CN107133665A - 抵御电磁干扰的支持rfid标签读取的智能可穿戴设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，目的是阻断智能可穿戴设备金属外壳感应涡流产生的电磁干扰，有效增强信号的强度，提升通信稳定性，增大通信距离。技术方案是依据RFID的通信原理与通信过程，改进智能穿戴设备金属外壳的结构，在智能穿戴设备中增加软磁屏蔽材料，且优化RFID标签的线圈在智能可穿戴设备中的位置，使RFID标签的线圈能够最大程度地感应RFID读取设备发出的磁场，使得智能可穿戴设备的感应功能更强。本发明有效解决了智能可穿戴设备的金属外壳可能存在的电磁干扰，使得嵌入在智能可穿戴设备金属外壳中的RFID标签能够有效的与RFID标签读取设备进行数据交互，增大感应距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成RFID(Radio Frequency Identification,无线射频识别)标签的智能可穿戴设备(指可以随身携带，由其内部的芯片中的软件完成特定功能的智能设备，如智能手表、智能手环等)，该设备在接受RFID读取设备读取时能抵御电磁干扰。
背景技术
目前，在智能可穿戴设备中集成RFID标签，使得智能可穿戴设备具有刷卡消费、门禁识别、刷公交卡等功能，极大的方便了人们的生活。但是用于与RFID 读取设备进行通信的RFID标签的线圈通常嵌入在智能可穿戴设备内部，通信过程的稳定性以及通信的有效距离容易受到智能可穿戴设备内部结构以及线圈放置位置的影响。特别是人们对于金属质感的追求，使得具有金属外壳的智能可穿戴设备更加流行。然而金属外壳对RFID标签以及RFID读取设备发出的电磁波的干扰作用更强，弱化了通信过程的稳定性，缩短了有效的通信距离。
当智能可穿戴设备处在RFID读取设备产生的磁场中，接受RFID读取设备发出的信号，根据楞次定律，作为信号的接受端，智能可穿戴设备的金属外壳会产生感应电涡流，感应电涡流产生一个与RFID读取设备产生的磁场方向相反的感应磁场。因此，金属外壳产生的感应磁场会使得智能可穿戴设备中的RFID标签的线圈接受的信号减弱，有效通信距离变短。当超过一定距离时，金属外壳产生的电磁干扰将严重影响通信过程的有效性甚至使得通信过程无法完成。当智能可穿戴设备中的RFID标签的线圈作为信号的发射端时，会遇到同样的问题。
目前，解决上述问题的研究主要集中在改进RFID标签嵌入在智能可穿戴设备中的位置。专利申请号为ZL201520222403.0的实用新型专利“一种智能表带”将由线圈以及芯片组成的RFID标签嵌入到智能可穿戴设备的表带中，芯片带有防损保护片。这种设备的优点是：RFID标签与智能可穿戴设备的主体部分相分离，RFID标签的线圈与智能可穿戴设备的主体部分产生的电磁干扰隔离。缺点是：由于表带尺寸有限，形状固定，限制了RFID标签的线圈的尺寸与形状，同时可穿戴设备表带在使用时，需要反复弯曲，容易对集成在其中的RFID标签造成损坏。
曾忆在其2013年硕士论文《应用于NFC系统中的软磁屏蔽材料》([D].湖北武汉：华中科技大学)探究了软磁屏蔽材料对金属部件产生的电磁干扰的屏蔽作用。在RFID标签的线圈与金属部件之间放置一层软磁屏蔽材料，可以防止金属部件产生感应涡流，极大程度的维持磁场强度。并且，在一定范围内软磁屏蔽材料的尺寸越大、与RFID标签的线圈的距离越近、厚度越大，屏蔽效果越好。这种方法可有效减弱金属部件对RFID标签的线圈产生的电磁干扰。但该方法只证明了软磁屏蔽材料能对金属部件产生的电磁干扰进行屏蔽，未提出将软磁屏蔽材料应用于智能可穿戴设备的具体方法，且由于智能可穿戴设备的尺寸有限，内部结构复杂，软磁屏蔽材料的尺寸与位置也将受到限制，没有被软磁屏蔽阻断的磁场，仍将在智能可穿戴设备的金属部件中产生感应涡流，所以在智能可穿戴设备中设置软磁屏蔽材料不能完全屏蔽金属部件产生的电磁干扰。
