基于雙向rssi定位的溫度傳感標簽的制作方法
【專利摘要】本發明涉及無線射頻識別【技術領域】，為提出一種基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，通過在待定位的傳感標簽中增加檢測RSSI信號強度的定位功能，使原本不具備定位功能的傳感標簽也能檢測定位信號，從而大大提高RFID系統的定位精度和抗干擾能力。為此，本發明采取的技術方案是，基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，由天線、射頻模擬前端、RSSI檢測電路、溫度傳感電路及數字基帶五部分組成，射頻模擬前端接收到閱讀器發送的射頻信號后，解調成命令數據，送入數字基帶進行處理并響應；數字基帶返回的相應命令數據經射頻模擬前端調制、混頻，產生2.45GHz射頻信號，由天線發送回閱讀器。本發明主要應用于無線射頻識別場合。
【專利說明】基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線射頻識別【技術領域】，特別涉及一種帶有雙向RSSI定位及溫度傳感功能的有源電子標簽的實現裝置。
技術背景
[0002]隨著國家大力推進“智慧城市”建設，實現全面感知、泛在互聯、普適計算與融合應用已成為信息技術的發展趨勢。這為物聯網、云計算、移動互聯網等新興信息技術的發展提供了廣闊的應用空間。由于物聯網通過智能感知、射頻識別(RFID)及普適計算等技術實現人與物、物與物間的信息交換和通訊，因此被稱為繼計算機、互聯網之后，信息產業發展的
第三次浪潮。
[0003]作為物聯網的關鍵技術之一，RFID是一種典型的感知定位技術。它通過無線射頻方式進行非接觸式通信，實現目標識別和數據傳輸，目前已廣泛應用于科學研究、軍事服務、醫學監護及搶險搜救等領域中。根據無線電信號的傳播特性，傳統RFID定位系統已開發出到達角度(Angle of Arrival, AOA)、到達時間(Time of Arrival, TOA)、到達時間差(Time Difference of Arrival, TD0A)及接收信號強度指不(Received Signal StrengthIndication, RSSI)等多種定位方法。然而，隨著RFID技術的飛速發展，其應用領域已突破傳統的自動識別與定位。若將RFID標簽芯片與傳感器相結合，則可構建用于遠程監測和環境信息采集的無線傳感網絡(WSN)。集成溫度傳感器的RFID標簽芯片可有效利用RFID技術的無線、自動識別特性，方便快速地對溫度敏感環境和物品進行信息采集和檢測。因此，具有精確定位功能的RFID溫度傳感標簽在教育衛生、食品加工、物資存儲、冷鏈物流、火災監測等領域具有非常廣闊的應用前景。
[0004]傳統RFID定位系統是通過閱讀器單向讀取電子標簽的場強，并利用其內嵌的定位算法確定電子標簽的距離和位置。然而，實際應用環境存在諸多不確定性，如閱讀器附近的物體對電磁波信號產生堵塞，電磁波信號在傳播過程中存在多徑效應，每個路徑的信號衰減程度不同，等等。這些因素都會影響RFID系統的定位精度，因此，基于單向RSSI定位的精度不高。
【發明內容】
[0005]為克服現有定位技術的不足，本發明旨在提出一種基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，即閱讀器和傳感標簽相互定位。通過在待定位的傳感標簽中增加檢測RSSI信號強度的定位功能，使原本不具備定位功能的傳感標簽也能檢測定位信號，從而大大提高RFID系統的定位精度和抗干擾能力。本發明提出的雙向RSSI定位溫度傳感標簽可應用于教育衛生、食品加工、物資存儲、冷鏈物流、火災監測等領域，市場潛力巨大。為此，本發明采取的技術方案是，基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，由天線、射頻模擬前端、RSSI檢測電路、溫度傳感電路及數字基帶五部分組成。射頻模擬前端接收到閱讀器發送的射頻信號后，解調成命令數據，送入數字基帶進行處理并響應；數字基帶返回的相應命令數據經射頻模擬前端調制、混頻，產生2.45GHz射頻信號，由天線發送回閱讀器；當閱讀器通過天線向標簽發送請求檢測RSSI信號的特定命令時，數字基帶啟動標簽的RSSI檢測電路，接收閱讀器發過來的檢測序列，并轉變成直流電壓信號輸出給模數轉換器ADC，經ADC采樣，轉換成8位RSSI信號，送入數字基帶電路進行存儲；當閱讀器發出預接收8位RSSI信號的命令時，標簽將存儲的8位RSSI值通過天線返回給閱讀器。
