一種射頻無線溼度傳感系統的製作方法
2023-06-08 00:59:26
專利名稱：一種射頻無線溼度傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於射頻識別領域及無線傳感器技術領域，涉及一種無源低成本溼度無線 傳感系統。
背景技術：
現行的無線溼度傳感系統一般由帶溼度檢測功能、完成溼度信號採集終端和完成 信號收集終端構成。其中完成溼度信號採集的終端一般採用分立器件與低功耗有源發射機 一起構成一個信號採集發射模塊。這樣構架的無線溼度傳感系統，測量精度較高，但是成本 高昂，尤其是完成信號採集發送的終端需要多點布置時，一次投入成本大。其次，由於完成 信號採集終端發射機為有源設備，其使用供電電池的壽命有限，一次布置完成後尚需要維 護。現有已提出的技術改進方案包括使用無源RFID技術與溼度傳感器的結合，但是 由於溼度傳感部分的高功耗，一般工作距離較近，不適合普及應用。
發明內容
為實現遠距離，低成本的無線傳輸，本發明提出了一種無需使用晶片的無源遠距 離溼度傳感器系統。為此，本發明採用如下的技術方案一種射頻無線溼度傳感系統，包括由單晶片集成的有源閱讀器和無源的無晶片溼 度傳感器，所述的單晶片有源閱讀器，包括收發天線、環形器、低噪聲放大器、混頻器、濾波網 絡、控制模塊、頻率綜合器、跳頻發射模塊和外部設備；所述的控制模塊與外部設備、頻率綜 合器分別相連，完成系統的總體控制與信號處理；所述的頻率綜合器，用來在控制模塊的 控制下產生跳頻信號和載波頻率信號，其所產生的跳頻信號經過跳頻發射模塊發送到環形 器，再經過環形器後由收發天線發射，其所產生的載波頻率信號被送入混頻器的一個輸入 端；由所述收發天線接收來的射頻信號經過所述環形器後被送入低噪聲放大器，由低噪聲 放大器輸出的經過放大的射頻信號被送入混頻器的另一個輸入端；混頻器輸出的下變頻信 號經過濾波網絡濾去高頻信號後所得到的基帶信號經過放大處理後被送入控制模塊；所述的無源無晶片溼度傳感器，包括固定在在陶瓷基底上並塗覆有聚醯乙胺的裸 裝天線和連接天線兩端並作為電阻負載的饋線，用於接收並反射所述的閱讀器的發射信 號。作為優選實施方式，所述的控制模塊包括相互通信的CPU和DSP以及控制電路和 存儲電路，所述的CPU通過控制電路控制頻率綜合器產生在一個頻率範圍循環的跳頻信 號，每個頻率點持續相同的時間長度；所述的DSP將接收到的基帶信號進行幅頻響應分析， 就此計算出無晶片溼度傳感器對應此溼度信息的諧振頻率，並將此信息送給CPU，控制模塊 的存儲電路裡存儲有頻率溼度查找表，CPU根據此頻率值與頻率溼度查找表得到此時溼度
3傳感器處的溼度。本發明具有以下突出優點1、閱讀器部分實現了單晶片集成，大大降低了閱讀器的成本，順應大規模應用的需求。2、控制模塊中採用基於MCS-51指令集的CPU內核，具有良好的可配置性和擴展 性。3、採用一個高速數位訊號處理DSP電路完成運算與幅頻響應分析，更高速快捷的 完成實時信號採集與處理。4、溼度傳感器件採用無晶片的天線，成本低廉。5、溼度傳感器件為無源被動響應器件，使用壽命長。6、所述的溼度傳感器的存儲電路中，包含一個可設置的頻率溼度查找表和一個可 設置的跳頻信號跳頻範圍與跳頻間隔查找表，方便對系統進行配置。