如何阻断感应涡流产生的电磁干扰，有效增强信号的强度，提升通信稳定性，增大通信距离，是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，阻断智能可穿戴设备金属外壳感应涡流产生的电磁干扰，有效增强信号的强度，提升通信稳定性，增大通信距离。
本发明的技术方案是依据RFID的通信原理与通信过程，改进智能穿戴设备金属外壳的结构，在智能穿戴设备中增加软磁屏蔽材料，减弱甚至消除金属外壳产生的电磁干扰。并且，优化RFID标签的线圈在智能可穿戴设备中的位置，使 RFID标签的线圈能够最大程度地感应RFID读取设备发出的磁场，使得智能可穿戴设备的感应功能更强。
本发明的具体技术方案是：
在考虑用户刷卡使用习惯的基础上，依据RFID的通信原理与通信过程，优化RFID标签集成在智能可穿戴设备中的位置，并在RFID标签与智能可穿戴设备的外壳底盖之间放置软磁屏蔽材料。并且设计金属外壳的结构，解决智能可穿戴设备的金属外壳对RFID标签的线圈产生的电磁干扰问题，减弱甚至消除金属外壳产生的电磁干扰。
一种抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，包括智能可穿戴设备外壳、显示屏、电路板、电池、RFID标签、软磁屏蔽材料。显示屏、电路板、电池与现有智能可穿戴设备上的相应部件形状结构相同，无须改进。显示屏、电路板、电池、RFID标签、软磁屏蔽材料均包裹在智能可穿戴设备外壳内。
智能可穿戴设备外壳为金属材料制备，由外壳上盖、外壳底盖、外壳边框组成，3个部件可以是任意形状。外壳上盖与外壳底盖形状相同，外壳上盖由中间的透明区域与四周的非透明区域组成，透明区域的面积大于显示屏显示面的面积，保证能清楚地看清显示屏的显示。非透明区域具有与透明区域贴合的内侧边缘以及与外壳边框贴合的外侧边缘。外壳边框与外壳上盖、外壳底盖的轮廓相匹配，外壳上盖、外壳底盖分别与外壳边框的上、下面固定在一起，构成一个空心的空间，该空间的容积满足容纳显示屏、电路板、电池、RFID标签、软磁屏蔽材料。
RFID标签由芯片、线圈组成，RFID标签的线圈沿外壳上盖非透明区域的内侧边缘向外侧边缘绕制成环形并固定在外壳上盖非透明区域的内侧边缘与外侧边缘之间，芯片焊接在线圈内侧同时固定在外壳上盖非透明区域的内侧边缘与外侧边缘之间，与线圈一起放置在外壳上盖非透明区域的内侧边缘与外侧边缘之间。内侧边缘与外侧边缘之间的宽度满足正好覆盖线圈和芯片，使得芯片不会漫延到透明区域(保证从透明区域看不到芯片)。线圈所围成的区域中心放置显示屏，显示屏、芯片、线圈紧贴外壳上盖处于同一水平面上，显示屏的一端可以与芯片一侧紧贴以使空间紧凑，显示屏、芯片、线圈的下面放置电池与电路板，电路板与电池的下面紧贴外壳底盖。在显示屏、芯片、线圈这一层与电池、电路板这一层之间铺设软磁屏蔽材料。软磁屏蔽材料的形状、尺寸满足将显示屏、芯片、线圈这一层与电池、电路板这一层之间的空隙填满即可。软磁屏蔽材料的磁导率要求满足当磁场频率为13.56MHz时大于150H/m(亨利/米)(目前高频RFID标签的通信磁场频率均为13.56MHz)。软磁屏蔽材料可以使穿过RFID标签、显示屏的磁场与电池、电路板相隔离，进而与外壳底盖相隔离，使外壳底盖无法产生感应涡流，有效屏蔽外壳底盖产生的感应磁场对通信信号的电磁干扰，极大增强通信过程的稳定性，增大通信距离。读卡器在发射信号时，在读卡器线圈的垂直方向上，与读卡器线圈平面的距离越远，磁场强度越弱，RFID标签紧贴在可穿戴设备外壳上盖非透明区域内侧边缘与外侧边缘之间，可最大限度减小读卡器线圈与RFID标签的线圈的距离，极大增大有效通信距离。除此之外，这种设计方案，具有良好的人机使用体验。用户在使用智能可穿戴设备中的RFID标签功能时，将智能可穿戴设备的外壳上盖外面贴在RFID标签读取设备即读卡器表面，符合用户的使用习惯。
