CN112085138A - 用于溯源防伪防篡改的微型装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于溯源防伪防篡改的微型装置、系统及方法，具有判断受保护包装状态过程的逻辑电路，且包装状态过程信息一旦被记录即不可更改，因此当所述微型装置被用于各种商品包装后，当有受损包装出现在读写器有效磁场范围内时，读写器即可接收到报警信号，完成筛选工作。且受损时间及状态一旦被控制模块记录，便进行锁死操作，使其不可二次更改，消费者可以通过人机界面获得该商品的包装状态过程和溯源信息。本发明具备使用范围广、稳定性高、功能全面、可重复利用等特点，可准确记录商品溯源信息和包装的状态过程信息，可广泛应用于各类商品的溯源、防伪及运输过程中的防篡改、防调包等工作，并可通过行为发生的准确时间来进行调查工作。

Description

用于溯源防伪防篡改的微型装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及商品溯源防伪技术领域，尤其涉及一种用于溯源防伪防篡改的微型装置、系统及方法。
背景技术
如今，商品市场中假货横行、运输掉包、经销商窜货愈演愈烈，传统的物理防伪技术(激光防伪、喷墨防伪、电码防伪)已无法满足防伪溯源的需求。
现常用商品溯源、防伪、防篡改技术通常分为两类：
一是特殊工艺及材料防伪，主要是利用商品专用包装、精美印刷工艺、镭射贴纸等来防伪，随着造假设备同益精良，该方式防伪效果越来越差，容易伪造，无法达到防伪效果，而且特殊工艺及材料防伪标签无法承载数据，无法同时满足溯源需求。
二是数码防伪，主要手段有条形码标签防伪、二维码标签防伪和RFID电子标签防伪。其中，条形码和二维码防伪存在无法动态写入信息、易被复制和篡改、需光学可视等缺陷，从而影响防伪效果。而RFID电子标签防伪有效的改善了上述传统防伪方式的不足，使用RFID技术是将无源RFID标签作为商品的唯一标识，通过标签内存储的唯一ID标识来验证此商品的信息，并且可使用RFID读写设备对无源标签内部存储单元进行读写操作，实现商品流通过程中的溯源和防伪功能，但现有的RFID电子标签防伪技术常以标签的形式黏附于商品表面，导致不法分子可轻易将标签取下并转贴到其他商品上，制造假冒商品。
公开的部分专利及方法也存在各种不足，如专利CN208054008U公开了一种带有RFID标签的包装盒，将射频天线嵌入包装封口处并位于隐蔽处，当包装受各种类型损坏时造成封口处天线的截断而导致RFID标签不可读取，以此来实现包装防伪，但是对于RFID设备而言，其标签天线与读写器进行信息传递是具有方向性的(即必须保证标签天线与读写器位于同一平行面时，才能进行正常信息传递)，在运输过程中包装体不同的折叠程度会使标签天线偏离读写器正常读写方向而使得标签无法正常工作，并且容易导致读写器接收错误的包装状态信息，该专利公开的方法未考虑上述事实，因此该方法稳定性差，无法保障防伪效果。如专利CN106628581A公开了一种带状态触点的RFID标签的组合瓶盖，其应用范围仅限于有瓶盖的包装，应用范围过窄。同时，以上专利所述方法均不能自主识别和记录包装体的破损时间，也就无法反向判定责任的归属。
综上，现有的基于RFID的防伪溯源技术存在易拆除、应用范围过窄、无法自主记录相关数据等问题限制了其在防伪溯源领域的应用。
发明内容
本发明提供一种用于溯源防伪防篡改的微型装置、系统及方法，具备适用范围广、稳定性高、功能全面、使用便捷、可重复利用等特点，可记录商品溯源信息和包装的状态过程，并普遍适用各类包装体(袋、盒、瓶、外壳等)。其主控器件与布置于包装体/表的各形式的网回通路连接，在包装初始状态发生改变时，嵌入的控制模块得到某条或多条网回通路断路信息后，将自主记录包装受损的时间及位置，并将此记录锁定为不可更改状态，同时触发报警RFID进行读取范围内的报警。另外，可通过上位机改变溯源RFID模块的输出状态，使得终端人机界面调用时，可得知详细的包装状态过程及包装内商品的溯源信息，以备查询。
本发明可广泛用于各种商品的溯源、防伪，运输过程中的防篡改、防调包等工作，并可通过行为发生的准确时间来进行调查工作。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
提供一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置，其装置硬件结构图如图1所示，结构如下：
用于溯源防伪防篡改的微型装置，由控制模块、模拟开关、RFID模块、电源、网回通路。其中，控制模块分别与电源、网回通路相连接。控制模块经模拟开关与RFID模块相连接。所述RFID模块，由RFID芯片和射频天线组成，主要用于溯源信息的存储和记录，以及为包装状态的判定提供报警信号。所述模拟开关，用于控制所述RFID芯片与射频天线之间的导通关系。该射频天线为报警天线。所述控制模块，用于处理并记录包装状态和受损时间，以及为包装状态的判定提供报警信号，并控制模拟开关。所述电源，提供所述微型装置的工作电压。所述网回通路，由一条以上导线构成：当仅由一条导线构成时，称为单回路；当由二条以上导线构成时，称为网状结构回路。换言之，有二条以上导线时，为多条导线构成的网状结构回路。
