CN106370230A - 一种无线温湿度传感器节点 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种无线温湿度传感器节点，天线接收阅读器发射的射频能量，射频与模拟前端电路将所述射频能量转换为直流电源，为温度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、射频与模拟前端电路和处理电路供电。本方案将温度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、处理电路和射频与模拟前端电路设置在同一芯片上，没有采用电池进行供电，从而不需要增加电池那部分的费用，降低成本，解决了需要电池供电而增加成本的问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器控制领域，更具体的说，涉及一种无线温湿度传感器节点。
背景技术
无线传感器及其网络应用技术已经被广泛应用于物流运输、环境监测、设备管理、智慧城市、安全安防等领域，具有无需连线、安装便捷等优点。传统的无线传感器通常采用紫蜂协议Zigbee、无线保真Wifi以及无线局域网等技术进行数据传输。
无线传感器用于计算露点温度领域时，在数据传输过程中，需要电池对无线传感器供电，由此会提高成本。因此亟需一种能够降低成本的装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种无线温湿度传感器节点，以解决需要电池供电而增加成本的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种无线温湿度传感器节点，所述无线温湿度传感器节点包括：温度传感器、湿度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、处理电路、射频与模拟前端电路和天线；所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路分别与所述处理电路连接；所述天线与所述射频与模拟前端电路连接；所述湿度传感器接口电路与所述湿度传感器连接；所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述处理电路和所述射频与模拟前端电路设置在同一芯片上；
所述天线，用于接收阅读器发射的射频能量和射频信号；
所述射频与模拟前端电路，用于将所述射频能量转换为直流电源，为所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路和所述处理电路供电；将所述射频信号解调为低频数字信号、并将所述低频数字信号发送给所述处理电路；产生时钟信号和复位信号、并将所述时钟信号和所述复位信号发送给所述处理电路；
所述温度传感器，用于测量标签的温度信息，将温度信息转换成数字信号，并将所述数字信号发送给所述处理电路；
所述湿度传感器，用于将标签的湿度信息转换成电容值；
所述湿度传感器接口电路，用于读取所述电容值，并将所述电容值发送给所述处理电路；
所述处理电路，用于接收所述数字信号和所述电容值、读取所述数字信号中的温度值、并将所述温度值和所述电容值存储在所述电可擦可编程只读存储器中、读取所述电可擦可编程只读存储器中的所述温度值和所述电容值、将所述电容值转换为相对湿度值、并对所述相对湿度值和所述温度值进行温度补偿得到校正后的相对湿度值和校正后的温度值、根据露点与温度、相对湿度之间的对应关系、计算得到露点温度、并将所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度存储在所述电可擦可编程只读存储器、接收所述低频数字信号、并进行读与写信息操作；接收所述时钟信号和所述复位信号；
所述电可擦可编程只读存储器，用于存储所述温度值、所述电容值、所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度。
优选地，所述射频与模拟前端电路，包括：
偏置电路、射频匹配网络电路、时钟与复位控制信号产生电路、射频整流电路和无线数据收发电路；
所述射频匹配网络电路与所述射频整流电路、所述无线数据收发电路分别连接；所述偏置电路与所述射频匹配网络电路、所述时钟与复位控制信号产生电路、所述射频整流电路、所述无线数据收发电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述处理电路、所述温度传感器和所述湿度传感器接口电路分别连接；所述处理电路与所述无线数据收发电路、所述时钟与复位控制信号产生电路分别连接；
所述射频匹配网络电路，用于与所述天线连接，接收所述射频能量和所述射频信号；
所述射频整流电路，用于接收所述射频匹配网络电路输出的所述射频能量并将所述射频能量转化为直流电源，并将所述直流电源传输给所述偏置电路；
所述偏置电路，用于接收所述直流电源，并为所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路和所述处理电路供电；
