一种智能可计算射频识别标签的制作方法

本实用新型涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种智能可计算射频识别标签。

背景技术：

射频识别技术（radiofrequencyidentification，rfid）是使用无线射频技术在开放环境中进行对象识别的一种战略新兴技术。从结构上讲rfid是一种轻型无线系统，专用于识别和跟踪目标物体。rfid基本系统由一个读写器和很多标签组成。读写器通过天线与rfid电子标签进行无线通信，可以实现对标签电子产品码(electronicproductcode，epc)和内存数据的读出或写入操作。

现有的rfid标签可分为主动式、半被动式和被动式三种，主动式和半被动式标签上存在电源和处理器，可以进行一定程度的计算，但是需定期维护更换电源，导致其寿命较短，且硬件及维护成本极高，因而未能获得大规模的应用。被动式标签是带有天线的微型电路，通常采用状态机架构，没有处理器，由数千个逻辑门电路组成，标签中存储有唯一的身份标识epc和一些其它信息。当标签被读写器访问时，标签能根据读写器指令进行相应的操作或返回所存储的信息。被动式标签凭借成本低、体积小、寿命长、可重复使用，支持移动识别和多目标识别等优势，因此在生产制造、物流和供应链、出入管理、仓储、票证等领域获得了极为广泛的应用。

虽然rfid技术，特别是被动式rfid标签的广泛应用给工业运行管理和人们日常生活带来了极大的便利，但是现有的rfid标签由于功能单一、计算能力缺乏、信息安全强度低技术缺陷，制约了其在商贸流通、肉菜溯源、交通运输、公共安全等国民经济与社会发展重点行业的进一步深度应用。

现有的rfid技术不适用于防伪系统的根本原因在于现有rfid标签内置固定状态机而缺乏动态计算能力，不能运行复杂加解密算法，也不能实时运行在线认证协议，仅能进行简单口令访问控制与被动地返回所储存的信息，因而在技术上难以实现较高强度防伪。

目前的主动式标签虽然能外连传感器，但过于昂贵，且电源限制了其使用寿命，不适用于食品检测领域，而被动式rfid标签由于能量和计算能力限制，不能连接传感器，也难以满足食品质量安全检测与追溯的应用需求。

而被动式rfid标签由于无需电源和维护，如果标签能集成可检测应力和位移的应变计等传感器，便能有效实现建筑物健康状况检测。遗憾的是，目前被动式rfid标签由于能量和计算能力限制还不能集成该类传感器。

由上可见，由于被动式标签缺乏自主计算能力和不能兼容传感技术，rfid技术应用受到了极大限制。此外，由于成本、使用寿命与可维护性等原因，具有计算能力的主动式和半被动式也难以满足应用需求。

针对现有rfid标签的不足，近年来国外研究人员设计了一种称为“可计算射频识别标签”（computationalradiofrequencyidentification，crfid）的新型标签原型，如intellab的wisp和umass的moo。与普通被动式标签不同的是，crfid标签并非将所有器件集成到一个芯片中，而是将这些器件集成到一个嵌入式系统。

相比现有的普通被动式标签，crfid标签具有计算和感知能力，更加智能化，兼容现有的被动式超高频标签epcglobalc1g2标准，使其可被市场上普通的超高睥睨读写器访问，可替换现有的超高频被动式rfid标签。相比现有的主动式和半被动式标签，crfid标签具有无源、成本低、部署后无需硬件维护等技术优势，具备良好的发展与应用潜力，将适用于当前物联网越来越复杂的感知及计算环境，特别适用于感知和安全应用，如物体状态监控、rfid轻量级隐私和安全保护协议，物理嵌入式感知，新型人机接口（加速度传感器可感知手势、人体运动）等等。由此可见，可计算rfid标签技术在物联网技术产业具有广泛的应用前景。

crfid标签是一个嵌入式系统。其工作模式和普通被动式标签一致，同样为无源被动式标签，从读写器的电磁波束中获得能量，并以此能量驱动一个编程16位控制器mcu（典型为timsp430系列低功耗mcu），crfid标签上的mcu具有一定的计算能力，同时集成了一些传感器，如光照、加速度、温度和压力等。mcu在工作时可向传感器提供能量和时钟，并读取传感器数据，将传感器数据以epc码的形式发回读写器。另外，crfid还能读写标签上的闪存。由于具有mcu，可进行一些密码算法计算，如rc4和sha-1等。