圖1是本發明的工作原理圖；圖2是本發明的溼度閱讀器部分結構框圖；圖3是本發明的溼度採集部分示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明的無線溼度傳感系統由兩個部分組成，一個是單晶片集成有源閱 讀器，另一部分是無源無晶片的溼度傳感器。圖2是單晶片集成有源閱讀器的結構框圖。發 射鏈路為無調製的跳頻載波信號，閱讀器的接收鏈路解調方式為幅度解調；採用的幅度解 調方式為對混頻濾波後的基帶信號進行較高採樣率、較高採樣精度的模數轉換後，在控制 模塊中進行分析處理。無線溼度傳感器空間信號載波頻率在3GHz以上，以避免進入現有已劃分的無線 頻段內。作為溼度讀取的過程，首先閱讀器通過控制器的控制，產生包含多個頻率分量的跳 頻載波，發射到空間中。溼度傳感器中的天線對其諧振頻率附近的信號全吸收，而其餘頻率 信號大部分能量將被反射回來。在不同溼度情況下，溼度傳感器中天線諧振頻率分別為特 定值，這樣作為溼度測量與傳輸的傳感器對接收到的頻率調製信號，將反射回不同的能量， 這個過程相當於對接收到的信號進行幅度調製並反射回閱讀器。閱讀器接收到溼度傳感器 反射回的射頻信號，通過環形器分離出來。之後通過低噪聲放大器進行信號幅度放大，通過 混頻器與之前頻率綜合器輸出的載波頻率信號進行混頻操作，再通過濾波網絡進行一系列 濾波操作後，得到基帶信號。此基帶信號通過一個可變增益放大器，將分離出的基帶信號放 大到模數轉換部分可以處理的電平，然後通過模數轉換電路轉換為數位訊號。控制模塊通 過對模數轉換後的信號做幅度、頻率響應分析，得到溼度傳感器裸裝天線的諧振頻率，從而 轉化為溼度信息。控制模塊由一個基於MCS-51指令集的8位CPU內核、一個DSP電路、一 些外圍控制電路與存儲電路四個部分組成。其中基於MCS-51指令集的CPU內核完成讀取 命令控制，調製信號產生等，另外完成數位訊號處理部分的數據準備工作；DSP完成數模轉 換後的輸入信號的幅頻響應分析等；外圍控制電路中包含AGC自動增益控制電路和控制頻率綜合器的控制電路等，由CPU內核通過控制電路控制頻率綜合器產生在一個頻率範圍循 環的跳頻信號，並通過跳頻發射模塊傳送到環形器，然後開始向外發射信號；存儲電路裡存 儲有頻率溼度查找表，供CPU查詢，完成溼度的檢測。下面以工作在3GHz載波頻率的無線射頻溼度傳感系統為例，簡要介紹整個系統 的具體實現方式。首先閱讀者通過外設向閱讀器發出開始溼度讀取命令，內置的CPU採集到此命令 後，開始從內置存儲電路(FLASH存儲單元)中取出已設置或默認設置的起始跳頻頻率，送 入頻率綜合器的寄存器中。完成後CPU傳送一個使能信號到頻率綜合器，由頻率綜合器產 生的跳頻信號通過跳頻發射模塊開始向外發射。跳頻信號本身不攜帶信息，為未調製的 載波信號。跳頻信號的跳頻速率為500跳/秒。跳頻範圍從起始頻率跳頻到起始頻率後 100MHz，跳頻解析度為1MHz，跳頻方式為逐級遞增並在跳頻上限頻率跳回起始頻率。這樣每 秒鐘跳頻頻率恢復5次。下面以跳頻起始頻率3GHz，跳頻上限頻率3. 1GHz為例，做一個具 體實例分析。圖3給出了用於溼度採集的無晶片射頻標籤的示意圖，其中左面是俯視示意圖， 右圖為剖面示意圖。整個採集器件由塗覆聚醯乙胺材料的陶瓷基底4天線1與連接天線兩 端的饋線2構成，其中饋線2為天線設計諧振頻率處的50 Q等效電阻饋線。當聚醯乙胺塗 層3感受到的溼度改變時，受其影響的天線1皆振頻率會隨之發生改變，溼度越大，天線1 的諧振頻率將越低。由於饋線2負載的作用，其接收到的信號在天線諧振處將被完全吸收， 而諧振頻率外的信號能量大部分將被反射。這樣就相當於溼度傳感器件完成了一個為信號 調幅並反向散射的過程，溼度傳感器能量吸收峰出現的頻率為5Hz。天線設計為50%溼度 作用下，諧振頻率為跳頻起始頻率與上限頻率之間的中間值。跳頻實現方案為控制頻率綜合器通過整數倍頻實現。閱讀器天線接收到溼度傳感器反向散射回的信號，通過環形器分離出來，然後通 過低噪聲放大器與混頻器的作用，轉化為基帶信號。在混頻器中與頻率為3GHz載波信號進 行混頻，混頻後的基帶信號帶寬為100MHz。此混頻後的基帶信號經過低通濾波後，通過一個 可變增益放大器進行信號放大，然後通過6bit位400MHz的兩步型數模轉換器轉化為數字 信號送入DSP。DSP協同內置CPU，完成幅頻分析與諧振頻率分析等過程。最後得到的諧振 頻率數值通過內置查找表在內置CPU的數個周期內轉化為溼度信息，並輸出到外設上顯示 得到的數值。其中，閱讀器的跳頻信號的可選的起始頻率存儲在存儲電路(FLASH存儲單元)Ml 中，可通過CPU外部調節，從2. 8GHz到3. 3GHz 一共有9個跳頻頻段可選，分別為1,2.8GHz-2. 9GHz ；
