RFID系统中通常包括数量庞大的标签，因此通常情况下标签决定了整个系统的性能和成本。

在无源超高频RFID技术中，标签采用ASK信号解调电路接收数据，并采用改变天线输入阻抗的背射调制电路来发射数据，标签中的射频整流电路可将读写器所发射电磁波中的能量转换为直流能量供标签工作。标签中收发电路的功耗通常小于5μW，且结构简单，所占芯片面积较小，因此成本也非常低。虽然标签与读写器的最大通信距离通常只有10米左右，但已能够满足多数应用场合的需求。

从上述描述中可看出，将无源超高频RFID技术与无线传感器相结合有望实现低功耗低成本的无线传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，实现一种结合无源与半有源工作模式的超高频无线传感标签，以降低无线传感器的功耗和成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种超高频无线传感标签，其包括：天线和核心电路；其中所述核心电路包括核心芯片、电池及电源管理芯片、片外传感器；所述核心芯片上集成有片上传感器和存储器电路；

所述无线传感标签根据所述天线接收到的外部指令在无源工作模式和半有源工作模式下切换；其中，

所述天线接收到指示切换至无源工作模式下的指令后，所述核心芯片切断与所述片外传感器和所述电池及电源管理芯片的连接，启动片上传感器，然后将片上传感器采集到的数据保存至所述存储器电路中；同时，所述核心芯片还根据接收到的指令，从所述存储器电路中读出所存储的数据，并发送出去；

所述天线接收到指示切换至半有源工作模式下的指令后，所述核心芯片连接与所述片外传感器和所述电池及电源管理芯片的连接，启动片外传感器，并由所述电池及电源管理芯片为所述片外传感器供电；然后将片外传感器采集到的数据保存至所述存储器电路中；同时，所述核心芯片还根据接收到的指令，从所述存储器电路中读出所存储的数据，并发送出去。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所提出的无线传感标签结合了无源超高频RFID中的极低功耗无线数据传输技术，这种无线数据传输技术包含了ASK信号解调技术和能够改变天线输入阻抗的背射调制技术，这两种技术的电路结构简单，功耗通常小于5μW，因此利用射频整流电路产生的直流能量即可实现与探测器之间的数据传输。虽然传感标签的最大通信距离通常只有10米左右，但已能够满足多数应用场合的需求。而传统无线传感器的射频收发芯片功耗可达几十毫安，且电路结构复杂并需要电池供电才能正常工作导致成本较高。因此，所述无线传感标签具有低功耗和低成本的优势。

2、本发明所提出的无线传感标签只有在核心芯片从探测器所发射的电磁波中获得足够的能量才能启动传感标签工作，否则整个标签自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路，从而减少电池的能源消耗并节约了成本。

3、本发明所提出的无线传感标签集成了极低功耗片上传感器电路，此传感器电路可利用上述射频整流电路产生的直流能量工作。因此当仅需启动片上传感器电路时，则可停止电池对传感标签供电，传感标签处于无源工作模式从而减少电池的能源消耗。

4、本发明所提出的无线传感标签集成了片外传感器，由此可以丰富传感标签的功能。因为一些特殊的传感器例如湿度传感器通常不能集成到CMOS芯片中，当需启动片外传感器时，电池和电源管理芯片对片外传感器和核心芯片中的接口电路供电，传感标签处于半有源工作模式以减少电池的能源消耗。

5、本发明所提出的无线传感标签使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPC C1G2中规定的指令来完成片上传感器或片外传感器的启动、控制及数据上传，而无需设计专用的控制芯片，因此降低了芯片成本并可利用任何符合所述国际标准的超高频读写器进行传感数据的采集和上传。

附图说明

图1为现有技术中无源超高频RFID系统工作原理图；

图2为本发明中超高频无线传感标签的结构框图；

图3为本发明提出的超高频无线传感标签实施例的结构框图；

图4为本发明中读写器与传感标签的通信过程；

图5为本发明中核心芯片与片外传感器的通信波形截图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2示出了本发明提供的一种结合无源与半有源工作模式的超高频无线传感标签的结构示意图。如图2所示，该传感标签包括超高频天线110和核心电路19，且所述核心电路19与天线110相连。所述核心电路包括核心芯片18、电池及电源管理芯片16和片外传感器17。其中电池及电源管理芯片16与片外传感器17、核心芯片18相连，其中电池和电源管理芯片16用于对核心芯片中的片外传感器接口电路15和片外传感器17供电；片外传感器17与核心芯片18相连，且受核心芯片18的控制。

