CN108549921A - 一种无源光标签及光识别标签系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无源光标签及光识别标签系统，通过在无源光标签中使用高效的背接触光伏电池组件，设计含有叉指电极的电路板来实现对多块光伏电池的串联和并联排列，使得小面积的光伏电池实现较大的输出功率，提高了光信号的能量转换效率，避免了光标签在小型化的同时降低输出功率导致光标签中的光能发射模块无法发出所需的光信号而影响光识别标签系统的稳定性，极大的扩展了光识别标签系统的应用范围。

Description

一种无源光标签及光识别标签系统
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种无源光标签及光识别标签系统。
背景技术
随着物联网技术的发展，射频识别(Radio Frequency Identificanton，RFID)技术受到越来越广泛的关注。RFID系统是读写器和电子标签之间使用射频电磁波作为媒介进行数据读写的。由于射频电磁波传播方向的发散性，以及容易受到金属对其传播的干扰，导致RFID使用的范围受限。光识别技术是一种新型的标签识别技术，它采用光信号对数据标签进行读写，因为光信号传播的方向性，系统不需要使用射频电磁波，使得该数据标签具有单一目标识别，方向性好，不受电磁干扰，不容易被侦听的优点，所以安全性和可靠性更高，应用范围更加广泛。
光识别技术一般采用一种包括光标签和读写器的光识别标签系统将光信号转换为电信号进行信息的传输，根据光的方向性传播的限制，读写器的设计必须与光标签相匹配。根据是否内置电池，光标签分为有源光标签和无源光标签。有源光标签是主动标签，工作电源完全由内部电池供给。无源光标签属于被动标签，没有内置电池，在读写器的读出范围之外时，光标签处于无源状态。在读写器的读出范围之内时，光标签使用光伏电池从读写器发出的光能中提取工作所需的能量。同时，为了方便作为嵌入式应用，光标签中的光伏电池的面积也需要与光标签相匹配。
然而，现有的光标签为了使光伏电池能够达到光能发射模块发射光信号的功率，通常将光标签的面积设计的足够大，此时光标签的面积会大大限制光识别标签系统的使用范围，另一方面，减小光标签的面积又会限制光伏电池的面积使得光标签中的光能发射模块无法发出所需的光信号而影响光识别标签系统的稳定性。
因此，现有的无源光标签存在着由于光伏电池组件的输出功率受面积影响，无法实现无源光标签小型化的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无源光标签，以解决现有的无源光标签由于光伏电池组件的输出功率受面积影响，无法实现无源光标签小型化的问题。
本发明是这样实现的，一种无源光标签，与读写器配合使用，所述无源光标签包括光伏电池组件、光电检测模块、电源管理模块、数据存储模块、光能发射模块以及逻辑控制模块，所述光电检测模块、所述电源管理模块、所述数据存储模块、所述光能发射模块以及所述逻辑控制模块集成于一芯片上,其中，所述光伏电池组件包括光伏电池，所述光伏电池的正电极与负电极交叉排列形成第一叉指电极，所述无源光标签的基板上设置相对应的第二叉指电极，通过将第一叉指电极与第二叉指电极进行相应的焊接使所述光伏电池形成串并联连接。
所述光伏电池组件用于将接收到的光能转换为电能，并通过所述电源管理模块为所述光电检测模块、所述数据存储模块、所述光能发射模块以及所述逻辑控制模块供电，所述光伏电池组件的输出端与所述电源管理模块的输入端相连；
所述光电检测模块用于接收和检测所述读写器发射的第一光信号，并将所述第一光信号转化为第一电信号输出给所述逻辑控制模块；
所述逻辑控制模块用于根据所述第一电信号对所述数据存储模块进行数据写入和读取，并向所述光能发射模块发送指令；
所述光能发射模块用于根据所述逻辑控制模块发出的指令将需要发送的电信号转换为第二光信号后发射给所述读写器。
作为本发明一实施例，所述正电极和所述负电极均包括多个相互平行的导电薄膜。
作为本发明一实施例，所述正电极和所述负电极中的所述导电薄膜交错摆放，且相邻的所述导电薄膜之间互不接触。
作为本发明一实施例，所述光伏电池采用表面贴装技术组装在印刷电路板的表面。
作为本发明一实施例，所述第一叉指电极以第一金属叉指电极阵列为本体。
作为本发明一实施例，所述第一叉指电极由金属薄膜层构成，所述金属薄膜层中包含的金属包括以下至少一种：铜、铝、银、金。
作为本发明一实施例，所述第一叉指电极和第二叉指电极的厚度为0.01mm至1mm。
作为本发明一实施例，所述光伏电池的正电极和负电极均位于所述光伏电池的同一表面。
