CN107257979A - 用于从邻近耦合设备进行能量收集的方法和装置 - Google Patents

用于从邻近耦合设备进行能量收集的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开总地涉及用于由邻近集成电路卡从邻近耦合设备(PCD)进行能量收集的方法和装置。在一个实施例中，PICC包括集成的BLE。BLE可排它地由从PCD接收的外部磁场充电。PCD可被配置为检测PICC何时靠近并且增加的它的占空比从而增加暴露于PICC的磁场。PICC可包括接收并转换磁场至电势或电压的电路。电压可被存储在电容器处以供BLE使用。

Description

用于从邻近耦合设备进行能量收集的方法和装置
技术领域
本公开涉及使用邻近耦合设备对装备有辅助通信平台的邻近集成芯片卡进行充电的方法、装置和系统。
背景技术
惯有的邻近卡是一种无须将它插入到阅读器(reader)设备而能够被读取的智能卡。更早一代的标识卡具有磁条，磁条需要接触磁性阅读器或者插入通过磁性阅读器来进行读取。新一代的智能卡或邻近卡可被保持为接近电子阅读器或者邻近耦合设备(PCD)一段时间从而被读取或者交换信息。阅读器常常产生哔哔声或其它声音来指示卡已经被读取。邻近卡通常具有2至8英寸左右的读取范围。典型的邻近卡包括125kHz(较老的版本)设备或者13.56MHz(较新的)无接触智能卡。智能卡是有源或者无源的。
卡和阅读器单元通过无线电频率场和谐振能量传输过程来彼此通信。无源卡具有密封在塑料内侧的三个组件：由线圈组成的天线、电容器、和集成电路(IC)，集成电路包含用户的ID号或其它数据。阅读器单元具有它自己的天线，该天线持续地发射短距离无线电频率磁场。
无源卡被阅读器设备充电。当卡被放置在阅读器的范围内时，形成调谐电路的天线线圈和电容器吸收并存储来自场的能量。能量然后被整流至直流以对IC供电。因为对卡供电的所有能量来自于阅读器单元，所以无源卡必须靠近阅读器来工作。结果，仅具有有限的范围。有源卡由锂电池供电。有源卡的IC包括使用电池的能量来放大来自阅读器单元的信号的接收器，所以它更强大并且能够在更远的距离处检测到阅读器。电池对来自智能卡的信号传输供电。
附图说明
现在将参考以下示例性和非限制性图示来论述本公开的这些和其它实施例，其中相同的元件被同样地编号，并且其中：
图1示出了用示波器测量的代表性PCD设备(即，标记阅读器)的轮询周期；
图2是根据本公开的一个实施例的邻近集成电路卡(PICC)的框图；
图3是根据本公开的一个实施例的适应性PCD充电过程的流程图；
图4示出了根据本公开的一个实施例的ATQ命令的示例性位映射；以及
图5示出了用于在与PICC通信的PCD中实现适应性轮询周期的示例性流程图。
具体实施方式
某些实施例可结合以下各种设备和系统来使用：例如，移动电话、智能电话、膝上型计算机、传感器设备、蓝牙(BT)设备、UltrabookTM、笔记本计算机、平板计算机、手持设备、个人数字助理(PDA)设备、手持PDA设备、机载(on board)设备、离机(off-board)设备、混合设备、车载设备、非车载设备、移动或便携设备、消费者设备、非移动或非便携设备、无线通信台站、无线通信设备、无线接入点(AP)、有线或无线路由器、有线或无线调制解调器、视频设备、音频设备、音视频(AV)设备、有线或无线网络、无线域网络、无线视频域网络(WVAN)、局域网(LAN)、无线LAN(WLAN)、个域网(PAN)、无线PAN(WPAN)等等
一些实施例可以结合以下设备和/或网络来使用：根据现有电气与电子工程师协会(IEEE)标准(IEEE 802.11-2012，信息技术的IEEE标准-系统之间的电信和信息交换-局域网和城域网-具体要求第11部分：无线LAN介质访问控制(MAC)层和物理层(PHY)规范，2012年3月29日；IEEE 802.11任务组ac(TGac)(“IEEE 802.11-09/0308r12-TGac信道模型附录文档”)；IEEE 802.11任务组ad(TGad)(IEEE 802.11ad-2012，信息技术的IEEE标准并且在WiGig品牌下引入市场-系统之间的电信和信息交换-局域网和城域网-具体要求-第11部分：无线LAN介质访问控制(MAC)层和物理层(PHY)规范-修订3：60GHz频带中的极高吞吐量的增强，2012年12月28日))和/或它们的未来版本和/或衍生版本操作的设备和/或网络；根据现有无线保真(WiFi)联盟(WFA)对等(P2P)规范(WiFi P2P技术规范，第1.2版，2012年)和/或它们的未来版本和/或衍生版本操作的设备和/或网络；根据现有蜂窝规范和/或协议(例如，第三代合作伙伴计划(3GPP)、3GPP长期演进(LTE))和/或它们的未来版本和/或衍生版本操作的设备和/或网络；根据现有无线HDTM规范和/或它们的未来版本和/或衍生版本操作的设备和/或网络；上述网络的一部分的单元和/或设备等等。