其中核心芯片18包括射频模拟前端电路11、数字协议处理电路12、非易失存储器电路13、片上传感器电路14和片外传感器接口电路15。其中射频模拟前端电路11包含射频整流电路、无线数据收发电路、时钟和复位信号产生电路；数字协议处理器电路可实现通信协议的处理、控制片上传感器电路及片外传感器工作并使传感标签的工作流程符合特定国际标准的要求；非易失存储器电路用于存储EPC码、传感数据和其他用户数据；片上传感器电路为低功耗CMOS传感器，可对芯片环境中的光照强度、磁场强度及温度等物理量进行测量；片外传感器接口电路主要负责控制片外传感器工作，并将传感数据传递给数字协议处理器。

所述射频整流电路用于将外部探测器111所发射的电磁波转换为直流能量，此能量足以使得所述无线数据收发电路与探测器进行正常通信。所述无线数据收发电路包括ASK信号解调电路和能够改变天线输入阻抗的背射调制电路。其中，所述ASK信号解调电路在接收到射频整流电路输出的直流能量以后，可启动工作并将探测器所发射的经过ASK调制后的射频载波信号中的数据解调出来，并将解调后的二进制数据传递至数字协议处理电路12，所述经过ASK调制后的射频载波信号中的能量仍可由所述射频整流电路转换成直流能量以维持芯片的工作。而背射调制电路则根据数字协议处理电路12中需要发射至探测器的二进制数据改变天线的阻抗，从而改变标签反射回探测器载波信号的幅度或相位，以此完成数据的反向传递。所述时钟和复位信号产生电路用于产生数字协议处理电路所需的复位信号和整个核心芯片所需的时钟信号。

该无线传感标签的一个特征是只有核心芯片从探测器所发射的电磁波中获得足够的能量才能启动传感标签工作，否则整个标签自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路，并可减少电池的能源消耗。

所述传感标签具有两种工作模式：无源工作模式和半有源工作模式。在无源工作模式下，由于所述核心芯片集成了极低功耗片上传感器电路，因此所述片上传感器电路可利用上述射频整流电路产生的直流能量工作；在半有源工作模式下，由于所述传感标签中集成了片外传感器，所述片外传感器可利用电池提供的直流能量工作。

当传感标签收到探测器发送的需要启动片上传感器的指令时，传感标签通过核心芯片电路切断片外传感器、电池和电源管理芯片与核心芯片的连接，从而切换至无源工作模式。然后传感标签根据探测器发送的指令在数字协议处理器的控制下启动对应的片上传感器，并在数字协议处理器的控制下将片上传感器所采集到的数据保存至指定的非易失存储器中。随后，探测器可通过向传感标签发送读指令将传感数据从该指定的非易失存储器中读出。

当传感标签收到探测器发送的需要启动片外传感器的指令时，传感标签通过核心芯片电路将片外传感器、电池和电源管理芯片与核心芯片相连接，从而切换至半有源工作模式。然后传感标签根据探测器发送的指令在数字协议处理器的控制下通过片外传感器接口电路启动对应的片外传感器，并在数字协议处理器的控制下通过片外传感器接口电路将片外传感器所采集到的数据保存至指定的非易失存储器中。随后，探测器可通过向传感标签发送读指令将传感数据从该指定的非易失存储器中读出。

当传感标签未收到探测器发送的需要启动片外或片上传感器的指令时，传感标签也自动切换至无源工作模式以降低功耗。

所述无线传感标签的工作频率为860MHz-960MHz，并使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPC C1G2中规定的指令来完成片上传感器或片外传感器的启动、控制及数据上传，而无需设计专用的控制芯片，并可利用任何符合所述国际标准的超高频读写器进行传感数据的采集和上传。

