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CN113792563B - 一种双模射频识别传感器、系统及工作方法 - Google Patents

一种双模射频识别传感器、系统及工作方法 Download PDF

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CN113792563B CN202111121718.2A CN202111121718A CN113792563B CN 113792563 B CN113792563 B CN 113792563B CN 202111121718 A CN202111121718 A CN 202111121718A CN 113792563 B CN113792563 B CN 113792563B
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Abstract

本发明提供一种双模射频识别传感器、系统及工作方法，所述传感器包括传感器模块，用于实现数据的测量；微控制器模块，与所述传感器模块连接，用于读取所述传感器模块的测量数据；以及射频模块，与所述微控制器模块连接，用于实现测量数据的射频传输；其中，所述射频模块包括高频模块以及超高频模块，所述高频模块和所述超高频模块均与所述微控制器模块连接；所述微控制器模块，所述微控制器模块判断当前工作模式为高频模式还是超高频模式。本发明实施例的双模射频传感器包括高频模块以及超高频模块，可支持高频以及超高频两种工作模式。

Description

一种双模射频识别传感器、系统及工作方法
技术领域
本发明涉及射频技术领域，具体涉及一种双模射频识别传感器、系统及工作方法。
背景技术
射频识别(RFID)作为物联网应用中信息感知集成的关键使能技术在生产加工、物流与仓储管理、智慧农业、生物医疗、门禁管理、移动支付等诸多领域得到了广泛应用，极大地提高了工作效率，便利了人们生产生活各个方面。与条形码和二维码等视觉识别技术相比，RFID标签可实现非视距识别传输、读取距离远、信息容量大、多标签一次读取等优势，通过射频能量回收方式对标签携带ID信息的快速读取，可准确识别物品身份进而集成或获取相关信息。对于许多物联网应用而言，物品身份识别最终是为了自动便捷的集成感知信息。因常用RFID分为超高频和高频两种，分别满足如物流追踪等远场应用和基于智能手机的近场应用场合。将二者集成，设计可工作在两种模式下的双模RFID传感器，支持超高频和高频射频无线供电完成测量任务，同时满足远场和近场识别感知应用要求，可以很好地解决传统方法无法完成的识别测量任务和两种技术无法满足不同应用需求的问题。
目前已有集成UHF-HF射频接口的RFID标签不具备外部处理器读写操作能力，无法按应用需求灵活集成敏感器件构成UHF-HF双模RFID传感器，并可以通过通用读写设备获取传感器信息，从而同时具备识别感知功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双模射频识别传感器、系统及工作方法，以解决现有技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双模射频识别传感器，所述传感器包括：
传感器模块，用于实现数据的测量；
微控制器模块，与所述传感器模块连接，用于读取所述传感器模块的测量数据；以及
射频模块，与所述微控制器模块连接，用于实现测量数据的射频传输；
其中，所述射频模块包括高频模块以及超高频模块，所述高频模块和所述超高频模块均与所述微控制器模块连接；所述微控制器模块，所述微控制器模块判断当前工作模式为高频模式还是超高频模式。
优选地，所述高频模块包括高频RFID芯片、与高频RFID芯片连接的第一匹配电路以及与所述第一匹配电路连接的高频RFID天线；所述高频RFID芯片与微控制器模块连接。
优选地，所述高频模块还包括第一RF-DC整流电路，所述第一RF-DC整流电路分别与所述微控制器模块和传感器模块连接。
优选地，所述超高频模块包括超高频RFID芯片与超高频RFID芯片连接的第二匹配电路以及与所述第二匹配电路连接的超高频RFID天线；所述超高频RFID芯片与微控制器模块连接。
优选地，所述超高频模块还包括第二RF-DC整流电路，所述第二RF-DC整流电路分别与所述微控制器模块和传感器模块连接。
优选地，所述超高频模块还包括电荷管理模块，所述电荷管理模块连接于所述第二RF-DC整流电路和所述微控制器模块以及传感器模块之间。
