CN110610111A - 远距离无源无线磁场量感测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种远距离无源无线磁场量感测系统及其方法，应用于电子通信技术与传感器技术领域，针对现有的磁场量感测存在的磁场量感测设备功耗高、体积大、成本高、维护难等问题，本发明的远距离无源无线磁场量感测系统，基于RFID无线通信技术，通过采用无源磁场传感器，在激励信号的激励下，输出与其周围磁场强度相关的输出信号，并采用整流与能量管理电路，将磁场量感测标签收到的读写器发送的射频能量转化成直流电能并储存，以为磁场量感测标签工作运行时提供能量，相比于现有技术，不仅减小了磁场量感测设备的体积，且生产成本更低，功耗更小，且精度高，并能实现远距离无线感测。

Description

远距离无源无线磁场量感测系统
技术领域
本发明属于电子通信技术与传感器技术领域，特别涉及一种RFID射频识别技术以及无线传感器网络技术。
背景技术
射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是传统的无线通信识别技术，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域。RFID技术应用在无线传感网络中，就能兼具RFID和无线传感网络的技术特点，它通过RFID射频信号自动识别目标的特性，能够同时实现无线传感网络感知信息和通信的功能。
RFID读写器(Radio Frequency Identification的缩写)又称为“RFID阅读器”，通过射频识别信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可识别高速运动物体并可同时识别多个RFID标签。
无源电子标签，即无源射频标签，采用跳频工作模式，具有抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，识读距离可达十米以上。无源射频标签具有宽工作频段，既符合相关行业规定，又能进行灵活的开发应用。其专用读写器可同时读写多个标签。由于其无源的工作特性，标签设计中无需电池，标签的内存可反复擦写100000次以上。无源电子标签由于没有内装电池，在读写器的通信识别范围之外时，电子标签处于低功耗休眠状态，在读写器的通信识别范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签一般采用反向散射方式完成电子标签信息向读写器的传送，所以无源电子标签也可称之为被动标签。
磁场传感器是一种可以感知环境中磁场强度的电感型无源传感器。其受到特定频率信号激励以后，其同频输出信号峰峰值与环境中磁场强度呈负相关。输出信号经过处理以后，可以真实地体现磁场强度变化的过程与程度。
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检测外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接与通信。
现有的磁场量感测基本采用高功耗，大体积，有源运行模式的磁场量感测设备，没有形成完整的无线磁场量参数传输系统，也没有引入RFID技术。现有磁场量感测技术普遍存在的主要缺点有：没有引入RFID技术，没有实现磁场量参数的远距离无线传输。且现有磁场量感测设备普遍具有较高的功耗，基本采用有源模式运行工作，这对固定电源或者便携式电池提出了一定的要求，也增加了定期维护的成本，且在一些无法安装电源或者无法更换电池的特殊环境中，现有技术体现出了相当的局限性。并且现有的磁场量感测设备相对体积庞大，造价高昂，对于大面积的传感网络布局并不现实。
发明内容
为解决磁场感知设备没有实现基于RFID技术的远距离无线传输磁场量参数的问题，本发明提出一种基于RFID技术的远距离无源无线磁场量感测系统，借助上位机、读写器，采用具有低功耗，低成本，高精度感知与远距离无线传输优点的无源磁场量感测标签，实现对磁场量的高精度、远距离无线传输。
本发明采用的技术方案为：远距离无源无线磁场量感测系统，包括：上位机，读写器以及磁场量感测标签；上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与磁场量感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述磁场量感测标签为无源标签；磁场量感测标签至少包括无源磁场传感器，该无源磁场传感器在受到特定频率正弦激励信号激励时，其输出的同频正弦输出信号峰峰值与待测环境中的磁场强度呈负相关。
本发明的磁场量感测标签还包括：整流与能量管理电路，用于将磁场量感测标签收到的射频能量转化成直流电能并储存，以给磁场量感测标签工作运行时提供能量。
