CN109711517B - 集成自校准温度传感器的rfid标签 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成自校准温度传感器的RFID标签，包括标签芯片以及与所述标签芯片连接的天线，其特征在于，所述标签芯片包括：调制解调器、整流器、模拟前端电路、自校准温度传感器、存储器以及数字基带电路。与相关技术相比，本发明提供的集成自校准温度传感器的RFID标签集成了自校准温度传感器，且兼容通用标签读写器，测温便捷，操作简单，方便实用，节约成本。

Description

集成自校准温度传感器的RFID标签

技术领域

本发明涉及RFID技术领域，尤其涉及一种集成自校准温度传感器的RFID标签。

背景技术

射频识别技术(RFID)是利用射频信号实现的一种非接触式自动识别技术，它利用射频方式进行非接触式双向通信，从而达到对目标对象的自动识别和相关数据采集。EPCC1G2协议采用的超高频(UHF)标签是指工作频率在860MHz到960MHz的RFID标签，具有可读写距离长、阅读速度快、作用范围广等优点。

射频识别(RFID)技术是在标签芯片和上位机之间通过射频天线实现无接触远距离的通信以达到对物品的识别、追踪、定位和管理等目的。每个物品贴一个标签芯片当成物品的身份证，标签读写器包含在上位机里面，上位机通过标签读写器跟多个标签芯片通信来交换信息，以组建物联网，实现万物互联，信息交换的目标。标签由标签芯片和标签天线组成，其中标签天线负责把标签芯片的数据反射出去或者接收进来。

射频识别技术在工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理，防伪等众多领域，甚至军事领域具有广泛的应用前景，目前己引起了广泛的关注。

随着RFID技术成熟与RFID标签芯片成本的下降，逐步呈现一些具有更大的实际应用价值的发展趋势，其中之一是RFID与温度传感器相结合。将温度传感器与RFID结合起来可以为易腐坏食品、药品和物流中任何其他对温度敏感的物品采集温度信息，也可以对专用仓库内重要物资，如粮食、薯类等温度监测；也可以对建筑材料、机器零部件进行温度监测。

物联网技术的迅速发展，将物品标识技术和传感技术相集成的应用正变得越来越重要。因此，具有环境感知功能的RFID标签代表了物联网技术发展的趋势。在未来物联网技术的应用环境下，大多数系统动辄需要以百万计的感知识别节点，感知识别节点的高成本、高能耗和大体积成为物联网快速发展的瓶颈。因此，对智能标签低成本、低能耗，小体积的需求呼之欲出。

在相关技术中，现有的射频识别空中接口协议中都没有定义测量温度的指令，只是预留了自定义指令的可能性。但是如果标签芯片自定义测量温度的指令的话，会遇到无法和常用的读写器兼容的问题，而需要配合特定的读写器才能测量温度；另外，温度传感器是一种模数转换器，而模数转换器出厂前一般是需要校准的，而现有的专利也没有提到如何低成本的进行校准。

因此，有必要提供一种新型的集成自校准温度传感器的RFID标签，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的集成自校准温度传感器的RFID标签，其易校准，测温便捷，操作简单，方便实用，节约成本。

为了达到上述目的，本发明提供一种集成自校准温度传感器的RFID标签，包括标签芯片以及与所述标签芯片连接的天线，其特征在于，所述标签芯片包括：调制解调器、整流器、模拟前端电路、自校准温度传感器、存储器以及数字基带电路，所述天线与所述调制解调器和所述整流器连接，用于收发射频信号，同时收集电源给整流器；所述调制解调器与所述数字基带电路连接，用于将调制后的信号传输给所述数字基带电路；所述整流器与所述模拟前端电路连接，用于提供电源；所述模拟前端电路分别与所述自校准温度传感器和所述数字基带电路连接，用于提供时钟信号和上电复位信号；所述数字基带电路分别与所述自校准温度传感器和所述存储器连接，用于控制自校准温度传感器执行温度测量的操作和存储的读写操作。

进一步的，所述模拟前端电路包括：

振荡电路OSC，用于产生供所述数字基带电路工作所需的时钟信号；

复位电路POR，用于产生上电复位信号，使所述数字基带电路开始工作；

电源管理电路，用于从整流器获得电源，并给其他电路提供合适的电压源。

进一步的，所述自校准温度传感器包括：PTAT电流源、比较器CMP、三极管Q1、场效应管M1、缓冲器BUF、电容C1、非门U3、与非门U2、RS触发器FF1以及数字控制和计数器U1；

所述场效应管M1采用N沟道增强型MOS管，用于充当开关管；

所述三极管Q1为PNP型三极管，所述三极管Q1的发射极连接所述PTAT电流源，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q1的集电极短接，所述三极管Q1的集电极接地，所述电容C1的一端与所述PTAT电流源连接，所述电容C1的另一端接所述三极管Q1的集电极；

