採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器的製作方法

2023-06-01 16:16:01

本發明涉及一種無線傳感器。特別是涉及一種採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器。

背景技術：

RFID技術是一種依靠無線射頻信號進行識別以及信息傳遞的技術，它能夠以無接觸傳遞的方式交換信息並通過所傳遞的信息達到識別目標，RFID中的核心部分是標籤(tag)。RFID綜合了眾多技術，包括天線技術、集成電路技術、電磁場傳播技術、編碼解碼技術和數據信息交換等。在眾多的工業和商業流程中，射頻識別(RFID)已經變成了一個關鍵元素。當前出現的關於RFID的應用中，範圍擴展到安全訪問、物流庫存和供應鏈管理、醫療、智能空間分配、物聯網(IOT)以及無線傳感器網絡(WSN)。由於其低成本和易部署的特點，RFID技術最近被用到了傳感器應用當中。在這些基於RFID標籤的傳感器中，一般通過兩種方案來實現傳感功能。第一種方案中，就是利用標籤天線實現傳感器功能以及數據傳輸，在這種方案裡，最簡單的實現方法是利用標籤天線作為傳感器或者集成一個無源傳感器作為標籤天線版圖的一部分。簡單並且消除了對電池和電源供給的需要是這些基於RFID標籤傳感器的優點，但這是以縮短了讀寫距離為代價的。由於這些傳感器的低精準度，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據，再通過RFID標籤和閱讀器進行通信。這種方案能夠提高讀寫距離以及傳感的精度，其中RFID標籤的數據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晶片內部，因為傳感器需要充足的能量供應並且晶片需要可嵌入。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標籤傳感器的性能、探測範圍以及壽命當中扮演著重要的角色。本發明採用第二種傳感器方案，標籤天線的創新設計以及多埠、多天線的安排是一種有前途的技術，這為解決基於RFID標籤傳感器的能源以及成本限制問題提供了一種新的可能。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠實現遠距離通信，增強傳感精度並且極大的提高傳感器壽命的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器。

本發明所採用的技術方案是：一種採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，包括用於採集信號的傳感器，接收傳感器所採集的信號的控制晶片，還設置有與所述控制晶片進行通信的射頻識別晶片，以及雙埠的貼片天線、用於供電的太陽能電池和能夠從周圍環境中的射頻信號中獲取能量進行供電的電源管理單元，其中，所述貼片天線的第一埠連接射頻識別晶片，所述貼片天線的第二埠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、控制晶片和射頻識別晶片的電源輸入端。

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晶片相連的第一埠的第一線圈，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埠的第二線圈。

所述的電源管理單元包括有：依次相連的用於從周圍環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埠，所述穩壓電路的輸出分別連接傳感器、控制晶片和射頻識別晶片的電源輸入端，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。

所述的射頻識別晶片包括有依次串接的匹配網絡、解調電路、數字基帶電路和調製電路，其中，所述的匹配網絡的輸入端連接所述貼片天線的第一埠，所述調製電路的輸出端連接所述匹配網絡的輸入端。

所述的解調電路包括有：依次串接的包絡檢波器、低通濾波器和遲滯比較器，所述包絡檢波器的輸入端連接所述貼片天線的第一埠，所述遲滯比較器的輸出端連接所述數字基帶電路的輸入端。

本發明的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，利用多埠標籤天線以及太陽能能量收集解決RFID標籤傳感器的能源供應、工作距離近等問題。RFID標籤採用CMOS工藝，標籤天線是多埠的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標籤傳感器實現了遠距離通信，增強了傳感精度並且極大的優化了傳感器的壽命。發明具有以下優點：

1.雙埠天線的設計與其他RFID標籤傳感器所用的偶極子天線相比，顯著降低了標籤面積以及成本，本發明所採用的雙埠patch天線不僅能夠達到較高的增益，並且具有良好的單向輻射性。

2.太陽能電池能源供給以及標籤天線能源獲取的雙能源獲取模式，為整個標籤電路提供了充足的能源，不僅提升了標籤傳感器的性能，極大的增加了RFID標籤的工作距離，並且擴展了RFID標籤傳感器的應用範圍，延長了RFID標籤傳感器的壽命。

