CN116318269B - 一种长距离无源感测标签、rfid系统和解码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长距离无源感测标签、RFID系统及端到端通信方法，应用于通信领域，针对现有反射放大器增益较低，且功率附加效率不高的问题；本发明基于三极管(BFT25A/BFU550A)实现高增益高能效的反射放大器的设计；并基于该反射放大器设计长距离无源感测标签，具体的：通过多源能量收集电路提高标签解调灵敏度，从而提升前向通信距离；采用高增益高能效的反射放大器提升读写器接收灵敏度，从而提升反向链路通信距离；同时基于本发明所设计的长距离无源感测标签实现标签到标签通信。

Description

一种长距离无源感测标签、RFID系统和解码方法
技术领域
本发明属于通信领域，特别涉及一种长距离无源感测标签、系统与方法。
背景技术
在基于反向散射通信技术的无源RFID系统中，因无源电子标签灵敏度低限制了读写器-无源电子标签间的通信距离，现有技术常采用提高标签能量收集效率的方法来增加感测系统的通信距离。然而，随着通信距离的增加，标签可收集的读写器发出的射频能量急剧减少，限制了其通信距离的进一步增加，采用多源能量收集技术可大幅提升标签灵敏度，从而进一步提升系统的通信距离。但标签的接收功率与通信距离的平方成反比，而标签反射读写器发射载波的信号强度随通信距离的四次方急剧衰减，因此，大幅度提升标签灵敏度后，读写器接收灵敏度不高将限制系统的通信距离。同时，在无源RFID系统中，由于标签反向散射的信号十分微弱，而读写器发送端泄露、读写器天线反射和环境反射的载波信号具有较大功率，且载波中附带的相位噪声处于标签返回信号的通信频段，这给读写器解调电路带来了很大的自干扰问题，致使难以提高读写器接收灵敏度。虽在基于传统反向散射通信技术的系统中，自干扰问题将增加读写器的设计复杂度，但因其标签结构简单、通信稳定、技术成熟，仍在无源RFID领域持续发挥着重要作用。为解决因读写器接收灵敏度低而致通信距离短的问题，可在标签中引入反射放大(Reflection Amplifier)技术，其能通过放大器的负阻特性使标签的反射系数大于1，可有效增加标签反射信号功率，从而可在不提升读写器接收灵敏度的情况下增加反向链路的通信距离。
针对反射放大器，F.Farzami等采用隧道二极管(Tunnel Diode)实现了一种具有较高功率附加效率的反射放大器，其通过隧道效应产生负阻特性，从而使电路的反射系数大于1，增加反射功率，其在输入频率为0.89GHz、功率为-30dBm时，反射增益为17dB，且功率附加效率(能量效率)为24.56％，但其反射增益不高。F.Amato等提出了一种集成隧道二极管的无源RFID标签结构，但其未实现该标签，仅实现了反射放大器，其在输入频率为5.45GHz、功率为-70dBm时，反射增益仅34.4dB。不同于文献采用隧道二极管实现反射放大器，2014年，J.Kimionis等提出采用晶体三极管(BFT25A)实现反射放大器，其利用正反馈实现负阻特性，使电路的反射系数大于1，从而增加反射功率，且提出集成太阳能电池、反射放大器和RFID芯片的距离增强型RFID标签，但其也仅实现了反射放大器，未实现提出的距离增强型RFID标签，且其在输入频率为900MHz、功率为-50dBm时，反射增益为29dB，功率附加效率仅1.65％，其反射增益和功率附加效率仍有进一步优化空间。同年，J.Kimionis等进一步提出集成反射放大器和二进制相移调制器的距离增强型RFID标签，其采用与类似的反射放大器电路结构实现反射放大器，并采用二进制相移调制器实现180°的相移功能，其仍未实现传统标签功能，且其在输入频率为915MHz、功率为-50dBm时，反射增益仅10.2dB，功率附加效率仅0.0291％，该方案虽能够实现相位调制，并增加通信距离，但其反射增益和功率附加效率很低，难以大幅度提升通信距离。
