CN104715272B - 以光为介质的后向反射调制标签及读写器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以光为介质的后向反射调制标签及读写器系统，包括标签和读写器，所述标签包含一块用于从读写器所发射的光和环境光中获取能量的薄膜太阳能电池板、用于后向反射的后向反射薄膜、用于对光的反射进行调制的液晶光阀、液晶光阀调制电路、用于接收读写器信号的第一光敏二极管，在所述后向反射薄膜上粘贴液晶光阀。所述读写器包含一只用于发射可见光或红外光的LED、LED驱动和调制电路、微控制器、第二光敏二极管。本发明的优点是，提供了一种以光为介质的无源标签‑标签读写器系统。得益于后向反射薄膜对光的后向反射特性，相比射频信号的衰减速度大大降低；由于标签使用薄膜太阳能电池，增加了读写距离，并降低了读写器的功率消耗。

Description

以光为介质的后向反射调制标签及读写器系统

技术领域

本发明涉及一种以光为介质的后向反射调制无源标签-阅读系统，属于电学领域。

背景技术

传统的无源标签-读写器系统一般是基于射频识别（RFID）。RFID是一种非接触式的自动识别技术，其工作原理是读写器发射一特定频率的无线电磁波，用以驱动接近的电子标签将其内部的数据发送，此时读写器接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。标签通过读写器所发射的射频信号中耦合获得能量，并通过调制自身阻抗，将读写器所发射的射频载波调制并反射回读写器。因而标签无需自主发射射频信号，大大减少了标签所需功耗。从而使得无源标签，即仅从读写器的射频信号中获取能量，而需电池，成为可能。但是由于射频标签对自身阻抗的调制实际上为对射频的后向散射调制（backscatter），一方面读写器所发射射频载波按照读写距离的平方进行衰减，另一方面标签散射的信号也按照读写距离的平方进行衰减，这导致整体上读写器所接收的标签信号强度按照读写距离的四次方进行衰减。读写器所接收有效信号的四次方衰减速率导致在距离增大时信噪比迅速降低，因而RFID的远距离读写需要大幅提高读写器的发射功率，导致电磁干扰增大，成本增加，可靠性降低。或者是采用有源标签，而这又大大增加了标签的成本，并且由于需要更换电池，降低了标签的寿命。

可见光通信由于视距传播，方向性更好，不产生电磁干扰等优点得到了大量研究。但传统的可见光通信方案集中于对带宽和速度的提升，不适用于低功耗应用，无法在无源的情况下应用。

发明内容

为克服现有的无源RFID系统在远距离通信上的不足，本发明提供一种以光为介质，依靠后向反射材料（Retro-reflector）的无源远距离标签及读写器系统。

本发明所采用的技术方案是：所述以光为介质的后向反射调制标签及读写器系统，包括标签和读写器，所述标签包含一块用于从读写器所发射的光和环境光中获取能量的薄膜太阳能电池板、用于后向反射的后向反射薄膜、用于对光的反射进行调制的液晶光阀、液晶光阀调制电路、用于接收读写器信号的第一光敏二极管，在所述后向反射薄膜上粘贴液晶光阀，所述液晶光阀连接液晶光阀调制电路，第一光敏二极管连接配套的放大、滤波和解调电路；所述标签依靠薄膜太阳能电池板从环境光与读写器所发射的可见光或红外光中获取能量。

所述读写器包含一只用于发射可见光或红外光的LED、LED驱动和调制电路、微控制器、第二光敏二极管，所述LED连接LED驱动和调制电路，LED驱动和调制电路与微控制器连接，第二光敏二极管连接配套的放大、滤波和解调电路；由读写器的LED发射被调制的信号，标签依靠第一光敏二极管接收、选频放大并解调。

所述第二光敏二极管和LED之间设有光隔离片。

本发明的有益效果是，提供了一种以光为介质的无源标签-标签读写器系统。得益于后向反射薄膜对光的后向反射特性，读写器所接收的标签反射调制信号按照距离的二次方衰减，相比射频的后向散射（backscatter）的四次方衰减，衰减速度大大降低，从而远距离读写下拥有更高的信噪比和可靠性；此外，由于标签使用薄膜太阳能电池，除了从读写器中获取能量，也可以从环境光中获取能量，因而增加了读写距离，并降低了读写器的功率消耗；最后，相比传统的射频无源标签-读写器系统，本发明不受环境电磁干扰影响，也不会产生电磁干扰。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是后向反射、镜面反射、散射三者的对比说明，其中图2（a）是镜面反射示意图，图2（b）是漫反射示意图，图2（c）是后向反射示意图。图中，实线箭头表示入射光线，虚线箭头表示反射光线。

