TWI543084B - 基於太陽能電池之無線感測標籤 - Google Patents

Description

基於太陽能電池之無線感測標籤

本發明是有關於一種無線感測標籤，且特別是有關於一種結合太陽能電池之無線感測標籤。

按，無線射頻辨識標籤一般包含一射頻辨識晶片(RFIC)及一射頻天線(Antenna)，無線射頻辨識標籤的驅動方式大致可分為被動式、半被動式及主動式三種。被動式之無線射頻辨識標籤內部並無供應電力，其射頻辨識晶片透過接收到天線讀取器的電磁波進行驅動，故被動式的無線射頻辨識標籤並不須額外的供電裝置。

半被動式之無線射頻辨識標籤則是為了解決上述被動式之無線射頻辨識標籤其訊號效率差的困擾。半被動式相較於被動式額外增加電池，其電力恰足以驅動射頻辨識晶片。因此，半被動式的無線射頻辨識標籤可接收較微弱的電磁波。

主動式之無線射頻辨識標籤本身具有電力供應器，用以供應射頻辨識晶片所需電力以產生主動對外的訊號。因此，主動式之無線射頻辨識標籤相比上述被動式及 半被動式擁有較長的讀取距離和較大的記憶容量。

然而，半主動式及主動式之無線射頻辨識標籤仍然具有高耗電且電池電量有限的問題。一般解決高耗電的作法為不定時更換電池，此作法不僅耗費人力及時間成本，並且因常須更換電池而不能將無線射頻辨識標籤包裝完全密封，導致潮濕而無法防水之問題。另外的作法為使用無線傳輸的充電技術，此作法目前大多採用近場通訊(Near-Field Communication，NFC)技術，但其缺點為充電距離過短，且充電線圈尺寸太大，無法應用於超高頻及微波的頻段。

此外，還有另一充電方法為使用太陽能進行充電，此方法充電效率不及近場通訊技術，但其具有最長之充電距離。利用太陽能充電的方式須同時於無線射頻辨識標籤上設置太陽能板及射頻天線，如此將導致無線射頻辨識標籤的尺寸過大，而無法方便地應用。

因此，針對主動式及半被動式之無線射頻辨識標籤其高耗電及電池電量有限的問題，並且考慮不增加無線射頻辨識標籤的尺寸，本發明提供一種基於太陽能電池之無線感測標籤。

依據本發明一實施方式是在提供一種基於太陽能電池之無線感測標籤，其包含一太陽能電池、一導電天線部、至少一感應器、一射頻晶片以及一可程式化單晶片。 太陽能電池用以產生一電能。導電天線部用以傳導電能。感應器電性連接太陽能電池，感應器用以感測太陽能電池外之一參數資料。射頻晶片電性連接導電天線部及感應器，且射頻晶片以導電天線部傳輸參數資料。可程式化單晶片電性連接太陽能電池、射頻晶片及感應器。

根據本發明一實施例，上述無線感測標籤更包含電源管理器，其電性連接太陽能電池，用以儲存分配電能。其中參數資料係可儲存於感應器、射頻晶片或可程式化單晶片。射頻晶片可採主動式感應或半被動式感應，且射頻晶片電性連接太陽能電池並受電能啟動。感應器係透過一串列周邊介面(Serial Peripheral Interface，SPI)或一內部整合電路(Inter Integrated Circuit，I2C)連結射頻晶片。電源管理器更包含一充電線圈，其無線傳輸電能至射頻晶片，使射頻晶片電性連接電源管理器並受電能啟動。太陽能電池可採染料敏化發電方式。感應器可直接封裝於射頻晶片內。參數資料可為環境參數或生理參數。導電天線部傳輸參數資料之形式可採單極天線、偶極天線或倒F型平面天線(Planner Inverted F Antenna，PIFA)。

由上述實施方式及實施例，可得知本發明之基於太陽能電池之無線感測標籤，其結合太陽能電池及射頻晶片，使導電天線部不僅可作為太陽能電池產生電能後之導電途徑，更可當作射頻晶片之射頻天線使用，避免習知太陽能充電式之無線感測標籤須再增加佈設射頻天線的面積，因而可大幅度減少無線感測標籤整體尺寸。此外，利 用內建或掛載於射頻晶片之感應器並配合可程式化單晶片的控制，使太陽能電池之電源及儲存有效地分配管理，且更加方便擷取儲存環境參數或生理參數。

100‧‧‧無線感測標籤

110‧‧‧基板

120‧‧‧太陽能電池

130‧‧‧導電天線部

140‧‧‧感應器

150‧‧‧射頻晶片

151‧‧‧類比連接電路

152‧‧‧處理電路

153‧‧‧記憶體

154‧‧‧振盪器

155‧‧‧串列周邊介面

160‧‧‧可程式化單晶片

161‧‧‧可複寫記憶體

170‧‧‧電源管理器

180‧‧‧輸出入介面

190‧‧‧感應連接電路

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種基於太陽能電池之無線感測標籤之電路方塊圖。

第2圖係繪示依照本發明一實施方式的一種基於太陽能電池之無線感測標籤之側面示意圖。

請參照第1圖及第2圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種基於太陽能電池之無線感測標籤之電路方塊圖及側面示意圖。無線感測標籤100包含一基板110、一太陽能電池120、一導電天線部130、一感應器140、一射頻晶片150、一可程式化單晶片160、一電源管理器170、一輸出入介面180以及一感應連接電路190。