虽然crfid标签具有很多优点，但目前仍然不能满足实际应用需求，其核心问题是能量有限。导致现有crfid能量有限的根源之一就是能量采集效率有限。对于能量采集，crfid采用和普通超高频被动式标签同样的偶极天线与读写器通信及从读写器电磁波束中获取能量。crfid标签到读写器间的通信采用了反向散射的方式，虽然偶极天线具有很好的反向散射性质，已经在普通被动式标签上广泛使用，但是，偶极天线的能量采集效率较低，天线上的能量最多只有一半能提供给负载电路。更严重的是，偶极天线是平衡天线（平衡天线是指天线两端的电压为正负电压），要与平衡电路（电路中存在正负电压）连接才能进行最优的阻抗匹配，使标签负载电路从天线提供的能量中获取最大比例。普通被动式标签芯片（除去天线后的标签）虽然是非平衡电路（电路中只有正电压和地），但标签芯片面积极小（通常小于0.5mm2），从而与平衡电路的性质差异可忽略，使得普通被动式标签所能获取的能量接近最优，现在的普通被动式标签芯片能获得的标签天线上电磁波总能量的约1/3（-5db）。与普通被动式标签不同，crfid标签是典型的非平衡电路，且表面积较大（如wisp的表面积>2cm2，是传统标签芯片面积的100倍及以上），与平衡电路的差异较大，所以crfid所能获得的能量只占天线接收能量的1/10（-10db），导致其最远通信距离不到普通标签的1/3，一般仅为1/16。

虽然crfid具有上述优点，但目前仍然不能满足实际应用需求，其核心问题是能量有限。无线空间的电磁能量非常微弱，能量收集效率低，导致传感功能单一等很多限制。

因此，本申请将提供一种智能可识别标签（crfid），该标签可以有效提高能量收集效率。

技术实现要素：

（一）实用新型目的

为解决背景技术中存在的技术问题，本实用新型提出一种智能可计算射频识别标签，使能量收集与crfid的模块化有机结合，采用多天线组合的方案，相对与现有的crfid而言可以对来自无线空间中微量的电磁能量进行高效的收集和管理，从而有效解决crfid能量有限的问题。

（二）技术方案

为解决上述问题，本实用新型提供了一种智能可计算射频识别标签，包括能量收集模块、mcu模块、读写模块和传感器模块；

能量收集模块与mcu模块能量传递连接，用于对在无线空间中收集的微量电磁能量进行管理和传输给mcu模块；

mcu模块与读写模块信号传递连接，用于接收读写模块在无线空间中收集的有效电磁信息；

mcu模块与传感器模块信号连接，用于与传感器模块之间进行信息双向传输，并执行及控制向传感器模块进行供电和断电动作；其中，传感器模块用于获取环境中的模拟量信息。

优选的，能量收集模块包括螺旋天线、能量收集电路和能量管理电路；能量管理电路由稳压电路和电压检测电路构成；螺旋天线与能量收集电路电性连接，能量收集电路与能量管理电性连接，能量管理电路与mcu模块能量传递连接。

优选的，mcu模块为基于stm32wb55微处理器的基带芯片。

优选的，读写模块包括阻抗匹配电路模块、解调模块、调制模块和偶极天线；阻抗匹配电路模块连接解调模块，解调模块连接mcu模块；调制电路连接分别连接偶极天线和mcu模块；偶极天线还连接阻抗匹配电路模块。