本发明的整流与能量管理电路至少包括：储能电容，用于将转化的直流电能进行存储；当储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，磁场量感测标签开始工作运行。
本发明的磁场量感测标签与读写器的通信距离为4米。
本发明采用的读写器与磁场量感测标签均支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议；所述读写器包括12dBi线极化天线，读写器通过该12dBi线极化天线向磁场量感测标签发送射频能量以及命令信号，并通过该天线与磁场量感测标签实现信息交互。
本发明采用的磁场量感测标签包括2dBi线极化天线，磁场量感测标签通过2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，并通过该天线与读写器实现信息交互；所述磁场量感测标签还包括12位精度ADC，用于对无源磁场传感器的输出信号进行采集。
本发明还提供一种基于上述远距离无源无线磁场量感测系统的磁场量采集方法，包括：
S1、上位机首次运行时，先初始化读写器，然后对所有的磁场量感测标签进行盘存；
S2、若上位机发送标定命令，则执行步骤S3；若上位机发送采集磁场量参数命令，则执行步骤S4；
S3、改变磁场量感测标签周围磁场强度，并通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，获取当前磁场强度下磁场量感测标签的采集磁场量参数，通过多次改变磁场量感测标签周围磁场强度，从而得到磁场强度与采集的磁场量参数对照表；
S4、上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，磁场量感测标签采集磁场量参数，并将采集的磁场量参数返回至上位机；上位机根据采集的磁场量参数在磁场强度与采集磁场量参数对照表查找得到该磁场量感测标签所感测的环境磁场强度值。
本发明的有益效果：本发明的远距离无源无线磁场量感测系统，包括：上位机，读写器以及磁场量感测标签；上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与磁场量感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述磁场量感测标签为无源标签；本发明具备以下优点：
1、本发明引入RFID技术，构造了远距离无源无线磁场量感测系统，针对磁场量参数进行了远距离感知与传输，解决了现有技术中，磁场量感知设备没有实现构造基于RFID技术的远距离无线传输磁场量参数系统的问题；
2、本发明采用的磁场量感测标签总体积仅为8cm3，解决了现有技术中，磁场量感知设备体积大的问题；
3、本发明采用的无源无线磁场量感测标签，为能量自动收集式无源电子标签，无需电池，总体峰值功耗小于2.1毫瓦，总体平均功耗小于1.7毫瓦，解决了现有技术中，磁场量感知设备功耗高的问题；
4、本发明采用的无源无线磁场量感测标签，总成本低，单枚标签不大于90元人民币，解决了现有技术中，磁场量感知设备成本高的问题；
5、本发明采用的无源无线磁场量感测标签，结构简单，无需更换电池，维修和维护方便，维护造价低廉，解决了现有技术中，磁场量感知设备维护难的问题；
6、本发明采用的无源无线磁场量感测标签，体积小，隐蔽性强，感知与传输距离经测试可达4米，十分有利于无线传感网络的布局与实现，解决了现有技术中，磁场量感知设备广泛布局难的问题
7、本发明采用的无源无线磁场量感测标签，还具有感知与采集磁场量参数精度高的优点，传感磁场量参数误差被有效控制在1％以下，解决了现有技术中，磁场量感知设备在低功耗运行状态下无法实现高精度感测的问题；
8、本发明的无源无线磁场量感测标签，具有反应静磁场特性以及1Hz-100Hz交变磁场特性的优点，可以实现对大型电力传输单位中的电力传输设备以及线管周围的静磁场以及交变磁场的实时监控与探测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的远距离无源无线磁场量感测系统构架图；
图2为本发明实施例提供的磁场量感测标签电路结构图；
图3为本发明实施例提供的磁场量感测标签中磁场特性感知与采集电路结构图；
图4为本发明实施例提供的磁场传感器等效电路图；
图5为本发明实施例提供的磁场量感测标签中基带信号处理单元的工作流程图；
图6为本发明实施例提供的磁场量感测系统上位机软件流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明采用RFID技术，将无源磁场传感器融合到支持ISO/IEC 18000协议的板级无源电子标签中，并与上位机以及同样支持ISO/IEC 18000协议的读写器构成远距离无源无线磁场量感测系统。
