CN110070165A - 一种带无线充电的有源rfid系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带无线充电的有源RFID系统，包括阅读器和有源标签；有源标签包括两种模式：睡眠模式和工作模式。当有源标签处于睡眠模式时，开关切换到接收通路，此时唤醒接收机电路和能量收集电路同时工作，唤醒接收机电路检测自由空间中的唤醒信号能量，能量收集电路对空气中的游离电磁能量进行整流转化为直流量存储在纽扣电池中。当唤醒电路端监测到经过调制信息的唤醒信号量时，有源标签改变工作状态，开关切换到工作模式，此时有源标签的射频IC发送射频数据信息给阅读器端进行数据信息传递。本发明通过无线充电和低功耗设计有效延长有源标签的使用周期，系统整体结构简单、体积小、成本低，在复杂电磁环境下适应性好。

Description

一种带无线充电的有源RFID系统
技术领域
本发明属于射频通信与近程探测技术领域，特别是一种带无线充电的有源RFID系统。
背景技术
射频识别技术，也称为RFID，是利用射频信号在自由空间中辐射耦合过程来实现数据信息的中远距离无接触式传递，作为一种信息传输手段，以其方便的电子数据存储和数据传输的特点，以及传输过程中的安全性，被广泛应用于公共交通系统如地铁和公交、零售企业、个人身份识别、物流管理等生活的各个角落，被认为是21世纪最具发展前景的十项技术之一。对于日常生活使用有源RFID标签具有更好的实用性和适应性。在一些复杂的电磁波环境和高速移动的应用场景下，有源RFID技术愈发得到人们的青睐。然而由于有源的RFID标签需要外部电池提供电能，标签的电池寿命客观上制约了有源射频识别标签的使用周期。
为了延长标签使用寿命，越来越多的工程师对有源RFID标签进行设计，目前公开文献所涉及到的延长有源标签使用寿命的方案主要分为两大类：1、优化系统结构降低标签本身功耗，其中方法分为系统级，算法级和工艺级，主要为了减少自身电能损耗达到延长标签使用寿命的目的。2、将无线充电技术加入到RFID标签中，其中无线充电技术包括电磁耦合、磁共振、微波整流，通过给标签储能从而进一步提高标签使用寿命。学者Emil Nilsson在“A low power-long range active RFID-system consisting of active RFIDbackscatter transponders”文章中，结合二叉树算法对识别的身份信息量进行分配，通过划分不同的信道频率来表示对应的数字信息，适用于大量标签同时与阅读器交换信息，降低了多个标签的整体功耗，同时延时低，但是系统本身依然采用依靠接收阅读器的射频信号触发标签振荡反馈数据信息量的方式，灵敏度低且不易于远距离的传输。复旦大学车文毅博士的文章“半有源超高射频识别标签芯片的研究与设计”，其在SMIC 0.18um EEPROMCOMS工艺下设计了一款低功耗半有源超高频的电子标签，这种标签兼顾了高灵敏度通信，具有定时读温度功能、准恒流恒压充电和电池电压检测功能，休眠电流仅为150nA，且工艺上能够将RFID的睡眠工作电流大大降低从而降低睡眠状态下电能损耗，这种射频识别电子标签集成度高，但是设计难度比较大，同时受电压和温度特性影响比较大，容易触发系统误唤醒从而造成电能的频繁浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、在复杂电磁环境下适应性好、且能有效延长标签使用寿命的带无线充电的有源RFID系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种带无线充电的有源RFID系统，包括阅读器和有源标签，其中，阅读器包括第一MCU、第一射频收发芯片和第一标签天线；有源标签包括第二标签天线、前端开关、第二射频收发芯片、第二MCU、唤醒接收机电路、无线能量收集电路和可充电的纽扣电池；
所述前端开关包括第一端口、第二端口、第三端口和天线接口；其中，第一端口与第二射频收发芯片的发射端相连，第二射频收发芯片的控制端与第二MCU相连；第二端口与唤醒接收机电路、无线能量收集电路相连；第三端口与第二MCU的IO口相连；第二射频收发芯片、第二MCU、唤醒接收机电路、无线能量收集电路均与可充电的纽扣电池相连；第二MCU同时与唤醒接收机电路相连；第一MCU与第一射频收发芯片的控制端相连；第一标签天线与第一射频收发芯片的接收端相连，第二标签天线与天线接口相连；