优选的，传感器模块由超低低功耗传感器adxl362构成，并设置一个或多个。

优选的，能量收集电路包括：稳压电阻r4、电容c24、电容c25、电容c26、电容c27、电容c28、电容c29、电容c30、电容c31、电容c32、电容c33、电容c34、稳压二极管d13、稳压二极管d14、稳压二极管d15、稳压二极管d16、稳压二极管d17、稳压二极管d18、稳压二极管d19、稳压二极管d20、稳压二极管d21、稳压二极管d22和稳压二极管d23；其中，电容c24一端接地，另一端与稳压电阻r4通过节点连接到螺旋天线;稳压电阻r4连接到电容c25、电容c26、电容c27、电容c28、电容c29；稳压二极管d13正向导通端连接到地端，其反向截止端通过节点连接到电容c25和稳压二极管d14正向导通端；稳压二极管d14正向导通端连接到电容c25和稳压二极管d13反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容c30和稳压二极管d15正向导通端；稳压二极管d15正向导通端连接到电容和稳压二极管d14反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d16正向导通端；稳压二极管d16正向导通端连接到电容和稳压二极管d15反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d17正向导通端；稳压二极管d17正向导通端连接到电容和稳压二极管d16反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d18正向导通端；稳压二极管d18正向导通端连接到电容和稳压二极管d17反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d19正向导通端；稳压二极管d19正向导通端连接到电容和稳压二极管d18反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d20正向导通端；稳压二极管d20正向导通端连接到电容和稳压二极管d19反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d21正向导通端；稳压二极管d21正向导通端连接到电容和稳压二极管d20反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d22正向导通端；稳压二极管d22正向导通端连接到电容和稳压二极管d21反向截止端，其反向截止端连接到稳压二极管d23正向导通端；电容、电容、电容、电容通过节点连接到地端；稳压二极管d23正向导通端连接到稳压二极管d22反向截止端，其反向截止端通过节点连接到一电容和电压检测电路；一电容一端接地另一端连接到稳压二极管d23反向截止端。

优选的，能量管理电路包括：s-1000c20-n4t1芯片和nlsv1t244芯片；其中，s-1000c20-n4t1芯片第一引脚u91连接到能量收集电路，第二引脚u92连接到能量收集电路和nlsv1t244芯片的第五引脚u81处，第三引脚u93连接到地端，第四引脚u94连接到nlsv1t244芯片第六引脚u82上；nlsv1t244芯片的第七引脚u83接地端，第八引脚u84接电源端，第九引脚u85连接到mcu模块，第十引脚u86接地端。

优选的，s-1000c20-n4t1芯片第四引脚u94处是s-1000c20-n4t1芯片的电压信号输出端，可输出高或低电平到nlsv1t244芯片第六引脚u82处，nlsv1t244芯片第六引脚u82处是电压信号接收端，能输入来自s-1000c20-n4t1芯片的高或低电平信号；nlsv1t244芯片第九引脚u85处是nlsv1t244芯片的电压信号输出端，用于输出高电平或低电平到mcu模块处；输出高电平状态下，mcu模块进入工作状态，输出低电平状态下，mcu模块处于休眠状态。

优选的，解调模块包括hsms-285x二极管、nlsv1t244比较器和开关三极管，用于包络检波和模数转换，通过反向散射的方式向阅读器传输信息；联通状态下，用于将天线将散射大部分到达的射频信号，发送一位“1”到阅读器；断开状态下，阅读器接收不到射频信号，则收到一位“0”。

优选的，传感器模块通过其spi接口与mcu模块连接。

本实用新型中，采用模块化设计，采用一种或多种能量收集方式，使能量收集与crfid的模块化有机结合，采用多天线组合的方案，相对与现有的crfid而言可以对来自无线空间中微量的电磁能量进行高效的收集和管理，从而有效解决crfid能量有限的问题。