作为本发明一实施例，所述无源光标签采用系统级封装工艺。
为了解决上述技术问题，本发明还提出了一种光识别标签系统，所述光识别标签系统包括读写器和上述任一项所述的无源光标签,所述读写器用于读取所述无源光标签中的数据和/或向所述无源光标签中写入数据。
在本发明中，通过将无源光标签中光伏电池的正电极与负电极交叉排列形成具有第一叉指电极的光伏电池组件，该第一叉指电极通过对多块光伏电池进行串联和并联排列，使得光伏电池在降低面积的情况下不会减小输出功率，提高了光信号的能量转换效率，避免了无源光标签在小型化的同时降低输出功率导致光标签中的光能发射模块无法发出所需的光信号而影响光识别标签系统的稳定性，极大的扩展了光识别标签系统的应用范围。
附图说明
图1为本发明一实施例中的无源光标签20的结构示意图；
图2为本发明一实施例中的无源光标签20的实物结构图；
图3为本发明一实施例提供的无源光标签20中的光伏电池第一叉指电极结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的无源光标签20中的第一叉指电极结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的无源光标签20中用于光伏电池串并联的第一叉指电极的PCB板实物图；
图6为本发明一实施例中的光识别系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明一实施例中的无源光标签20的结构示意图，从图1中可以看到，在本实施例中，无源光标签20包括光伏电池组件201、电源管理模块202、光电检测模块203、数据存储模块204、光能发射模块205以及逻辑控制模块206，电源管理模块202、光电检测模块203、数据存储模块204、光能发射模块205以及逻辑控制模块206集成于同一芯片上，通过将各模块集成在单一的芯片上可以减小无源光标签20面积和体积，提高了使用的便利性。其中，光伏电池组件201包括光伏电池以及在基板上的交叉排列的第二叉指电极。
具体的，光伏电池的正电极与负电极交叉排列形成第一叉指电极，无源光标签的基板上设置相对应的交叉排列的第二叉指电极，通过将第一叉指电极与第二叉指电极进行相应的焊接使光伏电池形成串并联连接。
在本实施例中，第一叉指电极与第二叉指电极之间的焊接点选择根据用户需要进行焊接，例如，用户根据功率需要将光伏电池进行两两并联焊接之后再进行串联焊接形成光伏电池组件，或者将三组光伏电池并联后再串联形成光伏电池组件。
在本实施例中，光伏电池组件201的输出端与电源管理模块202的输入端相连，光伏电池组件201用于将接收到的光能转换为电能，并通过电源管理模块202为光电检测模块203、数据存储模块204、光能发射模块205以及逻辑控制模块206供电；光电检测模块203用于接收和检测读写器发射的第一光信号，并将第一光信号转化为第一电信号输出给逻辑控制模块206，逻辑控制模块206用于根据第一电信号对数据存储模块204进行数据写入和读取，并向光能发射模块205发送指令；光能发射模块205用于根据逻辑控制模块206发出的指令将需要发送的电信号转换为第二光信号后发射给所述读写器，以使得读写器可以读取无源光标签20中的数据。具体的，逻辑控制模块206通过与读写器之间的通信协议实现无源光标签20与读写器之间的数据传输，需要写入进数据存储模块204中的数据或者从数据存储模块204中读取的数据均通过逻辑控制模块206进行处理后进行。由于光的传播是有方向性的，在读写器和无源光标签20进行数据读写和能量交换的时，需要通过合适的光路进行，例如，对读写器和无源光标签20中的光能发射模块205和光电检测模块203增加光学透镜，根据需要选择光能发射模块205中的发射单元的发射角度，或者控制读写器与无源光标签之间的距离等。
在本实施例中，光电检测模块203可以为反向偏置的光电二极管，在读写器的作用下，光伏电池组件201产生电能，通过阳极连接电源管理模块202，光电检测模块203反向偏置，将接收的光信号转化为电信号，并根据电信号中的指令将需要存储的数据写入数据存储模块204。具体的，本实施例中的光电检测模块203可以使用光电二极管等常用的光电检测器件。
在本实施例中，电源管理模块202可以包括电能存储单元，比如可以为电容或者电感部件，将由光能转换的电能存储，当存储的能量达到预定的值后，则对数据存储模块204进行数据的写入或者将数据存储模块204中输出的数据信号转化为光信号发射。具体的，数据存储模块204可以为可擦除存储器，在断电后仍然能够保存数据，以保证无源光标签20使用的安全性，比如可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)等。