针对无源无线传感标签，2015年，J.S.Lee等提出了结合RFID和铂/石墨烯的无源无线氢气浓度感测系统，将传感器置于RFID标签天线上，传感器阻抗随氢气浓度变化致标签反射信号的频率和功率变化，读写器通过测量标签反射信号参数的变化量可测量出氢气浓度。因传感器阻抗变化会导致标签天线和标签电路出现不匹配问题，使标签可识别距离仅0.25m，其难以实现大范围的氢气浓度监控。2016年，A.E.Abdulhadi等提出了同时收集太阳能和射频能量的RFID感测标签，包括一个RFID芯片、一个微控制单元(Micro ControllerUnit,MCU)，以及温度和湿度传感器；采用射频能量供电时通信距离为7.48m，太阳能供电时通信距离可达27m。但其MCU仅实现传感器信息采集，未实现RFID协议处理，其灵活性有一定的限制，且其仅测试了单个感测标签工作特性，未具体分析基于分立元件实现的感测标签在多标签系统中的工作性能。2019年，X.Y.Wang等提出通过检测商用标签反向散射信号的相位变化来估算标签环境的温度，虽其成本低，但标签反向散射信号的相位对环境和距离非常敏感，在不同环境或距离下，相位具有很大差异，读写器需根据标签所处的环境修正信号处理算法，增加了设计复杂度。2020年，D.Inserra等提出了一种基于UHF RFID标签的螺钉松动检测方法，通过标签反射系数的变化实现金属螺钉的松(开)/紧(关)检测，因标签天线和电路的匹配状态受螺钉影响致使其通信距离仅1.3m。2021年，Z.Shao等提出了一种基于RFID技术的无源无线电流感测标签，其通过磁场传感器测量电缆周围的磁场大小，从而测量与磁场大小对应的电流大小，其最大通信距离仅为5.2m。
现有技术常采用提高标签能量收集效率的方法来增加感测系统的通信距离。然而，随着通信距离的增加，标签可收集的能量急剧减少，限制了其通信距离的进一步增加。同时，在多标签系统中未被选中(保持侦听状态)的标签须持续处理接收的命令而致其耗能量高于单标签系统中标签的耗能量，故其通信距离小于单标签系统的通信距离。则仅增加标签能量收集效率难以满足多标签系统的应用需求。采用多源能量收集技术可大幅提升标签灵敏度，从而进一步提升系统的通信距离。但标签的接收功率与通信距离的平方成反比，而标签反射读写器发射载波的信号强度随通信距离的四次方急剧衰减。因此，大幅度提升标签灵敏度后，标签反射功率小，且读写器接收灵敏度不高将限制系统的通信距离的进一步增加。
现有反射放大器增益较低，且功率附加效率不高；仅设计了反射放大器，未实现可远距离通信的无源感测标签及系统；现有反向散射系统中无源标签间的通信距离短，使其仅能用于试验研究，无法真正应用于实际场景，产业化更无从谈起。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高增益高能效的反射放大器，在该放大器基础上，同时提升了本发明标签灵敏度和反射功率，从而实现读写器和标签间的长距离通信；同时，提升反射功率后，标签接收其它标签反射的功率也大幅度增加，则能进一步提升无源RFID系统端到端(标签到标签)的无线通信距离，从而提升无源RFID系统的覆盖范围。
本发明采用的技术方案之一为：一种基于反射放大器的端到端长距离无源感测标签，包括：天线、匹配电路、功率分配器、整流电路、能量收集与管理电路、基带信号处理电路、解调电路、调制电路、射频开关、反射放大器和传感电路；
标签接收到的射频信号依次经天线、匹配电路、功率分配器、整流电路后，转换为直流信号；
能量收集与管理电路收集整流电路输出的直流信号的能量，为基带信号处理电路供能；
基带信号处理电路用于控制、解调电路、调制电路和传感电路的工作状态；
反射放大器在基带信号处理电路的控制下对其输入信号进行功率放大；反射放大器具体包括：晶体三极管、电阻R1、电感L0、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电源Vcc；晶体三极管的基极与电阻R1的第一端相连，电阻R1的第二端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端接电源Vcc；晶体三极管的集电极与电感L0的第一端相连，电感L0的第二端接电源Vcc；晶体三极管的发射极接地；电阻R1的第一端还与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与电感L0的第一端相连；电感L2的第一端还与电容C2第一端相连，电容C2的第二端作为反射放大器的输入端与输出端。
还包括太阳能电池，所述太阳能电池串联一个二极管后与整流电路输出的直流信号并联连接到能量收集与管理电路。
本发明采用的技术方案之二为：一种RFID系统，包括上述标签与读写器。
本发明采用的技术方案之三为：一种解码方法，标签采用PIE解码方式，采用PIE编码和FM0/Miller编码；
标签基于PIE解码方式，同时接收读写器命令和其它标签反射的信号。
对传统RFID协议中Select命令的Target参数进行扩展，当Target参数为二进制101时，表示标签到标签通信；当Target为二进制110时，表示标签采用传统RFID协议通信。