一些实施例可结合BT和/或低功耗蓝牙(BLE)标准来实现。如简要论述的那样，BT和BLE是用于使用工业、科学和医学(ISM)无线电频带(即，从2400至2483.5MHz的频带)中的短波长UHF无线电波短距离交换数据的无线技术标准。BT通过建立个域网(PAN)来连接固定设备和移动设备。蓝牙使用跳频扩展频谱。发送的数据被划分到分组中并且每个分组在79个指定的BT信道中的一个信道上发送。每个信道具有1MHz的带宽。近期开发的BT实现方式蓝牙4.0使用2MHz间隔，其允许40个信道。
一些实施例可与单向和/或双向无线电通信系统、BT设备、BLE设备、蜂窝无线电电话通信系统、移动电话、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统(PCS)设备、包含无线通信设备的PDA设备、移动或便携式全球定位系统(GPS)设备、包含GPS接收机或收发机或芯片的设备、包含RFID元件或芯片的设备、多输入多输出(MIMO)收发机或设备、单输入多输出(SIMO)收发机或设备、多输入单输出(MISO)收发机或设备、具有一个或多个内置天线和/或外置天线的设备、数字视频广播(DVB)设备或系统、多标准无线电设备或系统、诸如智能电话、无线应用协议(WAP)设备等等的有线或无线手持设备等等结合使用。一些说明性实施例可结合WLAN使用。其它实施例可结合任何其它适合的无线通信网络(例如，无线域网、“微微网(piconet)”、WPAN、WVAN等等)使用。
在一个实施例中，本公开涉及具有集成式辅助通信平台的PICC。在一个实施例中，辅助通信平台是BLE无线电设备(radio)。PICC可以是无源的(无需电池来工作)并且可被配置用于近场通信。BLE平台可被配置为发送和接收常规的信标信号。BLE可被配置为在靠近安全设备时，例如通过自动地交换登录证书来提供登录协助。
当示例性PICC针对诸如标记阅读器之类的邻近耦合设备(PCD)被扫描(可互换地，被紧随(tagged))时，PICC可从该PCD收集能量。当用户扫描标记(badge)以访问场所时，扫描可完成。标记可在电容器中存储能量并且维持BLE无线电设备在一持续时间(例如，一整天)用于用户邻近存在和位置检测的功率消耗。在一个实施例中，PCD被配置为识别PICC的存在并且增加它的轮询周期以在短扫描持续时间期间对PICC进行有效充电。在另一实施例中，近场通信(NFC)阅读器或其它可兼容的磁场生成设备(例如，ISO 14443、18002或15693标准设备)可被用作能量源。
在另一实施例中，本公开涉及具有PICC的BLE无线电设备，从而使得BLE无线电设备被PCD充电。这可避免对于外部电池的需求。PICC可被用于不同应用。例如，PICC可被用于登入到PC，它可被配置为使得节省PC在不活动时的功率，或者可被用于维护PC设置或家庭/办公室自动化。
在某些实施例中，本公开提供用于从PCD设备收集能量的方法和系统。许多办公室被电气地保护并且需要挥扫标记来获得对场所的访问。在某些实施例中，从PCD发送的能量被收集以维持PICC中嵌入的BLE无线电设备的功率消耗。因为所公开的设备不需要电池，因此它是轻的并且易于携带。所公开的实施例相比使用常规NFC无线电设备是有利的，因为后者需要NFC阅读器被安装在现有的主机计算机和PC上。
表1示出了针对本公开的实施例的可行性研究的结果。具体地，表1示出了代表性BLE的功率消耗。
表1-示例性BLE设备的功率消耗数据
表1示出了用于发送BLE公告的电流消耗是3.1X 10-6A左右。常规BLE设备每5秒发送信标信号。因而，维持这样的BLE设备的八小时电荷所需的能量是0.08928J左右。