进一步说，在该微型装置中，所述的RFID芯片包括射频模拟单元、数字基带单元和存储单元。所述射频模拟单元，负责：完成标签芯片的能量获取，时钟提取，系统上电复位，系统的调制解调工作，实现芯片和读写器之间的接口连接，同时为数字基带单元工作提供一些必要的工作信号，是保证RFID系统的整体通信基础。所述数字基带单元，负责：完成RFID芯片的登陆认证控制，密码安全校验，数据通讯的错误校验，读写的逻辑控制，读卡器数据输出编码及速率的逻辑设计实现等，是整个芯片的中心控制单元。所述存储单元完成整个RFID芯片数据的存储工作，包括密码存储、用户码、芯片配置信息和ID码的存储等，为芯片标识的核心所在。射频模拟单元、数字基带单元和存储单元之间的相互关系为：一方面在射频模拟单元得到的各种读写器命令﹑数据﹑地址等相关的读写控制信号需要通过数字基带单元的逻辑控制才能按照既定的要求存储或读写数据到相应的存储单元。另外一方面存储单元中的数据读出，需要数字基带单元提供相应的地址，及其编程读写控制使存储的数据按照既定的要求转变为射频模拟单元的信号发送出去。所述的射频天线用于接收并反馈射频信号。当RFID模块的射频信号被外部的读写器读取时，数字基带单元处理存储单元数据后通过射频天线将数据传入该外部读写器，完成信号传递工作。RFID模块包括报警和溯源两部分，RFID芯片分为两部分：第一RFID芯片和第二RFID芯片。第一RFID芯片和第二RFID芯片各与1个射频天线相连接。对应的射频天线分别称为报警天线、溯源天线两部分。进一步说，报警天线、溯源天线是相互独立的，各自与其连接的RFID芯片组合为整体工作。其中，第一RFID芯片和报警天线构成报警RFID，第二RFID芯片和溯源天线构成溯源RFID。其中，第一RFID芯片和报警天线通过模拟开关相连接，根据第一RFID芯片和报警天线的通断情况来反映包装体的状态。由第二RFID芯片和溯源天线构成的溯源RFID，可直接与外部读写器进行信息交换，用于记录和存储包装状态过程和包装内商品的溯源信息。当包装完整性受损时，即网回通路断路时，第一RFID芯片与报警天线间的模拟开关导通，使得报警RFID处于工作状态，同时控制模块中非易失性存储器会即刻记录包装状态受损网回通路号及受损时间信息，此信息一旦写入后不能更改，当商品进入读写器读取范围内时，读写器即可获得报警信号。此时可通过上位机提取存储器内信息，并使用读写器将商品溯源信息一同存入第二RFID芯片内，供终端人机界面进行相关查询。
进一步说，在该微型装置中，模拟开关，串联在第一RFID芯片与报警天线之间，用于控制所述RFID芯片与报警天线之间的导通关系，模拟开关的状态控制端与控制模块的中断连接点相连接。当受保护包装/外壳保持初始状态(完好)时，第一RFID芯片与报警天线处于断路状态。当受保护包装/外壳的初始状态遭到改变(拆开/钻孔/切开等操作)后，所述控制模块接收到网回通路断开而产生的中断信号并反馈至模拟开关状态控制端，将模拟开关设置为导通状态，使第一RFID芯片与报警天线实现电连接，第一RFID芯片由停机状态转为工作状态并保持。进一步地，当与外部读写器接触时，即可在众多包装中筛选出初始状态被改变的包装，实现对受损包装的快速检测。
进一步说，在该微型装置中，控制模块，可处于低功耗状态或工作状态。
低功耗状态：当包装/外壳保持初始状态时和完成报警RFID导通工作几十秒后，控制模块处于低功耗模式以减少电池消耗，内部含有的实时时钟电路(RTC)产生时钟信号，用于记录即时时间数据。
工作状态：当包装/外壳的初始状态遭到破坏，比方说撕开/切开包装袋、打开瓶/盒盖、在包装体或瓶体/盒体钻孔钻洞等破坏性行为产生时，相应位置的网回通路就会断路，从而对控制模块产生中断信号，所述控制模块由低功耗模式转为工作模式，此时，控制模块会自动记录破坏行为发生的时间和断开的网回通路号，并存入控制模块中的非易失性存储器中。与此同时，控制模块控制模拟开关的状态控制端，连通报警RFID。典型的，以STM8L051F3低功耗系列芯片为例作为所述控制模块的核心部分。其中，所述控制模块进入工作状态并完成报警RFID导通操作后，过几十秒，控制模块会再次由工作状态回到低功耗状态以减少电池消耗，但报警RFID会一直保持在导通状态，待进入读写器读取范围时发出报警信号。
进一步说，在该微型装置中，电源采用小尺寸的聚合物锂电池，其供电范围为3.6-4.2V、容量约为150mAh。
进一步说，在该微型装置中，网回通路是指安置、设置或绕制在拟保护产品的包装或外壳的包装封口处及覆盖包装整体的，由单条导线回路或多条导线回路形成网状结构，此结构可以是直线、曲线、螺旋线等。网回通路中导线的一端连接共地端，其另一端与控制模块中的中断触发端相连接，从而形成导通的回路。当所述网回通路中，某条或多条导线回路断路时即可触发对应的中断，使所述的控制模块从低功耗状态切换至工作状态。
进一步说，在该微型装置中，第二RFID芯片和第一RFID芯片的内部结构相同。第二RFID芯片也可采用现有的RFID芯片。
进一步说，在该微型装置中，溯源天线和第二RFID芯片构成的溯源RFID的结构可采用现有的无源RFID标签，本发明的主要的结构改变在报警天线与第一RFID芯片构成报警RFID上。
采用本发明所述的微型装置的系统，还设有外部接收数据及显示的设备，所述外部接收数据及显示的设备包括：上位机和RFID读写器。所述RFID读写器具有人机界面。其中，RFID读写器为外部读写器，其接近RFID模块时，读取报警RFID和溯源RFID的信息，并通过人机界面显示。上位机只是用来接收微型装置内控制模块存储的信息。
采用本发明所述的系统的控制方法，按如下步骤进行：
步骤S1：设置初始时钟源。
步骤S2：所述控制模块处于低功耗模式，驱动内部时钟电路(RTC)产生正常时钟信号。
步骤S3：检测控制模块中断端(IT)输入电压由即网回通路的通断情况决定。当外延网回通路完整时，转至步骤S4。当外延网回通路断开时，转至步骤S5；
步骤S4：IT端输入电压状态保持，所述控制模块未接受到中断信号，无任何操作且继续保持步骤S2的低功耗模式，。
步骤S5：IT端输入电压状态跳变，所述控制模块内部产生中断信号并将此刻RTC电路生产的时钟数据存入非易失性存储器中，转至步骤S6；
步骤S6：控制模块信号产生端(GPIO)输出高电平VH。进一步地，所述高电平反馈至模拟开关并使其导通，将所述RFID芯片与报警天线实现电连接，即激活报警RFID并保持，控制模块在几十秒后回到低功耗模式，转至步骤S7。
步骤S7：通过外部读写器对受保护包装/外壳进行识别检测，并将所述控制模块存储器中包装状态过程信息及商品溯源信息等一同存入溯源RFID，转至步骤S8。
