CN110110832A - 一种水分传感器rfid标签及其应用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，包括：水分传感器RFID标签，包括偶极子天线、芯片和水分传感器，所述偶极子天线的中心环路上设有切断天线回路的天线断口，所述水分传感器安装在天线断口上；所述芯片设置在偶极子天线上；读写器，通过接收模块和发射模块与水分传感器RFID标签进行无线通信，信号接收模块通过无线信号读取水分传感器RFID标签的芯片内存的数据；发射模块通过无线信号将信息写入水分传感器RFID标签的芯片内；WIFI模块；智能终端；服务器。本发明的有益效果在于价格非常廉价，可以作为一次性产品使用，因此具有卫生优势，读取距离远，一次性使用大幅降低了维护成本，本产品填补了市场空缺。
Description
技术领域
本发明涉及传感器RFID标签和通信领域，尤其涉及智能感知和RFID射频识别技术及其应用系统。
背景技术
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
超高频无源RFID标签是指工作频率在300M～3GHz之间的超高频频段内，无外接电源供电的RFID标签。这种超高频无源RFID标签由于其工作频率高，可读写距离长，无需外部电源，制造成本低，目前成为了RFID研究的重点方向之一，将成为在不久的将来RFID领域的主流产品。
智能无源无线传感器RFID标签是电子标签中增加了传感器功能，如温度、湿度、压力等。智能无源无线传感器最具优势的独特性和创新性在于：它在单芯片上实现传感，从接收的电磁场信号中采集能量，因而无需电池，可监测温度、湿度、压力等各种参数，基于RFID标准协议实现了传感器技术的突破。
智能无源无线水分传感器使用几十种有机晶体管和有机二极管，采用激励回路，能够通过测量阻抗变化实现湿度监测、浸水检测，但电路复杂、做工难和成本高，阻碍在产业中大规模应用。
RFID技术的基本工作原理：电子标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
目前一种结合了超低功耗传感器和RFID技术的全新智能传感器正在兴起，但使用场景只能限制在高价值物品或可重复使用的场景中，因为存在一些不足之处制约着进一步发展：
1、安森美半导体的智能无源无线传感器RFID标签可以监测湿度、温度、距离等各种参数。无源无线传感器从接收信号中采集能量，用于系统自动化温度监控，预防性维护等应用的湿度、温度、液位水平监控，但价格偏贵。国内浙江悦和的第二代温湿度传感器RFID标签价格也需4元人民币以上，其中湿度检测功能要到第三代产品才能完善；(带传感器功能的超高频RFID标签成本瓶颈，制约市场发展，尽管无源无线超高频RFID标签价格下降很快，但是从RFID芯片以及系统维护等整体成本而言，无源无线超高频RFID标签系统价格依然偏高，而产品成本是应用无源无线超高频RFID标签系统最终用户权衡项目投资收益的重要指标。所以，无源无线超高频RFID标签系统的成本瓶颈，也是制约中国超高频RFID标签市场发展的重要因素)
2、没有水分检测单一功能的智能传感器RFID标签；
3、产品价格贵，所以采用重复使用，这样增加了维护成本，佩戴在人体上的用途的传感器标签同时也带来卫生问题；
4、现有带传感器的智能RFID标签读取距离短，一般只有4米左右，制约着很多场景应用；
5、水分传感器RFID标签、远距离读写器、远程传输网络和应用软件一套完整对应应用系统也没用配套跟上。
发明内容
基于此，本发明将提供一种水分传感器RFID标签及其应用系统。以解决上述背景技术中提出的不足和问题。
为实现既能检测到水分又能做到成本低廉，本发明提供如下技术方案：一种智能无源无线传感器RFID标签，包括芯片、标签和水分传感器。所述标签有PET层层、铝箔天线、防水层、胶粘层和离型纸。所述PET层层有模切缺口，用于盛放电解质溶液；所述铝箔层有模切断口，用于断开天线中心环路和盛放电解质溶液；所述防水层，保护天线铝箔电路和IC以免浸水，防水层有水分传感器位置缺口，用于放置水分传感器；所述胶粘层和离型纸在水分传感器位置均不贴覆。所述水分传感器包括保水材料和强电解质。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，包括：