优选地，所述电荷管理模块包括低压电荷泵、超级电容以及DC-DC稳压器。
优选地，所述双模射频传感器还包括供电保护模块，所述供电包括模块用于对所述高频模块和所述超高频模块的保护。
一种双模射频识别传感器系统，包括双模射频识别传感器，还包括智能设备。
一种双模射频识别传感器工作方法，所述方法包括：
判断所述双模射频传感器的工作模式；
根据当前的工作模式来完成射频数据的读写。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明实施例的双模射频传感器包括高频模块以及超高频模块，可支持高频以及超高频两种工作模式。
所述高频模块以及超高频模块内嵌RF-DC转换电路，能够回收射频能量，无需配置电池来对所述双模射频传感器进行供电，使得所述双模射频识别传感器趋于轻量化、小型化和集成化。且所述超高频模块设置有电荷管理模块，所述电荷管理模块可收集超高频模块产生的低压电荷存储到超级电容，到达指定电压后放电，并通过DC-DC稳压器提供稳定电压，以实现为所述双模射频传感器供电。
本发明实施例设置有供电保护模块，所述供电保护模块通过两个低压模拟开关构成射频接口选择和供电保护模块，便免了因肖特基二极管正向压降造成超高频部分超级电容放电时间过短而无法正常读取的问题；同时保证了所述双模射频传感器支持超高频和高频任意一种射频工作模式下，所述微控制器模块和所述传感器模块两个模块都能正常供电，而未被激活的射频模块不被反向供电损坏。
本发明实施例通过对小型化元器件在柔性基板的集成，使得传感器集成度高、结构简单、小型化、重量轻，因此易于集成到被识别感知物品内部；通过对供电部分电压的判断实现工作模式判别，支持两种工作模式，适用于远场、近场和远场近场结合的应用场合，适用范围广；支持用户通过带有NFC功能的智能手机完成实时测量和对历史数据的追踪，无需额外安装软件，使用快速便捷。
附图说明
图1示出了本发明实施例的双模射频识别传感器的结构框图；
图2示出了本发明实施例的传感器模块的结构框图；
图3示出了本发明实施例的双模射频识别传感器的射频模块的结构框图；
图4示出了本发明实施例的供电保护模块的结构示意图；
图5示出本发明实施例的第一模拟开关的结构示意图；
图6示出本发明实施例的第一模拟开关的结构示意图；
图7示出了本发明实施例的双模射频传感器的外观示意图；
图8示出了本发明实施例的双模射频传感器系统的结构框图；
图9示出了本发明实施例的双模射频传感器的工作方法的流程图；
图10示出了本发明实施例的双模射频传感器在高频工作模式或者超高频工作模式下工作的流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
图1示出了本发明实施例的双模射频识别传感器的结构框图；如图1所示，所述双模射频传感器100包括传感器模块10、微控制器模块20以及射频模块30，其中，所述传感器模块10与微控制器模块20连接，所述射频模块30包括高频模块31以及超高频模块32，所述高频模块31和所述超高频模块32均与所述微控制器模块20连接。
本发明实施例中，所述传感器模块10用于实现数据的测量，所述微控制器模块20读取所述传感器模块10的测量数据，并对所述传感器模块10测量数据的处理，并通过射频模块30实现与外界的射频传输。所述射频模块30包括高频模块31和超高频模块32，所述微控制器模块20判断当前工作模式为高频模式还是超高频模式，当工作模式为高频模式时，微控制器模块30通过高频模块31传输传感器数据；反之，则通过超高频模块32传输传感器数据。
本发明实施例的双模射频传感器100包括高频模块31以及超高频模块32，可支持高频以及超高频两种工作模式。
图2示出了本发明实施例的传感器模块的结构框图；如图2所示，所述传感器模块10由满足不同应用要求的一个或多个低功耗、小型化传感器件组成，例如在一个具体的实施例中，所述传感器模块10包括传感器1、传感器2……传感器n，其中，传感器1、传感器2……传感器n为模拟和/或数字传感器。当传感器为模拟传感器时，与所述微控制器模块内嵌的AD转换器连接，当传感器为数字传感器时，可为通过SPI和I2C等串行总线与微控制器模块20连接，所述传感器模块10测量的数据由微控制器模块20通过A/D转换器或者串行数据总线读取。
所述微控制器模块20采用超低功耗单片机，其一方面通过AD转换器和/或SPI或I2C串行总线配置传感器模块10，读取所述传感器模块10的传感器数据；另一方面判断当前工作模式，通过串行总线写入激活的高频模块31或者超高频模块32，完成传感器数据的读取与发送功能。