步骤S8：当所述的溯源RFID进入读写器接收范围内时，即可在读写器的人机界面上显示出该商品所对应的包装状态过程信息及溯源等信息。
为了更好地描述本发明，现换一角度继续阐述本发明的结构特点：
图1为本发明微装置硬件结构图。本装置仅包含两部分：主控器件和网回通路，其余部分均为本装置外的接收或传输、显示设备。主控器件又包括：RFID模块、模拟开关、控制模块和电源模块这4个模块。其余的像上位机是接收控制模块中非易失性存储器内信息的、读写器是接收报警RFID和溯源RFID信息的、人机界面是将这些信息显示出来的，都为外部检测显示设备，不是本装置中的。其中主控器件是一个微型器件，可集成于一片嵌入受保护包装/外壳中的硬性电路板(如PCB印制板)，从而应用于各种硬性外壳、瓶、盒等包装上，或集成于一片嵌入受保护包装/外壳的软性电路板(如FPC印制板)，从而应用于各种软性外壳、袋、纸盒等包装上，主控器件包括：RFID模块、模拟开关、控制模块、电源模块。各功能模块具体说明如下：
1.RFID模块，由RFID芯片和射频天线组成，主要用于溯源信息的存储和记录，以及为包装状态的判定提供报警信号。所述的RFID芯片至少包括射频模拟单元、数字基带单元和存储单元。所述的射频天线用于接收并反馈射频信号，当读写器读取RFID模块的射频信号时，数字基带单元处理存储单元数据后通过射频天线将数据传入读写器，完成信号传递工作。
RFID模块包括报警和溯源两部分:即RFID芯片和报警天线构成报警RFID，RFID芯片2和溯源天线构成溯源RFID。其中，RFID芯片和报警天线通过所述模拟开关相连接，根据RFID芯片和报警天线的通断情况来反映包装的状态。而RFID芯片2和溯源天线构成溯源RFID，可直接与外部读写器进行信息交换，用于记录和存储包装状态过程和包装内商品的溯源信息。
当包装完整性受损时，某条或多条网回通路断路，此时RFID芯片与报警天线间的模拟开关导通，使得报警RFID处于并保持在工作状态，同时所述控制模块中非易失性存储器会即刻记录包装状态受损网回通路号及受损时间信息，此信息一旦写入后不能更改，当商品进入读写器读取范围内时，读写器即可获得报警信号。此时可通过上位机提取存储器内信息，并使用读写器将商品溯源信息一同存入RFID芯片2内，供终端人机界面进行相关查询。
2.模拟开关，串联在RFID芯片与报警天线之间，用于控制所述RFID芯片与报警天线之间的导通关系，其状态控制端与所述控制模块中断连接点连接，当受保护包装/外壳保持初始状态(完好)时，RFID芯片与报警天线处于断路状态。当受保护包装/外壳的初始状态遭到改变(拆开/钻孔/切开等操作)后，所述控制模块接收到网回通路断开而产生的中断信号并反馈至模拟开关状态控制端，将模拟开关设置为导通状态，使所述RFID芯片与报警天线实现电连接，RFID芯片由停机状态转为工作状态。进一步地，当与外部读写器接触时，即可在众多包装中筛选出初始状态被改变的包装，实现对受损包装的快速检测。
3.控制模块，用于处理并记录包装状态和受损时间，它可处于低功耗状态或工作状态。
低功耗状态：当包装/外壳保持初始状态时，控制模块处于低功耗模式以减少电池消耗，内部含有的实时时钟电路(RTC)产生时钟信号，用于记录即时时间数据，以及完成报警RFID模块导通操作几十秒后，重新进入低功耗状态，以减少电池消耗。
工作状态：当包装/外壳的初始状态遭到破坏，比方说撕开/切开包装袋、打开瓶/盒盖、在包装体或瓶体/盒体钻孔钻洞等破坏性行为产生时，相应位置的网回通路就会断路，从而对控制模块产生中断信号，所述控制模块由低功耗模式转为工作模式，此时，控制模块会自动记录破坏行为发生的时间和断开的网回通路号，并存入控制模块中的非易失性存储器中。与此同时，控制模块控制模拟开关的状态控制端，导通报警RFID。
下面说明中以STM8L051F3低功耗系列芯片为例作为所述控制模块的核心部分，但核心部分的选取并不局限于此，任何内部带有RTC电路和非易失性存储器及多个中断且带有数据处理功能的微处理器部件均可以作为本发明控制模块的核心部分。
控制模块包括微控制器核、R/C振荡器、RTC电路、地址数据控制总线、中断控制器、I/O控制器、非易失性存储器。其中，微控制器核是整个控制模块的数据处理和控制核心、RTC电路为实时时钟电路，用于产生精准的时钟信号、R/C振荡器是提供控制模块及RTC电路工作的振荡频率、地址数据控制总线用于传输数据、数据地址和控制信号、中断控制器在接收外部中断信号后并使控制模块做出相应的状态转变、I/O控制器是控制模块输入输出信号控制器、非易失性存储器是掉电后依然能保留数据的存储单元。
更进一步说，微控制器核、RTC电路、中断控制器、I/O控制器、非易失性存储器分别与地址数据控制总线相互连接，且双相通信。
R/C振荡器分别向微控制器核、RTC电路单向提供工作时钟频率。
微控制器核与电源相连接。中断控制器与网回通路相连接。
非易失性存储器与上位机相连接。I/O控制器与模拟开关相连接。
进一步说，图1中只是大致的硬件连接，直接说控制器核与电源连接、中断控制器与网回通路连接、或者非易失性存储器与上位机连接、I/O控制器与模拟开关连接是不严谨的。真正连接也只能说控制模式与电源、上位机或者模拟开关连接，这些只是控制模块中的某些单元，是看不见的。控制模块才是一个实体，是某一类具有特定功能的芯片。
4.电源，提供所述微装置的工作电压，考虑微装置体积尽量小，因此一般采用小尺寸电源。下面说明中以聚合物锂电池为例，其尺寸约为3×10×10mm、供电范围为3.6-4.2V、容量约为150mAh，但并不局限于此，符合供电要求的任何形式的供电装置均可作为本发明的电源。
5.网回通路，本发明中所述网回通路是指：根据不同类型的包装/外壳形态而引入的，绕制在包装封口处及覆盖包装整体的，可由一条导线回路或多条导线回路形成网状结构，此结构可以是任何形状，如直线、曲线、螺旋线等，也可以是任何粗细和形式的线条，所述网状结构的具体形状及分布由受保护包装/外壳整体外形而定。其中，网回通路中的一条或多条导线的一端连接共地端，另一端分别与控制模块中一个或各个中断触发端相连接，从而形成各自导通的回路。当所述网回通路中，某条或多条导线回路断路时即可触发对应的中断，使所述的控制模块从低功耗状态切换至工作状态。下面说明以一个酒瓶为例，含有瓶口回路，直线回路及螺旋状回路形成的网回通路，但在此思想上所设计的任何用于包装的回路形式都是本发明范围。
