CN106980890A - 一种主动rfid电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式RFID电子标签，该RFID电子标签包括电能转换模块、供电模块；将其他形式的能量转换为驱动电能并存储于供电模块中；进一步本装置还可以包括传感器和存储器，感受并采集标定对象本身或周围环境信息，并将感受到的信息传递给存储器进行储存；进一步本装置还包括内置于射频前端模块中的VHF信标信号发射器，其与连接在读卡器上的VHF信标信号接收器相匹配，用于对标记对象进行跟踪和定位；本发明装置结构简单，适于工业化生产和市场推广应用。

Description

一种主动RFID电子标签

技术领域

本发明公开了一种主动RFID电子标签，属于物联网领域中的射频识别技术及运用。

背景技术

射频识别 (Radio Frequency Identification， 简称 RFID) 技术可以通过天线进行信息传输，实现物物之间的信息交换。标记对象信息存储于电子标签的芯片中，被动式RFID电子标签在接近阅读器时标签内的线圈会将阅读器辐射的电磁能转换为能够驱动标签运行的电能，从而产生应答反应，将RFID电子标签中的信息传递给阅读器，即使用阅读器就可以从无源的被动式RFID电子标签中读取标记对象的相关信息。与传统的条形码识别技术相比，RFID 技术无需光学聚焦，只需达到可工作距离范围即可进行信息传递辨识物体基本信息，工作方式简便高效。

目前 RFID 主要应用于物流仓储、医疗应用、手机支付、档案管理、智能交通和防伪等领域。尤其在物流仓储方面，基本的信息记录已经不能满足现在需求，比如储运过程中环境条件的改变，如温度、压力、期限等条件超过某个范围，导致物品自身成分、质量、结构损坏等问题，被动式RFID电子标签就无法进行监测和记录。

主动RFID系统以其信息量大、可记录环境变化、传输距离远等优势，满足了这些新的万物互联的功能需求，利用主动射频识别技术和记录传送标记对象的环境及自身变化可以实现远距离多数据的传输，但受其自身的电池容量与成本严重制约，使其工作时间有限且电池耗尽后无法巡回；且传统的主动RFID电子标签只能存储和发送标签内的信息，不会记录周围或自身状况的变化，且不能实现标签定位和移动路径追踪的功能。

由已有的技术发展可见，实际应用环境对主动RFID标签有很大的市场需求，在我国公开的专利中对主动RFID标签技术已有相关研究，但对于在主动RFID标签上用可再生能源转换模块替代或减少对电池依赖的技术还未见申请；对于在主动RFID标签进行传感器扩展和使用主动RFID电子标签定位的技术还未见报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种主动式RFID电子标签，该主动式RFID电子标签与读卡器配合工作，RFID电子标签的微处理器通过射频前端模块与天线模块连接，RFID电子标签还包括电能转换模块、供电模块；电能转换模块通过供电模块与RFID电子标签的微处理器连接，射频前端模块与供电模块连接。

将电能转换模块集成到电子标签上，用于为RFID的微处理器和传输系统提供能量，同时在主动射频识别电子标签内减小电池容量和体积，电能储存器仅满足充电间隔期内的标签功耗即可；

所述电能转换模块，其将光能、热能、电磁能转换为电能，对所述供电模块进行充电；电能转换模块为光转电模块、热转电模块、磁转电模块或压电转换器。

光转电模块可以使用由碲化镉、铜铟镓硒、非晶体硅、砷化镓等不同材质组成，能将日光、冷光转换成电能的光能薄膜转换器。将热能转换为电能的设备，可以使用温差发电全固态能量转换技术，其体积小、重量轻、移动方便并且使用寿命长。磁电转换模块可使用励磁频率在1/32-1/2工频、圆形或方形的小型转换器，其周围存在交变电磁场时，线圈内部就会随变化的磁场产生电流，电流的大小由磁场强弱、线圈匝数决定，此时产生的电流可用于RFID电子标签内部供电。将压力转换为电能的能量转换器，将不断重复的压力转换为可使用的电能，其原理为压电体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产生极化现象，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，从而形成电流，其技术成熟有多种规格的市售商品。利用这些能量转换器质量小、厚度薄、可弯曲等优点可作为RFID电子标签的表面材料，以聚氟材料封装包裹以提高整个主动RFID电子标签防水性和密闭性。

所述供电模块提供或存储电能，其为法拉电容或锂电池。

法拉电容是介于传统电容和充电电池间的新型储能装置，其容量可达几百至上千法，又称超级电容，其具有较大的容量、较高的能量密度、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，可快速充电放电，且阻抗很低。

