与电子通信元件一起使用的通信设备、电子通信元件及其用途的制作方法

1.本发明涉及一种包括基于反向散射技术的电子通信元件，例如标贴或标签的通信系统。更具体地，它涉及一种系统和通信元件，例如标贴或标签，其基于附接到消耗品的射频识别(rfid)技术，用于在家庭环境中识别、辨识和登记这种消耗品。


背景技术：

2.低成本、一次性的设备与云的连接具有重要意义。例如，通过连接药物包装或药物输送装置(如自动注射器)，远程监控家庭环境中的患者依从性，以及为最终改善患者预期结果而采取的行动。为了支持许多的这些应用，通信解决方案需要无缝工作，而无需患者重复执行其他操作。
3.rfid标签技术是支持此类系统的一项有吸引力的技术，因为标签硬件简单，因此成本低，易于集成到包装或标贴中。与其他双向无线电通信系统相比，通过使用从“读取器”传输的入射射频信号为标签供电；以及标签通过对入射信号进行反向散射调制来传输数据，实现了简单性。与传统的双向无线电系统相比，这消除了在标签中包括完整无线电发射器和电源的需要。
4.将传感器和接口添加到rfid标签的应用也开始发展以专门启用设备监控。然而，由于rfid读取器和标签之间的距离较短，它的应用受到了限制。这需要用户通过靠近读取器来采取特定动作来“读取”设备，因此系统不是无缝的，并且满足上述需求之一。
5.广泛使用的方法的示例包括在uhf频段中运行的epc gen2标签，其通常在读取器的一个方向内的范围小于10m，以及使用范围小于1m的近场耦合运行的hf rfid或nfc设备，具体取决于天线尺寸。
6.传统的uhf rfid系统是众所周知的，并且通常包括：a)读取器，包括至少一个rf天线、配置为发送rf信号的发送器、配置为接收反向散射的rf信号的接收器，以及控制操作并管理协议的处理系统。b)标签(或通信元件)，包括rf天线、从入射rf为标签供电的能量收集电路、对读取器发送的rf信号上的数据进行解码的接收器、配置为反向散射从中央单元接收的rf信号并因此发送数据的调制器、以及处理协议的处理逻辑。
7.然而，传统uhf rfid标签的范围受到其通信系统的几个特性的限制。这些包括：i.来自集线器/读取器的传输功率因法律而限制于一最大值，并且大多数读取器使用该最大功率。因此，不能通过增加发射功率来进一步增加通信范围；ii.由集线器/读取器传输的rf为通信元件(标贴或标签)供电意味着需要在通信元件上提供一最小值的能量才能使其运行。可以从集线器/读取器信号接收到的功率量随着与集线器/读取器之间的距离的增加而减少。因此，有一个最大的可操作范围；以及iii.集线器/读取器的灵敏度足以准确接收来自通信元件(标签或标贴)的反向散射信号。这里的一个特殊挑战是集线器/读取器需要接收的反向散射信号明显弱于传输到通信元件(标签或标贴)的向外信号，而向外信号和反向散射信号的频率相同。结果，发射器“震聋”了接收器。
8.因此，尽管常规rfid标签在特定应用中工作良好并且结合在消耗品中是经济的，但是这种常规rfid标签系统的操作范围太有限而不能用非移动读取器覆盖整个家庭。此外，每个这样的标签的rfid信息是静态的，不能随时间变化，因此相应产品的任何参数(例如操作状态)不能动态地包含在传统的无源rfid标签中。
9.综上所述，需要改进的基于反向散射技术的通信系统和通信元件，不仅可以动态表明与其相关产品有关的变化信息，例如运行状态，而且重要的是扩展传统rfid标签和读取器系统的运行范围，同时保持这种通信系统对于在家庭环境中跟踪消耗品是经济的，同时简化使用，例如对于用户连接和使消耗品与通信系统通信的无缝体验。


技术实现要素：

10.在此描述一种基于反向散射的通信系统，其具有增加操作范围的特征，以便提供针对传统rfid技术的上述缺点的解决方案，以及描述使用这种通信系统在家庭环境中识别、辨识和登记消耗品的方法。如本文所述的通信系统包括中央单元(发射器/读取器)和一个或多个通信元件。
11.在一个方面，本发明描述了一种系统，该系统类似于传统的uhf rfid标签，通过使用反向散射通信很简单，但具有增加的范围，使得单个读取器(以下称为“集线器”或“中央单元”)可以与消耗品关联的通信单元在典型家庭的大小范围内进行通信。此外，本发明实现了更无缝的用户体验。
12.在一个实施例中，描述了改进的rfid通信系统，例如改进的uhf rfid通信系统，其中：
