CN105389603A - 具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统 - Google Patents

Abstract

一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，包括：一超高频天线；一核心芯片，所述核心芯片的输入端与超高频天线的一输出端相连。本发明是可以实现具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，以降低无线传感器的功耗和成本。

Description

具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统

技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)和无线传感技术领域，特别涉及一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统。该电子传感系统可应用于物流管理、公共运输、特殊物品的仓储和流通等领域。

背景技术

无线传感器已经被广泛应用于物流运输、环境监视、设备管理、医疗保健和过程控制等领域，其具有制造成本低，安装便捷，无需连线等优势。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。在这些通讯技术中，传感节点需要主动发射电磁波在传感范围内进行组网和无线数据传输，因此对射频模拟收发电路的灵敏度要求比较高，设计难度比较大，工作模式下消耗的功耗比较大。因此采用上述通讯技术的无线传感器，工作寿命较低而且制造成本较高，在短距离低速率要求的应用场合中不宜采用。

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系统由电子传感系统、探测器、探测器天线和上位机组成，该无源RFID系统中没有电池供电，仅仅凭借接收探测器所发送的无线能量为系统的工作提供电源。其中，无源RFID系统里存储有目标物体的相关信息，探测器以电磁波为载体将能量、及指令信息发送给系统。探测器根据应用的需要可以通过向系统发送无线信号的方式对传感系统中存储的信息进行写入或读取，并将系统返回的信息传送给上位机进行高级处理。无源RFID系统通过射频模拟前端电路中的ASK信号解调电路接收探测器发送的电磁波，射频整流电路可将探测器所发射电磁波中的能量转换为直流电源供无源RFID系统工作，将解调出的指令信息发送到数字协议处理电路进行处理，最后采用改变天线输入阻抗的背射调制电路向探测器发回数据。

随着无源RFID技术的应用领域日益宽广，无源RFID系统不仅具有识别目标和读写目标数据等功能，还可以通过集成或外接传感器以实现环境感知和环境监测的功能。RFID系统与探测器的最大通信距离通常达到10米，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无源工作模式的低功耗低成本无源超高频电子传感系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，实现一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，以降低无线传感器的功耗和成本。

本发明提供一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，包括：

一超高频天线；

一核心芯片，所述核心芯片的输入端与超高频天线的一输出端相连。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所提出的无源超高频电子传感系统结合了无源超高频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信号解调技术和背射调制技术，这两种技术的电路结构简单，功耗较低，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。电子传感系统的最大通信距离通常达到10米，能够满足多数应用场合的需求。相比而言，传统无线传感器的射频收发芯片功耗可达几十毫安，并需要电池供电才能正常工作导致成本较高，工作寿命较短且电路结构较复杂。因此，所述无源超高频电子传感系统具有低功耗和低成本的优势。

2、本发明所提出的无源超高频电子传感系统通过其中的射频整流电路接收从探测器所发射的电磁波，从中获得足够的能量才能启动电子传感系统工作，否则整个传感系统自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路，从而减少电池的能源消耗，延长了工作寿命。

3、本发明所提出的无源超高频电子传感系统包含有低功耗数字协议处理电路。所述数字协议处理电路不仅可以完成通信协议处理和数据收发的功能，其中还实现了防碰撞机制。该防碰撞机制采用人为写入防碰撞标志位的方式，无需专门设计标志位产生电路，简化了指令处理的复杂度，节约芯片面积并降低了功耗。当在探测器测量范围内存在多个电子传感系统的时候，数字协议处理电路中的防碰撞机制将会发挥作用，使得多个电子传感系统不会互相干扰，依次向探测器发送数据。

4、本发明所提出的无源超高频电子传感系统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。当需要启动片上传感器电路时，利用探测器发送的写指令向非易失存储器电路中的用户数据区第一字节地址写入指定数据。数字协议处理电路通过片上传感器接口电路向传感器发送指令，并将传感数据采集到数字协议处理电路中进行处理。该种片上传感器的启动方式利用通信协议中规定的标准写指令就可以完成启动，无需专门为其设计启动指令，简化了指令处理的复杂度。