如图1所示，本发明的远距离无源无线磁场量感测系统，包括：上位机，读写器以及磁场量感测标签；远距离无源无线磁场量感测系统在工作的时候，旨在实现对待测磁场环境中的磁场强度参数进行间歇式采集与传输，具体应用场景如下图1所示。
上位机可发出采集命令，并通过有线控制支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议的读写器，读写器即通过发射端的12dBi线极化天线向磁场量感测标签发送射频能量以及命令信号。
磁场量感测标签同样支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议，应用时置放于待测磁场环境之中，与读写器最远通信距离可以达到4米。磁场量感测标签通过其2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，射频能量用于转化成直流电能并储存，命令信号用于解调和识别。当磁场量感测标签的储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，磁场量感测标签即开始运行。标签上载有无源磁场传感器，该传感器在工作时，其输出正弦信号峰峰值与待测环境中的磁场量呈负相关。磁场量感测标签对传感器的输出信号进行处理和采样，获得实时的磁场量参数，并通过反向散射的方式无线传送回读写器。
读写器接收到磁场量感测标签传回的待测环境中的磁场量参数以后，通过有线方式传送给上位机，上位机软件将传回的磁场量参数处理后，将磁场量参数值显示在上位机上，从而完成对待测环境中磁场量参数的远距离采集与传输。
本实施例中给出一种磁场量感测标签的实现方式，其结构如图2所示，磁场量感测标签包括天线以及5个功能模块电路：阻抗匹配及反向散射调制电路模块、整流与能量管理电路模块、解调电路模块、基带处理单元电路模块、磁场特性感知与采集电路模块。
远距离无源无线磁场量感测标签电路在工作的时候，读写器发送的920MHz-928MHz频段射频信号与能量由天线端口传入阻抗匹配及反向散射调制电路模块，该电路模块由阻抗匹配电路、反向散射调制电路以及功分器电路组成。射频信号与能量经由阻抗匹配电路与功分器电路将约五分之四的输入射频能量传入整流与能量管理电路模块中，并进行RF-DC转化与收集，将约五分之一的输入射频信号传入解调电路模块中进行解调。
整流与能量管理电路模块中的倍压整流电路将传入的射频能量转化为直流能量，该直流能量在整流与能量管理电路模块中，经由DC-DC能量管理芯片将直流电能升压并存储在储能钽电容之中，当钽电容中存储的电能达到设定的上限阈值，再由DC-DC能量管理芯片的输出端口输出2.4V电能并传入LDO线性稳压器，最终LDO线性稳压器输出高精度2V直流电能供给标签电路运行使用，当储能钽电容中的电能因放电而电压下降至设定的下限阈值，整流与能量管理电路模块即停止为标签电路供电，直到下一次储能钽电容中的电能充电至设定的上限阈值。这里的上限阈值是指由DC-DC能量管理芯片控制的特定放电电压值，即当电容中的电压充电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即开始向后续电路供电，电容中的电能被释放。这里的下限阈值是指同样由DC-DC能量管理芯片控制的特定停止放电电压值，即当电容中的电压放电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即停止向后续电路供电。在本实施例中，上限阈值取值为4.8V，下限阈值取值为2.4V。
解调电路模块由包络检波电路、均值电路以及比较器组成。包络检波电路处理后的解调信号与均值电路输出信号一起传入比较器，比较器接受整流与能量管理电路模块供电以后，输出基带信号并传入基带处理单元电路模块进行处理。
基带处理单元电路模块中的单片机接受整流与能量管理电路模块供电，处理和解析解调电路模块传入的读写器命令，当接收到读写器要求采集磁场量参数命令后，会从基带处理单元电路模块中的单片机向整流与能量管理电路模块中对应的线性稳压器发送使能信号，并同时对磁场特性感知与采集电路模块传入的磁场量参数进行处理，并将采集到的参数转化为调制信号，传入阻抗匹配及反向散射调制电路模块，通过反向散射的方式将磁场量参数回传到读写器。
磁场特性感知与采集电路模块同样接受整流与能量管理电路模块供电。其被供电的前提是在标签接收到读写器发送的采集磁场量命令，基带处理单元电路模块使能整流与能量管理电路模块中对应的线性稳压器以后，磁场特性感知与采集电路模块即开始运行工作，最终将采集的磁场量参数传入基带处理单元电路处理。本发明中的磁场特性感知与采集电路模块采用无源磁场传感器来感知环境中的磁场量，本实施例中提供磁场特性感知与采集电路模块的一种实现方式，如图3所示，包括：交流激励源电路、磁场传感器、传感器输出信号调理电路、传感器输出信号采集电路。