13.通信元件由基本上独立于从集线器发送的rf信号的能量源供电。
14.集线器或中央单元对来自通信元件的信号的灵敏度通过两个或多个特征的组合得到提高，这些特征包括：
15.ο集线器或中央单元处的双天线，以最大限度地减少发射和接收路径之间的串扰。
16.ο集线器或中央单元中的载波自消除技术，以主动消除发射和接收路径之间的串扰。
17.ο通信元件处的二进制相移键控，与振幅调制相比，可实现反向散射信号的最大功率。o通信元件处的直接序列扩频调制，以及集线器或中央单元处相应的解扩。这增加了来自通信元件的反向散射信号的带宽，在频谱上将其与集线器或中央单元传输的载波分离，从而使其能够更容易地被集线器或中央单元分离和解码。
18.ο在集线器中央单元使用低相位噪声信号源，以最小化来自集线器或中央单元的传输载波的带宽，从而使反向散射信号的扩展的好处最大化。o使用非常低的带宽通信数据速率，从而提高接收器灵敏度和范围。
19.本发明的目的通过根据权利要求的通信系统(包括如本文所述和权力要求保护的通信元件和集线器或中央单元)来实现。
20.为了进一步使通信系统能够为包装上的传感器提供无缝连接解决方案，进一步实施例中的通信系统包括以下附加特征：
21.集线器或中央单元处的各向同性天线，使其能够从任何位置覆盖整个家庭。
22.通信元件上的板载处理和存储器，以实现智能应用。
23.‑
添加可操作地连接到通信元件的传感器，例如湿度传感器、温度传感器、完整性传感器和光强度传感器。添加用户界面，例如由按钮、led和/或显示器组成。
24.此外，为了能够降低消耗品的成本和小尺寸，可以使用印刷电子技术制造通信元件中的一些或全部部件。例如，创建采用标贴形式的通信元件。
25.此外，根据本发明的一个方面，这里公开的是一种通信系统，包括：a)中央单元，包括至少一个rf天线、配置为发送rf信号的发送器和配置为接收反向散射信号的接收器；b)通信元件，包括rf天线和配置为反向散射从中央单元接收的rf信号的调制器。通信元件包括用于调制反向散射rf信号以获得扩频反向散射rf信号的调制器并且包括用于向调制器供电的装置。
26.在有利的实施例中，用于向通信元件供电的装置独立于从集线器或中央单元传输到通信元件的rf信号的能量。
27.在一个实施例中，发射器还包括低相位噪声信号源。
28.在一个实施例中，中央单元还包括用于载波消除自干扰缓解装置，该装置选自中央单元处存在的至少两个rf天线、模拟载波消除、数字载波消除和使用高通滤波器。
29.在一个实施例中，扩频反向散射rf信号是直接序列扩频反向散射rf信号。
30.在一个实施例中，中央单元包括用于对扩频反向散射rf信号进行解扩的装置。
31.在一个实施例中，解扩装置使用非常低的数据带宽速率。
32.在一个实施例中，rf天线是各向同性天线。
33.在一个实施例中，中央单元和通信元件之间的最大可操作范围至少高达50m，有利地至少高达65m，更有利地至少高达100。
34.在一个实施例中，通信元件不包含精确频率基准，例如晶体振荡器。
35.在一个实施例中，通信元件还包括处理单元。
36.在一个实施例中，通信元件还包括存储器装置。
37.在一个实施例中，通信元件包括存储器装置，其选自印刷存储器和基于硅半导体的存储器，例如，存储器芯片或通信元件上的集成存储器。
38.在一个实施例中，通信元件包括印刷电子器件。
39.在一个实施例中，通信单元中用于供电的装置包括单个电池或能量收集装置。
40.在一个实施例中，所述单个电池是印刷电池。
41.在一个实施例中，通信元件包括用于rf信号的二进制相移键控或二进制幅移键控的装置。
42.在有利的实施例中，通信元件被配置用于其自身与中央单元之间的双向通信。
43.在一个实施例中，通信元件还包括从由湿度传感器、温度传感器、完整性传感器和光强度传感器组成的组中选择的一个或多个传感器，所述传感器可操作地连接到通信元件，可选地，这样的传感器被集成到通信元件中。
44.在一个实施例中，通信系统还包括用户界面，其可选地与通信元件连接或集成。
45.在一个实施例中，用户界面选自按钮、led和显示器。
46.本发明的目的通过根据权利要求的通信元件实现。
47.根据本发明的另一方面，在此公开一种通信元件，包括rf天线、配置为反向散射rf信号的接收器、用于供电的装置和配置为调制反向散射的rf信号以获得反向散射的扩频rf
