CN207337446U

CN207337446U - 基于能量收集式高灵敏度物联网标签

Info

Publication number: CN207337446U
Application number: CN201721008596.5U
Authority: CN
Inventors: 文光俊; 李建; 李钢; 李镇兵; 周洁
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2027-08-14

Abstract

本实用新型公开一种基于能量收集式高灵敏度物联网标签，应用于物联网领域，包括：能量收集模块、收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块；能量收集模块用于收集环境中的电磁波能量和光能，并产生直流供电电压，为收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块提供电源；收发前端模块用于接收天线信号，并将接收到的天线信号解调为基带信号，然后将基带信号发送给基带处理模块；功能指示模块用于对成功收发进行提示；本申请标签具有低能量密度条件下能量收集效率高、标签灵敏度高、整体功耗低的优点。

Description

基于能量收集式高灵敏度物联网标签

技术领域

本实用新型属于物联网领域，特别涉及一种物联网标签。

背景技术

近年来，射频识别技术(RFID)在全球范围内飞速发展，其优点在于快速、准确，且无需与目标物体接触。传统RFID标签与微控制器，传感器相结合之后，除了具备物品识别功能之外，还可以组建无线传感网络实现温度检测、生物体征监控和运动状态监控等各种各样的功能。但传感器与微控制器大大提升了标签功耗，有限的电池能量严重的制约了RFID系统的工作寿命并增加了很高的维护成本。因此在智能传感标签中设计无线能量收集系统提供标签能量显得尤为重要。

能量收集(Energy Harvester,EH)式的物联网标签是指将大自然的一些能源收集起来转化为电能给系统供电，将这样的标签置于无线空间中，会自动收集空间中的电磁能量并且当其需要通信的时候，收集并存储的电能会给标签与读写器通信过程中提供能量，采用能量收集式的无源标签可使标签体积减小、便携性增加、并且摆脱定期更换电池带来的麻烦。

收集无线空间中的电磁能量将其存储并为MCU提供工作电压存在如下的问题：无线空间的电磁能量非常微弱，一般为μW级别，如此低的能量功率为MCU供电是不可能的。并且在μW级别的输入功率下，能量收集效率较低，这对能量收集型的传感标签设置了很多限制。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，提出了一种基于能量收集式高灵敏度物联网标签，综合采用光能、GSM900/GSM1800/基站电磁波能量收集技术，提升能量收集效率。

本实用新型采用的技术方案是：基于能量收集式高灵敏度物联网标签，包括：能量收集模块、收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块，所述能量收集模块用于收集环境中的电磁波能量和光能，并产生直流供电电压，为收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块提供电源；所述收发前端模块用于接收天线信号，并将接收到的天线信号解调为基带信号，然后将基带信号发送给基带处理模块；所述功能指示模块用于对成功收发进行提示。

进一步地，所述能量收集模块包括：第一整流单元、第二整流单元、太阳能电池板、第一DC-DC升压控制管理电路、第二DC-DC升压控制管理电路、第三DC-DC升压控制管理电路、超级电容、能量收集天线端口以及太阳能电池端口；所述第一整流单元第一端接能量收集天线端口，第一整流单元第二端接第一DC-DC升压控制管理电路第一端；所述第二整流单元第一端接能量收集天线端口，第二整流单元第二端接第二DC-DC升压控制管理电路第一端；所述第三DC-DC升压控制管理电路第一端接太阳能电池端口；所述第一DC-DC升压控制管理电路第二端、第二DC-DC升压控制管理电路第二端、第三DC-DC升压控制管理电路第二端共同作为能量收集模块的输出端，所述超级电容第一端与能量收集模块的输出端相连，超级电容第二端接地。

更进一步地，所述第一整流单元包括：第一滤波分配电路、第一阻抗匹配电路、第一整流电路以及第一稳压电路；所述第一滤波分配电路第一端作为第一整流单元的第一端，第一滤波分配电路第二端接第一阻抗匹配电路第一端，第一阻抗匹配电路第二端接第一整流电路第一端，第一整流电路第二端接第一稳压电路第一端，第一稳压电路第二端作为第一整流单元第二端。

更进一步地，所述第二整流单元包括：第二滤波分配电路、第二阻抗匹配电路、第二整流电路以及第二稳压电路；所述第二滤波分配电路第一端作为第二整流单元的第一端，第二滤波分配电路第二端接第二阻抗匹配电路第一端，第二阻抗匹配电路第二端接第二整流电路第一端，第二整流电路第二端接第二稳压电路第一端，第二稳压电路第二端作为第二整流单元第二端。

进一步地，所述收发前端模块包括：解调单元、调制电路以及天线端口；所述解调单元包括：第三阻抗匹配电路、包络检波电路以及比较电路；

所述第三阻抗匹配电路第一端与天线端口相连，第三阻抗匹配电路第二端与包络检波电路第一端相连，包络检波电路第二端与比较电路第一端相连，比较电路第二端作为收发前端模块的输出端，比较电路的第三端作为收发前端模块的第一输入端，比较电路的第四端作为收发前端模块的第二输入端，所述调制电路第一端与天线端口相连，调制电路第二端作为收发前端模块的第三输入端。