所述无线数据收发电路，用于接收所述射频匹配网络电路输出的所述射频信号、将所述射频信号解调为低频数字信号，并将所述低频数字信号发送给所述处理电路；
所述时钟与复位控制信号产生电路，用于产生时钟信号和复位信号，并将所述时钟信号和所述复位信号发送给所述处理电路。
优选地，所述露点与温度、相对湿度之间的对应关系，具体为：
LogEW＝(0.66077+7.5T/(237.3+T)+[log10(RH)－2]
Dp＝[(0.66077－logEW)×237.3]/(logEW－8.16077)
其中，Dp代表露点温度；RH代表相对湿度值；T代表温度值；EW代表饱和水蒸气的压力。
优选地，所述处理电路，还用于：
控制所述电可擦可编程只读存储器、所述温度传感器和所述湿度传感器启动。
优选地，所述处理电路控制所述电可擦可编程只读存储器启动，具体用于：
向所述电可擦可编程只读存储器发送读存储器命令或写存储器命令。
优选地，所述处理电路控制所述温度传感器和所述湿度传感器启动，具体用于：
向所述温度传感器和所述湿度传感器发送启动信号。
优选地，所述处理电路为数字基带协议处理电路。
优选地，所述天线为片外印刷天线。
优选地，所述湿度传感器的介质层为聚酰亚胺湿度敏感薄膜材料。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种无线温湿度传感器节点，天线接收阅读器发射的射频能量，射频与模拟前端电路将所述射频能量转换为直流电源，为温度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、射频与模拟前端电路和处理电路供电。本方案将温度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、处理电路和射频与模拟前端电路设置在同一芯片上，没有采用电池进行供电，从而不需要增加电池那部分的费用，降低成本，解决了需要电池供电而增加成本的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的无线温湿度传感器节点的结构示意图；
图2为本发明中芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的无线温湿度传感器节点的结构示意图；
图4为本发明中芯片的另一种结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种无线温湿度传感器节点，参照图1，无线温湿度传感器节点包括：温度传感器102、湿度传感器101、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、处理电路104、射频与模拟前端电路105和天线106；
温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105分别与处理电路104连接；天线106与射频与模拟前端电路105连接；所述湿度传感器接口电路与所述湿度传感器连接；温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、处理电路104和射频与模拟前端电路105设置在同一芯片1上；湿度传感器101既可以设置在芯片1上，也可以设置在芯片1的外部，图1中湿度传感器101设置在芯片1上。
需要说明的是，芯片1的工作频率与超高频射频识别国际标准ISO18000-6C及EPCClass-1Generation-2相兼容。天线106用于接收阅读器发射的射频能量和射频信号。需要说明的是，天线106与芯片1通过倒装焊的方式相连。
可选的，本发明的另一实施例中，所述天线为片外印刷天线。
射频与模拟前端电路105，用于将所述射频能量转换为直流电源，为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电；将所述射频信号解调为低频数字信号、并将所述低频数字信号发送给处理电路104；产生时钟信号和复位信号、并将所述时钟信号和所述复位信号发送给处理电路104；
温度传感器102，用于测量标签的温度信息，将温度信息转换成数字信号，并将所述数字信号发送给处理电路104；
需要说明的是，温度传感器102是在硅片中设计制作完成的，温度传感器102与处理电路104通过接口电路进行连接。
湿度传感器101，用于将标签的湿度信息转换成电容值；
湿度传感器接口电路107，用于读取所述电容值，并将所述电容值发送给所述处理电路104；
湿度传感器101部分开孔，以方便空气流通，保障湿度传感器101测量数据的准确性。
其中，当湿度传感器101设置在芯片1上时，湿度传感器101可以设置在温度传感器102的正上方，湿度传感器101为金属叉指电容，湿度传感器101的介质层为聚酰亚胺湿度敏感薄膜材料。外界环境湿度的变化可以改变介质层的介电常数，从而改变湿度传感器101的电容值。