外壳边框在平行于显示屏所在平面方向上存在闭合的回路，在智能可穿戴设备处于读卡器线圈产生的磁场中时，外壳边框产生感应涡流，感应涡流产生的感应磁场与读卡器线圈产生的磁场方向相反，会减弱RFID标签感应到的读卡器线圈产生的磁场的磁场强度，降低RFID标签感应到的信号的强度。为解决这一问题，在外壳边框设置断层，断层不具有特定的位置、大小、形状，只是在外壳边框的任意位置挖一个凹陷，使外壳边框在平行于显示屏所在平面的方向上不存在闭合的金属回路即可。为美观起见，这种断层可以用非金属材料进行填充，保证外壳边框结构上的连续性。断层使金属边框在读卡器线圈发射的磁场中，产生感应电动势，但不产生感应涡流，使得不对读卡器线圈发射的磁场产生电磁干扰，解决了目前金属外壳边框产生的电磁干扰。
由于智能可穿戴设备提供的功能不同，智能可穿戴设备还可有表带、显示屏背光板和显示屏支架，一般表带绕在智能可穿戴设备外壳上，以方便用户戴在手腕或挂在手上，显示屏背光板附着在显示屏背面，可发光以点亮显示屏，方便用户在夜间查看显示屏内容，显示屏支架用以支撑防磁贴、屏幕背光板、显示屏。
本发明有效解决了智能可穿戴设备的金属外壳可能存在的电磁干扰，从而使得嵌入在智能可穿戴设备金属外壳中的RFID标签能够有效的与RFID标签读取设备进行数据交互，增大感应距离。
附图说明
图1是本发明智能可穿戴设备整体结构轴向剖视图；
图2是安装有显示屏支架11、显示屏背光板12的智能可穿戴设备一种实例的整体结构轴向剖视图；
图3是本发明智能可穿戴设备软磁屏蔽材料作用效果图；
图4是本发明智能可穿戴设备的外壳边框结构俯视图。
具体实现方式
图1为本发明智能可穿戴设备的整体结构轴向剖视图，剖的方向是与水平面垂直方向。智能可穿戴设备包括智能可穿戴设备外壳、RFID标签、显示屏7、软磁屏蔽材料8、电路板9、电池10。RFID标签、显示屏7、软磁屏蔽材料8、电路板9、电池10均包裹在智能可穿戴设备外壳内。
智能可穿戴设备外壳为金属材料制备，由外壳上盖、外壳边框3、外壳底盖 4组成，3个部件可以是任意形状。外壳上盖与外壳底盖形状相同，外壳上盖由中间的透明区域1与四周的非透明区域2组成，透明区域1的面积大于显示屏7 显示面的面积，保证能清楚地看清显示屏7的显示。非透明区域2具有与透明区域1贴合的内侧边缘以及与外壳边框3贴合的外侧边缘。外壳边框3与外壳上盖、外壳底盖4的轮廓相匹配，外壳上盖、外壳底盖4分别与外壳边框3的上、下面固定在一起，构成一个空心的空间，该空间的容积满足容纳显示屏7、电路板9、电池10、RFID标签、软磁屏蔽材料8。
RFID标签由线圈5、芯片6组成，RFID标签的线圈5沿外壳上盖非透明区域 2的内侧边缘向外侧边缘绕制成环形并固定在外壳上盖非透明区域2的内侧边缘与外侧边缘之间，芯片6焊接在线圈5内侧同时固定在外壳上盖非透明区域2 的内侧边缘与外侧边缘之间，与线圈5一起放置在外壳上盖非透明区域2的内侧边缘与外侧边缘之间。内侧边缘与外侧边缘之间的宽度满足能够覆盖线圈5和芯片6，使得芯片6不会漫延到透明区域1(保证从透明区域1看不到芯片6)。线圈5所围成的区域中心放置显示屏7，显示屏7、芯片6、线圈5紧贴外壳上盖处于同一水平面上，显示屏7的一端可以与芯片一侧紧贴以使空间紧凑，显示屏 7、芯片6、线圈5的下面放置电路板9与电池10，电路板9与电池10的下面紧贴外壳底盖4。在显示屏7、芯片6、线圈5这一层与电路板9、电池10这一层之间铺设软磁屏蔽材料8。软磁屏蔽材料的形状、尺寸满足将显示屏7、芯片6、线圈5这一层与电路板9、电池10这一层之间的空隙填满。
