本發(fā)明涉及一種無線傳感器。特別是涉及一種采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器。

背景技術(shù)：

RFID技術(shù)是一種依靠無線射頻信號進(jìn)行識別以及信息傳遞的技術(shù)，它能夠以無接觸傳遞的方式交換信息并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目標(biāo)，RFID中的核心部分是標(biāo)簽(tag)。RFID綜合了眾多技術(shù)，包括天線技術(shù)、集成電路技術(shù)、電磁場傳播技術(shù)、編碼解碼技術(shù)和數(shù)據(jù)信息交換等。在眾多的工業(yè)和商業(yè)流程中，射頻識別(RFID)已經(jīng)變成了一個關(guān)鍵元素。當(dāng)前出現(xiàn)的關(guān)于RFID的應(yīng)用中，范圍擴(kuò)展到安全訪問、物流庫存和供應(yīng)鏈管理、醫(yī)療、智能空間分配、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。由于其低成本和易部署的特點，RFID技術(shù)最近被用到了傳感器應(yīng)用當(dāng)中。在這些基于RFID標(biāo)簽的傳感器中，一般通過兩種方案來實現(xiàn)傳感功能。第一種方案中，就是利用標(biāo)簽天線實現(xiàn)傳感器功能以及數(shù)據(jù)傳輸，在這種方案里，最簡單的實現(xiàn)方法是利用標(biāo)簽天線作為傳感器或者集成一個無源傳感器作為標(biāo)簽天線版圖的一部分。簡單并且消除了對電池和電源供給的需要是這些基于RFID標(biāo)簽傳感器的優(yōu)點，但這是以縮短了讀寫距離為代價的。由于這些傳感器的低精準(zhǔn)度，它們通常用作閾值傳感器。

第二種方案是利用一個獨立的傳感器收集讀出數(shù)據(jù)，再通過RFID標(biāo)簽和閱讀器進(jìn)行通信。這種方案能夠提高讀寫距離以及傳感的精度，其中RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)是由獨立的傳感器提供的。但是我們很難將傳感器集成在RFID芯片內(nèi)部，因為傳感器需要充足的能量供應(yīng)并且芯片需要可嵌入。只有少部分的傳感器滿足這些苛刻的條件，像溫度、光以及壓力傳感器。給傳感器以及微處理器供電的能量收集單元在RFID標(biāo)簽傳感器的性能、探測范圍以及壽命當(dāng)中扮演著重要的角色。本發(fā)明采用第二種傳感器方案，標(biāo)簽天線的創(chuàng)新設(shè)計以及多端口、多天線的安排是一種有前途的技術(shù)，這為解決基于RFID標(biāo)簽傳感器的能源以及成本限制問題提供了一種新的可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，增強傳感精度并且極大的提高傳感器壽命的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，包括用于采集信號的傳感器，接收傳感器所采集的信號的控制芯片，還設(shè)置有與所述控制芯片進(jìn)行通信的射頻識別芯片，以及雙端口的貼片天線、用于供電的太陽能電池和能夠從周圍環(huán)境中的射頻信號中獲取能量進(jìn)行供電的電源管理單元，其中，所述貼片天線的第一端口連接射頻識別芯片，所述貼片天線的第二端口連接電源管理單元的輸入端，所述電源管理單元的輸出端和太陽能電池的輸出端分別連接傳感器、控制芯片和射頻識別芯片的電源輸入端。

所述的貼片天線包括有金屬片，與所述金屬片相連作為與所述的射頻識別芯片相連的第一端口的第一線圈，以及與所述金屬片相連作為與所述的電源管理單元相連的第二端口的第二線圈。

所述的電源管理單元包括有：依次相連的用于從周圍環(huán)境中的射頻信號中獲取能量的RF-DC整流電路、電荷泵以及穩(wěn)壓電路，其中，所述RF-DC整流電路的輸入端連接所述貼片天線的第二端口，所述穩(wěn)壓電路的輸出分別連接傳感器、控制芯片和射頻識別芯片的電源輸入端，所述RF-DC整流電路的輸出端還通過第一電容接地，所述電荷泵還通過第二電容接地。

所述的射頻識別芯片包括有依次串接的匹配網(wǎng)絡(luò)、解調(diào)電路、數(shù)字基帶電路和調(diào)制電路，其中，所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接所述貼片天線的第一端口，所述調(diào)制電路的輸出端連接所述匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端。