优选的，一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置，如图2所示为本发明具体的软件流程图，具体的实现方法如下：
步骤S1：设置控制模块初始时钟源。
步骤S2：所述控制模块处于低功耗模式，驱动内部时钟电路(RTC电路)产生正常时钟信号。
步骤S3：检测控制模块中断端(IT)输入电压由即网回通路的通断情况决定。当外延网回通路完整时，转至步骤S4。当外延网回通路断开时，转至步骤S5；
步骤S4：IT端输入电压状态保持，所述控制模块未接受到中断信号，无任何操作且继续保持步骤S2的低功耗模式，。
步骤S5：IT端输入电压状态跳变，所述控制模块内部产生中断信号并将此刻RTC电路生产的时钟数据存入非易失性存储器中，转至步骤S6；
步骤S6：控制模块信号产生端(GPIO)输出高电平VH。进一步地，所述高电平反馈至模拟开关并使其导通，将所述RFID芯片与报警天线实现电连接，即激活报警RFID并保持，控制模块在几十秒后恢复到低功耗模式，转至步骤S7。
步骤S7：通过外部读写器对受保护包装/外壳进行识别检测，并将所述控制模块存储器中包装状态过程信息及商品溯源信息等一同存入溯源RFID，转至步骤S8。
步骤S8：当所述的溯源RFID进入读写器接收范围内时，即可在读写器的人机界面上显示出该商品所对应的包装状态过程信息及溯源等信息。
优选的，一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置可用如图3所示的集成在PCB/FPC板上的具体电路连接，用于证明此发明的可行性。
在图3中，所述微型装置的第一RFID芯片选型为NTAG213，模拟开关选型为MAX4626，控制模块选型为STM8L051F3。进一步地，由LDO3V3、电容C1-C3构成了所述微型装置的降压稳压电路，电容C5、C6和晶振X1构成了所述控制模块的可选的外部振荡电路。即在本发明中，除了通过控制模块中R/C振荡可给RTC电路提供时钟振荡频率外，该外部电路也可提供更精准的时钟振荡频率。
在图3中，所述溯源RFID由第二RFID芯片、溯源天线构成。进一步说，第二RFID芯片可采用现有通用的无源RFID，也可采用与报警RFID相同的结构；溯源RFID芯片与溯源天线共同构成独立的溯源RFID，且与其他模块无连接。
所述报警RFID由第一RFID芯片、报警天线、模拟开关和并联电容Cpc构成。其中，第一RFID芯片的一个电焊连接点ANT1与报警天线一端相连，ANT2与模拟开关公共端(COM)相连，报警天线另一端与模拟开关常开端(NO)相连，进一步地，在第一RFID芯片两个电焊连接点之间并联接入电容Cpc，形成的回路整体构成了微型装置中的报警RFID模块。
所述模拟开关(MAX4626)的电源端(V+)和选通端(IN)共同连接至所述控制模块(STM8L051F3)的信号产生端(GPIO)相连接。当所述控制模块产生中断信号时，控制模块内部改写电路对所述信号产生端(GPIO)输出不同状态。若信号产生端输出低电平VL，则表明受保护包装/外壳状态正常，若输出为高电平VH，则表明外延网回通路异常，控制模块对模拟开关进行反馈操作，并连通RFID芯片和报警天线，即激活报警RFID。
优选的，所述RFID芯片选用NFC系列芯片NTAG213，该芯片电容CIC为50pF。所述报警天线为双层PCB矩形天线，分别位于PCB顶层和底层布线层，单层匝数N＝6，尺寸约13.8*9.7mm。所述无源RFID满足ISO14443A协议。
进一步优选的，所述的ISO14443A协议规定：满足协议的RFID芯片主要工作于以中心频率fideal＝13.56MHz，带宽BW≈1.921MHz范围内。
优选的，所述模拟开关为MAX4626开关芯片，串联在RFID芯片与报警天线之间。当所述控制模块接收到中断信号，信号产生端(GPIO)发生电平跳变，模拟开关激活导通状态，所述RFID芯片与报警天线实现电连接，RFID芯片由停机状态转为工作状态。此时，开关串联导通电阻RON约为0.9ohm，串联导通电容CON约为130pF。导通时，模拟开关电阻RON和导通电容CON会影响所述RFID芯片工作电流和阻抗匹配。
由于所述导通电阻较小(RON≈0.9ohm)对RFID芯片工作电流影响可忽略不计，但存在的串联导通电容CON降低报警RFID总电容CALL，阻抗匹配不成立，会致使报警RFID工作时的谐振频率fR偏离工作带宽，即所述报警RFID无法与读写器进行通讯，故应具体地满足以下关系式：
Figure BDA0002630880320000091
Figure BDA0002630880320000092
Figure BDA0002630880320000093
其中：CALL表示所述模拟开关导通后报警RFID总体等效电容，CIC表示RFID芯片电容，CON表示开关芯片导通后串联电容，fR表示开关导通后等效报警RFID谐振频率，LANT表示所述报警天线的等效电感，fideal表示RFID芯片工作时中心频率，BW表示RFID芯片的工作带宽。
进一步优选的，图4为本发明所述微型装置的等效LC电路图。
这个等效电路以及下列公式主要是说明报警RFID模块需要实现阻抗匹配，换句话说常见的RFID标签主要由RFID芯片和天线构成(已经是最优匹配)，当在本微型装置中的报警RFID模块在第一RFID芯片和报警天线之间插入了模拟开关来控制报警RFID与读写器的通信，此时如果不加入并联电容Cpc，则报警RFID无法使用，在加入电容Cpc后第一RFID芯片与报警天线达到阻抗匹配时才可以正常工作。下面的公式以及等效电路图都是为了说明这个情况：
