CN108241877A - 无源超声波标签及超声波信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无源超声波标签及超声波信号处理方法，其特征在于，包括：换能模块、与换能模块连接的预处理模块，以及与预处理模块连接的信号处理模块；换能模块用于将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号；预处理模块用于对第一电信号进行预处理得到第二电信号，并对电能进行储存处理以向信号处理模块和预处理模块供电；信号处理模块用于对第二电信号进行解析得到控制指令，并生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块控制换能模块将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。所述无源超声波标签在通信时不受电磁屏蔽环境影响，因而既可实现无障碍物直接通信，也可实现屏蔽环境下的通信。

Description

无源超声波标签及超声波信号处理方法

技术领域

本发明实施例涉及信号识别技术领域，尤其涉及一种无源超声波标签及超声波信号处理方法。

背景技术

无源电子标签是一种被动式标签，即标签中没有内装电池或者不需要持久的供电装置。无源电子标签处在标签读写器的读写范围之外时，为无源状态；当无源电子标签处在标签读写器的读写范围之内时，从标签读写器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签的通常应用于物流和仓储管理、智能停车场管理、生产线管理、产品防伪检测等场景。

无源电子标签一般通过光或电磁波作为媒介与读写器进行通信交互。在使用时，通常将无源电子标签固定在光或电磁波可到达的被测物表面或其内部浅层区域，以便标签读写器能够直接与无源电子标签进行通信交互。

但是，光或电磁波由于在遇到电磁屏蔽环境例如金属罐体时难以继续传播，因此不可避免地会导致在电磁屏蔽环境下标签读写器无法与无源电子标签进行通信的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供的无源超声波标签及超声波信号处理方法，用以至少解决现有技术中存在的上述问题。

本发明实施例第一个方面提供一种无源超声波标签。该无源超声波标签包括：换能模块、与换能模块连接的预处理模块，以及与预处理模块连接的信号处理模块；换能模块用于将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号；预处理模块用于对第一电信号进行预处理得到第二电信号，并对电能进行储存处理以向信号处理模块和预处理模块供电；信号处理模块用于对第二电信号进行解析得到控制指令，并生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块控制换能模块将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

可选地，在本发明一具体实施例中，换能模块包括：换能单元和调制解调单元，换能单元与预处理模块连接，调制解调单元分别与换能单元和预处理模块连接；换能单元用于将收到的第一超声波信号转换为电能；调制解调单元用于将第一电信号调制转换为第一电信号。

可选地，在本发明一具体实施例中，换能单元为超声波换能器。

可选地，在本发明一具体实施例中，超声波换能器为压电超声波换能器、磁致伸缩超声波换能器、静电超声波换能器或机械型超声波换能器。

可选地，在本发明一具体实施例中，预处理模块包括：预处理单元和储能单元，预处理单元分别与换能模块和信号处理模块连接，储能单元分别与信号处理模块和预处理单元连接；预处理单元用于对第一电信号进行预处理得到第二电信号，并将电能传导给储能单元；储能单元用于对电能进行储存处理，以向信号处理模块和预处理单元供电。

可选地，在本发明一具体实施例中，储能单元为微型储能单元。

可选地，在本发明一具体实施例中，信号处理模块包括：信号接收处理单元和信号发生处理单元，信号接收处理单元与预处理模块连接，信号发生处理单元分别与信号接收处理单元和预处理模块连接；信号接收处理单元用于对第二电信号解析得到控制指令；信号发生处理单元用于根据控制指令生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块控制换能模块将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

可选地，在本发明一具体实施例中，该无源超声波标签还包括：固定模块；固定模块用于承托换能模块、预处理模块和信号处理模块。

可选地，在本发明一具体实施例中，固定模块为承托罩。

本发明实施例第二个方面提供一种超声波信号处理方法。该方法包括：

将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号；

对第一电信号进行预处理得到第二电信号；

根据对第二电信号解析得到的控制指令，生成与控制指令对应的响应数据；

将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的无源超声波标签及超声波信号处理方法，采用超声波进行通信数据的接收和应答，在通信时不受电磁屏蔽环境影响，因而既可实现无障碍物的直接通信，也可实现电磁屏蔽环境下的通信，从而克服现有技术中电磁屏蔽环境下标签读写器无法与无源电子标签进行通信交互的问题。