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。

本发明是一对使用光（包括可见光和红外光）作通信介质的标签-标签读写器构成的系统，如图1所示。

所述标签包含一块用于从读写器所发射的光和环境光中获取能量的薄膜太阳能电池板1、用于后向反射的后向反射薄膜2、用于对光的反射进行调制的液晶光阀3、液晶光阀调制电路、用于接收读写器信号的第一光敏二极管4，在所述后向反射薄膜2上粘贴液晶光阀3，所述液晶光阀3连接液晶光阀调制电路，第一光敏二极管4连接配套的放大、滤波和解调电路。

所述读写器包含一只用于发射可见光或红外光的LED 5、LED驱动和调制电路、微控制器、第二光敏二极管6，所述LED5连接LED驱动和调制电路，LED驱动和调制电路与微控制器连接，第二光敏二极管6连接配套的放大、滤波和解调电路。

为了避免LED 5对第二光敏二极管6的光干扰，在第二光敏二极管6和LED5之间设置光隔离片7。

系统通信的数据链路包括上行和下行两个方向。下行链路与普通可见光通信系统一致。由读写器的LED发射被调制的信号，载波频率一般为1MHz~20MHz的方波。标签部分依靠光电感应器件（如光敏二极管）接收、选频放大并解调。

本发明的主要改进在于数据上行链路。所述标签依靠薄膜太阳能电池板1从环境光与读写器所发射的可见光或红外光中获取能量。由于体积和读写器的功率限制，标签所获取的能量有限，无法满足正常LED发射。因此所述数据上行链路考虑通过反射调制读写器所发射的载波方式。如图2所示，有三种方案。

（1）图2（a），镜面反射：镜面反射效率很高，但由于镜面反射具有方向性，用户必须将标签垂直于光的入射方向才能进行上行链路的通信。

（2）图2（b），漫反射：即散射，没有方向性，易于使用。但是正是由于没有方向性，其具有与RFID后向散射相似的特性，散射会再次扩散一次，使得整体上读写器所接收的标签信号强度按照读写距离的四次方进行衰减。这不利于远距离下的通信。

（3）图2（c），后向反射：依靠后向反射薄膜，对光线进行定向的后向反射。其特性出射方向与光线的入射角无关，仅为沿原光路原路返回。因此对用户来说无需将标签垂直于光的入射方向即可进行通信。

因此通过后向反射薄膜，即达到上行链路既有良好的方向响应，又保证了反射方向的集中。在后向反射薄膜上粘贴液晶光阀，即可实现对光的反射调制。

Claims (2)

1.以光为介质的后向反射调制标签和读写器组成的系统，包括标签和读写器，其特征是：

所述标签包含一块用于从读写器所发射的光和环境光中获取能量的薄膜太阳能电池板（1）、用于后向反射的后向反射薄膜（2）、用于对光的反射进行调制的液晶光阀（3）、液晶光阀调制电路、用于接收读写器信号的第一光敏二极管（4），在所述后向反射薄膜（2）上粘贴液晶光阀（3），所述液晶光阀（3）连接液晶光阀调制电路，第一光敏二极管（4）连接配套的第一个放大、滤波和解调电路；所述标签依靠薄膜太阳能电池板（1）从环境光与读写器所发射的可见光或红外光中获取能量；

所述读写器包含一只用于发射可见光或红外光的LED（5）、LED驱动和调制电路、微控制器、第二光敏二极管（6），所述LED（5）连接LED驱动和调制电路，LED驱动和调制电路与微控制器连接，第二光敏二极管（6）连接配套的第二个放大、滤波和解调电路；由读写器的LED（5）发射被调制的信号，标签依靠第一光敏二极管（4）接收、选频放大并解调。

2.如权利要求1所述的以光为介质的后向反射调制标签和读写器组成的系统，其特征是，所述第二光敏二极管（6）和LED（5）之间设有光隔离片（7）。