在所述RFID芯片的两管脚间接入并联电容CPC将RFID芯片与报警天线实现阻抗匹配。此时，所述报警RFID谐振频率fR *位于工作带宽内，即所述报警RFID可与读写器正常通信，具体地满足以下方程：
Figure BDA0002630880320000101
Figure BDA0002630880320000102
Figure BDA0002630880320000103
其中：CALL *表示接入所述并联电容CPC后报警RFID总体等效电容，fR *表示接入电容CPC后等效谐振频率。
图4分图(a)和图(b)两部分。图(a)为报警RFID模块谐振时的LC等效电路图，图(b)为报警RFID模块工作时或与读写器通信时进一步的简化LC等效电路图。
图(a)：RIC为第一RFID芯片的等效电阻，CIC为第一RFID芯片的等效电容，RON为模拟开关的导通电阻，CON为模拟开关的导通电容，CPC为并联电容，RANT、CANT、LANT分别为谐振时报警天线的等效电阻、电容和电感。
图(b)：VOC为报警RFID进入读写器磁场内报警天线产生的电压，LALL为报警天线等效电感，RALL为报警RFID整体等效电阻，CALL为整体等效电容。(这里的CALL与上式中的CALL*是一样的表示接入并联电容CPC后的整体等效电容，而上式中的CALL表示未接入CPC的等效电容，在上面公式后已经解析过的)
进一步优选的，所述报警天线等效电感参数计算方法为：
Figure BDA0002630880320000111
其中：
Figure BDA0002630880320000112
aavg＝a0-Nc·(g+w)，bavg＝b0-Nc·(g+w)
Figure BDA0002630880320000113
Figure BDA0002630880320000114
Figure BDA0002630880320000115
Figure BDA0002630880320000116
其中：μ0为自由空间磁导率，a0、b0为天线的整体尺寸，aavg、bavg为天线的平均尺寸，t为天线轨道厚度，w为轨道宽度，g为轨道间距，Nc为天线匝数，d为等效轨道直径，p为匝指数。
本发明中所述网回通路是指：根据不同类型的包装/外壳形态而引入的，绕制在包装封口处及覆盖包装整体的，可由一条导线回路或多条导线回路形成网状结构，此结构可以是任何形状，如直线、曲线、螺旋线等，也可以是任何粗细和形式的线条，所述网状结构的具体形状及分布由受保护包装/外壳整体外形而定。
关于主控器件在前文已经多次说明，其装置硬件结构图如图1所示，由主控器件和布置于受保护外壳/包装体或表面的网回通路组成。其中主控器件是一个微型器件，可集成于一片嵌入受保护包装/外壳中的硬性电路板(如PCB印制板)，从而应用于各种硬性外壳、瓶、盒等包装上，或集成于一片嵌入受保护包装/外壳的软性电路板(如FPC印制板)，从而应用于各种软性外壳、袋、纸盒等包装上，主控器件包括：RFID模块、模拟开关、控制模块、电源模块。
由于本发明一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置中所述主控器件内具有判断受保护包装状态过程的逻辑电路，且包装状态过程信息一旦被记录即不可更改，因此当所述微型装置被用于各种商品包装后，若网回通路及主控器件均处于初始状态时，报警RFID为停止状态，此时外部读写器不会接收到报警信号。当受保护包装/外壳受损时，一条或多条网回通路断路，串联在RFID芯片和报警天线之间的模拟开关被选通，启用所述的报警RFID，此时，当有受损包装出现在读写器有效磁场范围内时，读写器即可接收到报警信号，完成筛选工作。且受损时间及状态一旦被控制模块记录，便进行锁死操作，使其不可二次更改，消费者可以通过人机界面获得该商品的包装状态过程和溯源信息。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明的一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置，由主控器件和布置于受保护包装的网回通路组成，具备使用范围广、稳定性高、功能全面、可重复利用等特点，可准确记录商品溯源信息和包装的状态过程信息。广泛应用于各类商品的溯源、防伪及运输过程中的防篡改、防调包等工作，并可通过行为发生的准确时间来进行调查工作。
2.本发明微装置采用模拟开关来切换报警RFID的工作模式，与现有的无源RFID电子标签相比，通过控制模拟开关的通断来有条件地控制RFID标签与读写器进行信息传递，可避免因突发状况引发的意外读取，保护了操作人员的权益和相关信息的安全性。
3.本发明微装置利用所述控制模块的自动处理功能，克服了在商品溯源过程中常用的无源RFID无法实时记录环境信息等相关数据，必须人为地在使用前进行信息录入的缺点，而本发明所述的微型装置利用所述控制模块具有自动处理功能，通过中断信号的产生，达到对包装状态信息检测并记录，提高了电子标签的实用性和可靠性，为防伪溯源提供了新的实施方案。
4.本发明中对天线匹配进行了专门的改进与优化，解决阻抗匹配问题主要是解释并联电容CPC引入的技术难点。
附图说明
图1为本发明微装置硬件结构图
图2为本发明微装置应用过程的流程图
图3为本发明微装置主控器件电路连接图
图4为本发明微装置LC等效电路图。
图5为本发明微装置置于商品包装示意图(瓶类包装)
图6为本发明微装置置于商品包装示意图(包装呈损坏状态)
图7为本发明网回通路布局于商品包装示意图
图8为本发明微装置置于商品包装示意图(袋类包装)
图中标号：1为受保护包装/外壳。2为外延网回通路。3为包装状态检测微装置。4为外部RFID读写器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的原理和特征作进一步说明。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