所述无线传感标签的控制字存储在特定地址1所对应的16位非易失存储器中，所述控制字包含需启动传感器的类型和测量精度等信息，所述控制字可由探测器对标签发送包含特定地址1及对应控制字的写指令来写入。所述传感标签还利用包含特定地址2的写指令来启动传感器。当传感标签接收到包含特定地址2的写指令时，传感标签会根据特定地址1中所存储的控制字来启动对应的片上或片外传感器，并将片上或片外传感器所采集到的数据存储至特定地址2所对应的16位非易失存储器中。随后探测器可通过向传感标签发送包含特定地址2的读指令将传感数据读出。

最后，所述片外传感器接口为I²C标准接口，接口信号包括双向串行时钟信号和双向串行数据信号。

图3是本发明一具体实施例中结合无源与半有源工作模式的超高频无线传感标签的框架结构示意图。如图3所示，该传感标签由偶极子超高频天线213和核心电路212组成，且所述核心电路与天线相连。所述核心电路包括核心芯片211、电池26、电源管理芯片27、片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210。其中电池与核心芯片和电源管理芯片相连；电源管理芯片与核心芯片、片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210相连，且所述电源管理芯片将电池中的电压转换为合适的电压提供给核心芯片、片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210；片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210通过同一个I²C总线与核心芯片相连，且受核心芯片的控制，其中I²C总线信号包括双向串行时钟信号scl和双向串行数据信号sda，每一个片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210都有唯一的设备地址，用于核心芯片选中并控制对应的传感器进行传感数据的采集和传输。

其中核心芯片包括射频模拟前端电路21、数字协议处理电路22、非易失存储器电路23、片上传感器电路24和片外传感器接口电路25。其中射频模拟前端电路包含射频整流电路、无线数据收发电路、时钟和复位信号产生电路；数字协议处理器电路可实现通信协议的处理、控制片上传感器电路24及片外湿度传感器28、片外压力传感器29、片外加速度传感器210工作并使传感标签的工作流程符合特定国际标准的要求；非易失存储器电路用于存储EPC码、传感数据和其他用户数据；片上传感器电路为低功耗CMOS传感器，可对芯片环境中的光照强度、磁场强度及温度等物理量进行测量；片外传感器接口电路主要负责控制片外湿度传感器28、片外压力传感器29和片外加速度传感器210工作，并将传感数据传递给数字协议处理器。

而传感标签中的射频模拟前端电路包含了射频整流电路和极低功耗无线数据收发电路。所述射频整流电路可将探测器所发射的电磁波转换为直流能量，此能量足以使得所述无线数据收发电路与探测器进行正常通信。其中，所述无线数据收发电路包括ASK信号解调电路和能够改变天线输入阻抗的背射调制电路。此外，射频模拟前端电路中还包含有电源管理电路，负责将射频整流电路产生的电压稳定在核心芯片的正常工作电压范围内，并在射频能量过高时，对多余电流进行释放，从而避免芯片受到破坏。

该无线传感标签只有核心芯片从探测器所发射的电磁波中获得足够的能量才能启动传感标签工作，否则整个标签自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路，并可减少电池的能源消耗。因此，只要核心芯片所获得的能量不足，则芯片外电路将不会启动，并且电池与其他电路模块的连接将被切断。

此外，该无线传感标签具有两种工作模式：无源工作模式和半有源工作模式。在无源工作模式下，由于所述核心芯片集成了极低功耗片上传感器电路，因此所述片上传感器电路可利用上述射频整流电路产生的直流能量工作；在半有源工作模式下，由于所述传感标签中集成了片外传感器，所述片外传感器可利用电池提供的直流能量工作。

当传感标签收到探测器发送的需要启动片上传感器的指令时，传感标签通过核心芯片电路中的数字协议处理器及开关电路切断片外传感器，电池和电源管理芯片与核心芯片的连接，从而切换至无源工作模式。然后传感标签根据探测器发送的指令在数字协议处理器的控制下启动对应的片上传感器，并在数字协议处理器的控制下将片上传感器所采集到的数据保存至指定的非易失存储器中。随后，探测器可通过向传感标签发送读指令将传感数据从该指定的非易失存储器中读出。