水分传感器RFID标签，包括偶极子天线、芯片和水分传感器，所述偶极子天线的中心环路上设有切断天线回路的天线断口，所述水分传感器安装在天线断口上；所述芯片设置在偶极子天线上；
读写器，通过接收模块和发射模块与水分传感器RFID标签进行无线通信，信号接收模块通过无线信号读取水分传感器RFID标签的芯片内存的数据；发射模块通过无线信号将信息写入水分传感器RFID标签的芯片内；
WIFI模块，与读写器电性连接，所述读写器通过WIFI模块与智能终端进行无线通信；
智能终端，采用搭载无线局域网与服务器通信连接的移动设备，用于通过WIFI模块控制读写器对水分传感器RFID标签的芯片进行写入和读取操作；
服务器，包括数据存储模块以及数据处理模块，与智能终端通信连接，接收、存储并处理来自水分传感器RFID标签的信息。
优选的，所述偶极子天线包括依次从下到上设置的PET层、铝箔天线、防水层、胶粘层和离型纸。
优选的，所述防水层由防水的胶体材料制成。
优选的，所述偶极子天线上通过模切刀冲压形成天线断口；所述模切刀冲压从上到下依次切开组成偶极子天线的铝箔天线和PET层上部，开设凹槽整个冲压口形成天线断口。
优选的，所述偶极子天线上设有的天线断口采用蚀刻、印刷在PET层上部形成天线断口。
优选的，所述水分传感器是吸水导电盐膜。
优选的，所述水分传感器由保水材料和的盐粒制成。
本发明的有益效果在于：1)价格非常廉价，成本不超过0.25元，因此具有巨大的价格优势；
2)佩戴在人体上的用途的水分传感器RFID标签可以作为一次性产品使用，因此具有卫生优势；
3)使用大增益读写器，读取距离最远可达25米，远远超过现有带传感器功能的RFID标签；
4)本发明水分传感器RFID标签成本低，一次性使用大幅降低了维护成本；
5)市场有温湿度传感器RFID标签，也具有检测温度、湿度和压力等参数的RFID标签，但没有单一水分检测功能的传感器RFID标签，本产品填补了市场空缺。
附图说明
图1本发明RFID标签应用系统结构示意图
图2本发明水分传感器RFID标签示意图
图3本发明RFID标签断口和水分传感器结构示意图
图4本发明RFID标签断口模切结构示意图
图5本发明水分传感器结构示意图
图中：1-水分传感器RFID标签，2-读写器，3-WIFI模块，4-智能终端，5-服务器，6-偶极子天线，7-芯片，8-水分传感器，9-天线断口，10-PET层，11-铝箔天线，12-防水层，13-粘胶层，14-离型纸，15-模切刀，16-保水材料，17-盐粒。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式，本文所使用的术语“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“前端”、“后端”以及类似的表达是参考附图的位置关系。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
如图所示，一种水分传感器RFID标签,及其应用系统，其特征在于，包括：
水分传感器RFID标签1，包括偶极子天线6、芯片7和水分传感器8，所述偶极子天线6的中心环路上设有切断天线回路的天线断口9，水分传感器8吸水或液体电解产出离子导电恢复断开的中心环路，所述水分传感器8安装在天线断口9上；所述芯片7设置在偶极子天线6上；水分传感器RFID标签1是一种通信感应天线用于接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片7中的产品信息。
读写器2，通过接收模块和发射模块与水分传感器RFID标签1进行无线通信，信号接收模块通过无线信号读取水分传感器RFID标签1的芯片7内存的数据；发射模块通过无线信号将信息写入水分传感器RFID标签1的芯片7内；通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
WIFI模块3，与读写器2电性连接，所述读写器2通过WIFI模块3与智能终端4进行无线通信；属于物联网传输层，功能是将串口或TTL电平转为符合WIFI无线网络通信标准的嵌入式模块,通过串口WIFI模块3，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据。