图3示出了本发明实施例的双模射频识别传感器的射频模块的结构框图；如图3所示，所述高频模块31包括高频RFID芯片311、与高频RFID芯片311连接的第一匹配电路312以及与所述第一匹配电路312连接的高频RFID天线313；其中，所述高频RFID天线313和所述第一匹配电路312通过与外界读写器线圈天线电感耦合产生感应交流电压，完成射频信号的接收与发送；所述第一匹配电路312实现所述高频RFID芯片311和所述高频RFID天线313的共轭匹配，达到无线能量的高效传输；所述高频RFID芯片311与微控制器模块20连接，所述高频RFID芯片311为微控制器可读写操作集成电路，通过微控制器模块20的I2C串行数据总线完成功能配置和数据交互，最终通过负载调制实现与读写器之间通过射频信号进行数据传输的功能。
在本实施例中，所述高频RFID天线313采用13.56MHz高频线圈天线。
所述高频模块31还包括第一RF-DC整流电路314，所述第一RF-DC整流电路314分别与所述微控制器模块20和传感器模块10连接，第一RF-DC整流电路314将所产生交流电信号变换为直流电压，为后续微控制器模块20和传感器模块10供电。
所述超高频模块32包括超高频RFID芯片321与超高频RFID芯片321连接的第二匹配电路322以及与所述第二匹配电路322连接的超高频RFID天线323；其中，所述超高频RFID天线323和所述第二匹配电路322通过与外界读写器线圈天线电感耦合产生感应交流电压，完成射频信号的接收与发送；所述第二匹配电路322实现所述超高频RFID芯片321和所述超高频RFID天线323的共轭匹配，达到无线能量的高效传输；所述超高频RFID芯片321与微控制器模块20连接，所述超高频RFID芯片321为微控制器可读写操作集成电路，通过微控制器模块20的SPI串行数据总线完成功能配置和数据交互，最终通过负载调制实现与读写器之间通过射频信号进行数据传输的功能。
本实施例中，所述超高频RFID天线323采用860-920MHz对称半波偶极子天线。
所述超高频模块32还包括第二RF-DC整流电路324，所述第二RF-DC整流电路324分别与所述微控制器模块20和传感器模块10连接，第二RF-DC整流电路324将所产生交流电信号变换为直流电压，为后续微控制器模块20和传感器模块10供电。
所述超高频模块32还包括电荷管理模块325，所述电荷管理模块325连接于所述第二RF-DC整流电路324和所述微控制器模块20以及传感器模块10之间。
所述电荷管理模块325包括低压电荷泵3251、超级电容3252以及DC-DC稳压器3253。其中，所述低压电荷泵3251与所述第二RF-DC整流电路324以及所述超级电容3252的充电接口连接，所述超级电容3252的放电接口连接所述DC-DC稳压器3253，所述DC-DC稳压器3253与所述微控制器模块20以及传感器模块10连接。
所述超级电容3252对所述第二RF-DC整流电路324产生的直流电压进行升压并存储值所述超级电容3252，所述超级电容3252的电压升高至指定电压时开始放电，所述DC-DC稳压器3253对超级电容3252输出的电压进行稳压处理，并将稳定的直流电压传输给所述微控制器模块20和所述传感器模块10，以实现对所述微控制器模块20和传感器模块10供电。
传统的集成UHF-HF射频接口的RFID标签，由于RFID传感器识别、感知和通信均需耗电，采取电池供电的RFID传感器无法做到轻量化、小型化和集成化，进而封装到被识别感知物品内部。
本发明实施例中，所述高频模块31以及超高频模块32内嵌RF-DC转换电路，能够回收射频能量，无需配置电池来对所述双模射频传感器100进行供电，使得所述双模射频识别传感器100趋于轻量化、小型化和集成化。
另外，传统的集成UHF-HF射频接口的RFID标签，由于超高频能量密度较低，能量回收产生直流电压低，无法支持系统集成多个传感器。
本发明实施例中，所述超高频模块32设置有电荷管理模块325，所述电荷管理模块325可收集超高频模块32产生的低压电荷存储到超级电容，到达指定电压后放电，并通过DC-DC稳压器提供稳定电压，以实现为所述双模射频传感器100供电。
图4示出了本发明实施例的供电保护模块的结构示意图；如图4所示，所述双模射频传感器100还包括供电保护模块50，所述供电包括模块50用于对所述高频模块31和所述超高频模块32的保护。
其中，所述供电保护模块50包括第一模拟开关51和第二模拟开关52。
图5示出本发明实施例的第一模拟开关的结构示意图；如图5所示，所述第一模拟开关51包括第一输入端511、第一输出端512以及第一控制端513，其中，所述第一输入端511连接所述高频模块31，具体连接所述第一RF-DC整流电路314，所述第一输出端512连接所述传感器模块10和所述控制器模块20，所述第一控制端513与所述微控制器模块20连接。