处理电路104，用于接收所述数字信号和所述电容值、读取所述数字信号中的温度值、并将所述温度值和所述电容值存储在电可擦可编程只读存储器103中、读取电可擦可编程只读存储器103中的所述温度值和所述电容值、将所述电容值转换为相对湿度值、并对所述相对湿度值和所述温度值进行温度补偿得到校正后的相对湿度值和校正后的温度值、根据露点与温度、相对湿度之间的对应关系、计算得到露点温度、并将所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度存储在电可擦可编程只读存储器103、接收所述低频数字信号、并进行读与写信息操作；接收所述时钟信号和所述复位信号；
可选的，本发明的另一实施例中，处理电路104为数字基带协议处理电路，数字基带协议处理电路可实现防碰撞机制，接收大量的传感数据。
需要说明的是，处理电路104接收低频数字信号，主要是为了阅读接收的信息以及写信息后再发送到天线106上，通过天线106发送到阅读器。射频与模拟前端电路105为处理电路104提供时钟信号和复位信号，能够保证处理电路104正常工作。
电可擦可编程只读存储器103，用于存储所述温度值、所述电容值、所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度。
需要说明的是，电可擦可编程只读存储器103可以在断电后对数据进行保存，以免丢失。电可擦可编程只读存储器103的存储容量根据实际应用的需求进行配置。电可擦可编程只读存储器103与处理电路104通过接口电路进行连接。
其中，温度传感器102、湿度传感器101和电可擦可编程只读存储器103采用交替的方式进行工作，以此来减少芯片的损耗。
需要说明的是，湿度传感器101、天线106与芯片1的连接关系参照图2，图2中，天线106与芯片1连接，湿度传感器101设置在芯片1上，湿度传感器101设置在芯片1上只是其中的一种实施方式，湿度传感器101也可以设置在芯片1外部。
可选的，本发明的另一实施例中，所述露点与温度、相对湿度之间的对应关系，具体为：
LogEW＝(0.66077+7.5T/(237.3+T)+[log10(RH)－2]
Dp＝[(0.66077－logEW)×237.3]/(logEW－8.16077)
其中，Dp代表露点温度；RH代表相对湿度值；T代表温度值；EW代表饱和水蒸气的压力。
具体的，温度传感器102输出的数字信号中包含温度值信息，处理电路104根据温度值和相对湿度值可以得到校正后的相对湿度值和校正后的温度值，带入公式即可得到露点温度。
本实施例中，各个电路的工作过程如下：
天线106接收阅读器发射的射频能量和射频信号，射频与模拟前端电路105将所述射频能量转换为直流电源，为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电。射频与模拟前端电路105将所述射频信号解调为低频数字信号、并将所述低频数字信号发送给处理电路104；产生时钟信号和复位信号、并将所述时钟信号和所述复位信号发送给处理电路104。温度传感器102测量标签的温度信息，将温度信息转换成数字信号，并将所述数字信号发送给处理电路104；湿度传感器接口电路107读取电容值，并将所述电容值发送给处理电路104，处理电路104接收所述数字信号和所述电容值、读取所述数字信号中的温度值、并将所述温度值和所述电容值存储在电可擦可编程只读存储器103中、读取电可擦可编程只读存储器103中的所述温度值和所述电容值、将所述电容值转换为相对湿度值、并对所述相对湿度值和所述温度值进行温度补偿得到校正后的相对湿度值和校正后的温度值、根据露点与温度、相对湿度之间的对应关系、计算得到露点温度、并将所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度存储在电可擦可编程只读存储器103。
本实施例提供了一种无线温湿度传感器节点，天线106接收阅读器发射的射频能量，射频与模拟前端电路105将所述射频能量转换为直流电源，为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电。本方案将温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、处理电路104和射频与模拟前端电路105设置在同一芯片1上，没有采用电池进行供电，从而不需要增加电池那部分的费用，降低成本，解决了需要电池供电而增加成本的问题。
可选的，本发明的另一实施例中，参照图3，射频与模拟前端电路105，包括：
偏置电路1054、射频匹配网络电路1051、时钟与复位控制信号产生电路1055、射频整流电路1052和无线数据收发电路1053；
射频匹配网络电路1051与射频整流电路1052、无线数据收发电路1053分别连接；偏置电路1054与射频匹配网络电路1051、时钟与复位控制信号产生电路1055、射频整流电路1052、无线数据收发电路1053、电可擦可编程只读存储器103、处理电路104、温度传感器102和湿度传感器接口电路107分别连接；处理电路104与无线数据收发电路1053、时钟与复位控制信号产生电路1055分别连接；