更进一步地，所述解调单元还包括放大电路，所述放大电路第一端与包络检波电路第二端相连，放大电路第二端与比较电路第一端相连；放大电路第三端与比较电路的第三端相连，放大电路第四端与比较电路的第四端相连。

更进一步地，收发前端模块的第二输入端与能量收集模块的输出端相连。

更进一步地，收发前端模块的第一输入端与基带处理模块的第一输出端相连。

进一步地，收发前端模块的第三输入端与基带处理模块的第二输出端相连。

进一步地，所述功能指示模块包括：终端成功接收信号指示LED、终端成功发射信号指示LED以及供电电压正常指示LED；终端成功接收信号指示LED输入端与收发前端模块输出端相连；终端成功发射信号指示LED输入端与收发前端模块的第三输入端相连；供电电压正常指示LED与能量收集模块的输出端相连；终端成功接收信号指示LED输出端、终端成功发射信号指示LED输出端以及供电电压正常指示LED输出端接地。

本实用新型的有益效果：本实用新型的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，采用了综合采用光能、GSM900/GSM1800/基站电磁波能量收集技术，提升能量收集效率；为了降低功耗，超高频终端收发前端模块采用低功耗包络检波电路，同时比较器的选择使得标签通信灵敏度高；单片机、收发前端中比较器及放大器等电路均设计了唤醒/使能控制，使以上电路模块在无需工作时进入休眠状态，可降低系统平均功耗。

附图说明

图1为本申请实施例提供的方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型内容进一步阐释。

如图1所示，一种基于能量收集式高灵敏度物联网标签，包括：能量收集模块、收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块，所述能量收集模块用于收集环境中的电磁波能量和光能，并产生直流供电电压，为收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块提供电源；所述收发前端模块用于接收天线信号，并将接收到的天线信号解调为基带信号，然后将基带信号发送给基带处理模块；所述功能指示模块用于对成功收发进行提示。

能量收集模块用于收集环境中的电磁波能量和光能，产生直流供电电压，给收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块提供直流供电，并管理储能电容充放电。50Ω能量收集天线端口和太阳能电池端口分别收集环境中的GSM900MHz、GSM1800MHz及超高频基站等电磁波能量与光能，并将其转换为直流能量。

如图1所示，能量收集模块的电路结构包括：GSM900MHz整流电路、1800MHz频段整流电路、3个DC-DC升压与能量管理电路以及超级电容。对于GSM900MHz整流电路、1800MHz频段整流电路均含有滤波电路、阻抗匹配电路、整流电路以及稳压电路；GSM900MHz整流电路与1800MHz频段整流电路中的整流二极管均采用SMS7630芯片；稳压电路采用MMSZ4688T1G齐纳二极管；3个DC-DC升压与能量管理电路通过BQ25570芯片实现对超级电容CPA的充放电和其他芯片的供电。

收发前端模块将解调信号传输给基带处理模块中的MCU处理；并将MCU的返回信号通过调制电路进行调制经天线端口辐射出去。收发射频前端包括解调电路和调制电路。收发前端模块的天线端口接信号收发天线；解调单元将接收到的基站射频信号解调为基带信号DEMOD_DATA，并将其发送给基带处理模块；解调单元采用基于肖特基二极管HSMS-285C的包络检波解调电路，解调单元中的比较器NCS2200和放大器TSV6391A均受到基带处理模块发出的使能信号DEMOD_EN信号的控制；调制电路用于实现反向散射调制功能，根据终端要发射的基带数据MOD_DATA改变标签天线(即收发前端模块的天线接口所接的信号收发天线)与标签之间的阻抗匹配程度，从而实现反向散射调制；调制电路采用栅极受控的MOS管BF1212WR实现阻抗匹配状态控制与反向散射调制。收发前端模块的天线端口为50Ω天线端口。

基带处理模块至少包括单片机，单片机用于完成编解码、命令解析、协议实现以及各模块电路控制等功能。还包括温度传感器芯片及其辅助电路，使得标签实现温度传感功能。

功能指示模块包括：终端成功接收信号指示LED、终端成功发射信号指示LED和储能电容的电压指示LED及其相关控制机械开关与电路，终端成功接收信号指示LED输入端与收发前端模块输出端相连，用于指示成功接收信号；终端成功发射信号指示LED输入端与收发前端模块的第三输入端相连，用于指示成功发射信号；供电电压正常指示LED与能量收集模块的输出端相连，用于对储能电容电压指示；终端成功接收信号指示LED输出端、终端成功发射信号指示LED输出端以及供电电压正常指示LED输出端接地。

以下通过具体数据说明本申请标签的优点：

如表1所示，现有的标签在频率900MHz的收集效率不到40％，但是本申请标签的收集效率达到了42％；再比如现有的标签在频率1800MHz的收集效率约为20％，但是本申请标签的收集效率达到了33.75％；显然本申请的标签能量收集效率更高：