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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的无源超声波标签结构图；

图2为本发明实施例二提供的无源超声波标签结构图；

图3为本发明实施例三提供的无源超声波标签结构图；

图4为本发明实施例四提供的无源超声波标签结构图；

图5为本发明实施例五提供的超声波信号处理方法流程图；

图6为本申请执行本发明实施例五提供的超声波信号处理方法的一些电子设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，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，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

本发明下述实施例中，超声波是一种频率高于20K赫兹的声波，属于机械波，它可以穿透气体、液体和固体，尤其具有能穿透电磁屏蔽物体例如金属罐体的特点。超声波可以被用作传输媒介来进行通信，例如在发送端以超声波为载波，在其上加载一定频率的有用信号进行调制后进行发射，那么接收端对收到的超声波信号进行相应解调处理，便可接收所述有用信号。

图1为本发明实施例一提供的无源超声波标签结构图。如图1所示，本发明实施例提供的无源超声波标签包括：换能模块1、与换能模块1连接的预处理模块2，以及与预处理模块2连接的信号处理模块3。

换能模块1，负责将接收到的第一超声波信号例如超声波标签读写器发射来的超声波信号转换为电能和第一电信号。第一超声波信号通常是超声波标签读写器发射的加载有控制指令信号的超声波信号。换能模块1一方面可以将第一超声波信号中的声能转换为电能，例如利用压电晶体即可将超声波转换为电能；另一方面还可以通过解调电路将第一超声波信号中携带的有用信号进行滤波、放大、解调，即可转换为第一电信号例如波形数据信号。

预处理模块2负责对第一电信号例如由换能模块1发来的第一电信号进行预处理例如纠错、整合处理得到第二电信号例如可读形式的电信号，并对电能例如换能模块1传导来的电能进行储存处理例如储存起来作为电源使用，以向信号处理模块3和预处理模块2供电。

信号处理模块3在预处理模块2的电能储存到一定程度时即通电启动，即由断电静默状态转为运行状态，信号处理模块3运行后负责对第二电信号例如预处理模块2发来的第二电信号进行解析例如根据预先设定的解析方法进行解析，得到控制指令例如读取标签数据指令，生成与控制指令对应的响应数据例如标签数据，以使预处理模块2控制换能模块1将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波标签读写器。即信号处理模块3先对第二电信号进行解析，得到相应的控制指令，然后根据该控制指令生成与该控制指令对应的响应数据，并将响应数据发送给预处理模块2。预处理模块2根据响应数据，控制换能模块1例如根据电能储备状况通过控制电路控制换能模块1调整发射负载，并控制换能模块1将响应数据加载到第二超声波信号中进行调制后发射出去，即将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波读写器。

可选地，所述无源超声波标签还包括：固定模块4。

固定模块4例如承托罩负责承托换能模块1、预处理模块2和信号处理模块3。即换能模块1、预处理模块2和信号处理模块3按照上述连接关系进行连接并安装在固定模块4中，以利于无源超声波标签安装在目标物上予以固定。承托罩还可以起到对换能模块1、预处理模块2和信号处理模块3的保护作用，以及防水等作用。

本发明实施例一提供的无源超声波标签，采用超声波进行通信数据的接收和应答，在通信时不受电磁屏蔽环境影响，因而既可实现无障碍物的直接通信，也可实现电磁屏蔽环境下的通信，从而克服现有技术中电磁屏蔽环境下标签读写器无法与无源电子标签进行通信交互的问题。

本发明实施例一提供的无源超声波标签可应用在无源ID标签应用领域、仓储安全领域、金属结构安全领域、特种装备领域，尤其是金属密闭环境下无源ID标签的设计和应用，比如金属罐体内部标签数据读取等。其无源设计使得标签安全稳定并且寿命远超有源的设计方案，理论上使用期限可长达十年或几十年，真正实现与被测物同寿命，终身免维护的优良特性。