图1示出了用示波器测量的代表性PCD(即，标记阅读器)的轮询周期(可互换地，占空比)。如图1中所示，示例性PCD的轮询周期是10％左右。在图1中，波峰示出了磁场为ON的情形，而波谷示出了生成的磁场为OFF的情形。因而，图1示出了常规PCD的占空比。
表2示出了来自PCD的能量收集结果。具体地，表2中的第一列示出了研究的PICC天线的圈数(N)；第二列是最大磁场(H)；第三列是紧随持续时间(即，PICC和PCD之间的紧邻近或和/或接触)；第四列是活动时段(即，在PICC和PCD之间交换能量的时间长度)；第五列是具有第I类PICC天线的芯片的电流；第六列是所收集的DC电压；第七列是所收集的功率，并且第八列是在紧随持续时间期间所收集的能量。
表2-来自示例性PCD的能量收集
表2中的第一行显示当PICC被紧随64毫秒左右时，能量活动时段是6.2毫秒左右。基于此测量，收集的能量被推导为0.00655J。在表2中的第二行中，紧随时段被扩展至1秒。活动能量收集时段是0.096875秒左右，并且收集的能量是0.01024J左右。表2中的第三行显示当紧随时段增加至两秒时，由PICC收集的能量是0.02048J左右。
图2是根据本公开的一个实施例的邻近集成电路(PICC)的框图。具体地，图2示出了可在PICC设备上实现的本公开的示例性实施例。图2的PICC 200可包括标记阅读器，并且用户可扫描标记以获得对建筑物或办公室的访问。
PICC 200可包括谐振电路210、整流器220、超级电容器230、BLE240、和PICC处理器250。谐振电路210可包括天线和专用电容器。在示例性实施例中，谐振电路可在13.56MHz左右谐振。谐振电路210还可包括从PCD设备(未示出)吸收能量的线圈。示例性PCD设备可包括线圈发送器以发射磁场，磁场可被拾取以对PICC 200充能。整流器220可以是被配置为将磁能转换为电压的任何整流器。整流器220可对超级电容器230充以足够的能量(例如参见表2)以用于BLE无线电设备的消耗。在一个示例性实施例中，超级电容器230可被选择以提供足够的电荷用于BLE 240的八小时左右的功率消耗。在示例性实现中，使用0.02法的电容器。电容足够大以避免PICC的备用电池。
BLE无线电设备240可包括2.4GHz天线并且可由超级电容器230充电。BLE 240可被用于邻近检测以识别附近的BLE设备。PICC处理器250处置PICC和PCD之间的通信。PICC处理器可单独包括处理器电路或者包括处理器电路和用于这样的通信的软件的结合。
在一个示例性应用中，PICC 200可被用作标记以进入办公建筑物或者其它受保护的场所。标记可针对PCD被扫描，PCD被配置为提供增加的占空比(可互换地，轮询周期)以在紧随时间期间对PICC 200充电。PICC 200的谐振电路210可检测并接收由PCD(未示出)发送的磁场。来自磁场的能量可被整流器220转换为电压。经转换的能量然后可被存储在超级电容器230上以对BLE 240供电。
除了对PICC 200充电之外，PCD(未示出)可读取由PICC 200发送的信息以用于识别和安全性目的。可以常规的方式发送信息。可替换地，信息可以是BLE 240的BLE公告的形式。BLE 240包括BLE无线电设备。
在另一实施例中，本公开涉及用于提供适应性PCD轮询周期以收集充足的能量来对BLE设备充电的方法和装置。如关于图1和表1所述，常规的PCD在紧随时段期间发射磁场。根据本公开的一个实施例，PCD的磁场和占空比可被增加从而增强PCD的充电能力。
图3是根据本公开的一个实施例的适应性PCD充电过程的流程图。图3始于步骤310，此时PICC针对PCD被扫描(被紧随)。在步骤310处，PCD识别PICC并且在步骤315处根据所公开的实施例确定PICC是否装备有BLE设备。如果PICC设备包括BLE，那么在步骤320处PICC占空比被增加以允许对BLE设备的充电。
在可选实施例中，PCD可被配置为识别PICC并且根据预定义的参数增加占空比以适应不同的设备。例如，PCD可被编程为如果在步骤310处识别出第一组设备则增加占空比至70％。类似地，PCD可被编程为如果在步骤310处识别出第二组设备则增加占空比至95％。因此，占空比可根据PICC的需求而增加。为此，PCD可包括一个或多个可编程模块(未示出)以接收已知PICC的数据库以及它们相关的占空比要求。