本发明揭示了一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置，图1为本发明实施例中的微装置硬件结构图。由主控制器件及受保护外壳/包装的网回通路组成，其中主控制器件部分集成于一片可嵌入受保护包装/外壳中的PCB/FPC板上，网回通路由一条或多条嵌入受保护包装/外壳封口处的导线回路组成。在包装被打开或包装遭受各种类型损坏时就必然会导致网回通路的断路，此时控制模块可记录断路时间，并连通/断开RFID芯片与报警天线之间的模拟开关，从而改变输出信号。当检测时，通过外部读写器接收天线信号来反映包装的状态，外部读写器存储包装的完好状态及各导线回路被人为或意外断开时的信息，从而通过读取主控器件中存储单元的数据，获得本包装于何时在包装何部位被打开过的信息。
本发明提供一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置主要包括：
RFID模块，RFID模块包括报警和溯源两部分:即RFID芯片和报警天线构成报警RFID、RFID芯片2和溯源天线构成溯源RFID。所述的RFID芯片至少包括射频模拟单元、数字基带单元和存储单元。所述的射频天线用于接收并反馈射频信号，当读写器读取RFID模块的射频信号时，数字基带单元处理存储单元数据后通过射频天线将数据传入读写器，完成信号传递工作。
模拟开关，串联在所述RFID芯片和报警天线之间，用于控制所述RFID芯片与报警天线之间的电连接关系。
控制模块，用于处理并记录包装状态和破损时间。
电源，提供所述微装置的工作电压。
网回通路，在本发明中根据不同类型的包装/外壳形态而引入的绕制在包装封口处或覆盖包装整体，可由一条导线回路组成或由多条导线回路形成。
一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置，如图2所示为本发明具体的软件流程图：
当受保护包装/外壳完整性未遭受破坏时网回通路保持闭路状态，所述控制模块稳定在低功耗模式，不进行任何处理动作，只有其内部所述的RTC电路正常产生时间信号，且保持信号产生端(GPIO)始终输出低电平信号(VL)。此时，RFID芯片与报警天线之间的模拟开关处于断路，报警RFID无法外部读写器进行正常的信息交换，即所述外部读写器无法对完整性良好的包装做出检测。
当包装被打开或受损时，所述由绕制在包装封口处一条或多条导线回路组成的网回通路断路，所述控制模块中断端(IT)和共地端(GND)构成的外部回路电连接断开并产生内部中断信号。与此同时，所述控制模块对其内部RTC电路生产的时间信号进行处理并将时间数据(包装受损时刻)存入所述非易失性存储器中。进一步地，所述控制模块接收到中断信号后会使信号产生端(GPIO)输出高电平VH。进一步地，所述高电平反馈至模拟开关并使其激活，将所述模拟开关的公共端(COM)和常开端(NO)选通。此时，所述RFID芯片与所述报警天线实现电连接。进一步地，可在外部读写器磁场内将芯片数据传输至读写器，达到对受损包装的筛选而实现包装状态检测和防伪的要求。
选出受损包装后，使微装置与上位机进行通讯并提取所述控制模块的非易失性存储器内包装信息及受损时间信息。进一步地，通过专用读写器设备将所述包装状态过程信息和商品溯源信息一同存入所述溯源RFID中。进一步地，当所述的溯源RFID进入读写器接收范围内时，即可在读写器的人机界面上显示出该商品所对应的包装状态过程信息及溯源等信息。
优选的，如图3所示为本发明中集成在PCB/FPC板上的主控器件具体电路连接图：
所述RFID芯片两个连接点分别与所述报警天线的一端和所述模拟开关公共端(COM)连接，所述报警天线另一端与开关常开端(NO)相连，形成的回路即为报警RFID结构。
所述模拟开关的电源端(V+)和选通端(IN)共同连接至所述控制模块的信号产生端(GPIO)相连接。当所述控制模块产生中断信号时，控制模块内部改写电路对所述信号产生端(GPIO)输出不同状态。若信号产生端输出低电平VL，则表明受保护包装/外壳状态正常，若输出为高电平VH，则表明外延网回通路异常，控制模块对模拟开关进行反馈操作，并连通RFID芯片和报警天线，即激活报警RFID。
所述网回通路两端分别连接至所述控制模块中断端(IT)和共地端(GND)，当嵌入受保护包装/外壳封口处的网回通路处于断路时，所述控制模块将产生中断信号，所述中断信号可反映受保护包装/外壳的受损状态。若所述网回通路由多条导线回路组成时，各个导线回路的一端共同连接至控制模块共地端(GND)，另一端各自连接控制模块中对应的中断端(IN1、IN2……INn)。其中，某条或多条导线回路断开时，均可使所述控制模块产生相同的中断信号。
优选的，所述RFID芯片选用NFC系列芯片NTAG213，该芯片电容CIC为50pF。所述报警天线为双层PCB矩形天线，分别位于PCB顶层和底层布线层，单层匝数N＝6，尺寸约13.8*9.7mm。所述报警RFID满足ISO14443A协议。
进一步优选的，所述的ISO14443A协议规定：满足协议的RFID芯片主要工作于以中心频率fideal＝13.56MHz，带宽BW≈1.921MHz范围内。
优选的，所述模拟开关为MAX4626开关芯片，串联在RFID芯片与报警天线之间。当所述控制模块接收到中断信号，信号产生端(GPIO)发生电平跳变，模拟开关激活导通状态，所述RFID芯片与报警天线实现电连接，RFID芯片由停机状态转为工作状态。此时，开关串联导通电阻RON约为0.9ohm，串联导通电容CON约为130pF。导通时，模拟开关电阻RON和导通电容CON会影响所述RFID芯片工作电流和阻抗匹配。
由于所述导通电阻较小(RON≈0.9ohm)对RFID芯片工作电流影响可忽略不计，但存在的串联导通电容CON降低报警RFID总电容CALL，阻抗匹配不成立，致使报警RFID工作时的谐振频率fR偏离工作带宽，即所述报警RFID无法与读写器进行通讯，具体地满足以下关系式：