[0006]與所屬標簽相對應，閱讀器也會檢測標簽發送信號強度，結合標簽返回的RSSI信號與自身檢測的標簽信號強度，通過閱讀器內嵌算法雙向確定溫度傳感標簽的位置，從而實現精確定位。
[0007]所述射頻模擬前端包括以下模塊:用于濾除射頻信號噪聲與信號放大的信號放大模塊；用于將2.45GHz射頻信號混頻成固定中頻的混頻模塊；用于信號鏡像濾波的濾波模塊；用于將信號解調成命令數據的解調模塊；用于將數字基帶返回數據進行正交調制的調制模塊；用于將數字信號轉換成模擬信號的數模轉換模塊；用于對信號進行脈沖整形的整流模塊；用于將信號正交混頻產生2.45GHz射頻信號的混頻模塊。
[0008]溫度傳感電路包括計數器和溫度脈沖轉換模塊。當數字基帶發出復位信號時，清空計數器，同時啟動溫度脈沖轉換模塊，使其通過偏置電路產生的電流信號來采集溫度信息。信息采集完成后，溫度脈沖轉換模塊輸出含有溫度信息的脈沖信號至計數器；計數器通過振蕩器產生的時鐘信號對溫度脈沖采樣計數，得到9bit溫度信息，并送至數字基帶進行后續處理。
[0009]所設計溫度傳感器復用射頻模擬前端電路產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流；采用異步計數器對溫度脈沖信號進行計數。
[0010]所述數字基帶包括:用于數據檢測的命令檢測模塊；用于將射頻模擬單元接收到的信號恢復為原始命令信號的解碼模塊；用于對其他模塊進行管理的功耗控制模塊，其通過關斷和開啟各個模塊的時鐘，以達到降低功耗的目的；用于將所述解碼模塊發出的串行信號進行校驗的校驗模塊；用于將校驗結果正確的命令進行處理的命令處理模塊；用于存儲數據的存儲模塊；用于向存儲器進行讀寫操作的讀控制模塊和寫控制模塊；用于將所述數字基帶向所述射頻模擬單元發出命令信號進行編碼的編碼模塊；用于接收RSSI檢測信號的RSSI接收模塊；用于處理異步復位的異步復位模塊。當檢測模塊檢測到信號到來，通過功耗控制模塊打開解碼模塊的時鐘，啟動解碼模塊，完成基帶信號到原始命令的轉換。將解碼后的命令發給循環冗余校驗CRC模塊校驗，校驗后的結果返回命令處理控制模塊。若校驗結果正確，則對命令進一步處理；若命令錯誤，則直接丟棄，不做處理。
[0011]與已有技術相比,本發明的技術特點與效果:
[0012]1、本設計提出的雙向RSSI定位技術，實現了閱讀器和傳感標簽雙向檢測對方信號強度，通過兩個信號強度值，綜合確定RFID傳感標簽的位置，本技術可降低多徑效應、信號堵塞的影響，大大提高RFID系統的定位精度和抗干擾能力；
[0013]2、標簽數字基帶部分采用門控時鐘、多模塊控制組合、多時鐘區域等技術，使標簽功耗大大降低；
[0014]3、溫度傳感電路復用電子標簽射頻模擬前端產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流，有效減小芯片面積，降低功耗；
[0015]4、由于RFID定位傳感標簽內嵌了低功耗的溫度傳感器，因此本發明可同時測量所處位置的溫度信息，用于食品加工與存儲、火災報警等領域，市場潛力巨大；
[0016]綜上所訴，本發明提出基于雙向RSSI定位方法的有源溫度傳感標簽即可精確定位，又可同時檢測環境溫度，因而具有良好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1給出本發明所設計的雙向RSSI定位溫度傳感標簽的系統架構。
[0018]圖2給出本發明設計標簽的RSSI及溫度信息檢測過程示意圖。
[0019]圖3給出數字基帶的結構示意圖。