所述比较器CMP的正脚接所述三极管Q1的发射极，所述比较器CMP的负脚接所述PTAT电流源，所述比较器CMP的输出端接所述与非门U2的第一输入端，所述与非门U2的第二输入端接所述数字控制和计数器U1的使能信号端EN，所述与非门U2的第二输入端还与所述PTAT电流源连接，所述与非门U2的输出端与所述RS触发器FF1的R端连接；

所述RS触发器FF1的S端与所述缓冲器BUF的输出端连接，所述RS触发器FF1的Q端接所述数字控制和计数器U1的温度信号端PW，所述RS触发器FF1的Q非端空载；

所述缓冲器BUF的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接，所述场效应管M1的源极接所述三极管Q1的集电极，所述场效应管M1的漏极接所述比较器CMP的负脚，所述场效应管M1的栅极接所述非门U3的输出端，所述非门U3的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接；

所述数字控制和计数器U1的时钟信号端CLK与所述振荡电路连接。

进一步的，所述振荡电路采用基于RC的环形振荡器。

进一步的，所述PTAT电流源采用带隙基准电路中产生PTAT电流的相同结构。

本发明还提供一种RFID标签温度测量方法，采用所述的集成自校准温度传感器的RFID标签，包括如下步骤：

步骤一、上位机和标签建立连接，并由上位机向读写器和标签发送测温指令；

步骤二、上位机的读写器第一次读取标签内存储器的特定地址，该地址存有拟合参考温度值；

步骤三、标签回传特定地址内的参考温度值，同时启动自校准温度传感器；

步骤四、上位机的读写器第二次读取标签内存储器的特定地址；

步骤五、标签回传自校准温度传感器测量的当前温度值到上位机；

步骤六、上位机根据曲线拟合计算公式，计算当前温度。

与相关技术相比较，本发明的集成自校准温度传感器的RFID标签具有如下有益效果：

1、标签芯片中的基带把“读某特定地址的数据”转换成测量指令用于测量温度，以实现和普通读写器的上位机完美兼容。不需要更换读写器就能加入测温功能，有利于集成自校准温度传感器的标签芯片的推广使用，且只需要上位机的应用程序进行更新，操作简单，方便实用，节约成本。

2、采用曲线拟合的方式代替常规的校准，获得高精度的温度测量特性的同时有效控制成本。还可以利用曲线拟合的特性扩展，根据应用需求的不同选择不同的拟合参考点和拟合温度范围，扩宽应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明集成自校准温度传感器的RFID标签的结构示意图；

图2为本发明集成自校准温度传感器的RFID标签的自校准温度传感器的电路图；

图3为本发明标签温度测量方法的流程图；

图4为本发明集成自校准温度传感器的RFID标签的温度测量误差图。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，所述一种集成自校准温度传感器的RFID标签，包括标签芯片以及与所述标签芯片连接的天线，所述标签芯片包括：调制解调器、整流器、模拟前端电路、自校准温度传感器、数字基带电路以及存储器，所述调制解调器和所述整流器均与所述天线连接，所述调制解调器与所述数字基带电路连接，所述整流器与所述模拟前端电路连接，所述模拟前端电路与所述自校准温度传感器和所述数字基带电路连接，所述数字基带电路分别与所述存储器和所述自校准温度传感器连接。

其中，所述调制解调器，用来调制解调射频信号，并利用天线反射将数据发射到上位机，所述调制解调器包括解调电路和调制电路，所述解调电路用于将上位机发出的射频信号转换成数字信号，传输给数字基带电路，所述调制电路用于将数字基带电路的数字信号转换成对应的射频信号，并通过天线发送给上位机。

所述整流器，用于将天线接收到的射频信号整流成为直流电压信号，并为其他电路的提供电源来源。

所述模拟前端电路，用于给所述数字基带电路提供工作所需的时钟信号和上电复位信号，并给其他电路提供合适的电压源；所述模拟前端电路包括：振荡电路OSC，用于产生供所述数字基带电路工作所需的时钟信号；复位电路POR，用于产生上电复位信号，使所述数字基带电路开始工作；电源管理电路，用于从整流器获得电源，并给其他电路提供合适的电压源。

所述自校准温度传感器，用于测量温度的操作；

所述数字基带电路，用于对接收到的信号解码并作出响应，同时控制对存储器的读写操作、自校准温度传感器的休眠与唤醒，并控制自校准温度传感器执行温度测量的操作；

所述存储器，用于存储RFID标签的物品属性信息、RFID标签的ID、温度数据以及用户写入的其他数据。

请参阅图2，所述自校准温度传感器包括：PTAT电流源、比较器CMP、三极管Q1、场效应管M1、缓冲器BUF、电容C1、非门U3、与非门U2、RS触发器FF1以及数字控制和计数器U1；