信号的调制器。
48.在一个实施例中，通信元件还包括存储器装置。
49.在一个实施例中，所述存储器装置选自印刷存储器和基于硅半导体的存储器，例如，存储器芯片或通信元件上的集成存储器。
50.在一个实施例中，通信元件还包括处理单元。
51.在一个实施例中，通信元件包括印刷电子器件。
52.在一个实施例中，用于供电的装置为(单个)电池或能量收集装置。
53.在一个实施例中，(单个)电池是印刷电池。
54.在一个实施例中，调制器被配置为调制rf信号以获得扩频反向散射rf信号，为直接序列扩频调制器。
55.在一个实施例中，存储器装置包括通过通信接口将数据存储和读/写到通信元件上的装置。
56.在一个实施例中，通信元件还包括从由湿度传感器、温度传感器、完整性传感器和光强度传感器组成的组中选择的一个或多个传感器，它们通信地连接到通信元件。
57.在一个实施例中，通信元件还包括定时器装置。
58.在一个实施例中，通信元件还包括用户界面。
59.在一个实施例中，用户界面选自按钮、led和显示器。
60.在一个实施例中，通信元件是消耗品或药物的包装的一体部分。如本文所述，术语“一体”表示通信元件完全或部分地是包装的一部分，而不是可以附接到包装的单独的通信元件。例如，在这种通信元件是包装的一体部分的情况下，这种通信元件完全或部分地集成到这种包装或消耗品中，或者直接印刷到包装上。
61.在一个实施例中，中央单元或集线器包括用于连接到其他设备或云服务的装置，所述装置可以是可以建立所述连接的任何网关。
62.根据本发明的另一方面，在此还公开一种使用如上所述的通信系统在中央单元和消耗品或药物容器之间传输信息的方法。
63.在有利的实施例中，这种方法用于在家庭环境中识别、辨识和登记消耗品，例如药物容器。
64.在一个实施例中，药物容器选自小瓶、泡罩包装、注射器、药筒和药物输送装置。
附图说明
65.本发明的上述和其他优点和目的将通过参考以下对本发明实施例的描述并结合附图而变得更加明显，并且本发明本身将得到更好的理解，其中：
66.图1示出了根据本发明实施例的通信系统的示意图；
67.图2示出了图1的通信系统的中央单元的示意图；以及
68.图3是图1的通信系统的通信元件的示意图。
具体实施方式
69.下面在适当的情况下参考附图描述本发明构思的实施例。这些实施例被呈现为教导示例并且不应被解释为限制本发明构思的范围。
70.根据本发明的实施例的通信系统特别适用于监测患者在家庭环境中的药物使用以帮助他们获得最佳治疗的好处。
71.特别地，如图1所示，通信系统1优选地是用于患者的基于云的服务的一部分。云服务可以是例如医疗保健提供者，其可以基于通信系统1传输的信息提供医疗反馈。在这方面，通信系统1被配置为与云服务2和一个或多个通信元件20通信。通信元件20可以是电子标贴、标签或模块的形式，其可操作地连接到药物容器或药物输送装置并且可选地与一个或多个传感器连接。这种可操作地连接的通信元件可以附接到药物容器或药物输送装置或形成药物容器或药物输送装置的组成部分，并且可以记录这种药物容器或药物输送装置的任何变化。这种变化与药物容器或药物输送装置的使用有关。
72.在一个实施例中，通信元件20可以是药物容器的组成部分并且可以粘附到例如包含液体药物的小瓶或药筒或泡罩包装。药物容器可以设置有可操作地连接或直接集成到通信元件20中的传感器，以便根据患者可用的药物动态地改变包含在通信元件20中的信息。在一个实施例中，通信元件20可以粘附到药物输送装置以基于药物输送装置的操作状态在通信元件20中动态地存储信息。
73.其他传感器可以可操作地或直接集成到通信元件20中。例如，这些传感器中的一个或多个可以选自由湿度传感器、温度传感器、大气压力传感器和光强度传感器组成的组，以便向医疗保健提供者提供例如关于药物是否具有妥善储存以避免药物可能发生的变化的信息。
74.包含在通信元件中的与患者可用的药物相关或与药物输送设备的操作状态相关的信息通过基于反向散射通信的技术被动态传输到医疗保健提供者。
