ES2958417T3 - Circuito para etiqueta de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF y método para operar un circuito - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un circuito de etiqueta de identificación de radio pasiva que opera en una banda UHF, configurado para comunicación por radio con un lector que emite una señal de lectura periódica, en donde un período de la señal de lectura comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación. El circuito comprende: un dispositivo de control configurado para acumular una reserva de energía de la onda de radio durante la fase de recuperación de energía y para comunicarse con el lector durante la fase de comunicación, una interfaz para conectar un sensor analógico externo. La interfaz comprende: una conexión eléctrica configurada para conectar y suministrar energía al sensor analógico externo y adquirir la medida analógica del sensor, un amplificador configurado para amplificar la señal de la medida analógica del sensor, y un conector analógico a digital. convertidor (ADC) configurado para digitalizar la medición analógica amplificada del sensor, en donde la fase de recuperación de energía comprende un período de adquisición durante el cual la interfaz suministra energía al sensor analógico externo, adquiere, amplifica y digitaliza la medición del sensor. La invención se refiere además a un sistema y un método. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Circuito para etiqueta de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF y método para operar un circuito
Sector de la técnica
La invención se refiere a dispositivos sin contacto, por ejemplo, de tipo RFID, que incluyen sensores para registrar eventos durante un largo período de tiempo sin requerir una fuente de alimentación externa. La invención se refiere en particular a circuitos para etiqueta de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF, configurado para una comunicación por radiofrecuencia con un lector que emite una señal de lectura periódica, en donde un período de la señal de lectura comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación.
Estado de la técnica
De manera conocida en el estado de la técnica, un circuito de tipo RFID (del inglés "Radio Frequency Identification") se puede utilizar como etiqueta de radiofrecuencia (o "RFID tag" en inglés) también llamado marcador y se asocia a un objeto que se va a vigilar. El circuito comprende o está opcionalmente conectado por una interfaz con un sensor para medir al menos ciertos parámetros físicos relacionados con este objeto como por ejemplo la temperatura ambiente, la humedad o incluso la aceleración.
El circuito se presenta generalmente en forma de una etiqueta autoadhesiva pegada al objeto que se va a vigilar o incluso en forma de un chip integrado en el objeto que se va a vigilar. El objeto que se va a vigilar es, por ejemplo, un equipo industrial, una mercancía, un producto u organismo vivo cuya vigilancia a través de al menos un parámetro físico medido es necesaria.
De manera general, dicho sensor comprende un módulo de memorización capaz de almacenar medidas adquiridas por el módulo de medida, una antena capaz de transmitir estas medidas a un interrogador mediante señales electromagnéticas y una fuente de energía eléctrica que permite alimentar en particular el módulo de medida.
Un sistema de este tipo comprende convencionalmente un lector o interrogador RFID y un circuito (o etiqueta) RFID (o una pluralidad de circuitos) unido o fijado al objeto que se va a seguir. El lector RFID emite generalmente una señal UHF, llamada señal de interrogación, al circuito RFID. El uso de señales UHF presenta las siguientes ventajas: alta velocidad de comunicación, posibilidad de comunicarse con un gran número de etiquetas simultáneamente.
Las etiquetas RFID utilizadas en estos sistemas son clásicamente etiquetas pasivas, es decir, que no incluyen batería ni medio de almacenamiento de energía. Estas etiquetas utilizan la energía contenida en el portador de la señal del lector para devolver una versión modulada de la señal del lector al lector RFID. Al menos parte de la energía de la señal de interrogación se recupera mediante un dispositivo de recolección de energía para alimentar los componentes de la etiqueta. Las etiquetas pasivas tienen la ventaja de ser ligeras, económicas y de tener una larga vida útil.
Una etiqueta RFID pasiva se describe por ejemplo en el documento FR3015729 (A1) o por C. Felini et. al. "Fully RF Powered UHF-RFID Sensors Platform", Procedia Engineering 87 (2014) 1346 - 1349. Las etiquetas RFID también se conocen de los documentos US20080136619A1, US20130099897A1, US6720866B1, CN104361388A, US9789738B2 o US20100231407A1.