表1能量收集模块中的电磁波能量收集达到以下收益：

如表2、表3所示，本申请的标签不仅能收集空间中的电磁波，还可以收集光能。太阳能电池板面积：55mm*14mm*(2块)。

表2阴天时测量结果

充电时间	超级电容储能电压
		0h0min	0.42V
1h14min	1.93V
		5h37min	4.3V

表3晴天时测量结果

充电时间	超级电容储能电压
		0h0min	0.38V
0h4min	3.6V
		0h6min	3.7V
0h18min	4.2V
		0h22min	4.3V

如表4所示，本申请标签在不同读写器模式下的解调灵敏度均为-33dBm，而现有的标签解调灵敏度为-30dBm；显然本申请标签的解调灵敏度更高。测试平台：音频UHF RFIDR420读写器模块，表4测试数据不含收发前端模块所示的放大器电路。

表4标签灵敏度达到以下收益

读写器模式	正反向速率(Kbps)	灵敏度(dBm)
			自动设置密集型读写器模式	正：70反：426.66	-33
自动设置静态读写器模式	正：70反：426.66	-33
			最大吞吐量模式	正：70反：426.66	-33
混合模式	正：70反：426.66	-33

本实用新型的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，采用了综合采用光能、GSM900/GSM1800/基站电磁波能量收集技术，提升能量收集效率；为了降低功耗，超高频终端收发前端模块采用低功耗包络检波电路，同时比较器的选择使得标签通信灵敏度高；单片机、收发前端模块中比较器及放大器等电路均设计了唤醒/使能控制，使以上电路模块在无需工作时进入休眠状态，可降低系统平均功耗；本申请的标签除识别功能外，还具有温度传感功能，未来还可扩展其他传感功能。

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实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化；凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims

1.基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，包括：能量收集模块、收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块，所述能量收集模块用于收集环境中的电磁波能量和光能，并产生直流供电电压，为收发前端模块、基带处理模块以及功能指示模块提供电源；所述收发前端模块用于接收天线信号，并将接收到的天线信号解调为基带信号，然后将基带信号发送给基带处理模块；所述功能指示模块用于对成功收发进行提示。

2.根据权利要求1所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述能量收集模块包括：第一整流单元、第二整流单元、太阳能电池板、第一DC-DC升压控制管理电路、第二DC-DC升压控制管理电路、第三DC-DC升压控制管理电路、超级电容、能量收集天线端口以及太阳能电池端口；所述第一整流单元第一端接能量收集天线端口，第一整流单元第二端接第一DC-DC升压控制管理电路第一端；所述第二整流单元第一端接能量收集天线端口，第二整流单元第二端接第二DC-DC升压控制管理电路第一端；所述第三DC-DC升压控制管理电路第一端接太阳能电池端口；所述第一DC-DC升压控制管理电路第二端、第二DC-DC升压控制管理电路第二端、第三DC-DC升压控制管理电路第二端共同作为能量收集模块的输出端，所述超级电容第一端与能量收集模块的输出端相连，超级电容第二端接地。

3.根据权利要求2所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述第一整流单元包括：第一滤波分配电路、第一阻抗匹配电路、第一整流电路以及第一稳压电路；所述第一滤波分配电路第一端作为第一整流单元的第一端，第一滤波分配电路第二端接第一阻抗匹配电路第一端，第一阻抗匹配电路第二端接第一整流电路第一端，第一整流电路第二端接第一稳压电路第一端，第一稳压电路第二端作为第一整流单元第二端。

4.根据权利要求2所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述第二整流单元包括：第二滤波分配电路、第二阻抗匹配电路、第二整流电路以及第二稳压电路；所述第二滤波分配电路第一端作为第二整流单元的第一端，第二滤波分配电路第二端接第二阻抗匹配电路第一端，第二阻抗匹配电路第二端接第二整流电路第一端，第二整流电路第二端接第二稳压电路第一端，第二稳压电路第二端作为第二整流单元第二端。

5.根据权利要求1所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述收发前端模块包括：解调单元、调制电路以及天线端口；所述解调单元包括：第三阻抗匹配电路、包络检波电路以及比较电路；

6.根据权利要求5所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述解调单元还包括放大电路，所述放大电路第一端与包络检波电路第二端相连，放大电路第二端与比较电路第一端相连；放大电路第三端与比较电路的第三端相连，放大电路第四端与比较电路的第四端相连。

7.根据权利要求6所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，收发前端模块的第二输入端与能量收集模块的输出端相连。

8.根据权利要求7所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，收发前端模块的第一输入端与基带处理模块的第一输出端相连。

9.根据权利要求8所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，收发前端模块的第三输入端与基带处理模块的第二输出端相连。

10.根据权利要求1所述的基于能量收集式高灵敏度物联网标签，其特征在于，所述功能指示模块包括：终端成功接收信号指示LED、终端成功发射信号指示LED以及供电电压正常指示LED；终端成功接收信号指示LED输入端与收发前端模块输出端相连；终端成功发射信号指示LED输入端与收发前端模块的第三输入端相连；供电电压正常指示LED与能量收集模块的输出端相连；终端成功接收信号指示LED输出端、终端成功发射信号指示LED输出端以及供电电压正常指示LED输出端接地。