智能终端4，采用搭载无线局域网与服务器5通信连接的移动设备，用于通过WIFI模块3控制读写器2对水分传感器RFID标签1的芯片7进行写入和读取操作；智能终端4是一类嵌入式计算机系统设备，如个人计算机、游戏机、MP3播放器、智能手机、平板电脑、打印机、笔记本电脑等。
服务器5，包括数据存储模块以及数据处理模块，与智能终端4通信连接，接收、存储并处理来自水分传感器RFID标签1的信息。
如图2所示，水分传感器RFID标签1由偶极子天线6、芯片7和水分传感器8构成。当中心环路上的水分传感器8探测到水分(吸收水分)后，可溶性盐溶于水电离出自由移动的离子后形成强电解质溶液，强电解质溶液中的电解质离解出带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子；读写器2输出的射频信号、功率、通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由水分传感器RFID标签1偶极子天线6接收下来，在偶极子天线6的两臂上产生一定的电流分布，电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。凭借偶极子天线6感应电流所获得的能量形成的外电场作用下，电解质溶液中的离子定向地向对应电极移动并在其上放电而实现电路被导通。凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片7中的产品信息。
上述，偶极子天线6包括依次从下到上设置的PET层10、铝箔天线11、防水层12、胶粘层13和离型纸14。
上述，防水层12由防水的胶体材料制成，例如PET材料。
如图4所示，偶极子天线6上通过模切刀15冲压形成天线断口9；所述模切刀15冲压从上到下依次切开组成偶极子天线6的离型纸14、胶粘层、防水层12和铝箔天线11后在PET层10上部开设凹槽整个冲压口形成天线断口9。铝箔天线11作为功能层，形成偶极子天线6的图案形状；PET层10是作为铝箔天线11的承载层，主要起着机械支撑的作用；防水层12用于防止水分影响偶极子天线6和芯片7功能，防水层12在水分传感器8处不需贴覆，让电解质溶液充分浸润PET层10处断口、铝箔天线11处断口和浸润铝箔天线11表面；粘胶层13是为了方便粘贴在探测物体表面，粘胶层13在水分传感器8处不需贴覆；离型纸14是起到隔离胶粘层的作用。离型纸14在水分传感器8不需贴覆；模切刀15是用于冲压铝箔天线11和PET层10，形成偶极子天线断口9，另种方式就是蚀刻或印刷等方法制造天线时留个断口，这样就不需模切断口这个工序。
上述，偶极子天线6上设有的天线断口9采用蚀刻或者印刷等方法制造天线时在PET层10上部形成天线断口9。
如图3和图5所示所示，水分传感器8是吸水导电盐膜。保水材料16是一薄层吸水、盛盐和保有电解质溶液的载体，盐粒17是可溶性强电解质盐，其中该薄层吸水载体的可为多孔海绵状薄膜或强吸水性棉薄膜等强吸水和保水材料16；其中，可溶性强电解质盐可以选用氯化钠、氯化锂、聚丙烯酸钠、聚苯乙烯磺酸锂等材料，可溶性强电解质选材根据具体应用要求选用与被检测物质(如水)发生物理或化学反应，从而使断开的电路从电阻无限大到瞬间减少，直至电路导通的材料。
水分传感器8其制备方法是在多孔海绵状薄膜或强吸水性棉薄膜表面和内部充满强电解质盐，把盐充分溶解在水中，如混合聚乙烯醇成膜效果会更好，然后把多孔海绵状薄膜或强吸水性棉薄膜等保水材料16浸泡在盐溶液中适当时间，并在适当温度的真空烘箱中烘适当时间，以保证膜绝对干燥，不含水分，则形成了吸水导电盐膜；就成了水分传感器8。这样可以快速地大量生产水分传感器8。
上述，水分传感器8由保水材料16和的盐粒17制成，水分传感器8吸收到水分后形成的电解质溶液滴在偶极子天线6铝箔断口底部和浸润铝箔天线11表面，电解质溶液是导体，铝箔天线11断口9即可导电。
应用系统其工作原理是：读写器2通过WIFI模块3发射一特定频率的无线电波能量，水分传感器RFID标签1天线收到该段无线电波能量后用以驱动芯片7将内部的数据送出，此时读写器2便依序接收解读数据，通过WIFI模块3传送到智能终端4应用程序做相应的处理。