El uso combinado de señales de interrogación UHF y de etiquetas pasivas, sin embargo, tiene la desventaja de tener una distancia de lectura corta (especialmente en los casos en los que el circuito está conectado con un sensor), por ejemplo de menos de 20 cm, porque la energía recuperada por la etiqueta pasiva es limitada. En este contexto, el uso de un sensor externo conectado con el circuito mediante una interfaz puede consumir la mayor parte de la energía, sobre todo, si este sensor incluye electrónica discreta (o componentes digitales), la interfaz es una interfaz digital (por ejemplo, SPI o I2C) y/o el canal para adquirir la señal del sensor externo consume demasiada energía. Por otro lado, el tiempo de lectura puede ser muy largo, por ejemplo, durar más de 500 ms. Además, un sistema que comprende un circuito y un sensor externo conectado por una interfaz puede tener un tamaño grande, si se utiliza una interfaz digital.
El documento FR3058216A1 se refiere a un sensor de tipo RFID capaz de asociarse a un objeto que se va a vigilar y que incluye un módulo de medida que permite generar al menos una medida relativa a al menos un parámetro físico del objeto que se va a vigilar y un módulo de comunicación que le permite comunicarse con un interrogador para transmitirle la o cada medida generada mediante señales electromagnéticas.
Otros tipos de circuitos para etiquetas de identificación por radiofrecuencia se conocen, por ejemplo, por los documentos US6720866B1 y WO2014167080A1.
Objetivo de la invención
La invención pretende superar total o parcialmente los inconvenientes antes mencionados, en particular, permitir una gran distancia de lectura, por ejemplo, hasta 3 metros, y un sistema que comprende un circuito y un sensor externo conectado por una interfaz de dimensiones reducidas. Además, la invención tiene como objetivo cumplir con el protocolo de interfaz aérea EPC UHF Gen2.
A tal efecto, la invención propone un circuito para una etiqueta de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF, según la reivindicación 1.
Por consiguiente, gracias a dicha interfaz, se puede conectar un sensor analógico directamente con el circuito, que consume menos energía que un sensor digital que comprende elementos/circuitos electrónicos adicionales. Además, gracias a la posibilidad de adquirir, de amplificar y de digitalizar la medida del sensor durante la fase de adquisición, que es durante la fase de recuperación de energía y por tanto antes de la fase de comunicación y por tanto en un único periodo de la señal de lectura periódica, esta medida se puede transmitir al lector directamente durante esta fase de comunicación, es decir, durante el mismo período. Por consiguiente, se puede reducir el tiempo de respuesta del circuito. Por tanto, es posible leer (interrogar) varios circuitos externos muy rápidamente. Por ejemplo, los objetos que comprenden circuitos según la invención se pueden colocar juntos en una caja y cada uno de ellos se puede leer muy rápidamente. Según otro ejemplo, es posible medir la presión de un neumático cuando el vehículo pasa por un pórtico.
El dispositivo de control se puede configurar para: arrancar durante una fase de arranque, siendo la fase de arranque anterior a la fase de adquisición y durante la misma fase de recuperación de energía.
La fase de recuperación de energía podrá comprender además, antes de la fase de arranque, una fase inicial de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio. Por consiguiente, se puede garantizar un arranque fiable, porque el nivel de energía acumulado es lo suficientemente alto.
La fase de recuperación de energía podrá comprender además, entre la fase de arranque y la fase de adquisición, una primera fase intermedia de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio. Por consiguiente, se puede garantizar una adquisición fiable de la medida, porque el nivel de energía acumulado es lo suficientemente alto.
La fase de recuperación de energía puede comprender además, después de la fase de adquisición y antes de la fase de comunicación, una segunda fase intermedia de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio.
Por consiguiente, se puede garantizar una transmisión fiable de la medida al lector, porque el nivel de energía acumulado es lo suficientemente alto.
Opcionalmente, el dispositivo de control está configurado para alimentar la interfaz exclusivamente durante la fase de adquisición.
Por consiguiente, el sensor analógico puede ser alimentado por la interfaz. Por otra parte, si la interfaz se activa exclusivamente durante la fase de adquisición, se puede reducir el consumo de energía.
El dispositivo de control está configurado opcionalmente para alimentar con electricidad a los elementos de la interfaz de forma secuencial, por ejemplo, para alimentar la conexión eléctrica para conectar el sensor, el amplificador y el convertidor analógico a digital (ADC) secuencialmente.
Por consiguiente, ya que exclusivamente este elemento de la interfaz está alimentado, que es necesario en este momento para adquirir la medida, se puede reducir el consumo de energía.
Por tanto, el dispositivo de control puede configurarse para alimentar: en primer lugar exclusivamente la conexión eléctrica para alimentar el sensor analógico externo y adquirir la medida analógica del sensor, después exclusivamente el amplificador para amplificar la señal de la medida analógica del sensor, y después exclusivamente el convertidor analógico-digital (ADC) para digitalizar la medida analógica amplificada del sensor.