在传统主动RFID电子标签内加入传感器，使其能主动探测和记录标定对象周围环境和自身状况的变化，同时为了达到使主动RFID电子标签长期记录和循环使用的目的。

本发明主动式RFID电子标签还可以包括传感器、存储器；传感器、存储器分别与供电模块连接，传感器通过存储器与RFID电子标签的微处理器连接。

所述传感器至少包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器、光传感器、声音传感器、浓度传感器、位移传感器、位置传感器；感受并采集标定对象本身或周围环境信息，并将感受到的信息传递给存储器进行储存；存储器中信息通过射频前端模块由天线模块发送至读卡器。

传感器可对标记对象本身或周围的信息（温度、湿度、强度、浓度、位置等环境信息）进行监测，具体监测信息据传感器类型和数量确定，如用于对温度敏感的标记对象（化工原料或食品）可连接温度传感器，如用于对压力敏感的标记对象（易碎品或生物制品）可连接压力传感器，用于小体积单点监测单个传感器即可，而大范围多指标监测则使用多个传感器完成。

本发明主动RFID电子标签还包括内置于射频前端模块中的VHF信标信号发射器，VHF信标信号发射器与供电模块连接；读卡器连接有VHF信标信号接收器，接收VHF信标信号发射器发出的用于定位的VHF信标信号。

本发明主动RFID电子标签加入了能发射周期性固定频率的信标信号的VHF信标信号发射器，利用主动RFID电子标签供电模块中存储的转换电能向较远距离发送信标信号，VHF信标信号接收器接收到电子信标信号后通过不断调整读卡器的天线方向角来搜索主动RFID电子标签的方位，利用监测信标信号的信噪比估算主动RFID电子标签的距离，通过不断接近和校准，最终确定发射信标信号的主动RFID电子标签的具体位置。

上述RFID电子标签的微处理器，控制供电模块、射频前端模块、传感器、存储器各模块协调工作，按常规控制方法协调；

射频前端模块，VHF信标信号发射器产生的信标信号经射频前端模块传输至天线模块；或按照传统电子标签ISO18000-6C协议的无线射频信号传输数据信息（13.56MHz无线射频信号），接收时，解调读卡器按ISO18000-6C协议发送的指令信息；

所述供电模块存储电能转换模块转换出的电能并在微处理器控制下为传感器、射频前端模块、存储器供电；

所述天线模块，发射时放大并发送VHF信标信号或传统的无线射频信号；接收时，感应读卡器的射频信号放大滤波后交给射频前端模块。

本发明主动RFID电子标签信标信号的定位方式还可以采用多个联网读卡器来确定，即通过三个以上已知坐标的联网读卡器分别根据信标信号的信噪比计算与主动RFID电子标签的距离，通过常规三点定位算法确定发射信号的RFID电子标签位置，采用此方式通过增加固定坐标联网读卡器数量还可追踪主动RFID电子标签移动路径，其中每个读卡器连接有一个VHF信标信号接收器。

本发明优点和技术效果：

本发明主动RFID电子标签采用电能转换模块，可保证整个装置的持续有效工作，为RFID的控制、存储及传输系统提供持续可靠的能量供给和补充；本发明可通过不同传感器记录温度、湿度、强度、浓度、位置等多种环境信息，记录在标签的存储器并通过读卡器发射的交变电场使标签中产生感应电流而将采集数据回传给读卡器；本发明标签还可集成信标信号发射器，发送电子信标对电子标签进行定位，实现对标记对象进行定位和跟踪，在众多领域均可使用。本装置结构简单，适于工业化生产和市场推广应用。

附图说明

图1 为实施例1主动RFID电子标签的结构示意图；

图2为实施例1主动RFID电子标签的基础电路示意图；

图3实施例3主动RFID电子标签的结构示意图；

图4为主动RFID电子标签信标定位方式工作原理示意图；

图5为主动RFID电子标签三点定位方式工作原理示意图；

图中：1为电能转换模块；2为主动RFID电子标签；3为VHF信标信号接收器；4-读卡器Ⅰ；5-读卡器Ⅱ；6-读卡器Ⅲ；C为法拉电容。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容，实施例方法中没有特殊说明的均为常规方法，采用的设备没有特殊说明的均为常规市售产品，或按常规方法制得的产品。

