CN107016433A - 基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源rfid设备 - Google Patents

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刘力
崔宗敏
杨祎楠
卢姗姗
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Abstract

本发明涉及一种基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，用于增加可穿戴无源RFID设备的可识读距离，包括基体和附着在基体上的电子标签，基体的四周覆盖有防水薄膜，防水薄膜采用柔性绝缘材料，电子标签采用无源被动式，包括RFID通信天线、RFID芯片电路和RFID芯片，其中，RFID通信天线用于接收和发送无线射频通信信号，RFID芯片电路用于对RFID无线射频通信信号进行滤波和调制解调，并为RFID芯片提供基础通信所需能量，RFID芯片，用于对接收到的无线射频通信信号作出应答，电子标签连接有能量收集装置，能量收集装置包括依次相连的能量收集天线、能量收集电路和储能元件。

Description

基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备
技术领域
本发明属于射频电子技术领域，涉及一种可穿戴无源RFID设备，具体涉及一种基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，可用于门禁、儿童防走失、养老院老人定位、体育竞技和监狱犯人管理等领域。
背景技术
目前可穿戴设备大多可以连接手机或其他终端设备，可穿戴设备通常以人体为载体、通过便携式穿戴，实现对应的业务功能。按照存在形态主要可以分为五种：以手腕为支撑，如手表、戒指和腕带等，以头颈为支撑，如眼镜、头盔、头饰、领带和耳机等，以脚部为支撑，如鞋、袜、脚链或其它脚腕饰品等，以腰部为支撑，如皮带、腰带和减肥瘦身带等，以其他部位为支撑，如绷带、衣物和书包等。
衣物类可穿戴设备电子标签的RFID通信天线属于柔性天线，在考虑回波损耗与方向性满足要求的前提下，需要尽可能减小天线的后向散射以降低比吸收率，满足无线通信设备中电磁波辐射对人体的影响低于国家标准(2.0W/Kg)的条件。
目前实际应用中的可穿戴RFID系统多种多样，基本组成主要包括阅读器和电子标签，阅读器用来采集电子标签上的信息并处理。电子标签由RFID天线、RFID芯片电路和RFID芯片组成，主要用途是用来标识物件，它通过编码的方式给予物件一个唯一的ID，以此来鉴别不同的物件。
在现有技术中，可穿戴RFID设备的可识读距离根据供电方式的不同也有很大差异，从几厘米到几十米不等。而对于可穿戴无源RFID设备，由于电子标签为被动式，只能利用阅读器辐射的电磁波能量，用反向散射将通信数据返回阅读器，导致可穿戴无源RFID设备的可识读距离太短，实际应用范围受限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，采用多频织物阵列天线作为能量收集天线，当电子标签与阅读器处于非通信状态时，其感应当前空间中的无线射频信号能量，为RFID芯片提供额外的工作能源，增加了可穿戴无源RFID设备的可识读距离。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，包括基体和附着在基体上的电子标签，所述电子标签包括RFID通信天线、RFID芯片电路和RFID芯片，所述RFID通信天线，用于接收和发送无线射频通信信号，所述RFID芯片电路，用于对RFID无线射频通信信号进行滤波和调制解调，并为RFID芯片提供基础通信所需能量，所述RFID芯片，用于对接收到的无线射频通信信号作出应答；所述基体的四周覆盖有防水薄膜，所述防水薄膜采用柔性绝缘材料；所述电子标签采用无源被动式，所述RFID芯片连接有能量收集装置，所述能量收集装置包括依次相连的能量收集天线、能量收集电路和储能元件，其中：
所述能量收集天线，采用导电织物材料，用于感应当前空间的无线射频信号能量；
所述能量收集电路，用于对当前空间无线射频信号进行整流、滤波和稳压；
所述储能元件，用于储存当前空间无线射频信号转化的直流能量。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，所述能量收集天线，采用多频织物阵列天线。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，所述能量收集电路，其与能量收集天线阻抗匹配。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，所述储能元件，采用微型超级电容。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于RFID芯片连接有无线射频能量收集装置，能够充分利用当前空间环境条件，收集当前空间中对应能量收集天线响应频率的多种无线射频信号能量，增加了可穿戴无源RFID设备的可识读距离，与现有技术相比，有效地扩展了可穿戴无源RFID设备的应用范围。
2、本发明由于基体覆盖有采用柔性材料的防水薄膜，能量收集天线采用织物材料，具有可弯曲性和防潮防湿性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明电子标签的结构示意图；
图3是本发明实施例采用的能量收集天线结构示意图；
图4是本发明具体实施例1电子标签收集移动通信信号能量示意图；
图5是本发明具体实施例2电子标签收集WiFi信号能量示意图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例可穿戴无源RFID设备所处的当前空间覆盖有移动通信基站的GSM和4G移动通信的无线射频信号，能量收集天线为双频(900M和1800M)织物阵列天线。