交流激励源电路中包括：有源晶振、无源带通滤波器以及限流电阻；有源晶振接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电起振，输出特定频率方波信号，该方波信号传入后接的无源带通滤波器，将不需要的频率分量过滤之后，输出该特定频率的正弦信号，该特定频率的正弦信号流经限流电阻后输入磁场传感器。限流电阻将交流激励源电路的输出电流固定为约200微安，该电流大小为最小可激励传感器的电流大小。由于磁场传感器等效为电感器，内阻低至10欧姆以内，限流电阻的作用旨在降低激励磁场传感器时，产生过大的功耗。
无源磁场传感器被交流激励源电路的输出信号激励以后，输出峰峰值约为激励信号峰峰值的二十分之一的微小的同频信号，该传感器输出信号传入图3中的传感器输出信号调理电路进行处理。
传感器输出信号调理电路包括：第一级运算放大器、第一级RC低通滤波器、第二级运算放大器、对管检波器、第二级RC低通滤波器、第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器；其中，第一级运算放大器、第二级运算放大器均采用双电源(正负电源)供电；第三级运算放大器采用单电源供电。电路工作运行时，磁场传感器的输出信号经第一级运算放大器放大以后进入第一级RC低通滤波器，第一级RC低通滤波器输出过滤了高频噪声后的传感器输出信号并传入第二级运算放大器，第二级运算放大器再次将传感器输出信号放大后输入后续的对管检波器以及第二级RC低通滤波器，从而获得传感器输出正弦信号放大后的包络线信号，该包络线信号传入第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器，从而提高包络线信号的信噪比以传入后续的传感器输出信号采集电路。
传感器输出信号采集电路为标签电路中单片机自带的12位精度ADC，该ADC(单片机)接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电，接收来自传感器输出信号调理电路的输出信号，并进行模数转换，最终将模数转换后的数字信号传递给单片机处理，从而实现磁场特性的感知与采集。
本实施例中给出了无源磁场传感器的实现方式，如图4所示，本发明采用的磁场传感器由非晶磁性薄膜(Fe–Ni–Mo amorphous film)制成，压层式封装，等效为变压器结构。当外部磁场作用于传感器，由于磁畴壁的移动和畴旋转，传感器的磁性膜的磁导率发生相应的变化，从而传感器的等效电感值(阻抗值)发生改变，其在受到特定频率的正弦激励信号激励后的输出同频正弦信号峰峰值与其周围的磁场强度将呈负相关。
本发明中标签的基带处理单元电路模块的工作流程如图5所示，基带处理单元主要实现基于ISO/IEC 18000的RFID协议。当整流与能量管理电路模块开始给基带处理单元电路模块供电后，基带处理单元电路模块开始初始化单片机各管脚的工作状态以及配置接收模块，然后等待上位机发出的命令。如果上位机发出的是通用RFID命令，该磁场量感测标签即像通用的RFID标签一样执行命令，并做相应的响应；当上位机发送的是磁场量采集命令，则标签解析命令后，首先使能磁场特性感知与采集电路，然后配置ADC，等磁场特性感知与采集电路稳定后，根据命令是单次还是多次采集来对磁场量参数进行单次或者多次采集，并将采集的数据通过反向散射的方式发送到上位机。
本发明采用如图6所示上位机软件工作流程来实现对磁场量参数的采集。上位机软件首次运行时，首先初始化读写器，然后盘存周围的磁场量感测标签或者可以手动输入确定的标签EPC(电子产品代码)。当上位机需要做标定操作的时候，执行标定流程；当上位机需要采集磁场量参数的时候执行磁场量采集流程；否则上位机进行通用RFID操作。
上位机定标：上位机开始执行标定操作前需要盘存周围的标签(或者通过手动输入标签的EPC)，然后通过上位机选择特定的标签进行标定。通过人工改变标签周围的磁场强度，然后通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令。读写器在接收到标签返回的采集数据后，上位机将当前的磁场强度和采集的数据在对照表中记录下来，通过多次改变磁场强度大小，最终得到完整的磁场量与采集数据对照表。