[0020]圖4給出標簽基帶工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本發明采用的技術方案是:
[0022]1、本發明提出的基于雙向RSSI信號檢測方法定位的溫度傳感標簽包括:
[0023]天線:用來接收閱讀器發送的射頻信號，并將其傳送至射頻模擬前端，以及向閱讀器發送射頻信號。
[0024]射頻模擬前端:將射頻信號混頻成固定的中頻，并進行信號放大處理，最后解調成命令數據，送入數字基帶。
[0025]RSSI檢測電路:其作用是檢測閱讀器發送的RSSI場強信號；
[0026]溫度傳感電路:通過復用射頻模擬前端產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流，采用時域數字量化設計低功耗的溫度傳感電路，用來測量環境的溫度。
[0027]數字基帶:它是RFID傳感芯片的重要組成部分，主要完成數據編解碼、CRC碼校驗與生成、防碰撞算法、指令識別與執行、信息讀寫控制、溫度信息處理、初始化電路及對RSSI信號響應等標簽協議處理。
[0028]射頻天線是用來發射與接收射頻信號，RSSI檢測電路是用來檢測閱讀器發送來的射頻信號中低頻電壓信號，數字基帶是用來控制RSSI檢測電路是否開啟工作，同時對RSSI檢測電路檢測的信號值進行存儲、處理的作用。RSSI檢測電路直接通過射頻天線對閱讀器定位，定位信息由閱讀器通過數字基帶讀取。
[0029]2、根據各功能模塊對時鐘需求的不同，采用不同頻率的時鐘。此外，通過在電路中插入門控時鐘的方法降低標簽功耗，延長電池使用壽命。
[0030]3、考慮到傳統RFID傳感標簽不具備檢測射頻信號的定位功能，本發明在待定位的標簽芯片中增加檢測信號強度的RSSI檢測電路，使原本不具備定位功能的RFID傳感標簽也能檢測定位信號。通過閱讀器和RFID傳感標簽雙向檢測對方信號強度，綜合確定標簽位置，大大提高RFID系統的定位精度和抗干擾能力。
[0031]5、與無源標簽相比，有源標簽系統更穩定，可集成更豐富的電路功能，因此本發明采用基于IS0/IEC18000-4協議的有源標簽。
[0032]以下結合附圖對本發明的實施方案進行詳細描述:
[0033]如圖1所示，本發明提供一種基于雙向RSSI信號定位的溫度傳感標簽。該標簽包括天線、射頻模擬前端、RSSI檢測電路、溫度傳感電路及數字基帶五部分。所述射頻模擬前端包括以下模塊:用于濾除射頻信號噪聲與信號放大的信號放大模塊；用于將2.45GHz射頻信號混頻成固定中頻的混頻模塊；用于對信號鏡像濾波的濾波模塊；用于將信號解調成命令數據的解調模塊；用于將標簽基帶返回數據進行正交調制的調制模塊；用于將數字信號轉換成模擬信號的數模轉換模塊DAC ;用于對信號進行脈沖整形的整流模塊；用于將信號正交混頻產生2.45GHz射頻信號的混頻模塊。標簽收發信號的通信過程如下:射頻模擬前端接收到閱讀器發送的射頻信號后，經過噪聲濾除與信號放大，將2.45GHz射頻信號混頻成固定中頻，再經鏡像濾波與信號放大等處理，最后解調成命令數據，送入數字基帶進行處理并響應。數字基帶返回的相應命令數據經射頻模擬前端進行正交調制、數模轉換、脈沖整形、正交混頻和放大等處理，最后產生2.45GHz射頻信號，由射頻天線發送回閱讀器。
[0034]在本發明所設計的RFID定位溫度傳感標簽中，RSSI檢測過程如示意圖2所示。當閱讀器通過射頻天線向標簽發送請求檢測并接收RSSI信號的特定命令時，標簽通過射頻天線接收該命令，同時，數字基帶啟動標簽內的RSSI檢測電路，接收閱讀器發送的檢測序列，同時對檢測序列命令的中低頻電壓信號進行分析。該電壓信號經過RSSI檢測電路處理后，轉化為直流電壓信號，輸出給模數轉換器ADC，經ADC采樣，轉換成8位RSSI信號，送入數字基帶電路進行存儲。由于電壓信號的強弱隨距離遠近而發生改變，因此，RFID定位標簽所檢測到的RSSI信號值是位置的函數。當閱讀器發出預接收8位RSSI信號的命令時，標簽將存儲的8位RSSI值返回給閱讀器。閱讀器結合標簽返回的RSSI信號與自身檢測的標簽信號強度，通過其內嵌算法雙向確定溫度傳感標簽的位置，從而實現精確定位。