射频匹配网络电路1051，用于与天线106连接，接收所述射频能量和所述射频信号；
需要说明的是，射频匹配网络电路1051可以最大限度的接收所述射频能量和所述射频信号。同时，只有在射频匹配网络电路1051接收足够的射频能量的时候，芯片1才能开始工作。
射频整流电路1052，用于接收射频匹配网络电路1051输出的所述射频能量并将所述射频能量转化为直流电源，并将所述直流电源传输给偏置电路1054；
偏置电路1054，用于接收所述直流电源，并为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电；
需要说明的是，不同的电路工作的电压可能不一样，此时就需要偏置电路1054进行升压或者降压操作，来满足不同的电路的工作电压的要求。
无线数据收发电路1053，用于接收射频匹配网络电路1051输出的所述射频信号、将所述射频信号解调为低频数字信号，并发送给处理电路104；
需要说明的是，将低频数字信号发送给处理电路104，是为了处理电路104能够执行读与写信息操作。
时钟与复位控制信号产生电路1055，用于产生时钟信号和复位信号，并将所述时钟信号和所述复位信号发送给处理电路104。
需要说明的是，将所述时钟信号和所述复位信号发送给处理电路104，是为了保证处理电路104能够正常工作。
本实施例中各个电路的具体工作过程如下：
射频匹配网络电路1051接收天线106发送的所述射频能量和所述射频信号，射频整流电路1052将所述射频能量转化为直流电源，并通过偏置电路1054为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电。无线数据收发电路1053接收射频匹配网络电路1051输出的所述射频信号、将所述射频信号解调为低频数字信号，并发送给处理电路104；时钟与复位控制信号产生电路1055产生时钟信号和复位信号，并将所述时钟信号和所述复位信号发送给处理电路104。
无线数据收发电路1053能够通过改变天线106的输入阻抗，将处理电路104输出的待发送数据发送至天线106，进而发送到阅读器中。
当湿度传感器101设置在芯片1的外部时，参照图3和图4，图3中，湿度传感器接口电路107设置在芯片1上，湿度传感器101设置在芯片1的外部，湿度传感器接口电路107与湿度传感器101通过电路连接。图4中，湿度传感器101设置在芯片1的外部，天线106与芯片1连接。
本实施例中，通过射频匹配网络电路1051接收天线发送的所述射频能量，并发送给射频整流电路1052，射频整流电路1052将所述射频能量转化为直流电源，并通过偏置电路1054为温度传感器102、湿度传感器接口电路107、电可擦可编程只读存储器103、射频与模拟前端电路105和处理电路104供电，可以做到不使用电池来进行供电，节省成本。
可选的，本发明的另一实施例中，处理电路104，还用于：
控制电可擦可编程只读存储器103、温度传感器102和湿度传感器101启动。
处理电路104控制电可擦可编程只读存储器103启动，具体用于：
向电可擦可编程只读存储器103发送读存储器命令或写存储器命令。
具体的，根据电可擦可编程只读存储器103的时序性的要求，处理电路104会产生读存储器命令或写存储器命令，并将读存储器命令或写存储器命令发送给电可擦可编程只读存储器103。
处理电路104控制温度传感器102和湿度传感器101启动，具体用于：
向温度传感器102和湿度传感器101发送启动信号。
需要说明的是，温度传感器102和湿度传感器101均为互补金属氧化物半导体CMOS低功耗传感器，利用写指令可以启动温度传感器102和湿度传感器101，温度传感器102和湿度传感器101的控制字存储在电可擦可编程只读存储器103中的用户数据区的第一个字节中，所述控制字包括需要启动的传感器的类型和测量精度等信息，当需要启动温度传感器102和湿度传感器101时，芯片1接收到写指令信号，向电可擦可编程只读存储器103中的用户区第二字节中写入指定的数据，当处理电路104接收到所述写指令信号时，向温度传感器102和湿度传感器101发送启动信号，然后发送控制字，控制述温度传感器102和湿度传感器101工作。
本实施例中，处理电路104可以控制电可擦可编程只读存储器103、温度传感器102和湿度传感器101启动，进而控制上述三个电路进行工作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述无线温湿度传感器节点包括：温度传感器、湿度传感器、湿度传感器接口电路、电可擦可编程只读存储器、处理电路、射频与模拟前端电路和天线；所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路分别与所述处理电路连接；所述天线与所述射频与模拟前端电路连接；所述湿度传感器接口电路与所述湿度传感器连接；所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述处理电路和所述射频与模拟前端电路设置在同一芯片上；