实施例1：如图1、2所示，本主动式 RFID电子标签包括微处理器、薄膜光电能量转换器、供电模块（法拉电容）、射频前端模块、天线模块；主动式RFID电子标签2与读卡器配合工作，该RFID电子标签的微处理器通过射频前端模块与天线模块连接，薄膜光电能量转换器1通过法拉电容C与微处理器连接，射频前端模块与法拉电容连接。本实例中选用的薄膜光电能量转换器选用技术成熟，市场占有量大的司朗BPW34S贴片光电二极管（硅光电池）灵敏度0.62A/W，峰值功率150mW，可以满足RFID电子标签的电能需求。法拉电容选用云辉EECS0HD104V型大容量小体积法拉电容。

封装好的主动式RFID电子标签贴覆在被监测物品的表面，先与读卡器进行匹配和通信，匹配成功后对标签进行读写操作，录入监测对象的编号、名称、特征、参数等重要信息，建立RFID电子标签与标识对象关联；也可先通过RFID读卡器与RFID电子标签通信输入对应数据后，再将RFID电子标签贴在标识对象的表面。贴上RFID电子标签的监控对象可放入能提供照明的仓库或开放的有限空间内，电子标签通过薄膜光电能量转换器将日光或灯光转换为电能蓄积在法拉电容中。当需要寻找贴有RFID电子标签的标识对象时，使用对应读取RFID电子标签的读卡器向RFID电子标签所在环境发出可被其天线模块接收的无线射频信号，当RFID电子标签在标签读卡器的有效射频覆盖范围内，标签中原有的感应器首先判断接收信号是否合法，若合法则启动RFID电子标签的法拉电容为主体设备供电，RFID标签进入工作状态；标签被读卡器的射频信号唤醒后，微处理器利用RFID电子标签内携带的法拉电容蓄积的电能读取芯片中存储的数据，将数据转换为电子编码利用射频前端模块及天线模块进行辐射发送；RFID电子标签的读卡器通过自身的天线接收到RFID电子标签发送的电子编码或其他数据信号后，对其解码并处理，之后发送到后台数据管理系统；后台数据管理系统查询数据库验证该标签是否合法，验证合法后，接收并处理标签中的数据及信息。

通过上述方式，只要标签的能量转换器不被遮挡或毁损，标签就能在长期存放或多次变更位置后被唤醒和激活，利用转换存储的电能主动发送身份识别信息，从而实现长时间、远距离身份识别与信息传输。

实施例2：本实施例结构同实施例1，不同在于选用东莞市中迈电子有限公司的ZM-PZT压电陶瓷发电片作为能源持续补给模块，每次压缩释放能产生≤8V输出电压，≤5mA输出电流，机电耦合系数Kp≥0.6，压电应变系数d33≥0.6。此能量转换器可将不断重复的压力转换为可使用的电能。

标签启用后周期性进入激活状态，如设定为蓄积能量达到上限阈值时，主动RFID电子标签自动激活，利用RFID电子标签内携带的供电模块（法拉电容），微处理器可以得到充足的能量读取存储器中的数据并通过射频前端模块发送携带电子编码。这种使用方式下，只要保证RFID电子标签读卡器所在范围不要超过主动RFID电子标签发射信号的最大覆盖距离，读卡器就能在定期接收到RFID电子标签主动上传的标签信息。RFID电子标签的读卡器还可通过自身软件或后台数据管理系统定期增加或修改标签内的信息，通过读卡器中的射频单元发送给RFID电子标签。由于主动式RFID电子标签具有供电模块，可对微弱的读写控制信号进行检测和放大，因此可以实现RFID电子标签远距离，周期性的与读卡器（或网络）进行数据交互。

实施例3：如图3所示，本主动式 RFID电子标签包括微处理器、电能转换模块（贴片光电二极管）、供电模块（法拉电容）、射频前端模块、天线模块、温度传感器、存储器；主动式RFID电子标签与读卡器配合工作，微处理器通过射频前端模块与天线模块连接，贴片光电二极管通过法拉电容与微处理器连接，温度传感器、存储器、射频前端模块分别与法拉电容连接，温度传感器通过存储器与微处理器连接。

传感器针对检测对象不同体积也有所不同，但都可以通过标准的贴片封装接口或集成到电子标签中或作为外设与RFID电子标签主体连接，可由电子标签的内置供电模块供电；传感器收集的数据可用中断响应的方式由RFID电子标签的微处理器存入存储器，在标签连接读卡器后，传感器的监测数据由内存一并上传到读卡器。

本实施例中传感器为Digi-Key的PTC Thermistors贴片式温度传感器，因其体积小、能耗低，其阻抗为101~1KOhms监测范围适用于自然环境温度变化，因此被集成于主动RFID电子标签外表面，为了防水使用聚乙烯与电子标签的其它部件分装为统一整体，其接线引脚直接并连于供电模块和存储器。