磁场量数据采集：上位机正常工作时可以发送通用RFID命令，或者发送磁场量参数采集命令。在采集磁场量参数前，上位机需要盘存磁场量感测标签(或者提供EPC列表)，然后选择标签进行磁场量参数采集。上位机可以进行单标签或者多标签的磁场参数采集，单标签采集磁场参数操作可以先通过读写器盘存周围的标签，从而得到这些标签的EPC列表，然后选择需要执行采集命令的标签进行磁场量参数采集。如果要进行多标签采集磁场参数操作，则可以将多个特定标签的EPC通过文件的方式列出来，形成EPC列表，然后上位机先发送连续载波，给所有标签充电，充电完毕后，上位机发出群采集命令，所有标签进行磁场量参数采集并将采集的数据保存到指定的存储空间(上位机可以配置采集的数据个数)，然后上位机按照EPC列表的顺序选择特定的标签进行读取操作，从而获得标签采集到的磁场量参数；当上位机接收到标签返回的磁场量参数后，根据标定产生的对照表找到该磁场量参数对应的磁场量值，然后显示在上位机上，并保存当前EPC、磁场量值和记录时间等信息；然后上位机判断EPC列表是否结束，如果结束则跳转到结束状态，否则继续执行EPC列表中的下一个标签。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，包括：上位机，读写器以及磁场量感测标签；上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与磁场量感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述磁场量感测标签为无源标签；磁场量感测标签至少包括无源磁场传感器，该无源磁场传感器在受到特定频率正弦激励信号激励时，其输出的同频正弦输出信号峰峰值与待测环境中的磁场强度呈负相关。
2.根据权利要求1所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，系统中的磁场量感测标签还包括：整流与能量管理电路，用于将磁场量感测标签收到的射频能量转化成直流电能并储存，以给磁场量感测标签工作运行时提供能量。
3.根据权利要求2所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，所述整流与能量管理电路至少包括：储能电容，用于将转化的直流电能进行存储。
4.根据权利要求3所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，当储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，磁场量感测标签开始工作运行。
5.根据权利要求4所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，磁场量感测标签与读写器的通信距离为4米。
6.根据权利要求5所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，所述读写器与磁场量感测标签均支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议。
7.根据权利要求6所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，读写器包括12dBi线极化天线，读写器通过该12dBi线极化天线向磁场量感测标签发送射频能量以及命令信号，并通过该天线与磁场量感测标签实现信息交互。
8.根据权利要求7所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，磁场量感测标签包括2dBi线极化天线，磁场量感测标签通过2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，并通过该天线与读写器实现信息交互。
9.根据权利要求8所述的远距离无源无线磁场量感测系统，其特征在于，所述磁场量感测标签还包括12位精度ADC，对无源磁场传感器的输出信号进行采集。
10.基于权利要求1至9的任一项权利要求所述的远距离无源无线磁场量感测系统的磁场量采集方法，其特征在于，包括：
S1、上位机首次运行时，先初始化读写器，然后对所有的磁场量感测标签进行盘存；
S2、若上位机发送标定命令，则执行步骤S3；若上位机发送采集磁场量参数命令，则执行步骤S4；
S3、改变磁场量感测标签周围磁场强度，并通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，获取当前磁场强度下磁场量感测标签的采集磁场量参数，通过多次改变磁场量感测标签周围磁场强度，从而得到磁场强度与采集的磁场量参数对照表；
S4、上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，磁场量感测标签采集磁场量参数，并将采集的磁场量参数返回至上位机；上位机根据采集的磁场量参数在磁场强度与采集磁场量参数对照表查找得到该磁场量感测标签所感测的环境磁场强度值。
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