图2为本发明实施例二提供的无源超声波标签结构图。如图2所示，在实施例一的基础上，换能模块包括换能单元11和调制解调单元12。

换能单元11与预处理模块2连接，调制解调单元12分别与换能单元11和预处理模2块连接。

换能单元11负责将收到的第一超声波信号例如超声波标签读写器发射来的第一超声波信号转换为电能，例如利用压电晶体可将超声波转换为电能。

调制解调单元12负责将第一电信号调制转换为第一电信号。调制解调单元12在无源超声波标签接收超声波信号时负责对超声波信号进行解调，在发送数据时负责对数据进行调制以使数据可以通过超声波信号发射出去。

可选地，换能单元11为超声波换能器。超声波换能器例如可以是常见的压电超声波换能器、磁致伸缩超声波换能器、静电超声波或机械型超声波换能器等。

具体地，所述无源超声波标签的工作原理如下：

如图2所示，换能单元11负责将接收到的第一超声波信号例如超声波标签读写器发射来的超声波信号由声能转换为电能。调制解调单元12负责通过解调电路将第一超声波信号中携带的有用信号进行滤波、放大、解调，即可转换为第一电信号。

预处理模块2负责对第一电信号例如由换能模块1发来的第一电信号进行预处理例如纠错、整合处理得到第二电信号例如可读形式的电信号，并对电能例如换能模块1传导来的电能进行储存处理例如储存起来作为电源使用，以向信号处理模块3和预处理模块2供电。

信号处理模块3在预处理模块2的电能储存到一定程度时即通电启动，即由断电静默状态转为运行状态，信号处理模块3运行后负责对第二电信号例如预处理模块2发来的第二电信号进行解析得到控制指令例如读取标签数据指令，生成与控制指令对应的响应数据例如标签数据，以使预处理模块2控制调制解调单元12将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波标签读写器。即信号处理模块3先对第二电信号进行解析，得到相应的控制指令，然后根据该控制指令生成与该控制指令对应的响应数据，并将响应数据发送给预处理模块2。预处理模块2根据响应数据，控制调制解调单元12例如根据电能储备状况通过控制电路控制调制解调单元12调整发射负载，并控制调制解调单元12将响应数据加载到第二超声波信号中进行调制后发射出去，即将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波读写器。

图3为本发明实施例三提供的无源超声波标签结构图。如图3所示，在实施例一的基础上，预处理模块2包括：预处理单元21和储能单元22。

预处理单元21分别与换能模块1和信号处理模块3连接，储能单元22分别与信号处理模块3和预处理单元21连接。

预处理单元21例如匹配与传导电路负责对第一电信号例如由换能模块1发来的第一电信号进行预处理例如纠错、整合处理得到第二电信号例如可读形式的电信号，并将电能例如换能模块传导来的电能传导给储能单元22。

储能单元22例如微型储能单元负责对电能进行储存处理例如储存起来作为电源使用，以向信号处理模块3和预处理单元21供电。其中，微型储能单元具有体积小、性能稳的特点，因而可使所述无源超声波标签的使用寿命很长，在其寿命周期内基本上不存在因无法储能而导致所述无源超声波标签无法工作的问题。

具体地，所述无源超声波标签的工作原理如下：

如图3所示，换能模块1，负责将接收到的第一超声波信号例如超声波标签读写器发射来的超声波信号转换为电能和第一电信号。第一超声波信号通常是超声波标签读写器发射的加载有控制指令信号的超声波。换能模块1一方面可以将第一超声波信号中的声能转换为电能，例如利用压电晶体即可将超声波转换为电能；另一方面还可以通过解调电路将第一超声波信号中携带的有用信号进行滤波、放大、解调，即可转换为第一电信号例如波形数据信号。

预处理单元21例如匹配与传导电路负责对第一电信号例如由换能模块1发来的第一电信号进行预处理例如纠错、整合处理得到第二电信号例如可读形式的电信号，并将电能例如换能模块传导来的电能传导给储能单元22。