第二MCU包括两种模式：睡眠模式和工作模式；当第二MCU处于睡眠模式时，第二端口与天线接口连通，无线能量收集电路收集外界的电磁能量并将其转化为直流存储至可充电的纽扣电池，同时唤醒接收机电路检测外界信号变化；当外界信号进入到唤醒接收机电路的唤醒触发范围内，第一MCU通过第一射频收发芯片发送OOK调制后的唤醒信息，经唤醒接收机电路解调后产生中断信号并反馈至第二MCU，第二MCU切换至工作模式，通过改变第三端口的控制信号使第一端口与天线接口连通，第二射频收发芯片发送数据经第一标签天线、第二标签天线与第一射频收发进行身份信息传递。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)有源标签端利用天线共用的方式优化了系统结构，进一步缩小标签体积；2)阅读器端采用射频信号收发切换的方式，取代传统唤醒电路发射端，降低了系统冗余量；3)利用无线微波微能量收集技术对标签电池储能，进一步延长标签使用周期；4)在微波微能量储能的基础上引入唤醒电路进一步优化系统工作模式，减少能量的消耗，提高能量利用率；5)系统整体小型化设计，结构简单、体积小、成本低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明带无线充电的有源RFID系统总体结构示意图。
图2为本发明中无线能量收集电路示意图。
图3为本发明中标签天线的结构示意图，其中(a)为标签天线的正面，(b)为标签天线的反面。
图4为本发明的唤醒接收机电路结构示意图。
图5为本发明阅读器中控制电路结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种带无线充电的有源RFID系统，包括阅读器和有源标签，其中，阅读器包括第一MCU1、第一射频收发芯片2和第一标签天线3；有源标签包括第二标签天线4、前端开关5、第二射频收发芯片6、第二MCU7、唤醒接收机电路8、无线能量收集电路9和可充电的纽扣电池10；
所述前端开关5包括第一端口5-1、第二端口5-2、第三端口5-3和天线接口5-4；其中，第一端口5-1与第二射频收发芯片6的发射端相连，第二射频收发芯片6的控制端与第二MCU7相连；第二端口5-2与唤醒接收机电路8、无线能量收集电路9相连；第三端口5-3与第二MCU7的IO口相连；第二射频收发芯片6、第二MCU7、唤醒接收机电路8、无线能量收集电路9均与可充电的纽扣电池10相连；第二MCU7同时与唤醒接收机电路8相连；第一MCU1与第一射频收发芯片2的控制端相连；第一标签天线3与第一射频收发芯片2的接收端相连，第二标签天线4与天线接口5-4相连；
第二MCU7包括两种模式：睡眠模式和工作模式；当第二MCU7处于睡眠模式时，第二端口5-2与天线接口5-4连通，无线能量收集电路9收集外界的电磁能量并将其转化为直流存储至可充电的纽扣电池10，同时唤醒接收机电路8检测外界信号变化；当外界信号进入到唤醒接收机电路8的唤醒触发范围内，第一MCU1通过第一射频收发芯片2发送OOK调制后的唤醒信息，经唤醒接收机电路8解调后产生中断信号并反馈至第二MCU7，第二MCU7切换至工作模式，通过改变第三端口5-3的控制信号使第一端口5-1与天线接口5-4连通，第二射频收发芯片6发送数据经第一标签天线3、第二标签天线4与第一射频收发2进行身份信息传递。
进一步地，结合图2，无线能量收集电路9采用集总元件构成的双L型宽带拓扑匹配网络，具体包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2和电阻RL；射频信号RF的一端与第一电感L1的一端、第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第二电感L2的一端、第三电感L3的一端相连，第三电感L3的另一端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极相连，第二二极管D2的负极与第三电容C3的一端、电阻RL的一端相连，射频信号RF的另一端、第一电感L1的另一端、第二电感L2的另一端、第一二极管D1的正极、第三电容C3的另一端和电阻RL的另一端均接地。本发明利用双L型匹配网络呈现高频段1.5GHz以上的窄带阻抗匹配特性在史密斯圆图中对电路进行阻抗匹配，在结合圆图匹配结果的基础上匹配网络呈现宽带特性。本发明在二倍压整流电路结构的基础上实现宽带匹配网络下整流电路的构建，在宽带匹配网络的基础上利用二倍压整流电路L型拓扑构成的二倍压电路。整流输入阻抗最关键的整流参数是输入阻抗ZinR，其值取决于射频输入功率、工作频率、二极管Rj的非线性结电阻以及端部负载RL。
进一步地，结合图3，第一标签天线3、第二标签天线4的结构相同，包括从上至下依次设置的贴片层、介质层和接地层，贴片层上设置平面环形单极子天线。该天线包括矩形环和单极子，采用底端微带线直接馈电的形式。底端微带线不仅是馈线，同时也是与辐射单元阻抗匹配的元件，其中辐射元件由金属铜制成，谐振频率为2.4GHz，适用于无线局域网。