Después de la digitalización de la medida por el convertidor analógico-digital (ADC) y durante la fase de adquisición, el dispositivo de control lee y memoriza la medida digitalizada.
Por lo tanto, la medida está lista al inicio de la fase de comunicación para ser transferida al lector.
El circuito es, por ejemplo, compatible con (o se comunica según) el protocolo de interfaz aérea EPC UHF Gen2.
La invención propone también un sistema de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF que comprende: un lector configurado para emitir una señal de lectura periódica, un período de la señal de lectura que comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación, y un circuito como se describió anteriormente.
La invención también propone un procedimiento para operar un circuito para una etiqueta de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF y para leer el circuito mediante un lector, según la reivindicación 11.
Las características y ventajas de la invención resultarán de la lectura de la descripción que va a seguir, dada únicamente a título de ejemplo no limitativo y hecha con referencia a los dibujos adjuntos.
Descripción de las figuras
[Fig. 1] La figura 1 es una vista esquemática de una arquitectura de un circuito según la invención,
[Fig. 2] La figura 2 es una vista esquemática de un diagrama de la fase de recuperación de energía según la invención, y
[Fig. 3] La figura 3 es una vista esquemática de un diagrama de la fase de adquisición de energía según la invención.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 es una vista esquemática de una arquitectura de un circuito 1 según la invención. El circuito 1 es del tipo RFID (del inglés "Radio Frequency Identification") que funciona en una banda UHF y puede usarse como etiqueta de radiofrecuencia (o "RFID tag" en inglés). El circuito es, por ejemplo, compatible con (o se comunica según) el protocolo de interfaz aérea EPC UHF Gen2.
El circuito se presenta, por ejemplo, en forma de una etiqueta autoadhesiva pegada al objeto que se va a vigilar o en forma de un chip integrado en el objeto que se va a vigilar. El objeto que se va a vigilar es, por ejemplo, una mercancía, un producto u organismo vivo cuya vigilancia a través de al menos un parámetro físico medido es necesaria.
El circuito 1 funciona pasivamente, es decir, que no incluye batería ni medio de almacenamiento de energía. Por otro lado, utiliza la energía contenida en el portador de la señal del lector para enviar una versión modulada de la señal del lector al lector RFID. Un dispositivo de recolección de energía recupera al menos parte de la energía de la señal de interrogación para alimentar los componentes del circuito. En detalle:
El circuito 1 comprende un módulo analógico 2 que está conectado con una antena 21 para recuperar la energía recibida con la antena por la onda de radio emitida por un lector externo y para recibir y transmitir las señales de comunicación.
El módulo analógico 2 comprende una unidad de modulación 22 para este fin (por ejemplo, para transmitir señales de comunicación). Comprende además una unidad de desmodulación 25 (por ejemplo, para recibir señales de comunicación). También comprende una unidad de rectificación 23 y una unidad de regulación de alimentación 24 para proceder y/o para acumular una reserva de energía a partir de la onda de radio durante la fase de recuperación de energía. La unidad de rectificación 23 puede llevar a cabo la conversión de energía de radiofrecuencia en energía continua para alimentar el circuito. Además, la unidad de regulación de alimentación 24 puede generar una tensión continua "limpia" para alimentar a la cadena de adquisición (por ejemplo, la interfaz) y también generar corriente continua para alimentar a la cadena de adquisición. Por ejemplo, la energía acumulada se puede almacenar en una capacidad (por ejemplo, un condensador).
El módulo analógico 2 está conectado con un módulo digital 3 (o dispositivo de control 3). Este módulo digital 3 comprende un procesador y/o una unidad de memorización 31 capaz de procesar datos y/o almacenar mediciones adquiridas por el sensor. Además, el módulo digital 3 comprende opcionalmente una interfaz digital, por ejemplo, un SPI o I2C. El módulo digital 3 controla el módulo analógico 2, por ejemplo, para ser alimentado con energía almacenada y para comunicarse con el lector a través de la antena 21. La acumulación, el consumo y el almacenamiento de energía se controlan mediante el módulo digital 3 (véase, la explicación de la figura 2 a continuación).