参照图1，一种基于无线射频能量收集的可穿戴无源RFID设备，包括基体和附着在基体上的电子标签，基体采用具有柔性的尼龙织物，置于衣物背部的夹层内，基体的四周覆盖有防水薄膜，其采用高分子聚乙烯薄膜。如图2所示，电子标签包括RFID通信天线、RFID芯片电路和RFID芯片，其中，RFID通信天线用于接收和发送无线射频通信信号；RFID芯片电路用于对RFID无线射频通信信号进行滤波和调制解调，并为RFID芯片提供基础通信所需能量；RFID芯片用于对接收到的无线射频通信信号作出应答。电子标签采用无源被动式，其连接有能量收集装置，包括依次相连的能量收集天线、能量收集电路和储能元件，其中：能量收集天线用于感应当前空间的无线射频信号能量；能量收集电路用于对当前空间无线射频信号进行整流、滤波和稳压；储能元件用于储存低当前空间无线射频信号转化的直流能量。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，其能量收集天线可为各种符合导电织物特性的天线类型，如环形天线、八木天线和微带天线等，本实施例采用多频微带织物阵列天线，响应频段可为各种室内室外覆盖的无线射频信号所在频段，如移动通信GSM、移动通信4G、wifi、zigbee、蓝牙、数字电视和FM广播等，本实施例采用的能量收集天线为双频(900M、1800M)织物阵列天线，响应频段分别对应移动通信GSM无线射频信号和移动通信4G无线射频信号，能量收集天线的结构如图3所示，该能量收集天线为微带阵列天线，独立的微带天线元由导电织物制成，本实施例中导电织物为有涂层镀金属尼龙织物，阵列排布为4元天线阵列，馈电网络馈线与能量收集电路相连。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，其能量收集电路与能量收集天线阻抗匹配，且通过能量收集天线馈电网络馈线相连接，能够将能量收集天线感应到的无线射频信号能量转化为可以储存于储能元件的直流能量，为RFID芯片提供额外的工作能源。
上述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，储能元件分别与能量收集电路和RFID芯片相连，储能元件储存的直流能量为RFID芯片提供额外的工作能源，储能原件采用微型超级电容，其有限的体积内可以储存相较于普通电容更多的直流能量。
参照图4，当可穿戴无源RFID设备处于非工作状态时，对当前空间所覆盖的移动通信GSM信号(900M)或4G信号(1800M)频段响应，能量收集电路与能量收集天线阻抗匹配，能量收集电路对移动通信无线射频信号进行整流，滤波，稳压，最终以直流能量的形式储存于储能元件。
可穿戴无源RFID设备处于工作状态时，可穿戴无源RFID设备对应的阅读器向电子标签发送阅读请求，若电子标签在阅读器可识读范围内，电子标签利用阅读器发送阅读请求的无线射频信号能量返回阅读器所请求的数据。若电子标签不在阅读器的可识读范围内，电子标签利用储能元件所储存直流能量增强信号发射功率，返回阅读器所请求的数据。
实施例2
本实施例与实施例1区别在于：本实施例可穿戴无源RFID设备所处的当前空间覆盖有无线路由器的无线局域网WiFi信号，本实施例采用的能量收集天线为双频(2.4G和5.8G)织物阵列天线。
参照图5，当可穿戴无源RFID设备处于非工作状态时，对当前空间所覆盖的WiFi信号(2.4G和5.8G)频段响应，能量收集电路与能量收集天线阻抗匹配，能量收集电路对移动通信无线射频信号进行整流，滤波，稳压，最终以直流能量的形式储存于储能元件。
可穿戴无源RFID设备处于工作状态时，可穿戴无源RFID设备对应的阅读器向电子标签发送阅读请求，若电子标签在阅读器可识读范围内，电子标签利用阅读器发送阅读请求的无线射频信号能量返回阅读器所请求的数据。若电子标签不在阅读器的可识读范围内，电子标签利用储能元件所储存直流能量增强信号发射功率，返回阅读器所请求的数据。

Claims (4)

1.一种基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，包括基体和附着在基体上的电子标签，所述电子标签包括RFID通信天线、RFID芯片电路和RFID芯片，所述RFID通信天线，用于接收和发送无线射频通信信号，所述RFID芯片电路，用于对RFID无线射频通信信号进行滤波和调制解调，并为RFID芯片提供基础通信所需能量，所述RFID芯片，用于对接收到的无线射频通信信号作出应答；其特征在于，所述基体的四周覆盖有防水薄膜，所述防水薄膜采用柔性绝缘材料；所述电子标签采用无源被动式，所述RFID芯片连接有能量收集装置，所述能量收集装置包括依次相连的能量收集天线、能量收集电路和储能元件，其中：
所述能量收集天线，采用导电织物材料，用于感应当前空间的无线射频信号能量；
所述能量收集电路，用于对当前空间无线射频信号进行整流、滤波和稳压；
所述储能元件，用于储存当前空间无线射频信号转化的直流能量。
2.根据权利要求1所述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，其特征在于，所述能量收集天线，采用多频织物阵列天线。
3.根据权利要求1所述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，其特征在于，所述能量收集电路，其与能量收集天线阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源RFID设备，其特征在于，所述储能元件，采用微型超级电容。
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