基板110係用以電性承載太陽能電池120、導電天線部130、感應器140、射頻晶片150、可程式化單晶片160、電源管理器170、輸出入介面180以及感應連接電路190。

太陽能電池120係吸收光能產生一電能，本實施方式中的太陽能電池120係可採一染料敏化發電式結構，但 不限於此。

導電天線部130設於太陽能電池120上，用以傳導太陽能電池120產生的電能。

感應器140用以感應偵測外部之參數資料，其中參數資料係為外部之環境參數或生理參數。感應器140將物理性或化學性之參數資料轉為供量測使用之電子信號輸出為感應訊號。舉例而言，如感應器140用以感應偵測氣體，則環境參數可為異丁烷、LPG、丙烷、CO2及煙霧等氣體。或者利用感應器140偵測角度、溫度、溼度、電流、電壓、光源、壓力、色溫及震動等環境參數。感應器140如用於醫療或生物偵測，則感應溫溼度、血壓及脈搏等。

射頻晶片150包含一類比連接電路151、一處理電路152、一記憶體153、一振盪器154及一串列周邊介面155。其中類比連接電路151可放大、過濾、調整及轉換感應器140的感應訊號，意即結合一般數位類比轉換電路、訊號放大電路及濾波電路之功能。如感應器140為類比式輸出，則類比連接電路151可將原為類比式之感應訊號轉為數位式之感應訊號。處理電路152電性連接類比連接電路151，藉由類比連接電路151將感應器140之感應訊號轉為處理電路152可讀取之形式。由於感應器140具有電壓輸出及電流輸出兩種類型，而處理電路152只能接收電壓訊號，因此類比連接電路151可將感應器140之電流輸出轉為處理電路152可接收的電壓訊號。記憶體153電性連接處理電路152，用以儲存處理電路152處理後之參數資 料。振盪器154電性連接處理電路152，用以產生處理電路152所需的訊號頻率。串列周邊介面155電性連接處理電路152，用以傳輸參數資料。

可程式化單晶片160電性連接太陽能電池120、射頻晶片150及感應器140，用以控制傳輸太陽能電池120、感應器140及射頻晶片150。且可程式化單晶片160內包含一可複寫記憶體161，使感應器140傳輸之參數資料可持續更新紀錄。

電源管理器170電性連接太陽能電池120及可程式化單晶片160。可程式化單晶片160透過電源管理器170進行太陽能電池120的管理分配，且電源管理器170更可儲存多餘的電能。

輸出入介面180電性連接可程式化單晶片160，且輸出入介面180與射頻晶片150之串列周邊介面155同樣可採串列周邊介面(SPI)之通訊接腳，或者內部整合電路(I²C)及通用非同步收發傳送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)等通訊接腳方式進行資料的輸出及輸入。

感應連接電路190係將感應器140與可程式化單晶片160進行訊號連接。感應連接電路190之作用相同於射頻晶片150之類比連接電路151，可對感應器140的參數資料進行放大、過濾、調整及轉換等處理，以便傳輸至可程式化單晶片160進行讀取。

以下係針對本實施方式之充電作動進行敘述說 明：利用太陽能電池120透過光感應作用產生電能，並將電能存放於電源管理器170。電源管理器170係可由超級電容、穩壓電路及電壓感應元件所組成(未圖示)，其已為公開的習知技術，在此不再贅述。當無線感測標籤100處於外部天線讀取器之無線射頻感應範圍內時，電源管理器170內部的充電線圈(未圖示)亦可對天線讀取器傳輸之電磁波進行能量積分而開始充電。電源管理器170所儲存之電能供給可程式化單晶片160與感應器140所使用。此外，如射頻晶片150為主動式或半主動式模式時，電源管理器170的儲存電能亦可作為其輔助傳輸能量使用。

接下來進一步針對本實施方式之基於太陽能電池之無線感測標籤的電路作動而說明。在這特別注意的是可程式化單晶片160平時處於屬於低耗電之休眠狀態，藉此節省電能。可程式化單晶片160之運作模式於此可分別定義為主模式(Master mode)與副模式(Slave mode)。

其中可程式化單晶片160之主模式：可程式化單晶片160於一預設之週期性時間點進入動作程序，首先偵測電源管理器170之電壓數據，以便取得目前所儲存之電量。若取得電源管理器170目前儲存之電量處於過低狀態，則可程式化單晶片160自動設定為延長休眠時間，記錄感應器140之參數資料於可複寫記憶體161後立即再度進行休眠狀態。若取得電源管理器170目前儲存之電量符合正常狀態，則可程式化單晶片160驅動感應器140進行參數資料之感應偵測，並透過感應連接電路190處理讀取參數資 料。而可程式化單晶片160可選擇將最新一筆參數資料或具有危險指示之參數資料(例如：溫度過高、壓力過大、電力過低等)透過串列周邊介面155儲存至射頻晶片150內之記憶體153，並可回傳至外部之一天線讀取器。此外，若偵測到異常狀態也可透過輸出入介面180輸出，藉此觸發外部連接的警報裝置。