当标签接收的Select命令中Target参数为二进制101时，标签产生一个1bit的随机数，若随机数为0，则标签接收其它标签转发的信息；若随机数为1，则标签读取存储器中待转发的数据采用PIE编码后，通过反向散射通信转发数据。
当标签接收的Select命令中Target参数为二进制110时，标签采用PIE解码接收读写器命令，并采用FM0/Miller编码响应读写器命令。
本发明的有益效果：本发明提出一种基于三极管(BFT25A/BFU550A)实现高增益高能效的反射放大器设计方法，提出据此设计长距离无源感测标签的方法，并提出通过多源能量收集电路同时收集射频和太阳能，解决距离读写器远的标签能量收集问题(无法收集到读写器发出的射频能量)，可使得标签灵敏度不在受能量收集的影响，从而可采用高灵敏度ASK解调电路，提升RFID系统的前向通信距离；采用高增益高能效的反射放大器解决读写器接收灵敏度低导致反向链路通信距离短的问题。同时，本发明还提出基于设计的长距离无源感测标签实现标签到标签通信的技术方案，解决反向散射系统中无源标签间无法通信的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于BFT25A/BFU550A的反射放大器电路结构；
图2为本发明实施例提供的高灵敏度ASK解调电路；
图3为本发明实施例提供的集成反射放大器的长距离感测标签电路架构；
图4为本发明实施例提供的基于BQ25570的多源能量收集与管理电路结构；
图5为本发明实施例提供的长距离感测标签的工作流程；
图6为本发明实施例提供的反向散射通信系统中标签到标签的通信的多跳网络。
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。
本实施例包括以下三个部分的内容：
1、基于三极管(BFT25A/BFU550A)的反射放大器
本发明提出的一种基于三极管(BFT25A/BFU550A)的反射放大器电路结构如图1所示，包括：晶体三极管、电阻R1、电感L0、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电源Vcc；晶体三极管的基极与电阻R1的第一端相连，电阻R1的第二端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端接电源Vcc；晶体三极管的集电极与电感L0的第一端相连，电感L0的第二端接电源Vcc；晶体三极管的发射极接地；电阻R1的第一端还与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与电感L0的第一端相连；电感L2的第一端还与电容C2第一端相连，电容C2的第二端作为反射放大器的输入端与输出端。
反射放大器用于对输入信号功率进行放大，其增益通过负阻获得。反射放大器的工作原理为：
晶体三极管在一定的偏置电压(偏置电压即如图1中晶体三极管基极的电压，该偏置电压具体通过Vcc、L1和R1得到)和正反馈(如图1，通过L2、C1和C2得到)下工作在负阻区，其负阻区的阻抗ZL与偏置电压(Vbias)、输入信号的功率(Pin)和频率(fin)相关，可表示为：
ZL(Vbias,Pin,fin)＝-RL+jXL,RL＞0 (1)
其中，RL表示负载电阻，XL表示负载电抗，设计时将ZL转换到阻抗ZRA：
ZRA＝-RRA+jXRA,RRA＞0 (2)
其中，RRA表示转换后的电阻，XRA表示转换后的电抗，若标签天线输入阻抗为：
Za＝Ra+jXa,Ra＞0 (3)
其中，Ra表示天线输入电阻，Xa表示天线输入电抗，可得反射放大器的反射系数为：
其中，表示Za的共轭，则反射放大器的反射功率增益S11为：
因式(5)的Ra和RRA均大于0，可知|ΓRA|＞1，则S11>0dB。通过选择合适的ZRA可得到稳定的反射系数，即反射增益，增加的功率来自反射放大器的直流偏置，满足能量守恒定律。为避免反射放大器自由振荡，选择ZRA时，需确保Ra-RRA＞0，且Xa+XRA≈0，以获得稳定的反射增益。因ZL与偏置电压、输入功率和频率相关，可预测增益S11将随输入功率变化。
2、基于图1所示反射放大器的标签
标签集成图1所示的反射放大器后，标签反射系数为ΓRA，则由传统反向散射系统中标签调制损耗因子η与标签反射系数的关系：
η＝α|Γ1-Γ2|2 (6)
可得标签集成反射放大器后的调制损耗因子：
η＝α|Γ1-ΓRA|2 (7)
其中，α与标签调制方式有关，若标签调制信号的占空比为50％，则α＝0.25。因标签实现接收功能时，其反射系数Γ1＝0，则将式(7)用dB表示为：
10log(η)＝10log(α)+10log|Γ1-ΓRA|2＝10log(α)+S11 (8)