在本实施例中，光能发射模块205用于根据逻辑控制模块206发出的指令将需要发送的电信号转换为第二光信号后发射给所述读写器。具体的，光能发射模块205可以根据逻辑控制模块206发出的指令读取数据存储模块204中的信息并将该信息进行调制编码，并用编码后的信息控制光能发射模块205中的光发射器发出光信号，此时，光能发射模块205中的光发射器可以为发光二极管或者其它无源的电光调制器。当光伏电池组件201输出的功率达到预定功率时，电源管理模块202开始为光电检测模块203供电，电源管理模块202的正电压使所述光电检测器处于反向偏置状态。光电检测模块203的光子在被吸收后产生电子空穴对，反向偏置造成的电场使空穴迅速被输送至阳极，电子迅速穿过耗尽层达到阴极，从而使得交变的光信号转换成交变的电信号。
作为本发明一实施例，光能发射模块205可以使用发光二极管、激光二极管等发光元件，发光波长可以选用可见光波长区间或者红外光区间的任意波长。
作为本发明一实施例，电源管理模块202、光电检测模块203、数据存储模块204、光能发射模块205以及逻辑控制模块206具体通过CMOS大规模集成电路工艺集成在同一芯片上，通过集成工艺制作器件可以保证低成本，从而进行大规模生产，通过CMOS集成电路工艺集成在同一芯片中
作为本发明一实施例，图2为本发明实施例中的无源光标签20的实物结构图，光伏电池组件201由光伏电池组成，具体的，在图2的实物结构图中，光伏电池组件201中的PN结光电二极管的阴极接地，光伏电池的PN结光电二极管的阳极与电源管理模块202的输入端相连。从图2中还可以看到，在实物结构图的中部设置有光电检测模块203，光电检测模块203中的光电二极管用于检测光信号，具体的，当光电检测模块203中的PN结光电二极管反向偏置时，光电检测模块203中的PN结光电二极管的阳极接地，光电检测模块203的PN结光电二极管的阴极连接逻辑控制模块206。，电源管理模块202用于为邻近的光电检测模块203、数据存储模块204、光能发射模块205以及逻辑控制模块206供电。
在本实施例中，光伏电池组件201采用光电转换效率较高的光伏电池组成，例如，光电转换效率大于20％的单晶硅光伏电池，考虑到光发射器发光的均匀性以及光标签较小的面积，光伏电池组件201设计为正方形或者圆形以实现增多的能量收集。
作为本发明一优选实施例，由于光伏电池组件201的输出功率受到负载大小的影响比较大，在本实施例中通过采用最大功率点跟踪技术来减少负载变化对能量收集效率的影响以实现尽量多的能量收集。
作为本发明一实施例，图3为本发明一实施例提供的无源光标签20中的光伏电池第一叉指电极结构示意图，从图3中可以看出，正电极1和负电极2均包含多个相互平行的导电平行电极，该导电平行电极为导电薄膜，其中，负电极比较粗使得操作的时候更容易分辨。
图4为本发明一实施例提供的无源光标签20中的第一叉指电极结构示意图，通过将多个光伏电池进行串联然后并联连接，增加光伏电池组件201的输出功率。例如，通过将四组光伏电池并联后串联，获得更高的功率输出，具体的光伏电池的串、并联个数根据无源光标签的功率需要设计。
图5为本发明一实施例提供的无源光标签20中用于光伏电池串并联的第一叉指电极的PCB板实物图，通过将切割成预定形状的光伏电池用粘贴组装在PCB板的表面，提升光伏电池组件201的输出功率，在无源光标签20面积较小的情况获得足够的能量满足无源光标签20的正常运行。
作为本发明一实施例，正电极1和负电极2中的导电薄膜交错摆放，且相邻的导电薄膜之间互不接触。具体的，该导电薄膜作为光伏电池组的导电电极。
作为本发明一实施例，光伏电池采用表面贴装技术(Surface MountedTechnology，SMT)组装在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的表面。具体的，通过将焊膏或者贴片胶印到PCB的焊盘上，然后将光伏电池的正电极和负电极分别粘接在设定的位置。
作为本发明一实施例，第一叉指电极以第一金属叉指电极阵列为本体。具体的，第一叉指电极的电极材料为金属电极，通过对金属电极进行刻蚀得到第一叉指电极。
作为本发明一实施例，第一叉指电极由金属薄膜层构成，金属薄膜层中包含的金属包括以下至少一种：铜、铝、银、金。其中，金属薄膜层中包括的金属为两种时，该金属薄膜层可以为铝铜合金以及其他导电合金。
作为本发明一实施例，第一叉指电极的厚度为0.01mm至1mm。