图6示出本发明实施例的第一模拟开关的结构示意图；如图6所示，所述第二模拟开关52包括第二输入端521、第二输出端522以及第二控制端523，其中，所述第二输入端521连接所述超高频模块32，具体连接所述DC-DC稳压器3253，所述第二输出端522连接所述传感器模块10和所述控制器模块20，所述第二控制端523与所述微控制器模块20连接。
所述微控制器模块20对本实施例的所述双模射频传感器100的工作模式进行判断，具体地，所述微控制器模块20读取所述高频模块31的整流电压和所述超高频模块32的直流输出电压。
当读取到所述高频模块31的整流电压时，向所述第一模拟开关51的所述第一控制端513输入控制信号，控制所述第一模拟开关51的所述第一输入端511和所述第一输出端512导通，所述高频模块31通过所述第一RF-DC整流电路314向所述传感器模块10和所述控制器模块20供电，而此时，所述第二模拟开关52断开，防止所述第一RF-DC整流电路314向所述超高频模块32反向供电，从而对所述超高频模块32造成损坏。
当读取到所述超高频模块32的直流电压时，向所述第二模拟开关52的所述第二控制端523输入控制信号，控制所述第二模拟开关52的所述第二输入端521和所述第二输出端522导通，所述超高频模块32通过所述第二RF-DC整流电路324以及所述电荷管理模块325向所述传感器模块10和所述控制器模块20供电，而此时，所述第一模拟开关51断开，防止所述第二RF-DC整流电路324以及所述电荷管理模块325向所述高频模块31反向供电，从而对所述高频模块31造成损坏。
传统技术中，采用双肖特基二极管电路判断供电射频接口的方式，由于二极管正向压降缩短了超高频部分超级电容放电时间，难以在有限时间内稳定的读取传感器数据。
本发明实施例设置有供电保护模块50，所述供电保护模块50通过两个低压模拟开关构成射频接口选择和供电保护模块，便免了因肖特基二极管正向压降造成超高频部分超级电容放电时间过短而无法正常读取的问题；同时保证了所述双模射频传感器100支持超高频和高频任意一种射频工作模式下，所述微控制器模块20和所述传感器模块两个模块都能正常供电，而未被激活的射频模块不被反向供电损坏。
图7示出了本发明实施例的双模射频传感器的外观示意图；如图7所示，所述双模射频传感器100的高频RFID天线313以及超高频RFID天线323均采用PCB天线设计方式以减小封装尺寸，且芯片和电阻电容采用贴片式封装，集成在一块柔性线路板(FPCB)基板上。
本实施例通过对小型化元器件在柔性基板的集成，使得传感器集成度高、结构简单、小型化、重量轻，因此易于集成到被识别感知物品内部。
图8示出了本发明实施例的双模射频传感器系统的结构框图；如图8所示，所述双模射频传感器系统包括双模射频传感器100以及智能设备200，所述双模射频传感器100和所述智能设备200之间射频通讯。
本实施例中，所述智能设备200为高频或者超高频读写设备。
当所述智能设备200为高频读写设备时，所述智能设备200与所述双模射频传感器100中的高频模块31匹配，所述射频传感器100当前工作模式为高频模式。所述智能设备200例如为高频RFID读写器或者NFC智能手机。
当所述智能设备200为超高频读写设备时，所述智能设备200与所述双模射频传感器100中的超高频模块32匹配，所述射频传感器100当前工作模式为超高频模式。所述智能设备200例如包括相互连接的第二超高频RFID天线和超高频RFID读写器。
所述双模射频传感器系统还包括网络设备300以及网络服务器/数据库400，所述网络设备300与所述智能设备200连接，实现射频数据的接收，所述网络服务器/数据库400与所述网络设备300数据通讯连接，用于实现射频数据的存储。
现有技术中，RFID传感器数据需要专门硬件与软件系统完成识别和感知功能，需安装专门APP进行传感器数据读取和解析，限制了传感器使用的便捷性。
本发明实施例通过对小型化元器件在柔性基板的集成，使得传感器集成度高、结构简单、小型化、重量轻，因此易于集成到被识别感知物品内部；通过对供电部分电压的判断实现工作模式判别，支持两种工作模式，适用于远场、近场和远场近场结合的应用场合，适用范围广；支持用户通过带有NFC功能的智能手机完成实时测量和对历史数据的追踪，无需额外安装软件，使用快速便捷。
图9示出了本发明实施例的双模射频传感器的工作方法的流程图；如图9所示，所述工作方法包括以下步骤。
S10：判断所述双模射频传感器的工作模式。