所述天线，用于接收阅读器发射的射频能量和射频信号；
所述射频与模拟前端电路，用于将所述射频能量转换为直流电源，为所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路和所述处理电路供电；将所述射频信号解调为低频数字信号、并将所述低频数字信号发送给所述处理电路；产生时钟信号和复位信号、并将所述时钟信号和所述复位信号发送给所述处理电路；
所述温度传感器，用于测量标签的温度信息，将温度信息转换成数字信号，并将所述数字信号发送给所述处理电路；
所述湿度传感器，用于将标签的湿度信息转换成电容值；
所述湿度传感器接口电路，用于读取所述电容值，并将所述电容值发送给所述处理电路；
所述处理电路，用于接收所述数字信号和所述电容值、读取所述数字信号中的温度值、并将所述温度值和所述电容值存储在所述电可擦可编程只读存储器中、读取所述电可擦可编程只读存储器中的所述温度值和所述电容值、将所述电容值转换为相对湿度值、并对所述相对湿度值和所述温度值进行温度补偿得到校正后的相对湿度值和校正后的温度值、根据露点与温度、相对湿度之间的对应关系、计算得到露点温度、并将所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度存储在所述电可擦可编程只读存储器、接收所述低频数字信号、并进行读与写信息操作；接收所述时钟信号和所述复位信号；
所述电可擦可编程只读存储器，用于存储所述温度值、所述电容值、所述校正后的相对湿度值、所述校正后的温度值和所述露点温度。
2.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述射频与模拟前端电路，包括：
偏置电路、射频匹配网络电路、时钟与复位控制信号产生电路、射频整流电路和无线数据收发电路；
所述射频匹配网络电路与所述射频整流电路、所述无线数据收发电路分别连接；所述偏置电路与所述射频匹配网络电路、所述时钟与复位控制信号产生电路、所述射频整流电路、所述无线数据收发电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述处理电路、所述温度传感器和所述湿度传感器接口电路分别连接；所述处理电路与所述无线数据收发电路、所述时钟与复位控制信号产生电路分别连接；
所述射频匹配网络电路，用于与所述天线连接，接收所述射频能量和所述射频信号；
所述射频整流电路，用于接收所述射频匹配网络电路输出的所述射频能量并将所述射频能量转化为直流电源，并将所述直流电源传输给所述偏置电路；
所述偏置电路，用于接收所述直流电源，并为所述温度传感器、所述湿度传感器接口电路、所述电可擦可编程只读存储器、所述射频与模拟前端电路和所述处理电路供电；
所述无线数据收发电路，用于接收所述射频匹配网络电路输出的所述射频信号、将所述射频信号解调为低频数字信号，并将所述低频数字信号发送给所述处理电路；
所述时钟与复位控制信号产生电路，用于产生时钟信号和复位信号，并将所述时钟信号和所述复位信号发送给所述处理电路。
3.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述露点与温度、相对湿度之间的对应关系，具体为：
LogEW＝(0.66077+7.5T/(237.3+T)+[log10(RH)－2]
Dp＝[(0.66077－logEW)×237.3]/(logEW－8.16077)
其中，Dp代表露点温度；RH代表相对湿度值；T代表温度值；EW代表饱和水蒸气的压力。
4.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述处理电路，还用于：
控制所述电可擦可编程只读存储器、所述温度传感器和所述湿度传感器启动。
5.根据权利要求4所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述处理电路控制所述电可擦可编程只读存储器启动，具体用于：
向所述电可擦可编程只读存储器发送读存储器命令或写存储器命令。
6.根据权利要求4所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述处理电路控制所述温度传感器和所述湿度传感器启动，具体用于：
向所述温度传感器和所述湿度传感器发送启动信号。
7.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述处理电路为数字基带协议处理电路。
8.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述天线为片外印刷天线。
9.根据权利要求1所述的无线温湿度传感器节点，其特征在于，所述湿度传感器的介质层为聚酰亚胺湿度敏感薄膜材料。
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