电能转换模块用于将照射在RFID电子标签表面的阳光、灯光转换为电能用于提供给RFID电子标签使用，电能转换模块中光电转换器件应用较为广泛，其它形式的物电转换模块，如磁电转换、热电转换、压电转换都有成熟技术和商用元器件可供选用，本案例中选用技术成熟，市场占有量大的司朗BPW34S贴片光电二极管（硅光电池）灵敏度0.62A/W，峰值功率150mW，可以满足RFID电子标签的电能需求。RFID电子标签中的供电模块使用具有容量大、密度高、充电快、寿命长、阻抗低等优势，适于主动RFID电子标签中应用的新型储能技术法拉电容作为供电模块用于对性能有较高要求的选择，本案例中选用云辉EECS0HD104V型大容量小体积法拉电容。主动RFID电子标签中的微处理器和存储器与已有RFID电子标签中的结构和运作方式相同，基于ISO18000-6C协议标准完成读取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息，因其技术成熟应用广泛此处就不再详述。

实施例4：本主动式 RFID电子标签结构同实施例3，不同在于还包括内置于射频前端模块中的VHF信标信号发射器，VHF信标信号发射器与法拉电容连接；读卡器连接有VHF信标信号接收器，接收VHF信标信号发射器发出的用于定位的VHF信标信号；电能转换模块为温差发电片。

射频前端模块在原有发射接收读卡器通信信号的13.56MHz无线射频信号模块（传统执行ISO18000-6C协议的RFID卡）外增加了可以产生周期性固定频率的无线电信标信号的VHF信标信号发射器，本案例中选用北京创世夏汉公司定制的ZAG01型VHF射频发射器，利用法拉电容中存储的转换电能向空间辐射和发送来完成对RFID的定位；主动RFID电子标签定位与跟踪技术主要利用标签对物体的唯一标识特性，依据VHF信标信号接收器（BIOTRACKSIKA无线追踪接收器）和标记对象上的标签之间射频通信的信号强度来测量物品的空间位置，其应用方式为，采用如图4所示的主动RFID电子标签单点定位方式工作原理示意图，在使用单个VHF信标信号接收器3接收VHF信标信号时，BIOTRACK SIKA无线追踪接收器接收到的位置信息来自于RFID电子标签2的ZAG01型VHF射频发射器，根据信号强度和距离的换算公式：P=P0+10nlg(d/do) （其中P 是接收信号强度，单位为dBm；d0是参考距离，室内环境的参考距离的典型值一般取1m；P是距离为d时接收到的信号强度；d 是收发天线间的真实距离；n是路径损耗因子，不同环境对应于不同的因子，这里视环境为自由空间，因此n=2）可计算出d的值，通过比较不同角度θ上P值的大小，P值最大的θ角即为电子标签所在的方向，利用距离d值和方位θ值即可估算出RFID电子标签的位置。

实施例5: 本主动式 RFID电子标签包括微处理器、压电转换陶瓷片、锂电池、射频前端模块、天线模块、压力传感器、存储器、VHF信标信号发射器；该主动式RFID电子标签与读卡器配合工作，微处理器通过射频前端模块与天线模块连接，压电转换陶瓷片通过锂电池与微处理器连接，传感器、存储器、射频前端模块、VHF信标信号发射器分别与锂电池连接，传感器通过存储器与微处理器连接，读卡器为3个已知坐标的联网读卡器，每个读卡器连接有一个VHF信标信号接收器，接收VHF信标信号发射器发出的用于定位的VHF信标信号。

电子标签中的传感器用于感测标签标定对象自身的压力变化信息；可以使用一种或多种不同的传感器，只要通过实施例1所述的标准贴片封装接口或集成到电子标签中或作为外设与RFID电子标签主体连接即可，供电同样可以选择标签内供电模块（锂电池），传感器产生的数据用直接内存存取的方式在不需要控制器参与的情况下把数据直接放入存储模块后等待读卡联机读取。

电能转换模块选用东莞科森公司的KS-70*53T2-0.6E压电转换陶瓷片作为能源持续补给模块。RFID电子标签中的供电模块，由于新型储能技术法拉电容虽具有很多优异性能但技术新颖开发使用成本较高，本案例中更多根据性价比而不是性能优先的情况，使用大规模应用的传统OAHE可充电ML1220锂离子纽扣式3V 18MA电池作为主动RFID电子标签中供电模块是较为经济的选择。主动RFID电子标签中的微处理器和存储器同样使用成熟的基于ISO18000-6C协议标准，完成指令操作和信息交换。