El módulo digital 3 también está conectado con una interfaz (o módulo de interfaz) 4. La interfaz 4 comprende una conexión eléctrica 41 configurada para conectar y alimentar con electricidad a un sensor analógico externo y para adquirir la medida analógica del sensor. Comprende además un amplificador 42 configurado para amplificar la señal de la medida analógica procedente del sensor. Comprende además un convertidor analógico a digital (ADC) 43 configurado para digitalizar la medida analógica amplificada del sensor. La señal que sale del convertidor 43 se envía al módulo digital 3 para ser almacenada y transmitida al lector. El convertidor se puede conectar a un oscilador 28 para recibir una señal "CLK".
El circuito también puede comprender un sensor analógico interno 26 y/o un sensor de temperatura interno 27, que están conectados por ejemplo al convertidor 43.
La figura 2 es una vista esquemática de un diagrama de la fase de recuperación de energía según la invención. El diagrama indica cuatro actividades (o 4 subdiagramas), cuyos ejes X indican el tiempo.
El lector externo emite una señal de lectura periódica. Un período P de la señal de lectura comprende una fase de recuperación de energía REC y una fase de comunicación COM. En la fase de recuperación de energía REC se acumula una reserva de energía a partir de la onda de radio del lector externo. La fase de recuperación de energía REC incluye las fases que se describen a continuación.
Como se indica en el subdiagrama "RF_Harvesting", la energía almacenada aumenta en una fase inicial de recuperación de energía (por ejemplo, a 5 microvatios durante 500 microsegundos), porque ningún elemento o unidad del circuito está activo y por tanto toda la energía queda almacenada.
Después, es decir, cuando se almacena suficiente energía para permitir un funcionamiento fiable, el módulo digital 3 arranca durante una fase de arranque ("Boot") (por ejemplo con un consumo de 6 microvatios durante 250 microsegundos). Al mismo tiempo, debido a este funcionamiento del módulo digital 3, la energía almacenada se reduce.
Por esta razón, después de la fase de arranque, la fase de recuperación de energía incluye una primera fase intermedia de recuperación de energía, en la que la energía almacenada vuelve a aumentar (por ejemplo, a 5 microvatios durante 100 microsegundos), porque ningún elemento o unidad del circuito está activo y por tanto toda la energía queda almacenada.
Después, es decir, cuando se almacena suficiente energía para permitir un funcionamiento fiable, la interfaz 4 alimenta al sensor analógico externo, adquiere, amplifica y digitaliza la medida del sensor durante la fase de adquisición (por ejemplo, con un consumo de 6 microvatios durante 250 microsegundos). Al mismo tiempo, debido a este funcionamiento del módulo digital 3, la energía almacenada se reduce.
Por esta razón, después de la fase de adquisición, la fase de recuperación de energía incluye una segunda fase intermedia de recuperación de energía, en la que la energía almacenada vuelve a aumentar (por ejemplo, a 5 microvatios durante 100 microsegundos), porque ningún elemento o unidad del circuito está activo y por tanto toda la energía queda almacenada.
Después, (o después incluso de un plazo predefinido) se puede completar la fase de recuperación de energía y puede comenzar la fase de comunicación COM. Durante la fase de comunicación, es decir, durante el mismo período, la medida se transfiere al lector externo.
La figura 3 es una vista esquemática de un diagrama de la fase de adquisición de energía ACQ según la invención. El diagrama indica ocho actividades (u 8 subdiagramas), cuyos ejes X indican el tiempo. Durante la fase de adquisición de energía ACQ, se alimenta con electricidad a los elementos de la interfaz 4 de forma secuencial.
Como se muestra en el subdiagrama "SENSOR_EN", al principio solo se alimenta con energía a la conexión eléctrica y, por tanto, al sensor analógico externo (por ejemplo, durante 1 microsegundo) y se lee y muestrea la señal generada por el sensor. Después, exclusivamente el amplificador 42 se alimenta para amplificar la señal de la medida analógica del sensor (véase subdiagrama "AMP_EN"). A continuación, sólo se alimenta al convertidor analógico-digital (ADC) 43 para digitalizar la medida analógica amplificada del sensor (véase subdiagrama "ADC_EN"). Después de que el convertidor analógico-digital (ADC) digitalice la medida y preferiblemente todavía durante la fase de adquisición, el procesador 31 lee y almacena la medida digitalizada y, por lo tanto, se pone a disposición del módulo digital 3 (véase el subdiagrama "d At A_RDY").
Debido a esta operación secuencial, se puede reducir el consumo total para adquirir la medida amplificada y digitalizada, por ejemplo, a 1 microvatio. Por esta razón, la adquisición y transmisión de la medida se puede realizar durante un único período de la señal del lector.