当传感标签收到探测器发送的需要启动片外传感器的指令时，传感标签通过核心芯片电路将片外传感器，电池和电源管理芯片与核心芯片相连接，从而切换至半有源工作模式，此时片上传感器不工作。然后传感标签根据探测器发送的指令在数字协议处理器的控制下通过片外传感器接口电路启动对应的片外传感器，并在数字协议处理器的控制下通过片外传感器接口电路将片外传感器所采集到的数据保存至指定的非易失存储器中。随后，探测器可通过向传感标签发送读指令将传感数据从该指定的非易失存储器中读出。

图4给出了读写器对传感标签的进行“读EPC码”操作的通信过程，图中上半部分是读写器发送至标签的指令波形，图中下半部分是标签的响应波形。“Select”，“Query”，“ACK”均为EPC C1G2国际标准中规定的读写器指令，三个指令完成了标签选择和读写器与标签通信的过程，标签则返回了16bit随机数RN及PC码，EPC码和CRC校验码，由于数据通信过程简单且数据率不高，因此标签芯片中的通信电路结构简单，面积小且功耗非常低。

图5给出了核心芯片与一种片外传感器的通信波形截图，核心芯片与片外传感器之间采用I²C协议通信，其中SCL信号为双向串行时钟信号，SDA信号为双向串行数据信号，从SDA信号中可以看出整个通信过程包括传感器接收地址，接收指令，执行测量和数据输出四个阶段，符合硬件地址的传感器将执行指令对应的操作，并进行数据测量后将数据返回至双向串行数据线SDA上。此I²C可同时支持多个传感器，且控制电路设计简单，芯片占用面积小，功耗低，因此适合于在此无线传感标签中应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超高频无线传感标签，其包括：天线和核心电路；其中所述核心电路包括核心芯片、电池及电源管理芯片、片外传感器；所述核心芯片上集成有片上传感器和存储器电路；

2.如权利要求1所述的超高频无线传感标签，其中，所述核心芯片还包括射频模拟前端电路和数字协议处理电路，所述射频模拟前端电路包括射频整流电路和无线数据收发电路，所述射频整流电路用于将从天线接收到的电磁波转换为直流能量，所述直流能量使得所述无线数据收发电路正常工作；所无线数据收发电路用于解调外部指令中的数据，并将所解调出的数据传送至数字协议处理电路，同时所述无线数据收发电路还将所述数字协议处理电路还将需要发射出去的数据通过天线发射出去；所述数字协议处理电路用于控制片上传感器、片外传感器工作。

3.如权利要求1所述的超高频无线传感标签，其中，所述核心芯片还包括与所述片外传感器电路通信的片外传感器接口。

4.如权利要求1所述的超高频无线传感标签，其中，所述存储器电路还存储所述无线传感标签的控制字，所述控制字包括传感器类型。

5.如权利要求4所述的超高频无线传感标签，其中，所述核心芯片根据包含第一预定地址和控制字的外部写指令，将所述控制字写入预定地址对应的存储器电路中。

6.如权利要求4所述的超高频无线传感标签，其中，所述核心芯片根据包含第二预定地址的外部写指令，来启动所述片上或片外传感器，并将所述片上或片外传感器采集到的数据存储至第二预定地址对应的存储器电路中。

7.如权利要求4所述的超高频无线传感标签，其中，所述核心芯片根据包含第二预定地址的外部读指令，将所述第二预定地址对应的存储电路中的数据读出并通过天线发射出去。

8.如权利要求3所述的超高频无线传感标签，其中，所述片外传感器电路接口为1²C标准接口，接口信号包括双向串行时钟信号和双向串行数据信号。

9.如权利要求1-8任一项所述的超高频无线传感标签，其中，所述片外传感器为多个，包括片外湿度传感器、片外压力传感器和片外加速度传感器。

10.如权利要求1-8任一项所述的超高频无线传感标签，其中，所述片上传感器为低功耗CMOS传感器，用于测量光照强度、磁场强度和温度。