Figure BDA0002630880320000151
Figure BDA0002630880320000152
Figure BDA0002630880320000153
其中：CALL表示所述模拟开关导通后报警RFID总体等效电容，CIC表示RFID芯片电容，CON表示开关芯片导通后串联电容，fR表示开关导通后等效报警RFID谐振频率，LANT表示所述报警天线的等效电感，fideal表示RFID芯片工作时中心频率，BW表示RFID芯片的工作带宽。
进一步优选的，如图4一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置的等效LC电路图所示，在所述RFID芯片的两管脚间接入并联电容CPC将RFID芯片与报警天线实现阻抗匹配。此时，所述报警RFID谐振频率fR *位于工作带宽内，即所述报警RFID可与读写器正常通信，具体地满足以下方程：
Figure BDA0002630880320000161
Figure BDA0002630880320000162
Figure BDA0002630880320000163
其中：CALL *表示接入所述并联电容CPC后报警RFID总体等效电容，fR *表示接入电容CPC后等效谐振频率。
参见图4，进一步优选的，所述报警天线等效电感参数计算方法为：
Figure BDA0002630880320000164
其中：
Figure BDA0002630880320000165
aavg＝a0-Nc·(g+w)，bavg＝b0-Nc·(g+w)
Figure BDA0002630880320000166
Figure BDA0002630880320000167
Figure BDA0002630880320000168
Figure BDA0002630880320000169
其中：μ0为自由空间磁导率，a0、b0为天线的整体尺寸，aavg、bavg为天线的平均尺寸，t为天线轨道厚度，w为轨道宽度，g为轨道间距，Nc为天线匝数，d为等效轨道直径，p为匝指数。
图5、图6、图7为本发明的一个实施例：商品为包装瓶。微装置3嵌于受保护包装瓶盖内侧，例如网回通路2置于受保护包装瓶封口处，网回通路2在包装瓶封口被打开或受到各种类型损坏后断开。另外为了到达网回通路易于被破坏的目的，在网回通路外侧切可设易断刀口。使用时，将所述微装置嵌入受保护包装瓶内侧，所述网回通路位于包装封口处时：当商品包装被打开或损坏时，旋转动作使网回通路断开。此时，控制模块产生中断信号并处理及存储时间数据，同时选通串联在RFID芯片和报警天线之间的模拟开关，使得所述RFID芯片和报警天线回路实现电连接，这样所述微装置处于外部读写器磁场范围内时，会对受损包装进行筛选。受损时间一旦被控制模块记录，便进行锁死操作且记录不可再次更改，消费者可以通过读写器及相应软件识别出该微装置所对应的商品包装已被开启或使用过，以利于保护消费者合法权益。
图8为本发明的另一个实施例：商品为包装袋。微装置3嵌于受保护包装袋内壁，网回通路2置于受保护包装袋封口处，网回通路2在包装袋被打开或受到各种类型损坏后断开。在使用时，将所述微装置嵌入受保护包装袋内壁，所述网回通路位于包装封口处：当商品包装被打开或损坏时，网回通路断开，其余部分仍保持完整。此时，控制模块产生中断信号并处理及存储时间数据，同时选通串联在RFID芯片和报警天线之间的模拟开关，使得所述RFID芯片和报警天线回路实现电连接，这样所述微装置处于外部读写器磁场范围内时，会对受损包装进行筛选。受损时间一旦被控制模块记录，便进行锁死操作且记录不可再次更改，消费者可以通过读写器及相应软件识别出该微装置所对应的商品包装已被开启或使用过，以利于保护消费者合法权益。
综上所述，本发明提出的一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置在使用时将由一条或多条导线回路组成的外延网回通路置于商品包装封口处，而所述微装置主控器件位于封口以外区域。当受保护包装/外壳被开启或损坏时，微装置的网回通路被破坏断开，而主控器件不被破坏且功能完整。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非将本发明的范围限制在上述实施例中。
本发明的一种用于溯源、防伪、防篡改的智能包装微型装置具备检测受保护包装/外壳状态的特性，基于信息记录和反馈功能，记录非授权行为，以实现防止非授权的开启或破坏功能，达到溯源防伪效果。

Claims (9)

1.用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：由控制模块、模拟开关、RFID模块、电源、网回通路组成；其中，
控制模块分别与电源、网回通路相连接；控制模块经模拟开关与RFID模块相连接；
所述RFID模块，由RFID芯片和射频天线组成，主要用于溯源信息的存储和记录，以及为包装状态的判定提供报警信号；
所述模拟开关，用于控制所述RFID芯片与射频天线之间的导通关系；该射频天线为报警天线；
所述控制模块，用于处理并记录包装状态和受损时间，以及为包装状态的判定提供报警信号，并控制模拟开关；所述电源，提供所述微型装置的工作电压；
所述网回通路，由一条以上导线构成；当仅由一条导线构成时，称为单回路，当由二条以上导线构成时，称为网状结构回路。