Claims (11)
1. Circuito (1) para etiqueta de identificación por radio pasiva que funciona en banda UHF, configurado para una comunicación por radio con un lector que emite una señal de lectura periódica, en el que un periodo de la señal de lectura comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación,
comprendiendo el circuito:
- un dispositivo de control (3) configurado para acumular una reserva de energía procedente de la onda de radio durante la fase de recuperación de energía y para comunicarse con el lector durante la fase de comunicación, - una interfaz (4) para conectar un sensor analógico externo, comprendiendo la interfaz:
una conexión eléctrica (41) configurada para conectar y suministrar electricidad al sensor analógico externo y para adquirir la medida analógica del sensor,
un amplificador (42) configurado para amplificar la señal de la medida analógica del sensor, y
un convertidor analógico-digital (ADC) (43) configurado para digitalizar la medida analógica amplificada del sensor,
en el que la fase de recuperación de energía comprende una fase de adquisición durante la cual la interfaz alimenta al sensor analógico externo, adquiere, amplifica y digitaliza la medida del sensor,caracterizado por que
el dispositivo de control está además configurado para:
alimentar la interfaz (4) para adquirir la medida amplificada y digitalizada durante la fase de adquisición, y transferir la medida amplificada y digitalizada al lector durante la fase de comunicación del mismo período.
2. Circuito (1) según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de control está configurado para:
arrancar durante una fase de arranque, siendo la fase de arranque anterior a la fase de adquisición y durante la misma fase de recuperación de energía.
3. Circuito (1) según la reivindicación anterior, en el que
la fase de recuperación de la energía comprende además, antes de la fase de arranque, una fase inicial de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio.
4. Circuito (1) según la reivindicación anterior 2 o 3, en el que
la fase de recuperación de energía comprende además, entre la fase de arranque y la fase de adquisición, una primera fase intermedia de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio.
5. Circuito (1) según una de las reivindicaciones anteriores 2 a 4, en el que
la fase de recuperación de energía comprende además, después de la fase de adquisición y antes de la fase de comunicación, una segunda fase intermedia de recuperación de energía, durante la cual el circuito se apaga y acumula exclusivamente una reserva de energía procedente de la onda de radio.
6. Circuito (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
el dispositivo de control está configurado para alimentar la Interfaz (4) exclusivamente durante la fase de adquisición.
7. Circuito (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
el dispositivo de control (3) está configurado para alimentar con electricidad a los elementos de la interfaz de forma secuencial,
en particular para alimentar la conexión eléctrica (41) para conectar el sensor, el amplificador y el convertidor analógico a digital (ADC) secuencialmente.
8. Circuito (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
el dispositivo de control (3) está configurado para alimentar:
primero exclusivamente la conexión eléctrica para alimentar al sensor analógico externo y adquirir la medida analógica del sensor,
después exclusivamente al amplificador para amplificar la señal de la medida analógica del sensor, y después exclusivamente al convertidor analógico-digital (ADC) para digitalizar la medida analógica amplificada del sensor.
9. Circuito (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
después de la digitalización de la medida por el convertidor analógico-digital (ADC) y durante la fase de adquisición, el dispositivo de control lee y memoriza la medida digitalizada.
10. Sistema de identificación por radiofrecuencia pasiva que funciona en una banda UHF que comprende:
un lector configurado para emitir una señal de lectura periódica, un periodo de la señal de lectura que comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación, y
un circuito (1) según una de las reivindicaciones precedentes.
11. Método para operar un circuito (1) para una etiqueta de identificación por radio pasiva que funciona en una banda UHF y para leer el circuito mediante un lector, estando el circuito conectado con un sensor analógico externo, en el que
el lector emite una señal de lectura periódica, en el que un periodo de la señal de lectura comprende una fase de recuperación de energía y una fase de comunicación,
el circuito (1) acumula una reserva de energía a partir de la onda de radio durante la fase de recuperación de energía, y se comunica con el lector durante la fase de comunicación, en el que
el sensor analógico externo es alimentado por el circuito durante la fase de recuperación de energía, para que el circuito adquiera, amplifique y digitalice una medida de un sensor durante la misma fase de recuperación de energía,
caracterizado por que
el circuito (1) transfiere la medida del sensor digitalizado al lector durante la fase de comunicación que sigue a la fase de recuperación de energía y es del mismo período.
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