[0035]RFID傳感標簽的溫度信息檢測過程如圖2所示。當RFID標簽開始工作時，數字基帶發出復位信號，清空計數器，同時啟動溫度脈沖轉換模塊，使其通過偏置電路產生的電流信號來米集溫度信息。信息米集完成后，溫度脈沖轉換模塊輸出含有溫度信息的脈沖信號至計數器。計數器通過振蕩器產生的時鐘信號對該脈沖采樣計數，得到9bit溫度信息，并送至數字基帶進行后續處理。
[0036]所設計溫度傳感器的最大特點是復用射頻模擬前端電路產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流。由于該電流與溫度平方成比例，將其作用于溫度轉換模塊即可獲得寬度隨溫度上升而線性減小的脈沖信號。通過復用了射頻模擬前端電路的偏置電流，避免了傳統絕對溫度成正比(PTAT)和成反比(CTAT)電流引入的額外功耗。采用射頻模擬前端振蕩器產生的信號作為傳感電路計數器的時鐘信號，有效降低了芯片面積和功耗。由于僅采用與溫度成平方關系的電流來獲取溫度信息脈沖，所設計溫度傳感電路具有測量范圍寬、分辨率高的優點。此外，設計中采用異步計數器對溫度脈沖信號進行計數，有利于進一步降低功耗。仿真結果表明，在1.5V工作電壓下，溫度傳感電路的功耗僅為100nW。
[0037]如圖3所示，所述數字基帶包括:用于數據檢測的命令檢測模塊；用于將射頻模擬單元接收到的信號恢復為原始命令信號的解碼模塊；用于對其它模塊進行管理的功耗控制模塊，其關斷和開啟各個模塊的時鐘，以達到降低功耗的目的；用于將所述解碼模塊發出的串行信號進行校驗的校驗模塊CRC ;用于將校驗結果正確的命令進行處理的命令處理模塊；用于存儲數據的存儲模塊；用于向存儲器進行讀寫操作的讀控制模塊和寫控制模塊；用于將所述標簽基帶向所述射頻模擬單元發出命令信號進行編碼的編碼模塊；用于接收RSSI檢測信號的RSSI接收模塊；用于處理異步復位的異步復位模塊。當檢測模塊檢測到信號到來，通過功耗控制模塊打開解碼模塊的時鐘，啟動解碼模塊，完成基帶信號到原始信息的轉換。將解碼后的命令發給循環冗余校驗CRC模塊校驗，校驗后的結果返回命令處理控制模塊。若校驗結果正確，則對命令進一步處理；若命令錯誤，則直接丟棄，不做處理。
[0038]如圖4所示，所述雙向RSSI定位的溫度傳感標簽工作原理如下:依據ISO/IEC18000-4協議，閱讀器和標簽交互過程有三大邏輯頻道:N-CH，C-CH和SC-CH。在N-CH頻道中，溫度傳感標簽通過插入slot結構到閱讀器中，與閱讀器進行雙向通信來完成身份識別；標簽和閱讀器在C-CH頻道內進行讀寫操作；SC-CH頻道用來搜索免費頻段。通常情況下，SC-CH頻道不工作。只有當N-CH和C-CH頻道不工作時，SC-CH頻道才可以被激活。閱讀器與標簽之間采用時分多路復用方式進行通信，因此，數據傳輸是在時隙內完成的。
[0039]當溫度傳感標簽進入有效區域被激活后，標簽首先向閱讀器發送自身的slot結構。當閱讀器檢測到slot結構后，判斷是否有未使用的子幀，即已接入系統的標簽數量是否已達到64,若未達到64,則將被檢測到的標簽安排在未使用的子幀上。標簽一旦被安排在某個子幀，該子幀的使用權將一直屬于該標簽，其它標簽不得使用，直到通信結束，該標簽離開為止。之后標簽進入N-CH邏輯頻道，標簽向閱讀器發送同步信息和自身ID的固定序列，直到閱讀器向標簽發送首條指令為止，這意味著閱讀器識別出了該標簽。此時切換邏輯頻道，系統進入C-CH頻道。在C-CH中，閱讀器通過射頻天線向標簽發送一個請求檢測并接收RSSI信號和檢測溫度信息的特定命令時，標簽通過射頻天線接收該命令，此時傳感標簽的RSSI檢測電路和溫度傳感電路啟動，RSSI檢測電路檢測接收命令的中低頻電壓信號，該電壓信號經過RSSI檢測電路的處理，轉變為直流電壓信號，并輸出至模數轉換器ADCj^過ADC采樣轉換成8位RSSI信號，與溫度傳感電路產生的溫度信息一同送入數字基帶電路進行存儲。在閱讀器要求接收定位信號與溫度信息時，標簽通過天線向閱讀器發送此8位RSSI數字信號和9位溫度信息。結合溫度傳感標簽返回的RSSI信號值及閱讀器檢測的標簽信號強度， 雙向確定閱讀器與傳感標簽的位置，實現標簽定位與溫度監測的功能。