因反向散射系统中读写器接收功率为：
其中，PEIRP是等效各向同性辐射功率(最大为36dBm)，Gtag为标签天线增益，Greader为读写器天线增益，Lpol为天线极化损失，λ为电磁波波长，R为读写器和标签间距。则用Gamp代替S11，将式(8)带入式(9)得：
因Gamp＞0，可知集成反射放大器的感测标签能增加反向链路通信距离，其最大通信距离由反射放大器的增益和读写器接收灵敏度决定。
增加标签反射功率提升反向散射系统反向链路通信距离后，因商用无源标签灵敏度约-22dBm，将限制前向链路通信距离，从而成为限制系统通信距离的主要因素。为此，本发明采用图2所示的高灵敏度ASK解调电路提升标签的前向链路通信距离，其灵敏度可以达到-60dBm，与反射放大器配合可提升系统通信距离。
基于提出的反射放大器、高灵敏度ASK解调电路实现长距离感测标签的电路架构如图3所示，包括天线、匹配电路、功率分配器(功分器)、整流电路、能量收集与管理电路、基带信号处理电路(MCU)、解调电路、调制电路、射频开关、太阳能电池、反射放大器和传感电路等。
解调电路具体包括：检波单元、低通滤波单元、运算放大器以及比较器。
天线、匹配电路、功分器、整流电路实现射频能量转换成直流能量，功分器由两组电容构成，调节两组电容的比值(即1:K)可在功分器的两输出端得到不同比例的功率。能量收集与管理电路采用BQ25570芯片实现，用于收集整流电路输出的直流能量，从而为标签有源电路供电。BQ25570有两种主要的充电模式：冷启动和热启动，开始充电时，若储能电容(Cbat)的电压小于1.6V，则为冷启动，其输入电压不低于600mV才能收集能量；否则为热启动，输入电压不低于100mV。其中，可达到的最高电压为5.5V。低压差线性稳压器(LowDropout Regulator,LDO)用于为传感电路提供稳定的电压，并作为控制开关使用。基带信号处理电路(MCU)实现ISO/IEC 18000-6C协议，并控制解调电路、调制电路和传感电路的工作状态。解调电路将读写器发出的射频信号转换为基带信号，供MCU使用。运放用于放大检波信号，提高标签解调灵敏度。调制电路用于实现反向散射通信，其在MCU的控制下改变标签天线和标签电路阻抗的匹配状态，从而实现数据的发送功能。MCU通过控制射频开关的导通状态选择反射放大或传统RFID功能。反射放大器在MCU控制下工作，当需增加反射功率时设置偏置电压为高。太阳能电池输出端串联一个二极管后与整流电路输出端并联连接到能量收集与管理电路，可实现多种能源同时收集的功能(二极管防止电流倒灌)，减少了标签设计成本，且多种能量同时存在时，其能量收集速率远高于仅单一能源存在的能量收集速率。
在图3中，功分器将输入功率按比例(1:K)分配到解调电路和整流电路，则标签解调灵敏度为：
其中，PASK为仅解调电路的灵敏度，Gtag为标签天线增益，K为功分器的比例因子。因此，在仅有射频能量供电的应用场景，可设置K取较大的值，将更多的能量用于能量收集。在仅太阳能供电的应用场景，设置K＝1，将全部能量用于实现解调功能，增加解调灵敏度。在多源能量收集电路架构中，为同时实现能量收集和长通信距离，设置K＝2，实现能量的平均分配，且本发明设置K＝2，同时满足室内近距离和室外(太阳能供电)长距离应用需求。
多源能量收集电路架构如图4所示，太阳能电池串联一个二极管后与整流电路输出并联连接到BQ25570的输入端，其与整流电路享用一个能量收集电路，减少了系统的面积和降低了成本，且两种能量同时存在的充电速率高于单一能源的充电速率。
3、标签到标签的通信
为实现标签到标签的通信功能，并降低系统的设计复杂度，在标签中采用同一种解码方法，即仅接收经PIE编码的信号。采用两种编码方式，一种是原始的FM0/Miller编码，用于将信号传输到读写器，实现传统RFID通信协议；另外一种是PIE编码，实现标签到标签的通信。因标签采用PIE编码发送信号实现端到端通信，则标签可以采用一种解码(PIE)方法同时接收读写器命令和其它标签反射的信号(端到端通信)。同时，为兼容ISO/IEC18000-6C标准协议，通过扩展传统RFID协议中Select命令的Target参数功能来表示系统是否实现标签到标签通信功能，当读写器发出命令中的Target参数为二进制101(标准协议为保留项)时，表示标签到标签通信，从而实现多跳功能；当Target为二进制110(标准协议为保留项)时，表示标签采用传统RFID协议通信。