5、本发明所提出的无源超高频电子传感系统集成了片外传感器接口电路，由此可以丰富电子传感系统的功能。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，当需要连接片外传感器时，可利用核心芯片中的片外传感器接口电路与片外传感器相连，扩展了电子传感系统的应用范围。

6、本发明所提出的无源超高频电子传感系统使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPCClass-1Generation-2中规定的通用指令来完成片上传感器的启动、控制及数据上传，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探测器进行传感数据的采集和上传。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是无源超高频RFID系统工作原理图；

图2是本发明提出的结构框图；

图3是本发明中非易失存储器接口电路写指令工作原理图；

图4是本发明中非易失存储器接口电路读指令工作原理图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明提出一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，包括：

一超高频天线21和一核心芯片22，所述核心芯片22的输入端与超高频天线21的一输出端相连。

所述核心芯片22包括：一射频模拟前端电路23、一数字协议处理电路24、一非易失存储器接口电路25、一非易失存储器电路26、一片上传感器接口电路27、一片上传感器电路28和一片外传感器接口电路29。

所述射频模拟前端电路23包括：一时钟和复位信号产生电路231、一射频整流电路232和一无线数据收发电路233。

所述时钟和复位信号产生电路231包括一复位器2311和一振荡器2312；所述复位器2311根据接收到的信号产生对应的复位信号，输出给数字协议处理电路24；所述振荡器2312产生时钟信号，输出给数字协议处理电路24。

所述射频整流电路232，其输入端与时钟和复位信号产生电路231的一输出端连接。所述射频整流电路232是将探测器所发射的电磁波转换为直流电源，并且通过射频整流电路232中的电源控制模块，将转换后的直流电源控制在核心芯片22正常工作电压范围内，用来为核心芯片22的其他各个模块电路供电。此能量足以使得所述无线数据收发电路233与探测器进行正常通信。无源超高频电子传感系统只有当接收到足够强度的来自探测器的电磁波的时候，才能启动电子传感系统工作，否则整个电子传感系统自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路。

所述无线数据收发电路233，其与超高频天线21连接，所述无线数据收发电路233包括一ASK信号解调器2331和一背射调制电路2332；所述ASK信号解调器2331接收从天线21输出的射频信号，将探测器所发射的射频信号解调为低频数字信号，输出给数字协议处理电路24进行处理。所述背射调制电路2332能够通过改变天线21的输入阻抗，将数字协议处理电路24输出的待发射数据通过天线21发射给探测器。

一数字协议处理电路24，其输入端与射频模拟前端电路23的输出端连接。所述数字协议处理电路24可实现通信协议的处理，并使传感系统的工作流程符合特定国际标准的要求；分别通过非易失存储器接口电路25和片上传感器接口电路27来控制非易失存储器电路26和片上传感器电路28工作。所述数字协议处理电路24可实现防碰撞机制，采用的方式是向所述非易失存储器电路26中的保留数据区写入防碰撞标志位，每当电子传感系统接收到探测器发送的指令，需要向探测器发送数据的时候，数字协议处理电路24读取非易失存储器电路的保留数据区中防碰撞标志位，在时钟信号控制下进行递减1操作，直至当防碰撞标志位递减为零的时候，才开始向探测器发送数据。

所述数字协议处理电路24不仅可以实现通信协议处理和数据收发的功能，其中还实现了防碰撞机制。在非易失存储器电路26的保留数据区(ReservedMemory)中存储防碰撞标志位，在探测器测量范围内的所有电子传感系统均需要人为写入该防碰撞标志位，并且每个电子传感系统的防碰撞标志位各不相同。每当电子传感系统接收到探测器发送的指令需要向探测器发送数据的时候，数字协议处理电路24读取非易失存储器电路26的保留数据区中防碰撞标志位，在时钟信号控制下进行递减1操作，直至当防碰撞标志位递减为零的时候，才开始向探测器发送数据。采用该种防碰撞机制，可以保证在同一时间只能有一个电子传感系统向探测器发送数据。当在探测器测量范围内存在多个电子传感系统的时候，数字协议处理电路24中的防碰撞机制将会发挥作用，使得多个电子传感系统不会互相干扰，依次向探测器发送数据。并且，该防碰撞机制采用人为写入的方式，不必要专门设计随机标志位发生器，节约芯片面积并降低了功耗。