本实施例仍然使用在原有发射接收读卡器通信信号的13.56MHz无线射频信号模块外增加了可以产生周期性固定频率的无线电信标信号的VHF信标信号发射器的方式完成对RFID的定位，但其方式与单点定位的方式完全不同，无需长时间的扫描、跟踪和接近才可定位，本案例的应用方式采用如图5所示的主动RFID电子标签三点定位方式工作原理示意图，此时系统接收到的位置信息分别来自读卡器Ⅰ4、读卡器Ⅱ5和读卡器Ⅲ6的三个VHF信标信号接收器（BIOTRACK SIKA无线追踪接收器），其中，读卡器Ⅰ、读卡器Ⅱ和读卡器Ⅲ分别已知坐标（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y4），根据实施例4中的信号强度和距离的换算公式P=P0+10nlg(d/do)；可计算出每个读卡器与电子标签的d1，d2，d3的值，利用三角形定位机制算出RFID电子标签的位置。

实施例6：本实施例能自动采集记录环境信息并能定位和上传的主动RFID电子标签仅应用于小范围和空间内的物品监测（如实验室中的化学药品或实验设备），电子标签中的传感器使用最简单的膜片压力传感器，用于感测药品容器中药品的质量变化，可以记录药品的使用次数和用量，这样的小型传感元件可以直接集成在电子标签内部使用RFID自带电源，用直接内存存取方式将传感器数据直接放入存储器中。

电能转换模块在光照条件良好的实验室可以用实施例3中的欧司朗BPW34S贴片光电二极管（硅光电池）灵敏度0.62A/W，峰值功率150mW的光电转换器贴于容器顶部，频繁搬动和使用的容器也可以使用实施例5中的压电转换器置于容器底部。RFID电子标签中的供电模块，只需用于传感器和存储器的供电，耗费电量很低，因此采用普通薄膜电容即可满足供电需求，也是所有方案中最为经济的选择。微处理器和存储器同样使用基于ISO18000-6C协议标准，完成指令操作和信息交换。

本实例中射频前端模块在物品进入实验室时，由外部控制系统与之前购买信息进行匹配，匹配成功对标签进行读写操作，录入药品或设备编号、 名称、型号、生产厂家、价格、有效期、生产日期、使用参数范围、使用情况、当前状态等信息与标记对象建立关联，将信息存入RFID电子标签存储器中，然后将RFID电子标签贴在物品及设备的相应位置。射频前端模块接收到特定辐射频率信号（符合ISO18000-6C协议规定的13.56MHZ读卡器信号），RFID电子标签被唤醒，电子标签通过天线模块接收到分别来自读卡器Ⅰ、读卡器Ⅱ和读卡器Ⅲ的三个13.56MHZ的无线射频信号，读卡器已知自身坐标，根据实施例4 信号强度和距离的换算公式P=P0+10nlg(d/do)；算出RFID电子标签到各读卡器距离d1，d2，d3的值，利用三角形定位计算出RFID电子标签的准确位置，在多读卡器系统进行定位的同时，读卡器信号传递给射频前端模块处理，再传递给微处理器根据协议ISO18000-6C存储控制，将存储器中存放的使用信息（次数和用量等）信息通过RFID电子标签的天线模块传给读卡器；定位和读取操作都完成后，应用程序系统用户界面显示的室内标定对象的位置和使用情况。

Claims (7)

1.一种主动式RFID电子标签，该主动式RFID电子标签与读卡器配合工作，RFID电子标签的微处理器通过射频前端模块与天线模块连接，其特征在于：RFID电子标签还包括电能转换模块、供电模块；电能转换模块通过供电模块与RFID电子标签的微处理器连接，射频前端模块与供电模块连接。

2.根据权利要求1所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：电能转换模块为光转电模块、热转电模块、磁转电模块或压电转换器。

3.根据权利要求1所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：供电模块提供或存储电能，其为法拉电容或锂电池。

4.根据权利要求1所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：RFID电子标签还包括传感器、存储器；传感器、存储器分别与供电模块连接，传感器通过存储器与RFID电子标签的微处理器连接。

5.根据权利要求4所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：传感器至少包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器、光传感器、声音传感器、浓度传感器、位移传感器、位置传感器。

6.根据权利要求4所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：RFID电子标签还包括内置于射频前端模块中的VHF信标信号发射器，VHF信标信号发射器与供电模块连接；读卡器连接有VHF信标信号接收器，接收VHF信标信号发射器发出的用于定位的VHF信标信号。

7.根据权利要求6所述的主动式RFID电子标签，其特征在于：采用3个以上已知坐标的读卡器，每个读卡器连接有一个VHF信标信号接收器。