示例性优选地，介质层采用FR4板材，其厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，tanδ＝0.02。
进一步地，结合图4，唤醒接收机电路8包括检波器J1、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、比较器B1、第三二极管D5；检波器J1的输出端与第四电容C4的一端、第一电阻R1的一端、比较器B1的同相端相连，第一电阻R1的另一端与第五电容C5的一端、比较器B1的反相端相连，比较器B1的输出端与第三二极管D5的正极相连，第三二极管D5的负极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与第六电容C6的一端、第三电阻R3的一端相连，第四电容C4的另一端、第五电容C5的另一端、第六电容C6的另一端和第三电阻R3的另一端均接地；其中，由第一电阻R1和第五电容C5构成的RC滤波器电路使比较器B1的反向输入保持低电平状态。
RC滤波器电路连接至比较器B1的反向输入而比较器B1正向输入直接连接到信号的包络检波器，由此构成自适应阈值机制，通过该方法，降低了电路的功耗，因为来自天线的信号被用来产生阈值，而不是一个分压器的结构。由于RC滤波器的作用，比较器B1可以检测到天线接收到的不同功率。比较器B1的一个重要参数是电压偏移(V+和V-之间的最小差异)，该参数会影响接收到的消息的最小灵敏度。
在比较器B1电压偏移小的情况下，由于通道噪声，比较器B1的输出端会随机产生非常短的高值fpa。为了滤除这些不必要的噪声干扰，本发明即设计了一种可调谐无源低通滤波器，如图4中的第二电阻R2和第六电容C6，能实现一个截止频率低于或等于fpa的低通滤波器。在比较器B1上升边缘，第六电容C6逐渐开始充电。在比较器的下降边缘，第六电容C6将通过第三电阻R3完全放电，并等待下一个上升沿到来。由此，频率低于fpa的信号将无法将第六电容C6充电到足以触发第二MCU7中断的水平。
进一步优选地，唤醒接收机电路8的唤醒触发范围为：唤醒接收机电路8的唤醒触发电压大于0.4mV。
示例性优选地，比较器B1具体采用LPV7215比较器，其典型电压偏移为0.4mV，电流消耗仅为600nA。
示例性优选地，检波器J1具体采用SSM7630。
示例性优选地，第一MCU1、第二MCU7具体采用NRF2401A。
在上述示例性的基础上，阅读器中控制电路结构如图5所示。本发明采用NRF2401A无线通信芯片完成收发部分的实现，在基于该芯片基础上构建标签系统并进行更深一步的电路优化。NRF2401A是一款带有嵌入式基带协议引擎的单芯片收发器，是用于ISM频段的高集成度，超低功耗，最高工作速率高达1Mbps的射频收发器芯片；支持多点对点之间的通信，只需少量的外围电路即可组成传统RFID有源系统；本身体积小，功耗低，易于小型化的特点十分适合作为本论文射频收发部分的器件选择。
NRF2401A可以配置为以下四种主要的工作模式：(1)掉电模式，(2)待机模式，(3)接收模式，(4)发送模式，对于RFID有源射频系统的设计，需要随时切换收发芯片的状态来满足实际应用的要求。当电源上电时，使能端拉低，系统处于掉电状态，此时芯片处于睡眠状态，MCU也可以通过SPI和芯片使能(CS)引脚来控制芯片。ANT1和ANT2输出引脚为天线提供平衡的RF输出。在负载和ANT1和ANT2之间安装一个简单的匹配网络，可以获得较低的负载阻抗来实现阻抗匹配。
本发明系统利用芯片的不同工作模式和收发模式实现标签与阅读器之间低功耗信息交互，此外通过无线充电和低功耗设计有效延长有源标签的使用周期，系统整体结构简单、体积小、成本低，在复杂电磁环境下适应性好。

Claims (9)

1.一种带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，包括阅读器和有源标签，其中，阅读器包括第一MCU(1)、第一射频收发芯片(2)和第一标签天线(3)；有源标签包括第二标签天线(4)、前端开关(5)、第二射频收发芯片(6)、第二MCU(7)、唤醒接收机电路(8)、无线能量收集电路(9)和可充电的纽扣电池(10)；
所述前端开关(5)包括第一端口(5-1)、第二端口(5-2)、第三端口(5-3)和天线接口(5-4)；其中，第一端口(5-1)与第二射频收发芯片(6)的发射端相连，第二射频收发芯片(6)的控制端与第二MCU(7)相连；第二端口(5-2)与唤醒接收机电路(8)、无线能量收集电路(9)相连；第三端口(5-3)与第二MCU(7)的IO口相连；第二射频收发芯片(6)、第二MCU(7)、唤醒接收机电路(8)、无线能量收集电路(9)均与可充电的纽扣电池(10)相连；第二MCU(7)同时与唤醒接收机电路(8)相连；第一MCU(1)与第一射频收发芯片(2)的控制端相连；第一标签天线(3)与第一射频收发芯片(2)的接收端相连，第二标签天线(4)与天线接口(5-4)相连；