一非易失存储器接口电路25，其与数字协议处理电路24双向连接；所述非易失存储器接口电路25用于连接数字协议处理电路24与非易失存储器电路26。非易失存储器接口电路25包括一路时钟信号、一路复位信号、一路输入数据信号、一路输出数据信号、一路地址信号、一路写指令信号和一路读指令信号。其输入数据信号为16位宽度，用于向非易失存储器电路26输入数据，输出数据信号为16位宽度，用于从非易失存储器电路26输出数据，地址信号为4位宽度，用于向非易失存储器电路26输入地址信息，写指令信号和读指令信号均为高电平有效。

一非易失存储器电路26，其与非易失存储器接口电路25双向连接；所述非易失存储器电路26记录传感系统采集到的传感数据。传感系统通过片上传感器接口电路27启动片上传感器电路28进行数据采集，传感数据采集完成后，片上传感器接口电路27将数据回传给数字协议处理电路24，然后通过非易失存储器接口电路25将数据写入非易失存储器电路26中。所述非易失存储器电路26存储电子传感系统的身份识别码，该身份识别码包含了电子传感系统的各项参数信息，例如生产厂商，出厂日期，产品编号等。身份识别码和传感数据均可以通过非易失存储器接口电路25被数字协议处理电路24进行读取，并通过射频模拟前端电路23发送至探测器。

一片上传感器接口电路27，其与数字协议处理电路24双向连接。所述片上传感器接口电路27接口包括一路输入数据线、一路输出数据线、一路时钟信号、一路复位信号、一路测量开启信号和一路测量结束信号。其输入数据线为8位宽度，用于向片上传感器电路28输入8位控制字，输出数据线为13位宽度，用于将片上传感器电路28的测量数据输出到数字协议处理电路24中，测量开启信号为高电平有效，用于指示片上传感器电路28开始测量操作，测量结束信号线为高电平有效，用于指示数字协议处理电路24测量过程结束。

一片上传感器电路28，其与片上传感器接口电路27双向连接，所述片上传感器电路28为极低功耗CMOS传感器，可对环境中的光照强度、磁场强度及温度等物理量进行测量，并将传感数据传递给数字协议处理电路24。所述片上传感器电路28可利用探测器发射符合通信协议的通用写指令信号进行启动，无需另外制定特定的启动指令，降低了数字协议处理电路24对指令处理的难度。传感器控制字存储在非易失存储器电路26中的用户数据区第一字节，所述传感器控制字包含需启动传感器的类型和测量精度等信息。当需要启动片上传感器电路28时，电子传感系统接收到写指令信号，向非易失存储器电路26中的用户数据区第二字节地址写入指定数据；当数字协议处理电路24接收到该写指令信息的时候，通过片上传感器接口电路27向片上传感器电路28发送一路时钟信号、一路复位信号、一路测量开启信号和一路输入数据信号。当片上传感器电路28测量结束后，片上传感器接口电路27接收来自片上传感器电路28的一路测量结束信号和一路输出数据信号。片上传感器接口电路27将接收到的传感数据发送给数字协议处理电路24，并通过非易失存储器接口电路25将传感数据存储于非易失存储电路26的用户数据区第二字节地址中。当片上传感器电路28不工作时，则其处于低功耗待机状态，电子传感系统仍可以正常进行识别和读写操作。该片上传感器电路28的启动方式简化了指令处理的复杂度，利用通信协议中规定的标准指令就可以完成启动。