储能单元22例如微型储能单元负责对电能进行储存处理例如储存起来作为电源使用，以向信号处理模块3和预处理单元21供电。

信号处理模块3在储能单元22的电能储存到一定程度时即通电启动，即由断电静默状态转为运行状态，信号处理模块3运行后负责对第二电信号例如预处理单元21发来的第二电信号进行解析得到控制指令例如读取标签数据指令，生成与控制指令对应的响应数据例如标签数据，以使预处理单元21控制换能模块1将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波标签读写器。即信号处理模块3先对第二电信号进行解析，得到相应的控制指令，然后根据该控制指令生成与该控制指令对应的响应数据，并将响应数据发送给预处理单元22。预处理单元22根据响应数据，控制换能模块1例如根据电能储备状况通过控制电路控制换能模块1调整发射负载，并控制换能模块1将响应数据加载到第二超声波信号中进行调制后发射出去，即将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波读写器。

图4为本发明实施例四提供的无源超声波标签结构图。如图4所示，在实施例一的基础上，信号处理模块3包括：信号接收处理单元31和信号发生处理单元32。

信号接收处理单元31与预处理模块2连接，信号发生处理单元32分别与信号接收处理单元31和预处理模块2连接。

信号接收处理单元31用于对第二电信号解析得到控制指令。

信号发生处理单元32用于根据控制指令生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块2控制换能模块1将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

具体地，所述无源超声波标签的工作原理如下：

换能模块1，负责将接收到的第一超声波信号例如超声波标签读写器发射来的超声波信号转换为电能和第一电信号。第一超声波信号通常是超声波标签读写器发射的加载有控制指令信号的超声波。换能模块1一方面可以将第一超声波信号中的声能转换为电能，例如利用压电晶体即可将超声波转换为电能；另一方面还可以通过解调电路将第一超声波信号中携带的有用信号进行滤波、放大、解调，即可转换为第一电信号例如波形数据信号。

预处理模块2负责对第一电信号例如由换能模块1发来的第一电信号进行预处理例如纠错、整合处理得到第二电信号例如可读形式的电信号，并对电能例如换能模块1传导来的电能进行储存处理例如储存起来作为电源使用，以向信号处理模块3和预处理模块2供电。

信号接收处理单元31和信号生成处理单元32在预处理模块2的电能储存到一定程度时即通电启动，即由断电静默状态转为运行状态。

信号接收处理单元31运行后负责对第二电信号例如预处理模块2发来的第二电信号进行解析得到控制指令例如读取标签数据指令。

信号生成处理单元32运行后负责根据控制指令生成与控制指令对应的响应数据例如标签数据，以使预处理模块2控制换能模块1将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波标签读写器。即信号接收处理单元31对第二电信号进行解析，得到相应的控制指令。信号生成处理单元32根据控制指令例如信号接收处理单元31发来的控制指令生成与该控制指令对应的响应数据，并将响应数据发送给预处理模块2。预处理模块2根据响应数据，控制换能模块1例如根据电能储备状况通过控制电路控制换能模块1调整发射负载，并控制换能模块1将响应数据加载到第二超声波信号中进行调制后发射出去，即将响应数据调制成第二超声波信号发射出去例如发射给超声波读写器。

图5为本发明实施例五提供的超声波信号处理方法流程图。如图5所示，该方法包括：

S501，将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号。

S502，对第一电信号进行预处理得到第二电信号。

S503，根据对第二电信号解析得到的控制指令，生成与控制指令对应的响应数据。

S504，将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

可选地，步骤S503还包括：根据对第二电信号解析得到的控制指令，生成与控制指令对应的外部控制信号例如识别传感控制信号，以便通过外部控制信号实现对其他外部设备的控制功能等。

本实施例提供的方法具体可由实施例一、二、三或四提供的无源超声波标签中的相应模块(单元)来执行，其实现原理、功能用途和效果等与实施例一、二、三或四类似，在此不再赘述。

图6为本申请执行本发明实施例五提供的超声波信号处理方法的一些电子设备的硬件结构示意图。根据图6所示，该电子设备包括：一个或多个处理器610以及存储器620，图6中以一个处理器610为例。