75.在这方面，通信系统1包括中央单元3，例如以集线器或中央单元的形式安装在患者住所中。根据图2所示的实施例，中央单元3包括至少一个天线4、被配置为通过天线4向通信元件20(图1)发送rf信号的发送器6和被配置为接收来自通信元件20的反向散射rf信号的接收器8。还包括从中央单元处的至少两个rf天线的存在、模拟载波消除、数字载波消除和高通滤波器的使用中选择的用于自干扰缓解的装置，以最小化在中央单元3发射和接收信号之间的干扰。中央单元3还包括处理单元10，特别是用于接收信号解调、处理和协议处理，以及用于与云服务2通信的网关12。在从通信元件接收的信号由直接序列扩频调制器调制的情况下，解调可以是解扩器。
76.通信系统1依靠反向散射技术从通信元件20到集线器3("上行链路")进行通信，这对通信元件20来说需要一套相对简单的硬件，并且只需消耗有限的电力。这是通过在通信元件中没有rf发射器的事实实现的，因为仅使用入射功率的反射将信号发送回中央单元3。这样做的好处是提供一个可以以最低成本制造的通信元件，并提供一个范围大到足以覆盖整个房子的通信系统，例如至少可达50米，有利的是至少可达65米，甚至更有利的是至少可达100米。
77.如图3所示，通信元件20包括rf天线22，可选的用于接收中央单元发送的数据("下行链路")的接收器23，用于调制入射的rf信号并利用反散射对中央单元3发送的rf信号进行数据调制的调制器，以及用于解释从中央单元接收的数据并生成调制回中央单元3的信号的处理单元24。在一个实施方案中，处理单元24可以包括直接序列扩频调制器，用于调制数据以作为后向散射的rf信号传输回中央单元3。通信元件20还可以包括电源28，用于为通
信和处理系统供电。通信元件还可以包括存储器26，被配置为存储上述不同传感器的感应测量数据，并为传感器和指示器提供连接。存储器26可以是印刷存储器和/或基于硅半导体的存储器的形式，例如存储器芯片或通信元件上的集成存储器。
78.在一个实施例中，通信元件20可以由中央单元3发送的入射rf信号供电，从而提供低能耗通信元件。更具体地，反向散射通信元件可以通过收集和存储由中央单元3发射的入射rf能量来操作，该rf能量被整流以产生dc电压来为通信元件20供电。由通信元件20的接收器23接收的rf信号被处理以生成内部时钟信号，该内部时钟信号驱动通信元件20内的内部逻辑，以便将存储在通信元件20的存储器26中的id码与传感器数据一起发送到中央单元3。
79.中央单元3和通信元件20之间的通信系统1可以通过空中接口协议实现，该协议在中央单元3的传输开始时使用连续波(cw)爆发，以模拟通信元件20的供电以及通信元件内部时钟信号的产生。cw爆发之后是由中央单元3在载波上作为am(调幅)传输的命令码。通信元件20处理该命令，并通过对来自中央装置3的入射cw信号施加ask(振幅移键控)或psk(相移键控)对天线进行负载调制，以产生返回信号。在一个有利的实施方案中，通信元件20可以进一步包括一个二进制振幅相移键控相位调制器或二进制相移键控相位调制器，用于射频信号的相位调制。
80.在一个实施方案中，电源28为电池的形式，例如印刷电池。这种使用rfid(例如uhf rfid)技术的供电通信元件取消了将入射射频转换为直流的功能(如传统的超高频rfid标签中)，并使用电源来激活数字功能，以及适当的传感器系统。这样做的好处是，系统的范围不再受到需要传输足够的功率以给通信元件赋能的限制。另外，动力源可以是一个能量收集器，例如来自太阳能，作为来自中央单元3(集线器)以外的或作为中央单元3(集线器)补充的来源的rf收集器，来自热，或来自运动。此外，动力源可以包括这种能量收集器与动力存储元件相结合，以保存少量的能量，供需要时使用。
81.通信系统1的中央单元3的处理单元10包括一个具有低数据带宽速率的解扩调制器，用于对从通信元件20接收的扩频反向散射射频信号进行解扩。中央单元3还包括低相位噪声信号源14和自干扰消除装置，该装置可包括两个天线(未显示)，即分别与中央单元3的发射器6和接收器8耦合的第一和第二天线。双天线在中央单元3发射的信号和通信元件20发射的反向散射rf信号之间提供了更大的隔离度。可以有利地实施一种或多种其他自干扰消除手段，如模拟载波消除、数字载波消除或使用高通滤波器。
82.虽然本发明已被显示和描述为具有优选设计和特征，但本发明可在本公开内容的精神和范围内进行修改。因此，本技术旨在涵盖利用本发明的总体原理对本发明进行的任何变化、使用或改造。此外，本技术旨在涵盖对本公开内容所作的、属于发明技术领域内已知或惯常做法的变动。