扩展Target参数功能后的长距离感测标签的工作流程如图5所示，标签通过接收的Select命令中Target参数判断是否实现多跳功能，在多跳模式的标签产生一个1bit的随机数，若随机数为0，则标签接收其它标签转发的信息，若随机数为1，则标签读取存储器中待转发的数据采用PIE编码后，通过反向散射通信转发数据。与传统RFID标签相比，设计的标签仅需通过盘点Select的参数Target分辩是否实现多跳功能。
反向散射系统实现标签到标签通信的多跳网络如图6所示，由提出的高增益高能效反射放大器和高灵敏度ASK解调电路，结合多源能量收集电路，可使得标签解调灵敏度达到-60dBm，标签反向散射增益达到44dB，则由自由空间中电磁波传播(Friis)公式可知，当读写器和标签间距为100m时，标签到标签间通信距离能达到10m。因此，采用本发明提出的长距离无源标签设计方法，可极大的提升系统的覆盖范围，当采用5跳工作(端到端可以级联6个标签)时，读写器和标签间距可达150m，覆盖范围可以达到70000m2。
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 (8)

1.一种基于反射放大器的端到端长距离无源感测标签，其特征在于，包括：天线、匹配电路、功率分配器、整流电路、能量收集与管理电路、基带信号处理电路、解调电路、调制电路、射频开关、反射放大器和传感电路；
标签接收到的射频信号依次经天线、匹配电路、功率分配器、整流电路后，转换为直流信号；
能量收集与管理电路收集整流电路输出的直流信号的能量，为基带信号处理电路供能；
基带信号处理电路用于控制解调电路、调制电路和传感电路的工作状态；
反射放大器在基带信号处理电路的控制下对其输入信号进行功率放大；反射放大器具体包括：晶体三极管、电阻R1、电感L0、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电源Vcc；晶体三极管的基极与电阻R1的第一端相连，电阻R1的第二端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端接电源Vcc；晶体三极管的集电极与电感L0的第一端相连，电感L0的第二端接电源Vcc；晶体三极管的发射极接地；电阻R1的第一端还与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与电感L0的第一端相连；电感L2的第一端还与电容C2第一端相连，电容C2的第二端作为反射放大器的输入端与输出端；
解调电路将读写器发出的射频信号转换为基带信号，供基带信号处理电路使用；功率分配器将输入功率按比例分配到解调电路和整流电路；调制电路用于实现反向散射通信，其在基带信号处理电路的控制下改变标签天线和标签电路阻抗的匹配状态，从而实现数据的发送功能；反射放大器在基带信号处理电路控制下工作，当需增加反射功率时设置偏置电压为高；还包括低压差线性稳压器，用于为传感电路提供稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射放大器的端到端长距离无源感测标签，其特征在于，还包括太阳能电池，所述太阳能电池串联一个二极管后与整流电路输出的直流信号并联连接到能量收集与管理电路。
3.根据权利要求2所述的一种基于反射放大器的端到端长距离无源感测标签，其特征在于，所述解调电路为ASK解调电路。
4.一种RFID系统，其特征在于，包括：标签与读写器，所述标签采用权利要求1-3任意一项所述的标签。
5.一种解码方法，其特征在于，权利要求1-3任意一项所述的标签采用PIE解码方式，采用PIE编码和FM0/Miller编码；
标签基于PIE解码方式，同时接收读写器命令和其它标签反射的信号。
6.根据权利要求5所述的一种解码方法，其特征在于，对传统RFID协议中Select命令的Target参数进行扩展，当Target参数为二进制101时，表示标签到标签通信；当Target为二进制110时，表示标签采用RFID协议通信。
7.根据权利要求6所述的一种解码方法，其特征在于，当标签接收的Select命令中Target参数为二进制101时，标签产生一个1bit的随机数，若随机数为0，则标签接收其它标签转发的信息；若随机数为1，则标签读取存储器中待转发的数据采用PIE编码后，通过反向散射通信转发数据。
8.根据权利要求6所述的一种解码方法，其特征在于，当标签接收的Select命令中Target参数为二进制110时，标签采用PIE解码接收读写器命令，并采用FM0/Miller编码响应读写器命令。
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