所述的解調(diào)電路包括有：依次串接的包絡(luò)檢波器、低通濾波器和遲滯比較器，所述包絡(luò)檢波器的輸入端連接所述貼片天線的第一端口，所述遲滯比較器的輸出端連接所述數(shù)字基帶電路的輸入端。

本發(fā)明的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，利用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集解決RFID標(biāo)簽傳感器的能源供應(yīng)、工作距離近等問題。RFID標(biāo)簽采用CMOS工藝，標(biāo)簽天線是多端口的patch天線，覆蓋著收集能量的太陽能電池薄膜。與其他的電池供電的RFID傳感器相比，該RFID標(biāo)簽傳感器實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信，增強了傳感精度并且極大的優(yōu)化了傳感器的壽命。發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.雙端口天線的設(shè)計與其他RFID標(biāo)簽傳感器所用的偶極子天線相比，顯著降低了標(biāo)簽面積以及成本，本發(fā)明所采用的雙端口patch天線不僅能夠達(dá)到較高的增益，并且具有良好的單向輻射性。

2.太陽能電池能源供給以及標(biāo)簽天線能源獲取的雙能源獲取模式，為整個標(biāo)簽電路提供了充足的能源，不僅提升了標(biāo)簽傳感器的性能，極大的增加了RFID標(biāo)簽的工作距離，并且擴(kuò)展了RFID標(biāo)簽傳感器的應(yīng)用范圍，延長了RFID標(biāo)簽傳感器的壽命。

綜上所述，本發(fā)明的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器的整體框圖；

圖2是本發(fā)明中貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中射頻識別芯片的電路框圖；

圖4是本發(fā)明射頻識別芯片中解調(diào)電路的電路原理圖。

圖中

1：射頻識別芯片 2：控制芯片

3：傳感器 4：RF-DC整流電路

5：電荷泵 6：穩(wěn)壓電路

7：太陽能電池 8：貼片天線

11：匹配網(wǎng)絡(luò) 12：解調(diào)電路

13：數(shù)字基帶電路 14：調(diào)制電路

81：金屬片 82：第一端口

83：第二端口83 121：包絡(luò)檢波器

122：低通濾波器 123：遲滯比較器

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器做出詳細(xì)說明。

本發(fā)明的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，

如圖1所示，本發(fā)明的采用多端口標(biāo)簽天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，包括用于采集信號的傳感器3，接收傳感器3所采集的信號的控制芯片2，還設(shè)置有與所述控制芯片2進(jìn)行通信的射頻識別芯片1，以及雙端口的貼片天線8、用于供電的太陽能電池7和能夠從周圍環(huán)境中的射頻信號中獲取能量進(jìn)行供電的電源管理單元，其中，所述貼片天線8的第一端口82用來進(jìn)行射頻通信，連接射頻識別芯片1，所述貼片天線8的第二端口83用來從閱讀器或者周圍射頻輻射環(huán)境中接收射頻信號，并產(chǎn)生直流電壓，為數(shù)字電路供電，第二端口83連接電源管理單元的輸入端，所述電源管理單元的輸出端和太陽能電池7的輸出端分別連接傳感器3、控制芯片2和射頻識別芯片1的電源輸入端。

本發(fā)明中，將太陽能電池作為主要能源。太陽能電池選擇太陽能柔性薄膜來獲取能量為數(shù)字模塊以及傳感器供電。太陽能薄膜和貼片天線共享一個區(qū)域，太陽能薄膜被粘附在貼片天線的表面，此方式可實現(xiàn)緊湊的封裝。

在本發(fā)明實施例中，所述的控制芯片是一個16位的低功耗微處理器(MCU)MSP430，在工作模式下，該處理器的功耗為230uA/MHz，在待機(jī)模式下為0.5uA/MHz。為了盡可能的減少系統(tǒng)硬件接口的數(shù)量，我們用單條I²C總線實現(xiàn)微處理器與射頻識別芯片和數(shù)字傳感器的通信。在太陽能供電模式下，傳感器可以使用14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以提高位分辨率。在工作模式下的MCU的操作包括從傳感器中查詢新數(shù)據(jù)，并將格式數(shù)據(jù)傳送到射頻識別芯片的EPC存儲器中。通過MCU從傳感器中讀取的新的溫度和濕度數(shù)據(jù)是原始格式的數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成攝氏度和相對濕度需要利用與傳感器有關(guān)的轉(zhuǎn)換公式。