所述场效应管M1采用N沟道增强型MOS管，所述场效应管M1用于充当开关管；所述三极管Q1为PNP型三极管；所述三极管Q1的发射极连接所述PTAT电流源，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q1的集电极短接，所述三极管Q1的集电极接地，所述电容C1的一端与所述PTAT电流源连接，所述电容C1的另一端接所述三极管Q1的集电极；

所述比较器CMP的正脚接所述三极管Q1的发射极，所述比较器CMP的负脚接所述PTAT电流源，所述比较器CMP的输出端接所述与非门U2的第一输入端，所述与非门U2的第二输入端接所述数字控制和计数器U1的使能信号端EN，所述与非门U2的第二输入端还与所述PTAT电流源连接，所述与非门U2的输出端与所述RS触发器FF1的R端连接；

所述RS触发器FF1的S端与所述缓冲器BUF的输出端连接，所述RS触发器FF1的Q端接所述数字控制和计数器U1的温度信号端PW，所述RS触发器FF1的Q非端空载；所述RS触感器FF1的R优先于S。

所述缓冲器BUF的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接，所述场效应管M1的源极接所述三极管Q1的集电极，所述场效应管M1的漏极接所述比较器CMP的负脚，所述场效应管M1的栅极接所述非门U3的输出端，所述非门U3的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接；

所述数字控制和计数器U1的时钟信号端CLK与所述振荡电路连接。所述振荡电路OSC采用基于RC的环形振荡器。所述PTAT电流源采用带隙基准电路中产生PTAT电流的相同结构。

具体的，其中EN是整个温度传感器的使能信号，当EN为0时，温度传感器不工作，当EN为1时，温度传感器工作。START是温度传感器的测温使能讯号，当START为0时，温度传感器不测温；当START为1时，则RS触发器FF1输出置位，温度传感器开始测温。PW是一个脉宽受温度调制的输出信号，当START为1时PW被置位成1，开始测温，经过一定时间(随温度变化)之后比较器CMP输出转变成0，复位RS触发器FF1使得PW变成0。PW高电平的脉冲宽度(脉宽)在数字控制和计数器U1中用振荡电路的时钟CLK来计算个数，从而计算出当前温度。

工作过程如下：(1)初始状态下EN＝START＝0，R＝1，S＝0,FF1复位输出PW＝0。(2)当EN＝1，PTAT电流源开始工作，提供两路PTAT电流分别留向Q1，C1&M1。三极管Q1产生参考电压VBE。由于此时START＝0，场效应管M1充当开关，此时场效应管M1打开，电流经M1流到地，电容C1的VRAMP＝0，比较器CMP的输出端保持高电平，R从1变0，S维持0不变，FF1因为R＝S＝0保持原来的状态，所以PW维持0。(3)当START＝1，表示从现在开始测量温度，S＝1，FF1输出端输出PW被置位为1，同时M1关闭，PTAT电流源给电容C1充电，VRAMP从0开始慢慢往上爬升。(4)当VRAMP爬升到大于参考电压VBE时，比较器CMP的输出端从1变成0，R相应的从0变成1，复位FF1，FF1输出PW从1变0，输出的PW的脉宽包含当前温度的信息。经过一定时间延迟START变成0，M1导通把VRAMP放电到0，为下一次测量做准备。

请参阅图3，本发明还提供一种RFID标签温度测量方法，采用所述的集成自校准温度传感器的RFID标签，包括如下步骤：

步骤一、上位机和标签建立连接，并由上位机向读写器和标签发送测温指令；

步骤二、上位机的读写器第一次读取标签内存储器的特定地址，该地址存有拟合参考温度值；

步骤三、标签回传特定地址内的参考温度值，同时启动自校准温度传感器；

步骤四、上位机的读写器第二次读取标签内存储器的特定地址；

步骤五、标签回传自校准温度传感器测量的当前温度值到上位机；

步骤六、上位机根据曲线拟合计算公式，计算当前温度。

具体的，上位机的读写器连续读两次标签，标签回传两个数值，上机位根据这两个数值和预先根据曲线拟合设定好的公式计算成当前温度。整个过程中读写器和标签之间的命令只需要用到常见的读命令，可以完美兼容所有的读写器，只需要在上位机中把两条连续读取某一特定地址的读命令打包成测温指令，即可完成测温操作。