在本发明实施例中，通过读取所述高频模块或者超高频模块的直流电压来判断所述模射频传感器的工作模式。当读取到所述高频模块31的整流电压时，所述模射频传感器为高频模式，当读取到所述超高频模块32的直流电压时，所述模射频传感器为超高频模式。具体地，所述双模射频传感器的工作模式的判断通过所述微控制器模块来完成。
在本发明实施例中，还包括S00：系统初始化过程。当所述双模射频传感器被高频或超高频射频读写器读写时，通过射频能量回收供电进行系统初始化。
其中，在高频工作模式下，所述供电保护模块对所述超高频模块进行保护，防止反向供电对所述超高频模块造成损坏；在超高频工作模式下，所述供电保护模块对所述高频模块进行保护，防止反向供电对所述高频模块造成损坏。
S20：根据当前的工作模式来完成射频数据的读写。
图10示出了本发明实施例的双模射频传感器在高频工作模式或者超高频工作模式下工作的流程图；如图10所示，若当前为高频工作模式，则初始化高频模块并读取传感器数据，若高频模块为空闲则关闭高频模块并将传感器数据更新到高频RFID芯片NDEF数据段中，然后打开射频模块功能供读写器询问；若高频模块正在进行读写操作，则等待读写操作完成再进行数据更新。
若当前工作状态为超高频模式，则初始化超高频模块、读取传感器数据并更传感器数据到EPCC1G2编码用户数据段中，等待射频读写中断；若收到中断则使能射频读写完成数据读写操作，否则处于等待状态。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种双模射频识别传感器，其特征在于：所述传感器包括：
传感器模块，用于实现数据的测量；
微控制器模块，与所述传感器模块连接，用于读取所述传感器模块的测量数据；
射频模块，与所述微控制器模块连接，用于实现测量数据的射频传输；以及
供电保护模块，用于对高频模块和超高频模块的保护；
其中，所述射频模块包括高频模块以及超高频模块，所述高频模块和所述超高频模块均与所述微控制器模块连接；所述微控制器模块判断当前工作模式为高频模式还是超高频模式；
所述高频模块包括高频RFID芯片、与高频RFID芯片连接的第一匹配电路以及与所述第一匹配电路连接的高频RFID天线；所述高频RFID芯片与微控制器模块连接；
所述高频模块还包括第一RF-DC整流电路，所述第一RF-DC整流电路分别与所述微控制器模块和传感器模块连接；
所述超高频模块包括超高频RFID芯片与超高频RFID芯片连接的第二匹配电路以及与所述第二匹配电路连接的超高频RFID天线；所述超高频RFID芯片与微控制器模块连接；
所述超高频模块还包括第二RF-DC整流电路，所述第二RF-DC整流电路分别与所述微控制器模块和传感器模块连接；
所述超高频模块还包括电荷管理模块，所述电荷管理模块连接于所述第二RF-DC整流电路和所述微控制器模块以及传感器模块之间；
所述电荷管理模块包括低压电荷泵、超级电容以及DC-DC稳压器，所述电荷管理模块收集所述超高频模块产生的低压电荷存储到超级电容，到达指定电压后放电，并通过DC-DC稳压器提供稳定电压，以实现为所述双模射频识别传感器供电；
所述供电保护模块包括：
第一模拟开关，所述第一模拟开关的第一输入端连接所述高频模块，具体连接所述第一RF-DC整流电路，所述第一模拟开关的第一输出端连接所述传感器模块和所述控制器模块，所述第一模拟开关的第一控制端与所述微控制器模块连接；以及
第二模拟开关，所述第二模拟开关的第二输入端连接所述超高频模块，具体连接所述DC-DC稳压器，所述第二模拟开关的第二输出端连接所述传感器模块和所述控制器模块，所述第二模拟开关的第二控制端与所述微控制器模块连接；
所述第一模拟开关导通时，所述第二模拟开关断开，所述第二模拟开关导通时，所述第一模拟开关断开。
2.一种双模射频识别传感器系统，其特征在于：包括权利要求1所述的双模射频识别传感器，还包括智能设备。
3.一种采用权利要求1所述的双模射频识别传感器的工作方法，其特征在于：
判断所述双模射频识别传感器的工作模式；
根据当前的工作模式来完成射频数据的读写；
当读取到高频模块的整流电压时，向第一模拟开关的第一控制端输入控制信号，控制所述第一模拟开关的所述第一输入端和所述第一输出端导通，所述高频模块向传感器模块和控制器模块供电，而此时，所述第二模拟开关断开；
当读取到超高频模块的直流电压时，向第二模拟开关的第二控制端输入控制信号，控制所述第二模拟开关的第二输入端和所述第二输出端导通，超高频模块向传感器模块和控制器模块供电，而此时，所述第一模拟开关断开。
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