傳感器是溫度和濕度傳感器，其可以在-40℃至125℃的范圍內(nèi)進(jìn)行測量，精度可以達(dá)到±0.25℃，濕度測量范圍是0至100％。

如圖2所示，所述的貼片天線8包括有金屬片81，與所述金屬片81相連作為與所述的射頻識別芯片1相連的第一端口82的第一線圈，以及與所述金屬片81相連作為與所述的電源管理單元相連的第二端口83的第二線圈。

貼片天線的寬長比以達(dá)到共軛阻抗匹配以及在915MHz中心頻率實現(xiàn)最大功率傳輸。本發(fā)明中，所述傳感器3控制芯片2的射頻識別芯片1構(gòu)成一個集成電路，所述電源管理單元成一個集成電路，雙端口的貼片天線與兩個集成電路相連，端口1與射頻識別芯片相連，端口2與電源管理單元相連接，射頻識別芯片與電源管理單元均具有復(fù)數(shù)輸入阻抗。因此，可以利用感應(yīng)線圈匹配技術(shù)對貼片天線端口進(jìn)行匹配，感應(yīng)線圈的尺寸通過HFSS優(yōu)化已達(dá)到共軛匹配的效果。貼片天線的第二個端口在本發(fā)明中是用來從RFID閱讀器以及其他周圍環(huán)境中的RF輻射中接收RF信號，以產(chǎn)生可供數(shù)字模塊使用的直流電壓，為傳感器、控制芯片以及射頻識別芯片測量溫度和濕度以及更新射頻識別芯片存儲器中的傳感數(shù)據(jù)提供能量。通過這種方式實現(xiàn)的能量收集，本發(fā)明可以在不依賴電池的情況下工作，并使傳感器的壽命達(dá)到了傳統(tǒng)無源RFID標(biāo)簽的水平。

如圖1所示，所述的電源管理單元包括有：依次相連的用于從周圍環(huán)境中的射頻信號中獲取能量的RF-DC整流電路4、電荷泵5以及穩(wěn)壓電路6，其中，所述RF-DC整流電路4的輸入端連接所述貼片天線8的第二端口83，所述穩(wěn)壓電路6的輸出分別連接傳感器3、控制芯片2和射頻識別芯片1的電源輸入端，所述RF-DC整流電路4的輸出端還通過第一電容C1接地，所述電荷泵5還通過第二電容C2接地。

電源管理單元是為了從周圍環(huán)境中的RF信號中獲取能量，電源管理單元包括一個工作在915MHz的整流二極管即RF-DC整流電路，一個電荷泵以及穩(wěn)壓電路，能夠?qū)⑸漕l信號轉(zhuǎn)換成直流電壓。電荷泵適用于超低電壓應(yīng)用，其振蕩的起始電壓低至0.35V。一旦震蕩開始，存儲電容開始充電，當(dāng)電容充電至2.4V時，內(nèi)部監(jiān)控電路調(diào)整電容至負(fù)載。電荷泵充電的所需的時間周期取決于輸入電壓以及存儲電容值。

如圖3所示，所述的射頻識別芯片1包括有依次串接的匹配網(wǎng)絡(luò)11、解調(diào)電路12、數(shù)字基帶電路13和調(diào)制電路14，其中，所述的匹配網(wǎng)絡(luò)11的輸入端連接所述貼片天線8的第一端口82，所述調(diào)制電路14的輸出端連接所述匹配網(wǎng)絡(luò)11的輸入端。

如圖4所示，所述的解調(diào)電路12包括有：依次串接的包絡(luò)檢波器121、低通濾波器122和遲滯比較器123，所述包絡(luò)檢波器121的輸入端連接所述貼片天線8的第一端口82，所述遲滯比較器123的輸出端連接所述數(shù)字基帶電路13的輸入端。

射頻識別芯片1中沒有內(nèi)部電源，它所需的能源是利用RF-DC整流電路將閱讀器所發(fā)射的射頻信號轉(zhuǎn)換成直流信號。解調(diào)電路用來對從閱讀器接收到的命令進(jìn)行解調(diào)，數(shù)字基帶電路作為標(biāo)簽的核心部分，對閱讀器的命令進(jìn)行解碼，并根據(jù)EPC-G-2空間接口協(xié)議作出相應(yīng)的反應(yīng)。調(diào)制電路被用來將標(biāo)簽的反應(yīng)通過反向散射的方式發(fā)射給閱讀器。