图2是安装有显示屏支架11、显示屏背光板12的智能可穿戴设备一种实施例的整体结构轴向剖视图；如图2所示，智能可穿戴设备主体部分由智能可穿戴设备外壳(由外壳上盖(由外壳上盖透明区域1、外壳上盖非透明区域2组成) 外壳边框3、外壳底盖4)、显示屏7、显示屏背光板12、显示屏支架11、RFID 标签(由线圈5、芯片6组成)、软磁屏蔽材料8、电路板9、电池10组成。当有显示屏背光板12时，显示屏背光板12附着在显示屏7背面，发光用以点亮显示屏7。当安装有显示屏背光板12时，软磁屏蔽材料8附着在显示屏背光板的下表面。当有显示屏支架11时，显示屏支架11附着在软磁屏蔽材料8下面，显示屏支架11的下面放置电路板9、电池10，显示屏支架11的两端固定在外壳底盖4上。
图3为本发明的智能可穿戴设备的软磁屏蔽材料8对电磁干扰的屏蔽作用效果图。当读卡器线圈发射的磁场13穿过RFID标签的线圈5时，在没有软磁屏蔽材料8的情况下，磁场13会穿过外壳底盖4，在外壳底盖4中产生感应涡流，由于感应涡流产生的磁场14的方向与读卡器线圈发射的磁场13的方向相反，从而削弱磁场13，降低通信信号的强度。在RFID标签的线圈5与外壳底盖4之间放置软磁屏蔽材料8，由于软磁屏蔽材料8的高磁导率，在磁场13由软磁屏蔽材料8穿过线圈5时，不会穿过外壳底盖4，从而防止外壳底盖4对磁场13的干扰。
图4为图1所示外壳边框3的俯视图。如果外壳边框3没有断层15，当有磁场穿过外壳边框3所围区域时，在外壳边框3中产生感应涡流，感应涡流产生的磁场的方向与磁场13的方向相反，从而削弱通信信号的强度。在外壳边框3中任意位置挖一个断层15(即一个凹陷)，使外壳边框3在平行于显示屏所在平面的方向上上不存在闭合的金属回路，由法拉第电磁感应定律知，当有磁场穿过外壳边框3所围区域时，在外壳边框3的断层15位置，只会产生感应电动势，而不会产生感应电流，从而避免了外壳边框3对磁场的干扰。
Claims (10)
1.一种抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，包括智能可穿戴设备外壳、显示屏(7)、电路板(9)、电池(10)、RFID标签；显示屏(7)、电路板(9)、电池(10)、RFID标签均包裹在智能可穿戴设备外壳内；智能可穿戴设备外壳为金属材料制备，RFID标签由线圈(5)、芯片(6)组成；其特征在于智能可穿戴设备还包括软磁屏蔽材料(8)，软磁屏蔽材料(8)也包裹在智能可穿戴设备外壳内；智能可穿戴设备外壳由外壳上盖、外壳边框(3)、外壳底盖(4)组成；外壳边框(3)设置有断层(15)；外壳上盖由中间的透明区域(1)与四周的非透明区域(2)组成，非透明区域(2)具有与透明区域(1)贴合的内侧边缘以及与外壳边框(3)贴合的外侧边缘；RFID标签的线圈(5)沿外壳上盖非透明区域(2)的内侧边缘向外侧边缘绕制成环形并固定在外壳上盖非透明区域(2)的内侧边缘与外侧边缘之间，芯片(6)焊接在线圈(5)内侧同时固定在外壳上盖非透明区域(2)的内侧边缘与外侧边缘之间；线圈(5)所围成的区域中心放置显示屏(7)；显示屏(7)、芯片(6)、线圈(5)紧贴外壳上盖处于同一水平面上，显示屏(7)、芯片(6)、线圈(5)的下面放置电池(10)与电路板(9)，电路板(9)与电池(10)的下面紧贴外壳底盖(4)；在显示屏(7)、芯片(6)、线圈(5)这一层与电池(10)、电路板(9)这一层之间铺设软磁屏蔽材料(8)。