第二MCU(7)包括两种模式：睡眠模式和工作模式；当第二MCU(7)处于睡眠模式时，第二端口(5-2)与天线接口(5-4)连通，无线能量收集电路(9)收集外界的电磁能量并将其转化为直流存储至可充电的纽扣电池(10)，同时唤醒接收机电路(8)检测外界信号变化；当外界信号进入到唤醒接收机电路(8)的唤醒触发范围内，第一MCU(1)通过第一射频收发芯片(2)发送OOK调制后的唤醒信息，经唤醒接收机电路(8)解调后产生中断信号并反馈至第二MCU(7)，第二MCU(7)切换至工作模式，通过改变第三端口(5-3)的控制信号使第一端口(5-1)与天线接口(5-4)连通，第二射频收发芯片(6)发送数据经第一标签天线(3)、第二标签天线(4)与第一射频收发(2)进行身份信息传递。
2.根据权利要求1所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述无线能量收集电路(9)采用集总元件构成的双L型宽带拓扑匹配网络，具体包括第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电阻(RL)；射频信号(RF)的一端与第一电感(L1)的一端、第一电容(C1)的一端相连，第一电容(C1)的另一端与第二电感(L2)的一端、第三电感(L3)的一端相连，第三电感(L3)的另一端与第二电容(C2)的一端相连，第二电容(C2)的另一端与第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的正极相连，第二二极管(D2)的负极与第三电容(C3)的一端、电阻(RL)的一端相连，射频信号(RF)的另一端、第一电感(L1)的另一端、第二电感(L2)的另一端、第一二极管(D1)的正极、第三电容(C3)的另一端和电阻(RL)的另一端均接地。
3.根据权利要求1或2所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述第一标签天线(3)、第二标签天线(4)的结构相同，包括从上至下依次设置的贴片层、介质层和接地层，贴片层上设置平面环形单极子天线。
4.根据权利要求3所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述介质层采用FR4板材，其厚度为1.6mm。
5.根据权利要求4所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述唤醒接收机电路(8)包括检波器(J1)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、比较器(B1)、第三二极管(D5)；检波器(J1)的输出端与第四电容(C4)的一端、第一电阻(R1)的一端、比较器(B1)的同相端相连，第一电阻(R1)的另一端与第五电容(C5)的一端、比较器(B1)的反相端相连，比较器(B1)的输出端与第三二极管(D5)的正极相连，第三二极管(D5)的负极与第二电阻(R2)的一端相连，第二电阻(R2)的另一端与第六电容(C6)的一端、第三电阻(R3)的一端相连，第四电容(C4)的另一端、第五电容(C5)的另一端、第六电容(C6)的另一端和第三电阻(R3)的另一端均接地；其中，由第一电阻(R1)和第五电容(C5)构成的RC滤波器电路使比较器(B1)的反向输入保持低电平状态。
6.根据权利要求5所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述唤醒接收机电路(8)的唤醒触发范围为：唤醒接收机电路(8)的唤醒触发电压大于0.4mV。
7.根据权利要求6所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述比较器(B1)具体采用LPV7215比较器。
8.根据权利要求7所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述检波器(J1)具体采用SSM7630。
9.根据权利要求8所述的带无线充电的有源RFID系统，其特征在于，所述第一MCU(1)、第二MCU(7)具体采用NRF2401A。
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