一片外传感器接口电路29，其与数字协议处理电路24双向连接；所述片外传感器接口电路29，用于控制连接在电子传感系统上的片外传感器。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，当需要连接片外传感器时，可利用核心芯片22中的片外传感器接口电路29与片外传感器相连，扩展了电子传感系统的应用范围。所述片外传感器接口电路29符合国际标准I2C总线协议，且受到数字协议处理电路24的控制。其中，片外传感器接口电路29包括双向串行时钟信号SCL和双向串行数据信号SDA，每一个片外传感器都有唯一的设备地址，核心芯片22能够通过片外传感器接口电路29选中特定地址的片外传感器并控制其进行传感数据的采集和传输。当需要连接片外传感器时，可利用核心芯片22中的片外传感器接口电路29与片外传感器相连，扩展了电子传感系统的应用范围。

其中所述具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统的工作频率为860MHz-960MHz，并使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPCClass-1Generation-2中规定的指令来完成片上传感器的启动、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探测器进行传感数据的采集和上传。

所述具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其特征在于只有核心芯片22从探测器所发射的电磁波中获得足够的能量才能启动电子传感系统工作，否则整个传感系统自动处于休眠状态，因而无需设计专用唤醒电路，并可减少电池的能源消耗。

所述具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统结合了无源超高频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信号解调技术和背射调制技术，这两种技术的电路结构简单，功耗较低，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。电子传感系统的最大通信距离通常达到10米，能够满足多数应用场合的需求。相比而言，传统无线传感器的射频收发芯片功耗可达几十毫安，并需要电池供电才能正常工作导致成本较高，工作寿命较短且电路结构较复杂。因此，所述无源超高频电子传感系统具有低功耗和低成本的优势。

图3和图4分别给出了非易失存储器接口电路向非易失存储器电路26发送写指令和读指令的时序图。

以上所述的原理图和电压波形图，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，所应理解的是，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 (8)

1.一种具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，包括：

一超高频天线；

一核心芯片，所述核心芯片的输入端与超高频天线的一输出端相连。

2.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中所述核心芯片包括：

一射频模拟前端电路；

一数字协议处理电路，其输入端与射频模拟前端电路的输出端连接；

一非易失存储器接口电路，其与数字协议处理电路双向连接；

一非易失存储器电路，其与非易失存储器接口电路双向连接；

一片上传感器接口电路，其与数字协议处理电路双向连接；

一片上传感器电路，其与片上传感器接口电路双向连接；

一片外传感器接口电路，其与数字协议处理电路双向连接。

3.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中射频模拟前端电路包括：

一时钟和复位信号产生电路；

一射频整流电路，其输入端与时钟和复位信号产生电路的一输出端连接；

一无线数据收发电路，其与超高频天线连接。

4.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中时钟和复位信号产生电路包括一复位器和一振荡器。

5.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中无线数据收发电路包括一ASK信号解调器和一背射调制电路。

6.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，片上传感器电路为低功耗CMOS传感器，利用协议标准的通用写指令可以启动该片上传感器电路；传感器控制字存储在非易失存储器电路中的用户数据区第一字节，所述传感器控制字包含需启动传感器的类型和测量精度等信息；当需要启动片上传感器电路时，电子传感系统接收到写指令信号，向非易失存储器电路中的用户数据区第二字节地址写入指定数据；当数字协议处理电路接收到该写指令信息的时候，通过片上传感器接口电路向片上传感器电路发送启动信号和控制字；测量结束后，测得的传感数据存储至非易失存储器电路的用户数据区第二字节地址中。

7.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中所述射频整流电路是将电磁波信号转换为直流电源，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。

8.根据权利要求1所述的具有身份识别与数据记录功能的无源超高频电子传感系统，其中所述无源超高频电子传感系统的工作频率为860MHz-960MHz，并使用超高频RFID国际标准ISO18000-6C及EPCClass-1Generation-2中规定的指令来完成片上传感器的启动、控制及数据上传。