在步骤320处，PCD的占空比增加。如同所述，平均紧随时间是2秒左右。因而，增加的占空比应当被配置为在此短暂暴露期间输送最大的磁场。在步骤325处，PCD做出是否继续用增加的占空比对PICC充电的确定。PCD可以可选地检测PICC的存在。如果PICC不再存在，那么PCD可返回至它正常的占空比，如步骤330所示。如果PICC继续保留在PCD的磁场内，那么更高的占空比可继续，如步骤335所示。在可选实施例中，PICC可被配置为如果设备在预定义的持续时间之后保留存在则减少占空比。PCD可继续地监控PICC的存在并且重复循环，如箭头340所示。
在本公开的某些实施例中，PICC通过消息的互换来与PCD通信。PCD可向PICC发送请求(REQ)并且PICC可回应以对请求的答复(ATQ)。图4示出了根据本公开的一个实施例的ATQ命令的示例性位映射。在图4中，位1-5是防冲突位；位6和位13-16是RFU(预留以供将来使用)位；位7和8是用户标识符(UID)位；并且位9-12是专属编码位。在集成有BLE无线电设备的示例性PICC卡的实现中，ATQ命令中的位9-12可被编程以特定的模式(例如，1111)。当PCD设备接收并检测到具有用于BLE传感器目的的预定义的位模式的ATQ命令时，它可立即把轮询占空比设置为预定义的百分比以增加磁场能量。
图5示出了用于在与PICC通信的PCD中实现适应性轮询周期的示例性流程图。图5的过程始于步骤510。占空比可被设置为10％左右的默认值。一旦PICC被紧随在PCD设备上或者当邻近被检测到时，PCD发送请求(REQ)命令到PICC(参见步骤515)。此时，PICC可接收更低磁场的益处。在步骤520处，PCD从PICC接收ATQ。在步骤525处，ATQ位(b9至b12)被解码。如果位9-12的预定义模式(例如，1111)被认证，那么如步骤530所示，PCD轮询周期可被修改为100％达预定义的持续时间。增加的轮询周期提供了更大的H场能量。结果，当标记被紧随额外的1至2秒时，收集的能量可增加至0.1焦耳。收集的能量能够对BLE设备供电以用于八小时的工作。在示例性实施例中，PICC设备的BLE信标可被配置为比默认的信标间隔更少地活动从而节省能量。
图3和5中的每幅图中示出的步骤可以用硬件、软件、或者硬件和软件的组合来实现。在示例性实施例中，图5的步骤可被存储在存储器电路处并且由与PCD通信的处理器电路来实现。处理器和存储器电路可各自包括附加的硬件和软件来提供期望的功能。在另一示例性实施例中，处理器电路可被编程以逻辑来执行图3和5中示出的步骤。可等同地应用所公开的原理的其它实现方式。
以下是本公开的示例性和非限制实施例以示出本公开的各种实现方式。示例1涉及一种邻近集成电路卡(PICC)，包括：谐振电路，谐振电路从外部源接收磁性能量；整流器，整流器把在谐振电路处接收的磁性能量转换为电压能量；电容器，电容器接收并存储来自整流器的电压能量；以及BLE无线电设备，BLE无线电设备与电容器电气通信并且由电容器中存储的电压能量供电。
示例2涉及示例1的PICC，其中BLE无线电设备被配置为排它地由电容器中存储的电压能量供电。
示例3涉及示例1的PICC，其中谐振电路从邻近耦合设备(PCD)接收磁性能量。
示例4涉及示例3的PICC，还包括与该PCD通信的PICC处理器。
示例5涉及示例1的PICC，其中BLE被配置为与外部设备通信登录信息。
示例6涉及一种包含指令的有形的机器可读非暂态存储介质，指令当被一个或多个处理器运行时使得执行包括以下各项的操作：发现在邻近耦合设备(PCD)的磁场范围内的邻近集成电路卡(PICC)；把所发现的PICC识别为具有由所收集的能量供电的通信平台；增加该PCD的占空比以把PICC暴露于增加的磁场；在PICC在PCD的磁场范围之外时恢复默认的占空比。
示例7涉及示例6的有形的机器可读非暂态存储介质，其中通信平台定义低功耗蓝牙(BLE)无线电设备。
示例8涉及示例6的有形的机器可读非暂态存储介质，其中发现在磁场范围内的PICC还包括向PICC发送请求(REQ)命令以及从PICC接收对请求的答复(ATQ)。
示例9涉及示例8的有形的机器可读非暂态存储介质，其中发现在磁场范围内的PICC还包括确定该ATQ中的多个指定位是否指示能量收集要求。
示例10涉及示例9的有形的机器可读非暂态存储介质，其中指令还包括：如果能量收集要求被指示，则增加磁场的占空比。