执行所述的超声波信号处理方法的设备还可以包括：输入装置630和输出装置640。

处理器610、存储器620、输入装置630和输出装置640可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

存储器620作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的所述超声波信号处理方法对应的程序指令/模块。处理器610通过运行存储在存储器620中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现所述超声波信号处理方法。

存储器620可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据本发明实施例一、二、三或四提供的无源超声波标签的使用所创建的数据等。此外，存储器620可以包括高速随机存取存储器620，还可以包括非易失性存储器620，例如至少一个磁盘存储器620件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器620件。在一些实施例中，存储器620可选包括相对于处理器610远程设置的存储器620，这些远程存储器620可以通过网络连接至所述无源超声波标签。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置630可接收输入的数字或字符信息，以及产生与所述编码信息处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输入装置630可包括按压模组等设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器620中，当被所述一个或者多个处理器610执行时，执行所述的超声波信号处理方法。

上述产品可执行本申请相应实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请相应实施例所提供的方法。

本申请实施例的电子设备以多种形式存在，包括但不限于:

(1)移动通信设备:这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括:智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。

(2)超移动个人计算机设备:这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括:PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。

(3)便携式娱乐设备:这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括:音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

(4)服务器:提供计算服务的设备，服务器的构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，服务器和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。

(5)其他具有数据交互功能的电子装置。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读记录介质包括用于以计算机(例如计算机)可读的形式存储或传送信息的任何机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储介质、电、光、声或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)等，该计算机软件产品包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无源超声波标签，其特征在于，包括：换能模块、与换能模块连接的预处理模块，以及与预处理模块连接的信号处理模块；换能模块用于将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号；预处理模块用于对第一电信号进行预处理得到第二电信号，并对电能进行储存处理以向信号处理模块和预处理模块供电；信号处理模块用于对第二电信号进行解析得到控制指令，并生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块控制换能模块将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

2.根据权利要求1所述的无源超声波标签，其特征在于，换能模块包括：换能单元和调制解调单元，换能单元与预处理模块连接，调制解调单元分别与换能单元和预处理模块连接；换能单元用于将收到的第一超声波信号转换为电能；调制解调单元用于将第一电信号调制转换为第一电信号。

3.根据权利要求2所述的无源超声波标签，其特征在于，换能单元为超声波换能器。

4.根据权利要求3所述的无源超声波标签，其特征在于，超声波换能器为压电超声波换能器、磁致伸缩超声波换能器、静电超声波换能器或机械型超声波换能器。

5.根据权利要求1所述的无源超声波标签，其特征在于，预处理模块包括：预处理单元和储能单元，预处理单元分别与换能模块和信号处理模块连接，储能单元分别与信号处理模块和预处理单元连接；预处理单元用于对第一电信号进行预处理得到第二电信号，并将电能传导给储能单元；储能单元用于对电能进行储存处理，以向信号处理模块和预处理单元供电。

6.根据权利要求5所述的无源超声波标签，其特征在于，储能单元为微型储能单元。

7.根据权利要求1所述的无源超声波标签，其特征在于，信号处理模块包括：信号接收处理单元和信号发生处理单元，信号接收处理单元与预处理模块连接，信号发生处理单元分别与信号接收处理单元和预处理模块连接；信号接收处理单元用于对第二电信号解析得到控制指令；信号发生处理单元用于根据控制指令生成与控制指令对应的响应数据，以使预处理模块控制换能模块将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。

8.根据权利要求1所述的无源超声波标签，其特征在于，还包括：固定模块；固定模块用于承托换能模块、预处理模块和信号处理模块。

9.根据权利要求8所述的无源超声波标签，其特征在于，固定模块为承托罩。

10.一种超声波信号处理方法，其特征在于，包括：

将接收到的第一超声波信号转换为电能和第一电信号；

对第一电信号进行预处理得到第二电信号；

根据对第二电信号解析得到的控制指令，生成与控制指令对应的响应数据；

将响应数据调制成第二超声波信号发射出去。