附图说明

图1为本实用新型提出的智能可计算射频识别标签的整体示意图。

图2为本实用新型提出的智能可计算射频识别标签的内部电路连接示意图。

图3为本实用新型提出的智能可计算射频识别标签中能量收集电路示意图。

图4为本实用新型提出的智能可计算射频识别标签中能量管理电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

如图1-4所示，本实用新型提出的一种智能可计算射频识别标签，包括能量收集模块1、mcu模块3、读写模块2和传感器模块4；

能量收集模块1与mcu模块3能量传递连接，用于对在无线空间中收集的微量电磁能量进行管理和传输给mcu模块3；

mcu模块3与读写模块2信号传递连接，用于接收读写模块2在无线空间中收集的有效电磁信息；

mcu模块3与传感器模块4信号连接，用于与传感器模块4之间进行信息双向传输，并执行及控制向传感器模块4进行供电和断电动作；其中，传感器模块4用于获取环境中的模拟量信息。

本实用新型中，采用模块化设计，采用一种或多种能量收集方式，使能量收集与crfid的模块化有机结合，采用多天线组合的方案，相对与现有的crfid而言可以对来自无线空间中微量的电磁能量进行高效的收集和管理，从而有效解决crfid能量有限的问题。

在一个可选的实施例中，能量收集模块1包括螺旋天线、能量收集电路和能量管理电路；能量管理电路由稳压电路和电压检测电路构成；螺旋天线与能量收集电路电性连接，能量收集电路与能量管理电性连接，能量管理电路与mcu模块3能量传递连接。

需要说明的是，能量收集模块1可以是一种或多种能量收集方式的组合，包括来自读卡器的电磁波能量、基站的电磁波能量、电视台广播台的电磁波能量、wifi的电磁波能量、光能、电池等。能量收集模块1替代被动标签时只需要来自读卡器的电磁波电磁波能量即可，但替代主动标签时就需要采用来自读卡器的电磁波能量和光能、空间中的电磁波能量或者电池等。

在一个可选的实施例中，mcu模块3为基于stm32wb55的微处理器的基带芯片。

在一个可选的实施例中，传感器模块4由超低低功耗传感器adxl362构成，并设置一个或多个；传感器模块4也是可以使用一种或者多种传感器的组合，比如具有温度，湿度，浓度，气压，运动状态等功能的传感器。

在一个可选的实施例中，s-1000c20-n4t1芯片第四引脚u94处是s-1000c20-n4t1芯片的电压信号输出端，可输出高或低电平到nlsv1t244芯片第六引脚u82处，nlsv1t244芯片第六引脚u82处是电压信号接收端，能输入来自s-1000c20-n4t1芯片的高或低电平信号；nlsv1t244芯片第九引脚u85处是nlsv1t244芯片的电压信号输出端，用于输出高电平或低电平到mcu模块3处；输出高电平状态下，mcu模块3进入工作状态，输出低电平状态下，mcu模块处于休眠状态。

在一个可选的实施例中，传感器模块4通过其spi接口与mcu模块3连接。

需要说明的是，基于微处理器stm32wb55的多天线智能传感标签实现，其中能量收集模块1为螺旋天线接匹配电路和利用稳压二极管的倍压整流电路，充电储能电容。能量收集模块1后接能量管理单元12，包括ncp583稳压电路和电压检测电路；稳压电路保证stm32wb55的正常工作，电压检测电路则是使能stm32wb55。当电压达到工作要求时，sv_out产生高电平，经nlsv1t244转换后，将高电平输出到sv_in端，连接stm32wb55，使其进入工作状态；反之，sv_in低电平，stm32wb55处于休眠状态。

传感器模块4选择的是超低低功耗传感器adxl362，adxl362是一款超低功耗、3轴mems加速度计,可应用于温度传感器和几种运动模式检测,通过spi接口与微处理器stm32wb55进行数据传输，并且微处理器控制是否对传感器供电。