2.如权利要求1所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述智能可穿戴设备外壳的外壳上盖与外壳底盖(4)形状相同，外壳上盖的透明区域(1)的面积大于显示屏(7)显示面的面积，外壳上盖非透明区域(2)的内侧边缘与外侧边缘之间的宽度能够覆盖线圈(5)和芯片(6)；外壳边框(3)与外壳上盖、外壳底盖(4)的轮廓相匹配，外壳上盖、外壳底盖(4)分别与外壳边框(3)的上、下面固定在一起，构成一个空心的空间，该空间的容积满足容纳显示屏(7)、电路板(9)、电池(10)、RFID标签、软磁屏蔽材料(8)。
3.如权利要求1所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述显示屏(7)的一端与RFID标签的芯片(6)一侧紧贴。
4.如权利要求1所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述软磁屏蔽材料(8)的形状、尺寸满足将显示屏(7)、芯片(6)、线圈(5)这一层与电池(10)、电路板(9)这一层之间的空隙填满。
5.如权利要求4所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述软磁屏蔽材料(8)的磁导率要求满足当通信磁场频率为13.56MHz时大于150亨利/米。
6.如权利要求1所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述断层(15)指在外壳边框(3)的任意位置挖一个凹陷，使外壳边框(3)在平行于显示屏所在平面的方向上不存在闭合的金属回路。
7.如权利要求6所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述断层(15)用非金属材料进行填充，保证外壳边框(3)结构上的连续性。
8.如权利要求1所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述智能可穿戴设备还包括表带、显示屏背光板(12)和显示屏支架(11)，表带绕在智能可穿戴设备外壳上，显示屏背光板(12)附着在显示屏(7)背面，显示屏支架(11)用以固定显示屏(7)。
9.如权利要求8所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述软磁屏蔽材料(8)附着在显示屏背光板(12)的下表面。
10.如权利要求9所述的抵御电磁干扰的支持RFID标签读取的智能可穿戴设备，其特征在于所述显示屏支架(11)附着在软磁屏蔽材料(8)下面，显示屏支架(11)的下面放置电池(10)、电路板(9)，显示屏支架(11)的两端固定在外壳底盖(4)上。
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- 2017-06-22 CN CN201710480842.5A patent/CN107133665A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Yaoxue Inventor after: Kang Fei Inventor after: Li Shaoyong Inventor after: Guo Hui Inventor before: Zhang Yaoxue Inventor before: Liu Yaping Inventor before: Kang Fei Inventor before: Liao Haining Inventor before: Zhang Shuo Inventor before: Li Shaoyong Inventor before: Guo Hui |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170905 |