示例11涉及示例6的有形的机器可读非暂态存储介质，其中指令还包括：检测PICC远离PCD的移动。
示例12涉及一种邻近耦合设备(PCD)，包括一个或多个处理器和电路，电路包括：用以发现在邻近耦合设备(PCD)的磁场范围内的邻近集成电路卡(PICC)的第一逻辑；用以把所发现的PICC确定为具有低功耗蓝牙(BLE)无线电设备的第二逻辑；用以增加该PCD的占空比以把PICC暴露于增加的磁场并且在PICC在PCD的磁场范围之外时恢复默认的占空比的第三逻辑。
示例13涉及示例12的PCD，其中第一逻辑通过向PICC发送请求(REQ)命令以及从PICC接收对请求的答复(ATQ)来发现在磁场内的PICC。
示例14涉及示例13的PCD，其中第二逻辑确定该ATQ中的多个指定位是否指示BLE可用性。
示例15涉及示例14的PCD，其中第三逻辑在BLE可用时增加磁场的占空比达一持续时间。
示例16涉及示例15的PCD，其中第一逻辑还检测PICC远离PCD的移动并且使得第三逻辑恢复默认的占空比。
尽管已经关联本文示出的示例性实施例描述了本公开的原理，但本公开的原理不限于此并且包括其任何修改、变更、或变换。

Claims (16)

1.一种邻近集成电路卡(PICC)，包括：
谐振电路，所述谐振电路从外部源接收磁性能量；
整流器，所述整流器把在所述谐振电路处接收的所述磁性能量转换为电压能量；
电容器，所述电容器接收并存储来自所述整流器的所述电压能量；以及
BLE无线电设备，所述BLE无线电设备与所述电容器电气通信并且由所述电容器中存储的所述电压能量供电。
2.如权利要求1所述的PICC，其中所述BLE无线电设备被配置为排它地由所述电容器中存储的所述电压能量供电。
3.如权利要求1所述的PICC，其中所述谐振电路从邻近耦合设备(PCD)接收磁性能量。
4.如权利要求3所述的PICC，还包括与该PCD通信的PICC处理器。
5.如权利要求1所述的PICC，其中所述BLE被配置为与外部设备通信登录信息。
6.一种包含指令的有形的机器可读非暂态存储介质，所述指令当被一个或多个处理器运行时使得执行包括以下各项的操作：
发现在邻近耦合设备(PCD)的磁场范围内的邻近集成电路卡(PICC)；
把所发现的PICC识别为具有由所收集的能量供电的通信平台；
增加该PCD的占空比以把所述PICC暴露于增加的磁场；
在所述PICC在所述PCD的磁场范围之外时恢复默认的占空比。
7.如权利要求6所述的有形的机器可读非暂态存储介质，其中所述通信平台定义低功耗蓝牙(BLE)无线电设备。
8.如权利要求6所述的有形的机器可读非暂态存储介质，其中发现在所述磁场范围内的PICC还包括向所述PICC发送请求(REQ)命令以及从所述PICC接收对请求的答复(ATQ)。
9.如权利要求8所述的有形的机器可读非暂态存储介质，其中发现在所述磁场范围内的PICC还包括确定该ATQ中的多个指定位是否指示能量收集要求。
10.如权利要求9所述的有形的机器可读非暂态存储介质，其中所述指令还包括：如果能量收集要求被指示，则增加所述磁场的占空比。
11.如权利要求6所述的有形的机器可读非暂态存储介质，其中所述指令还包括：检测所述PICC远离所述PCD的移动。
12.一种邻近耦合设备(PCD)，包括一个或多个处理器和电路，所述电路包括：
用以发现在邻近耦合设备(PCD)的磁场范围内的邻近集成电路卡(PICC)的第一逻辑；
用以把所发现的PICC确定为具有低功耗蓝牙(BLE)无线电设备的第二逻辑；
用以增加该PCD的占空比以把所述PICC暴露于增加的磁场并且在所述PICC在所述PCD的磁场范围之外时恢复默认的占空比的第三逻辑。
13.如权利要求12所述的PCD，其中所述第一逻辑通过向所述PICC发送请求(REQ)命令以及从所述PICC接收对请求的答复(ATQ)来发现在所述磁场内的PICC。
14.如权利要求13所述的PCD，其中所述第二逻辑确定该ATQ中的多个指定位是否指示BLE可用性。
15.如权利要求14所述的PCD，其中所述第三逻辑在所述BLE可用时增加所述磁场的占空比达一持续时间。
16.如权利要求15所述的PCD，其中所述第一逻辑还检测所述PICC远离所述PCD的移动并且使得所述第三逻辑恢复所述默认的占空比。
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