【權利要求】
1.一種基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，由天線、射頻模擬前端、RSSI檢測電路、溫度傳感電路及數字基帶五部分組成，射頻模擬前端接收到閱讀器發送的射頻信號后，解調成命令數據，送入數字基帶進行處理并響應；數字基帶將返回的相應命令數據經射頻模擬前端調制、混頻，產生2.45GHz射頻信號，由天線發送回閱讀器；當閱讀器通過天線向標簽發送請求檢測RSSI信號的特定命令時，數字基帶啟動標簽的RSSI檢測電路，接收閱讀器發送過來的檢測序列，將檢測序列的中低頻電壓信號轉變成直流電壓信號，輸出至模數轉換器ADC，經ADC采樣，轉換成8位RSSI信號，送入數字基帶電路進行存儲；當閱讀器發出預接收8位RSSI信號的命令時，標簽將存儲的8位RSSI值通過天線返回給閱讀器。
2.如權利要求1所述的基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，與所屬標簽相對應，同時閱讀器也會檢測標簽發送信號強度，結合標簽返回的RSSI信號與自身檢測的標簽信號強度，通過閱讀器內嵌算法雙向確定溫度傳感標簽的距離和位置，實現精確定位。
3.如權利要求1所述的基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，所述射頻模擬前端包括以下模塊:用于濾除射頻信號噪聲與信號放大的信號放大模塊；用于將2.45GHz射頻信號混頻成固定中頻的混頻模塊；用于對信號鏡像濾波的濾波模塊；用于將信號解調成命令數據的解調模塊；用于將數字基帶返回數據進行正交調制的調制模塊；用于將數字信號轉換成模擬信號的數模轉換模塊；用于對信號進行脈沖整形的整流模塊；用于將信號正交混頻產生2.45GHz射頻信號的混頻模塊。
4.如權利要求1所述的基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，溫度傳感電路包括計數器和溫度脈沖轉換模塊；當數字基帶模塊發出復位信號時，清空計數器，同時啟動溫度脈沖轉換模塊，使其通過偏置電路產生的電流信號來采集溫度信息。信息采集完成后，溫度脈沖轉換模塊輸出含有溫度信息的脈沖信號至計數器；計數器通過振蕩器產生的時鐘信號對該脈沖采樣計數，得到9bit溫度信息，并送至數字基帶進行后續處理。
5.如權利要求3所述的基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，所設計溫度傳感電路復用射頻模擬前端電路產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流；采用異步計數器對溫度脈沖信號進行計數。
6.如權利要求1所述的基于雙向RSSI定位的溫度傳感標簽，其特征是，所述數字基帶包括:用于數據檢測的命令檢測模塊；用于將射頻模擬前端接收到的信號恢復為原始命令的解碼模塊；用于管理各模塊的功耗控制模塊，其關斷和開啟各個模塊的時鐘，以達到降低功耗的目的；用于將所述解碼模塊發出的串行信號進行校驗的校驗模塊；用于將校驗結果正確的命令進行處理的命令處理模塊；用于存儲數據的存儲模塊；用于向存儲器進行讀寫操作的讀控制模塊和寫控制模塊；用于將所述標簽基帶向所述射頻模擬前端發送命令進行編碼的編碼模塊；用于接收RSSI檢測電路信號的RSSI接收模塊；用于處理異步復位的異步復位模塊；當檢測模塊檢測到信號到來，通過功耗控制模塊打開解碼模塊的時鐘，啟動解碼模塊，完成基帶信號到原始命令的轉換；將解碼后的命令發給循環冗余校驗CRC模塊校驗；校驗后的結果返回命令處理控制模塊。
【文檔編號】G01K7/00GK103971158SQ201410172484
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】謝生, 戰金雷, 毛陸虹, 程嘉奇 申請人:天津大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