作为本发明一实施例，光伏电池的正电极和负电极均位于光伏电池的同一表面。具体的，在本实施例中，通过将光伏电池的正电极和负电极设置于光伏电池的背面形成背接触光伏电池，具体的，光伏电池的背面是指光伏电池背向光照的一面，由于光伏电池的表面没有电极遮挡，可以实现更高的光电转换效率，更适合用于无源光标签20中。
作为本发明一实施例，无源光标签20采用系统级封装工艺。具体的，在本实施例中，为了无源光标签20的小型化，根据需要设计一个基板将各种元器件和模块用焊接或者胶粘的方式固定的基板上，做好元器件之间的连接，最后塑封封装起来，此时，光伏电池组件201、光电检测模块203以及光能发射模块205都需要透光。
作为本发明一实施例，图6为本发明一实施例中的光识别系统的结构示意图，该光识别标签系统包括读写器10和上述任一实施例所述的无源光标签20,具体的，读写器10用于读取无源光标签20中的数据和/或向无源光标签20中写入数据。
本发明实施例通过将无源光标签20中光伏电池的正电极与负电极交叉排列形成具有第一叉指电极的高效背电极光伏电池组件201，该第一叉指电极通过对多块光伏电池进行串联和并联排列，提高了输出电压，使得光伏电池在降低面积的情况下不会减小输出功率，提高了光信号的能量转换效率，避免了无源光标签20在小型化的同时降低输出功率导致光标签中的光能发射模块无法发出所需的光信号而影响光识别标签系统的稳定性，在实施例中所述的无源光标签20的基础上，通过与读写器10配合，从而实现了光识别标签系统的小型化，通过光线的直线传播特性完成数据读写，可极大的扩展了光识别标签系统的应用范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不能依此限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无源光标签，与读写器配合使用，其特征在于，所述无源光标签包括光伏电池组件、光电检测模块、电源管理模块、数据存储模块、光能发射模块以及逻辑控制模块，所述光电检测模块、所述电源管理模块、所述数据存储模块、所述光能发射模块以及所述逻辑控制模块集成于同一芯片上,其中，所述光伏电池组件包括光伏电池，所述光伏电池的正电极与负电极交叉排列形成第一叉指电极，所述无源光标签的基板上设置相对应的第二叉指电极，通过将第一叉指电极与第二叉指电极进行相应的焊接使所述光伏电池形成串并联连接。
所述光伏电池组件用于将接收到的光能转换为电能，并通过所述电源管理模块为所述光电检测模块、所述数据存储模块、所述光能发射模块以及所述逻辑控制模块供电，所述光伏电池组件的输出端与所述电源管理模块的输入端相连；
所述光电检测模块用于接收和检测所述读写器发射的第一光信号，并将所述第一光信号转化为第一电信号输出给所述逻辑控制模块；
所述逻辑控制模块用于根据所述第一电信号对所述数据存储模块进行数据写入和读取，并向所述光能发射模块发送指令；
所述光能发射模块用于根据所述逻辑控制模块发出的指令将需要发送的电信号转换为第二光信号后发射给所述读写器。
2.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述正电极和所述负电极均包括多个相互平行的导电薄膜。
3.如权利要求2所述的无源光标签，其特征在于，所述正电极和所述负电极中的所述导电薄膜交错摆放，且相邻的所述导电薄膜之间互不接触。
4.如权利要求3所述的无源光标签，其特征在于，所述光伏电池采用表面贴装技术组装在印刷电路板的表面。
5.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述第一叉指电极以第一金属叉指电极阵列为本体。
6.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述第一叉指电极由金属薄膜层构成，所述金属薄膜层中包含的金属包括以下至少一种：铜、铝、银、金。
7.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述第一叉指电极和第二叉指电极的厚度为0.01mm至1mm。
8.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述光伏电池的正电极和负电极均位于所述光伏电池的同一表面。
9.如权利要求1所述的无源光标签，其特征在于，所述无源光标签采用系统级封装工艺。
10.一种光识别标签系统,其特征在于,所述光识别标签系统包括读写器和权利要求1-9中任一项所述的无源光标签,所述读写器用于读取所述无源光标签中的数据和/或向所述无源光标签中写入数据。
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