2,2.85GHz-2. 95GHz
3,2.9GHz-3GHz ；
4,2.95GHz-3. 05GHz
5,3.OGHz-3. 1GHz ；
6,3.05GHz-3. 15GHz
7,3.lGHz-3. 2GHz ；
8,3.15GHz-3. 2GHz ；
9、3. 25GHz-3. 3GHz其中每個頻段的跳頻範圍都為100MHz，跳頻解析度為1MHz。晶片內置的諧振頻率與溼度轉化關係查找表也存儲在晶片內置的FLASH存儲單 元中，可以通過外置接口寫入與改寫。
權利要求
一種射頻無線溼度傳感系統，包括由單晶片集成的有源閱讀器和無源的無晶片溼度傳感器，所述的單晶片有源閱讀器，包括收發天線、環形器、低噪聲放大器、混頻器、濾波網絡、控制模塊、頻率綜合器、跳頻發射模塊和外部設備；所述的控制模塊與外部設備、頻率綜合器分別相連，完成系統的總體控制與信號處理；所述的頻率綜合器，用來在控制模塊的控制下產生跳頻信號和載波頻率信號，其所產生的跳頻信號經過跳頻發射模塊發送到環形器，再經過環形器後由收發天線發射，其所產生的載波頻率信號被送入混頻器的一個輸入端；由所述收發天線接收來的射頻信號經過所述環形器後被送入低噪聲放大器，由低噪聲放大器輸出的經過放大的射頻信號被送入混頻器的另一個輸入端；混頻器輸出的下變頻信號經過濾波網絡濾去高頻信號後所得到的基帶信號經過放大處理後被送入控制模塊；所述的無源無晶片溼度傳感器，包括固定在在陶瓷基底上並塗覆有聚醯乙胺的裸裝天線和連接天線兩端並作為電阻負載的饋線，用於接收並反射所述的閱讀器的發射信號。
2.根據權利要求1所述的射頻無線溼度傳感系統，其特徵在於，所述的控制模塊包括 相互通信的CPU和DSP以及控制電路和存儲電路，所述的CPU通過控制電路控制頻率綜合 器產生在一個頻率範圍循環的跳頻信號，每個頻率點持續相同的時間長度。根據權利要求1所述的射頻無線溼度傳感系統，其特徵在於，所述的DSP將接收到的基 帶信號進行幅頻響應分析，就此計算出無晶片溼度傳感器對應此溼度信息的諧振頻率，並 將此信息送給CPU，控制模塊的存儲電路裡存儲有頻率溼度查找表，CPU根據此頻率值與頻 率溼度查找表得到此時溼度傳感器處的溼度。
3.據權利要求1所述的射頻無線溼度傳感系統，其特徵在於，所述的DSP將接收到的基 帶信號進行幅頻響應分析，就此計算出無晶片溼度傳感器對應此溼度信息的諧振頻率，並 將此信息送給CPU，控制模塊的存儲電路裡存儲有頻率溼度查找表，CPU根據此頻率值與頻 率溼度查找表得到此時溼度傳感器處的溼度。
全文摘要
本發明屬於射頻識別領域及無線傳感器技術領域，涉及一種射頻無線溼度傳感系統，該系統可由以下兩個部分組成用於發射探測信號的單晶片無線收發閱讀器；用於檢測溼度變化並反饋信號的無晶片射頻標籤。其中無線收發機使用跳頻發射的方式，檢測射頻標籤隨溼度變化的諧振反饋信號來實現對標籤環境溼度的檢測。該無線傳感系統具有的優勢包括無線收發機功能簡單、單晶片集成成本低廉；無晶片射頻標籤為無源標籤，不使用晶片，所以使用壽命長、面積小、成本低廉等。
文檔編號G01N33/00GK101852793SQ20101030049
公開日2010年10月6日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者劉輝, 毛陸虹, 熊正東, 謝生 申請人:天津大學