在一个可选的实施例中，读写模块2包括阻抗匹配电路模块、解调模块、调制模块和偶极天线；阻抗匹配电路模块连接解调模块，解调模块连接mcu模块3；调制电路连接分别连接偶极天线和mcu模块3；偶极天线还连接阻抗匹配电路模块。

在一个可选的实施例中，解调模块包括hsms-285x二极管、nlsv1t244比较器和开关三极管，用于包络检波和模数转换，通过反向散射的方式向阅读器传输信息；联通状态下，用于将天线将散射大部分到达的射频信号，发送一位“1”到阅读器；断开状态下，阅读器接收不到射频信号，则收到一位“0”。

需要说明的是，读写模块2分为天线和射频模块，天线选用偶极天线，射频模块为915mhz的超高频模块，超高频频段rfid协议包括iso18000-6c和epcc1g2协议。解调模块则是通过hsms-285x二极管接nlsv1t244比较器来实现包络检波和模数转换。调制模块则是通过反向散射的方式向阅读器传输信息。选用开关三极管来进行调制，联通时天线将散射大部分到达的射频信号，发送一位“1”到阅读器；断开时阅读器接收不到射频信号，则收到一位“0”

在一个可选的实施例中，能量收集电路包括：稳压电阻r4、电容c24、电容c25、电容c26、电容c27、电容c28、电容c29、电容c30、电容c31、电容c32、电容c33、电容c34、稳压二极管d13、稳压二极管d14、稳压二极管d15、稳压二极管d16、稳压二极管d17、稳压二极管d18、稳压二极管d19、稳压二极管d20、稳压二极管d21、稳压二极管d22和稳压二极管d23；

其中，电容c24一端接地，另一端与稳压电阻r4通过节点连接到螺旋天线;稳压电阻r4连接到电容c25、电容c26、电容c27、电容c28、电容c29；稳压二极管d13正向导通端连接到地端，其反向截止端通过节点连接到电容c25和稳压二极管d14正向导通端；稳压二极管d14正向导通端连接到电容c25和稳压二极管d13反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容c30和稳压二极管d15正向导通端；稳压二极管d15正向导通端连接到电容和稳压二极管d14反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d16正向导通端；稳压二极管d16正向导通端连接到电容和稳压二极管d15反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d17正向导通端；稳压二极管d17正向导通端连接到电容和稳压二极管d16反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d18正向导通端；稳压二极管d18正向导通端连接到电容和稳压二极管d17反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d19正向导通端；稳压二极管d19正向导通端连接到电容和稳压二极管d18反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d20正向导通端；稳压二极管d20正向导通端连接到电容和稳压二极管d19反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d21正向导通端；稳压二极管d21正向导通端连接到电容和稳压二极管d20反向截止端，其反向截止端通过节点连接到电容和稳压二极管d22正向导通端；稳压二极管d22正向导通端连接到电容和稳压二极管d21反向截止端，其反向截止端连接到稳压二极管d23正向导通端；电容、电容、电容、电容通过节点连接到地端；稳压二极管d23正向导通端连接到稳压二极管d22反向截止端，其反向截止端通过节点连接到一电容和电压检测电路；一电容一端接地另一端连接到稳压二极管d23反向截止端。

在一个可选的实施例中，能量管理电路包括：s-1000c20-n4t1芯片和nlsv1t244芯片；其中，s-1000c20-n4t1芯片第一引脚u91连接到能量收集电路，第二引脚u92连接到能量收集电路和nlsv1t244芯片的第五引脚u81处，第三引脚u93连接到地端，第四引脚u94连接到nlsv1t244芯片第六引脚u82上；nlsv1t244芯片的第七引脚u83接地端，第八引脚u84接电源端，第九引脚u85连接到mcu模块3，第十引脚u86接地端。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。