本发明例中基于GSMC 0.13um LP工艺设计标签芯片，芯片出厂初始化时在30℃下测量一次温度得到拟合参考点d，并把拟合参考点d存储到存储器特定地址中。以后实际操作中利用标签测量温度时，标签会根据当前温度测量得到数值D，设x＝D-d,那么当前实际温度f(x)就会根据曲线拟合的公式由上位机计算得到。例如本发明例中以30℃为参考点，以-40℃至125℃做为测温范围的曲线拟合公式f(x)如下：

f(x)＝p1*x^3+p2*x^2+p3*x+p4

其中p1＝5.998e-08,p2＝0.0001072,p3＝0.1821,p4＝29.87。

本发明实施例中标签的温度测量误差如图4所示，能保证在-40℃至125℃的范围内误差不超过+/-2.0℃。

与相关技术相比较，本发明的集成自校准温度传感器的RFID标签通过标签芯片中的基带把“读某特定地址的数据”转换成测温指令用于测量温度，以实现和普通读写器的上位机完美兼容，不需要更换读写器就能加入测温功能，有利于集成自校准温度传感器的标签芯片的推广使用，且只需要上位机的应用程序进行更新，操作简单，方便实用，节约成本；同时采用曲线拟合的方式代替常规的校准，获得高精度的温度测量特性的同时有效控制成本，还可以利用曲线拟合的特性扩展，根据应用需求的不同选择不同的拟合参考点和拟合温度范围，扩宽应用领域。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种集成自校准温度传感器的RFID标签，包括标签芯片以及与所述标签芯片连接的天线，其特征在于，所述标签芯片包括：调制解调器、整流器、模拟前端电路、自校准温度传感器、存储器以及数字基带电路，所述调制解调器和所述整流器均与所述天线连接，用于接收或反射射频信号；所述调制解调器与所述数字基带电路连接，用将调制或者解调数字基带信号；所述整流器与所述模拟前端电路连接，用于提供电源；所述模拟前端电路分别与所述自校准温度传感器和所述数字基带电路连接，用于提供时钟信号和上电复位信号；所述数字基带电路分别与所述自校准温度传感器和所述存储器连接，用于控制自校准温度传感器执行温度测量的操作和存储的读写操作；

所述自校准温度传感器包括：PTAT电流源、比较器CMP、三极管Q1、场效应管M1、缓冲器BUF、电容C1、非门U3、与非门U2、RS触发器FF1以及数字控制和计数器U1；

所述场效应管M1采用N沟道增强型MOS管，用于充当开关管；

所述三极管Q1为PNP型三极管，所述三极管Q1的发射极连接所述PTAT电流源，所述三极管Q1的基极与所述三极管Q1的集电极短接，所述三极管Q1的集电极接地，所述电容C1的一端与所述PTAT电流源连接，所述电容C1的另一端接所述三极管Q1的集电极；

所述比较器CMP的正脚接所述三极管Q1的发射极，所述比较器CMP的负脚接所述PTAT电流源，所述比较器CMP的输出端接所述与非门U2的第一输入端，所述与非门U2的第二输入端接所述数字控制和计数器U1的使能信号端EN，所述与非门U2的第二输入端还与所述PTAT电流源连接，所述与非门U2的输出端与所述RS触发器FF1的R端连接；

所述RS触发器FF1的S端与所述缓冲器BUF的输出端连接，所述RS触发器FF1的Q端接所述数字控制和计数器U1的温度信号端PW，所述RS触发器FF1的Q非端空载；

所述缓冲器BUF的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接，所述场效应管M1的源极接所述三极管Q1的集电极，所述场效应管M1的漏极接所述比较器CMP的负脚，所述场效应管M1的栅极接所述非门U3的输出端，所述非门U3的输入端与所述数字控制和计数器U1的测温信号端START连接；

所述数字控制和计数器U1的时钟信号端CLK与所述模拟前端电路的振荡电路OSC连接，振荡电路OSC用于产生供所述数字基带电路工作所需的时钟信号；标签芯片中的基带把“读某特定地址的数据”转换成测温指令用于测量温度，温度测量时，上位机和标签建立连接，并由上位机向读写器和标签发送测温指令，上位机的读写器第一次读取标签内存储器的特定地址，该地址存有拟合参考温度值，标签回传特定地址内的参考温度值，同时启动自校准温度传感器，上位机的读写器第二次读取标签内存储器的特定地址，标签回传自校准温度传感器测量的当前温度值到上位机，上位机根据曲线拟合计算公式，计算当前温度。

2.根据权利要求1所述的集成自校准温度传感器的RFID标签，其特征在于：所述模拟前端电路还包括：复位电路POR，用于产生上电复位信号，使所述数字基带电路开始工作；

电源管理电路，用于从整流器获得电源，并给其他电路提供合适的电压源。

3.根据权利要求2所述的集成自校准温度传感器的RFID标签，其特征在于：所述振荡电路采用基于RC的环形振荡器。

4.根据权利要求1所述的集成自校准温度传感器的RFID标签，其特征在于：所述PTAT电流源采用带隙基准电路中产生PTAT电流的相同结构。

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