CN202584175U

CN202584175U - 利用rfid标签实现的一种无线传感器

Info

Publication number: CN202584175U
Application number: CN 201220243278
Authority: CN
Inventors: 孙雷
Original assignee: WUXI LIWAI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI LIWAI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2022-05-25

Abstract

本实用新型公开了利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签和1-wire状态机，RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM，1-wire状态机的输入端连接EEPROM，输出端连接寄存器，并通过信号处理电路连接天线，寄存器与1-wire传感器连接；在EEPROM中存储1-wire命令查询表，状态机按顺序从EEPROM中读取命令，然后驱动1-wire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器；冲突检测单元探测到无冲突之后，RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。优点是：利用现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能，传感器数据的读取通过现有的RFID读写器，而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(1-wire)传感器类型及拓扑结构。

Description

利用RFID标签实现的一种无线传感器

技术领域

本实用新型涉及一种无线传感器，尤其是一种利用RFID标签实现的一种无线传感器。

背景技术

无线传感器网络由数十、数百，甚至上千个分散布置的传感器组成，来监控物理或者环境变量。每个传感器都是一个节点，多个传感器通过不同的拓扑结构连接起来，构成网络，拓扑结构可以有多种，如星型，网格型等等。其上层协议还有路由、接力及防数据溢流等功能。无线传感器的基本结构包括: RF收发机，天线，微处理器，传感器接口，电源（电池或电源收获装置）。

无线传感器网络技术是最近10年来随着无线技术的发展，应用，而发展起来的。目前IEEE802.15.4为主要技术标准，定义了低速率无线个人局域网(WPAN)的物理层，和媒体访问控制层的协议。标准根据地域不同，采用3个频段：

868.0-868.6 MHz: 欧洲。

902-928 MHz: 北美。

2400-2483.5 MHz: 全球。

其基本的通信范围为10米左右。在此标准基础上有ZigBee，Wireless HART，ISA100等标准定义具体的应用方向，及网络其它层的协议。

另外的一系列标准IEEE21451，则定义网络化，智能化传感器接口协议，如电子表单格式，传感器自动校准，等等，该套标准侧重于传感器网络，而并非指定有线，或无线。其中最新的标准IEEE21451.7定义了RFID和传感器的通信协议，电子表单格式。

上述各系列标准的实施，基本上可以涵盖从传感器接口，到OSI 7层协议的所有方面，是个全面解决方案。

当前各种解决方案的主要问题是成本，基于802.15.4基础上的传感器网络，都是有源传感器，其可靠性，维护需求，复杂程度都导致成本过高，是制约其广泛应用的最大问题。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种利用RFID标签实现的无线传感器，用低成本RFID标签，结合市场现有的1-wire数字传感器，使其成为无线传感器。和专用无线传感器模块相比，RFID标签技术成熟，成本极低。

按照本实用新型提供的技术方案，利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签，所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM，所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连，信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器，冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPROM，寄存器的输入端连接EEPROM，寄存器的输出端连接计数器，本实用新型还包括1-wire状态机模块，1-wire状态机模块的输入端连接EEPROM，1-wire状态机模块的输出端连接寄存器，并通过所述信号处理电路连接天线，所述寄存器与1-wire传感器连接。在EEPROM中存储1-wire命令查询表，根据1-wire协议的要求，1-wire状态机模块按顺序从EEPROM中读取需要向1-wire总线上发出的命令，然后驱动1-wire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器；在冲突检测单元探测到无冲突之后，RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。

所述1-wire状态机模块内部包括：EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接I/O接口电路，I/O接口电路还连接寄存器组；使能信号激活整个1-wire状态机模块，在时钟控制下，1-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中，每个字读取完成后，输入到比较与判断电路，以判断是否为特殊命令：包括1-wire 复位命令、读取时间段命令，若非特殊命令，则该命令输入到移位寄存器中，I/O接口电路把每个数位按照1-wire 总线的信号协议输出到1-wire总线上；若为读取时间段命令，则I/O接口电路按1-wire总线信号协议输出读取时间段命令，然后I/O接口电路把1-wire总线上的数据读入到寄存器组，该数据的信号输出到RFID标签。