綜上所述，本發明的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器的整體框圖；

圖2是本發明中貼片天線的結構示意圖；

圖3是本發明中射頻識別晶片的電路框圖；

圖4是本發明射頻識別晶片中解調電路的電路原理圖。

圖中

1：射頻識別晶片 2：控制晶片

3：傳感器 4：RF-DC整流電路

5：電荷泵 6：穩壓電路

7：太陽能電池 8：貼片天線

11：匹配網絡 12：解調電路

13：數字基帶電路 14：調製電路

81：金屬片 82：第一埠

83：第二埠83 121：包絡檢波器

122：低通濾波器 123：遲滯比較器

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器做出詳細說明。

本發明的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，

如圖1所示，本發明的採用多埠標籤天線以及太陽能能量收集的無線傳感器，包括用於採集信號的傳感器3，接收傳感器3所採集的信號的控制晶片2，還設置有與所述控制晶片2進行通信的射頻識別晶片1，以及雙埠的貼片天線8、用於供電的太陽能電池7和能夠從周圍環境中的射頻信號中獲取能量進行供電的電源管理單元，其中，所述貼片天線8的第一埠82用來進行射頻通信，連接射頻識別晶片1，所述貼片天線8的第二埠83用來從閱讀器或者周圍射頻輻射環境中接收射頻信號，並產生直流電壓，為數字電路供電，第二埠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、控制晶片2和射頻識別晶片1的電源輸入端。

本發明中，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域，太陽能薄膜被粘附在貼片天線的表面，此方式可實現緊湊的封裝。

在本發明實施例中，所述的控制晶片是一個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，在待機模式下為0.5uA/MHz。為了儘可能的減少系統硬體接口的數量，我們用單條I2C總線實現微處理器與射頻識別晶片和數字傳感器的通信。在太陽能供電模式下，傳感器可以使用14位的模數轉換器(ADC)，以提高位解析度。在工作模式下的MCU的操作包括從傳感器中查詢新數據，並將格式數據傳送到射頻識別晶片的EPC存儲器中。通過MCU從傳感器中讀取的新的溫度和溼度數據是原始格式的數據，將原始數據轉換成攝氏度和相對溼度需要利用與傳感器有關的轉換公式。

傳感器是溫度和溼度傳感器，其可以在-40℃至125℃的範圍內進行測量，精度可以達到±0.25℃，溼度測量範圍是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晶片1相連的第一埠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埠83的第二線圈。

貼片天線的寬長比以達到共軛阻抗匹配以及在915MHz中心頻率實現最大功率傳輸。本發明中，所述傳感器3控制晶片2的射頻識別晶片1構成一個集成電路，所述電源管理單元成一個集成電路，雙埠的貼片天線與兩個集成電路相連，埠1與射頻識別晶片相連，埠2與電源管理單元相連接，射頻識別晶片與電源管理單元均具有複數輸入阻抗。因此，可以利用感應線圈匹配技術對貼片天線埠進行匹配，感應線圈的尺寸通過HFSS優化已達到共軛匹配的效果。貼片天線的第二個埠在本發明中是用來從RFID閱讀器以及其他周圍環境中的RF輻射中接收RF信號，以產生可供數字模塊使用的直流電壓，為傳感器、控制晶片以及射頻識別晶片測量溫度和溼度以及更新射頻識別晶片存儲器中的傳感數據提供能量。通過這種方式實現的能量收集，本發明可以在不依賴電池的情況下工作，並使傳感器的壽命達到了傳統無源RFID標籤的水平。

如圖1所示，所述的電源管理單元包括有：依次相連的用於從周圍環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的第二埠83，所述穩壓電路6的輸出分別連接傳感器3、控制晶片2和射頻識別晶片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的整流二極體即RF-DC整流電路，一個電荷泵以及穩壓電路，能夠將射頻信號轉換成直流電壓。電荷泵適用於超低電壓應用，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，當電容充電至2.4V時，內部監控電路調整電容至負載。電荷泵充電的所需的時間周期取決於輸入電壓以及存儲電容值。

如圖3所示，所述的射頻識別晶片1包括有依次串接的匹配網絡11、解調電路12、數字基帶電路13和調製電路14，其中，所述的匹配網絡11的輸入端連接所述貼片天線8的第一埠82，所述調製電路14的輸出端連接所述匹配網絡11的輸入端。

如圖4所示，所述的解調電路12包括有：依次串接的包絡檢波器121、低通濾波器122和遲滯比較器123，所述包絡檢波器121的輸入端連接所述貼片天線8的第一埠82，所述遲滯比較器123的輸出端連接所述數字基帶電路13的輸入端。

射頻識別晶片1中沒有內部電源，它所需的能源是利用RF-DC整流電路將閱讀器所發射的射頻信號轉換成直流信號。解調電路用來對從閱讀器接收到的命令進行解調，數字基帶電路作為標籤的核心部分，對閱讀器的命令進行解碼，並根據EPC-G-2空間接口協議作出相應的反應。調製電路被用來將標籤的反應通過反向散射的方式發射給閱讀器。