本发明在实际使用时：当水分传感器RFID标签1检测到水分的时候，反射信号到读写器2的接收模块，读写器2对信号进行解码和调制后反馈给WIFI模块3，WIFI模块3经过处理器处理后，把读写器2的TTL信号转换成TCP信号，通过无线局域网传输到无线手持平板、智能手机、电脑等智能终端4上，然后再从手机等终端上通过4G网络将数据传输到远程服务器5，便于数据的存储、管理和分析，非常适合儿童和老人纸尿裤、创口贴伤口裂开检查、儿童一次性汗巾、水处理厂水管漏检等各个领域中使用。
本发明的有益效果在于：带传感器功能的超高频RFID标签成本瓶颈，制约市场发展，尽管无源无线超高频RFID标签价格下降很快，但是从RFID芯片7以及系统维护等整体成本而言，无源无线超高频RFID标签系统价格依然偏高，而产品成本是应用无源无线超高频RFID标签系统最终用户权衡项目投资收益的重要指标。所以，无源无线超高频RFID标签系统的成本瓶颈，也是制约中国超高频RFID标签市场发展的重要因素。相比于现有的湿度传感器RFID标签，本发明的水分传感器RFID标签1非常廉价，成本不超过0.25元，因此具有巨大的价格优势；
2)佩戴在人体上的用途的水分传感器RFID标签1可以作为一次性产品使用，因此具有卫生优势；
3)使用大增益读写器2，读取距离最远可达25米，远远超过现有带传感器功能的RFID标签；
4)本发明水分传感器RFID标签1成本低，一次性使用大幅降低了维护成本；
5)市场有温湿度传感器RFID标签，也具有检测温度、湿度和压力等参数的RFID标签，但没有单一水分检测功能的传感器RFID标签，本产品填补了市场空缺。
上述，先断开RFID天线线路，使RFID标签不能工作；选择断口处物质与被检测物质发生物理或化学反应现象，从而使用RFID天线线路导通，可以正常接收读写器发射过来的电磁波能量和收发信号；读写器能识别RFID标签说明已经检测到被检测物质；利用这种方法检测物质都属于本发明保护的范围。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，包括：
水分传感器RFID标签，包括偶极子天线、芯片和水分传感器，所述偶极子天线的中心环路上设有切断天线回路的天线断口，所述水分传感器安装在天线断口上；所述芯片设置在偶极子天线上；
读写器，通过接收模块和发射模块与水分传感器RFID标签进行无线通信，信号接收模块通过无线信号读取水分传感器RFID标签的芯片内存的数据；发射模块通过无线信号将信息写入水分传感器RFID标签的芯片内；
WIFI模块，与读写器电性连接，所述读写器通过WIFI模块与智能终端进行无线通信；
智能终端，采用搭载无线局域网与服务器通信连接的移动设备，用于通过WIFI模块控制读写器对水分传感器RFID标签的芯片进行写入和读取操作；
服务器，包括数据存储模块以及数据处理模块，与智能终端通信连接，接收、存储并处理来自水分传感器RFID标签的信息。
2.根据权利要求1所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述偶极子天线包括依次从下到上设置的PET层、铝箔天线、防水层、胶粘层和离型纸。
3.根据权利要求2所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述防水层由防水的胶体材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述偶极子天线上通过模切刀冲压形成天线断口；所述模切刀冲压从上到下依次切开组成偶极子天线的铝箔天线和PET层上部，开设凹槽整个冲压口形成天线断口。
5.根据权利要求1所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述偶极子天线上设有的天线断口采用蚀刻、印刷在PET层上部形成天线断口。
6.根据权利要求1所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述水分传感器是吸水导电盐膜。
7.根据权利要求6所述的一种水分传感器RFID标签及其应用系统，其特征在于，所述水分传感器由保水材料和的盐粒制成。
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