2.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：所述的RFID芯片包括射频模拟单元、数字基带单元和存储单元；所述射频模拟单元，负责：完成标签芯片的能量获取，时钟提取，系统上电复位，系统的调制解调工作，实现芯片和读写器之间的接口连接，同时为数字基带单元工作提供一些必要的工作信号，是保证RFID系统的整体通信基础；所述数字基带单元，负责：完成RFID芯片的登陆认证控制，密码安全校验，数据通讯的错误校验，读写的逻辑控制，读卡器数据输出编码及速率的逻辑设计实现等，是整个芯片的中心控制单元；所述存储单元完成整个RFID芯片数据的存储工作，包括密码存储、用户码、芯片配置信息和ID码的存储等，为芯片标识的核心所在；所述的射频天线用于接收并反馈射频信号；当RFID模块的射频信号被外部的读写器读取时，数字基带单元处理存储单元数据后通过射频天线将数据传入该外部读写器，完成信号传递工作；RFID模块包括报警和溯源两部分，RFID芯片分为两部分：第一RFID芯片和第二RFID芯片；第一RFID芯片和第二RFID芯片各与1个射频天线相连接；对应的射频天线分别称为报警天线、朔源天线两部分；其中，第一RFID芯片和报警天线构成报警RFID，第二RFID芯片和溯源天线构成溯源RFID；其中，第一RFID芯片和报警天线通过模拟开关相连接，根据第一RFID芯片和报警天线的通断情况来反映包装体的状态；由第二RFID芯片和溯源天线构成的溯源RFID，可直接与外部读写器进行信息交换，用于记录和存储包装状态过程和包装内商品的溯源信息；当包装完整性受损时，即网回通路存在断路情况时，第一RFID芯片与报警天线间的模拟开关导通，使得报警RFID处于工作状态，同时控制模块中非易失性存储器会即刻记录包装状态受损网回通路号及受损时间信息，此信息一旦写入后不能更改，当商品进入读写器读取范围内时，读写器即可获得报警信号；此时可通过上位机提取存储器内信息，并使用读写器将商品溯源信息一同存入第二RFID芯片内，供终端人机界面进行相关查询。
3.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：模拟开关，串联在第一RFID芯片与报警天线之间，用于控制所述RFID芯片与报警天线之间的通断关系，模拟开关的状态控制端与控制模块的中断连接端相连接；当受保护包装/外壳保持初始状态时，第一RFID芯片与报警天线处于断路状态；当受保护包装/外壳的初始状态遭到改变后，所述控制模块接收到网回通路断开而产生的中断信号并反馈至模拟开关状态控制端，将模拟开关设置为导通状态，使第一RFID芯片与报警天线实现电连接，第一RFID芯片由停机状态转为工作状态。
4.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：控制模块，可处于低功耗状态或工作状态；低功耗状态：当包装/外壳保持初始状态时，控制模块处于低功耗模式以减少电池消耗，内部含有的实时时钟电路（RTC）产生时钟信号，用于记录即时时间数据；工作状态：当包装/外壳的初始状态遭到破坏，相应位置的网回通路出现断路，从而对控制模块产生中断信号，所述控制模块由低功耗模式转为工作模式，此时，控制模块会自动记录破坏行为发生的时间和断开的网回通路号，并存入控制模块中的非易失性存储器中；与此同时，控制模块控制模拟开关的状态控制端，连通报警RFID；其中，所述控制模块进入工作状态并完成报警RFID导通操作后，过几十秒，控制模块会再次由工作状态回到低功耗状态以减少电池消耗，但报警RFID会一直保持在导通状态，待进入读写器读取范围时发出报警信号。
5.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：电源采用小尺寸的聚合物锂电池，其供电范围为3.6-4.2V、容量约为150mAh，但并不局限于此，符合供电要求的任何形式的供电装置均可作为本发明的电源。
6.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：网回通路是指：安置、设置或绕制在拟保护产品的包装或外壳的包装封口处及覆盖包装整体的，由单条导线回路或多条导线回路形成网状结构，此结构可以是直线、曲线、螺旋线；网回通路中导线的一端连接共地端，其另一端与控制模块中的中断触发端相连接，从而形成导通的回路；当所述网回通路中，某条多条导线回路断路时即可触发对应的中断，使所述的控制模块从低功耗状态切换至工作状态。
7.根据权利要求1所述的用于溯源防伪防篡改的微型装置，其特征在于：溯源天线和第二RFID芯片构成的溯源RFID的结构可采用现有的无源RFID标签，本发明的主要的结构改变在报警天线与第一RFID芯片构成报警RFID上。
8.采用权利要求1至7所述的任一用于溯源防伪防篡改的微型装置的系统，其特征在于：设有外部接收数据及显示的设备，所述外部接收数据及显示的设备包括：上位机和RFID读写器；所述RFID读写器具有人机界面；其中，RFID读写器为外部读写器，其接近RFID模块时，读取报警RFID和溯源RFID的信息，并通过人机界面显示；上位机只是用来接收微型装置内控制模块存储的信息。
9.采用权利要求8所述的系统的控制方法，其特征在于：按如下步骤进行：
步骤S1：设置初始时钟源；
步骤S2：所述控制模块处于低功耗模式，驱动内部时钟电路产生正常时钟信号；
步骤S3：检测控制模块中断端输入电压由即网回通路的通断情况决定；当外延网回通路完整时，转至步骤S4；当外延网回通路断开时，转至步骤S5;
步骤S4：IT端输入电压状态保持，所述控制模块未接受到中断信号，无任何操作且继续保持步骤S2的低功耗模式，；
步骤S5：IT端输入电压状态跳变，所述控制模块内部产生中断信号并将此刻RTC电路生产的时钟数据及产生中断的网回通路号存入非易失性存储器中，转至步骤S6;
步骤S6：控制模块信号产生端输出高电平VH；进一步地，所述高电平反馈至模拟开关并使其导通，将所述RFID芯片与报警天线实现电连接，即激活报警RFID，控制模块在几十秒后重回低功耗状态，转至步骤S7；
步骤S7：通过外部读写器对受保护包装/外壳进行识别检测，并将所述控制模块存储器中包装状态过程信息及商品溯源信息等一同存入溯源RFID，转至步骤S8；
步骤S8：当所述的溯源RFID进入读写器接收范围内时，即可在读写器的人机界面上显示出该商品所对应的包装状态过程信息及溯源等信息。
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