可程式化單晶片160之副模式：由射頻晶片150透過串列周邊介面155喚醒可程式化單晶片160，使可程式化單晶片160執行動作。射頻晶片150可藉由驅動可程式化單晶片160後，取得可複寫記憶體161所儲存之參數資料，並透過無線射頻傳輸方式回傳至外部之天線讀取器。另一方面，射頻晶片150也可驅動感應器140或輸出入介面180進行即時性的讀取或輸出動作。當無線感測標籤100處於天線讀取器之無線射頻感應範圍外時，也能透過有線連接方式，意即輸出入介面180，藉此取得可程式化單晶片160存放於可複寫記憶體161之參數資料。

值得一提的是，上述提及本實施方式之太陽能電池120可採染料敏化太陽能發電結構，而導電天線部130係即染料敏化太陽能發電結構中之導電薄膜，其不僅作為傳導太陽能電池120之電能使用，更可當作射頻晶片150之射頻天線使用，藉此吸收外部天線讀取器之電磁波，提供射頻晶片150本體運作所需之電能。如此一來，本實施方式並不限定太陽能電池120為染料敏化太陽能發電結構，而砷化鎵發電結構同樣可應用於本實施方式當中。而導電天 線部130可依據射頻晶片150之需求採單極天線、偶極天線或倒F型平面天線之傳輸結構。

由上述實施方式及實施例，可得知本發明之基於太陽能電池之無線感測標籤，其功效為：

1.結合太陽能電池及射頻晶片，利用太陽能電池本身之發電結構，使導電天線部不僅可作為太陽能電池產生電能後之導電途徑，更可當作射頻晶片之射頻天線使用，避免習知太陽能充電式之無線感測標籤須再增加佈設射頻天線的面積。

2.此外，利用內建或掛載於射頻晶片之感應器並配合可程式化單晶片的控制，使太陽能電池之電源及儲存有效地分配管理，且參數資料可同時儲存於可程式化單晶片之可複寫記憶體及射頻晶片之記憶體當中，更加方便擷取儲存環境參數或生理參數。

3.可將射頻晶片封裝在太陽能電池中，藉此同時達到抗潮濕與防止脫落等功能。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

130‧‧‧導電天線部

120‧‧‧太陽能電池

150‧‧‧射頻晶片

140‧‧‧感應器

152‧‧‧處理電路

151‧‧‧類比連接電路

154‧‧‧振盪器

153‧‧‧記憶體

160‧‧‧可程式化單晶片

155‧‧‧串列周邊介面

170‧‧‧電源管理器

161‧‧‧可複寫記憶體

190‧‧‧感應連接電路

180‧‧‧輸出入介面

Claims (13)

1. 一種基於太陽能電池之無線感測標籤，其包含：一太陽能電池，用以產生一電能；一導電天線部，其電性連接該太陽能電池，用以傳導該電能；至少一感應器，其電性連接該太陽能電池，該感應器用以感測該太陽能電池外之一參數資料；一射頻晶片，其電性連接該導電天線部及該感應器，且該射頻晶片以該導電天線部傳輸該參數資料；一可程式化單晶片，其電性連接該太陽能電池、該射頻晶片及該感應器；以及一電源管理器，其電性連接該太陽能電池，用以儲存分配該電能；其中該可程式化單晶片操作於一運作模式下，該運作模具有一主模式與一副模式；該主模式係為該可程式化單晶片於預設之週期性時間點進入動作程序，該可程式化單晶片偵測該電源管理器之該電能的電量，若該電能的電量處於一過低狀態，則該可程式化單晶片進行休眠狀態，若該電能的電量符合一正常狀態，則該可程式化單晶片驅動該感應器進行參數資料之感應偵測；該副模式係為該射頻晶片透過一串列周邊介面喚醒該可程式化單晶片，使該可程式化單晶片執行動作。
2. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該參數資料係儲存於該感應器。
3. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該參數資料係儲存於該射頻晶片。
4. 如請求項3之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該射頻晶片採主動式感應或半被動式感應。
5. 如請求項4之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該射頻晶片電性連接該太陽能電池並受該電能啟動。
6. 如請求項4之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該感應器係透過該串列周邊介面或一內部整合電路電性連結該射頻晶片。
7. 如請求項4之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該射頻晶片電性連接該電源管理器並受該電能啟動。
8. 如請求項7之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該電源管理器包含一充電線圈，其無線傳輸該電能至該射頻晶片。
9. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該參數資料係儲存於該可程式化單晶片。
10. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該太陽能電池採染料敏化發電方式。
11. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該感應器封裝於該射頻晶片內。
12. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該參數資料為環境參數或生理參數。
13. 如請求項1之基於太陽能電池之無線感測標籤，其中該導電天線部傳輸該參數資料之形式採單極天線、偶極天線或倒F型平面天線。