本实用新型的优点是：利用了现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能，传感器数据的读取可通过现有的RFID读写器，通过适当的应用程序来实现，而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(1-wire)传感器类型，及拓扑结构，不需对传感器做改动而把传统传感器转变为无线传感器网络。

附图说明

图1是典型被动RFID标签结构框图。

图2是带有传感器接口的RFID标签电路框图。

图3是本实用新型的应用模式一。

图4是本实用新型的应用模式二。

图5是本实用新型的应用模式三。

图6是1-wire状态机流程图。

图7是1-wire状态机实施例的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型采用远场(far field)甚高频，或者微波频段的RFID技术，被动标签采用后向散射对信息进行调制。在标准RFID标签电路的基础上，做一些改动，从而实现与1-wire传感器的接口。

RFID标签由天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM构成，图1是一种典型RFID标签结构框图。

被动标签没有电源，其前端电路从RFID读写器的射频信号中获取电源，由整流、稳压、复位（生成POR，加电复位信号）等电路构成。通常，RFID标签数字电路由数千个门电路构成，更高级些的RFID标签还包括一些基本的安全性机制。其存储装置EEPROM通常只存储标识信息。

数字部分的冲突检测单元，是最复杂和最重要的部分，因为不仅这个单元要实现随机冲突防止算法，还要实现内容的读／写操作。

本实用新型，对典型RFID电路进行修改，添加1-wire协议接口及状态机逻辑电路。如图2所示。

和图1的典型RFID标签框图比较，本实用新型增添了一个功能模块，即“1-wire状态机”模块，另外，还增加了EEPROM中的存储内容，其内容为”1-wire命令查询表”。其基本功能，是根据1-wire协议的要求，状态机按顺序从EEPROM中读取需要向1-wire总线上发出的命令，然后驱动1-wire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器。

单纯的RFID标签在冲突检测单元探测到无冲突之后，向读写器发送EEPROM中储存的ID，对于本实用新型的应用，标签在发送了EEPROM中的ID之后，还要向读写器发送读取的传感器数据。所以读写器的应用程序，要做适当的修改以接收传感器数据，这方面的实现不在本实用新型的考虑范围之内。

对于上述集成有传感器接口的RFID标签，可以有3种应用：

1、单一标签外接单一传感器，如图3所示。

2、单一标签和单一传感器集成到同一芯片上，如图2所示。

3、单一标签外接多个传感器，通过1-wire总线连接到一起，如图3所示。

其中，应用1，适用范围广泛，可以和多种传感器结合。应用2，成本低，因为是集成解决方案，但每个标签支持单一固定传感器，所以不很灵活。应用3，适合于小范围内的多点监控/测量应用，但要对各传感器提供外接电源。

下面描述电路结构与实施例。

本实用新型采用1-wire状态机来实现与传感器的通信，状态机的作用为：

· 1-wire总线的初始化和检测。

· 生成和发送ROM命令对1-wire传感器进行寻址操作。

· 按顺序读取和发送EEPROM中存储的传感器特定1-wire命令。

为了增强应用灵活性，和传感器兼容性，本实用新型采用1-wire命令查询表，预存储需要状态机发送的1-wire命令，1-wire命令查询表是RFID的EEPROM内容的一部分。显然，对于不同的应用模式，其命令查询表内容不会相同，本实用新型要求EEPROM可读写，在确定了应用模式之后，使用RFID读写器对EEPROM内容进行写操作，从而把特定的1-wire查询表内容写入。每个1-wire命令的长度为一个字节。除了传感器特定的1-wire命令之外，查询表包括以下共有的命令:

· 1-wire处理终止命令，用0xff标示。

· 1-wire总线数据读取命令，用0x0标示。

· 对于应用模式1（图3），和应用模式2（图4），存储8个字节的传感器ROMID。

· 对于应用模式3（图5），存储8×n个字节的传感器ROM ID，其中ｎ为1-wire总线上传感器的个数。

图6描述了状态机的流程图。如图6所示，1-wire状态机工作过程描述如下：

遵循RFID标准协议，向RFID读写器发送其ID，发送完成之后，1-wire状态机电路被激活:

· 状态机首先输出复位与检测信号，检测总线上是否有传感器。

· 如果状态机探测到传感器，则开始按顺序读取 1-wire命令查询表中储存的命令，从索引０开始。

· 状态机按照1-wire信号标准输出命令到总线上。

· 如果读取的命令是0xFF，表示命令结束，状态机从寄存器中读取传感器数据到奇偶校验／编码电路，从而发送到RFID读写器。

· 如果读取的命令不是0xFF ，状态机将命令查询表加１，既读取下一条命令继续操作。

1-wire命令查询表实例。下面以应用模式１，外接DS18S20，1-wire数字温度传感器为实例，说明命令查询表存储内容。

实例中，假设64位ROM ID用xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx 表示。

表1 1-wire命令查询表实例

索引	内容	索引	内容
				0	0x55	7	0xxx
1	0xxx	8	0xxx
				2	0xxx	9	0xxx
3	0xxx	10	0x44
				4	0xxx	11	0xBE
5	0xxx	12	0x00
				6	0xxx	13	0xFF

针对表一实例，状态机在复位／传感器探测完成后，将执行以下命令序列从传感器中读取温度数据：

1. 发送 MATCH ROM 命令 0x55，对传感器寻址。

2. 发送8个字节的传感器ROM ID。

3. 发送CONVERT T命令0x44，执行温度数据转换。

4. 发送READ SCRATCH PAD 命令 0xBE，从SCRATCH REGISTER 中读取温度数据。

5. 命令标示0x00，通知状态机发送“读取时间段”到1-wire总线。

6. 读取传感器数据。

7. 命令标示0xFF，通知状态机处理结束，对1-wire总线复位。

图7给出一种1-wire状态机模块的功能框图，包括EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接I/O接口电路，I/O接口电路还连接寄存器组。

在图7的实例中，使能信号ONE_WIRE_EN激活整个1-wire状态机模块。在时钟SYS_CLK控制下，1-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中，每个字读取完成后，输入到判断与比较电路，以判断是否为特殊命令（1-wire复位命令，或“读取时间段”命令）；若非特殊命令字，则该命令输入到移位寄存器中，I/O接口电路把每个数位按照1-wire 总线的信号协议输出到1-wire总线上。若命令字为“读取时间段”命令，则I/O接口电路按1-wire总线信号协议输出“读取时间段”命令，然后I/O接口电路把1-wire总线上的数据读入到寄存器组。该数据通过ONE_WIRE_DATA信号输出到外部（RFID寄存器），数据的发送由标准RFID标签电路提供，不是本实用新型内容。

关于电源，本实用新型可用既可用于被动标签，又可用于主动标签。被动标签的应用更为灵活，受空间限制小，不需要电源线，但由于标签电路要驱动额外的状态机电路，和外接的传感器电路，所以在具体实现上要考虑RF能量是否足够提供所需电源。

与1-wire传感器接口时，1-wire传感器有2种工作模式：1. 外接电源模式；2. 寄生电源模式。

采用第一种模式时，外接电源只提供电源给传感器，而不提供电源给标签。标签所需的电源不会因为外接传感器而增加而显著的增加。

采用第二种模式时候，标签和传感器所需电源完全由RF能量收获来提供。

市场现有的1-wire传感器中，有一部分支持“寄生电源”模式，既传感器直接从数据线上获得电源。本实用新型采用在被动标签和传感器上集成大容量电容，RFID读写器在读取传感器数据之前，向标签发送足够时间的preamble序列，内部电路回收RF能量，保持1-wire总线高电平状态，以对电容进行充电。

Claims

1.利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签，所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM，所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连，信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器，冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPROM，寄存器的输入端连接EEPROM，寄存器的输出端连接计数器，其特征是：还包括1-wire状态机模块，1-wire状态机模块的输入端连接EEPROM，1-wire状态机模块的输出端连接寄存器，并通过所述信号处理电路连接天线，所述寄存器与1-wire传感器连接。

2.如权利要求1所述利用RFID标签实现的一种无线传感器，其特征是，所述1-wire状态机模块内部包括：EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPROM，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接I/O接口电路，I/O接口电路还连接寄存器组。