采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器的制作方法

本发明涉及一种无线传感器。特别是涉及一种采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器。

背景技术：

RFID技术是一种依靠无线射频信号进行识别以及信息传递的技术，它能够以无接触传递的方式交换信息并通过所传递的信息达到识别目标，RFID中的核心部分是标签(tag)。RFID综合了众多技术，包括天线技术、集成电路技术、电磁场传播技术、编码解码技术和数据信息交换等。在众多的工业和商业流程中，射频识别(RFID)已经变成了一个关键元素。当前出现的关于RFID的应用中，范围扩展到安全访问、物流库存和供应链管理、医疗、智能空间分配、物联网(IOT)以及无线传感器网络(WSN)。由于其低成本和易部署的特点，RFID技术最近被用到了传感器应用当中。在这些基于RFID标签的传感器中，一般通过两种方案来实现传感功能。第一种方案中，就是利用标签天线实现传感器功能以及数据传输，在这种方案里，最简单的实现方法是利用标签天线作为传感器或者集成一个无源传感器作为标签天线版图的一部分。简单并且消除了对电池和电源供给的需要是这些基于RFID标签传感器的优点，但这是以缩短了读写距离为代价的。由于这些传感器的低精准度，它们通常用作阈值传感器。

第二种方案是利用一个独立的传感器收集读出数据，再通过RFID标签和阅读器进行通信。这种方案能够提高读写距离以及传感的精度，其中RFID标签的数据是由独立的传感器提供的。但是我们很难将传感器集成在RFID芯片内部，因为传感器需要充足的能量供应并且芯片需要可嵌入。只有少部分的传感器满足这些苛刻的条件，像温度、光以及压力传感器。给传感器以及微处理器供电的能量收集单元在RFID标签传感器的性能、探测范围以及寿命当中扮演着重要的角色。本发明采用第二种传感器方案，标签天线的创新设计以及多端口、多天线的安排是一种有前途的技术，这为解决基于RFID标签传感器的能源以及成本限制问题提供了一种新的可能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现远距离通信，增强传感精度并且极大的提高传感器寿命的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器。

本发明所采用的技术方案是：一种采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器，包括用于采集信号的传感器，接收传感器所采集的信号的控制芯片，还设置有与所述控制芯片进行通信的射频识别芯片，以及双端口的贴片天线、用于供电的太阳能电池和能够从周围环境中的射频信号中获取能量进行供电的电源管理单元，其中，所述贴片天线的第一端口连接射频识别芯片，所述贴片天线的第二端口连接电源管理单元的输入端，所述电源管理单元的输出端和太阳能电池的输出端分别连接传感器、控制芯片和射频识别芯片的电源输入端。

所述的贴片天线包括有金属片，与所述金属片相连作为与所述的射频识别芯片相连的第一端口的第一线圈，以及与所述金属片相连作为与所述的电源管理单元相连的第二端口的第二线圈。

所述的电源管理单元包括有：依次相连的用于从周围环境中的射频信号中获取能量的RF-DC整流电路、电荷泵以及稳压电路，其中，所述RF-DC整流电路的输入端连接所述贴片天线的第二端口，所述稳压电路的输出分别连接传感器、控制芯片和射频识别芯片的电源输入端，所述RF-DC整流电路的输出端还通过第一电容接地，所述电荷泵还通过第二电容接地。

所述的射频识别芯片包括有依次串接的匹配网络、解调电路、数字基带电路和调制电路，其中，所述的匹配网络的输入端连接所述贴片天线的第一端口，所述调制电路的输出端连接所述匹配网络的输入端。

所述的解调电路包括有：依次串接的包络检波器、低通滤波器和迟滞比较器，所述包络检波器的输入端连接所述贴片天线的第一端口，所述迟滞比较器的输出端连接所述数字基带电路的输入端。

本发明的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器，利用多端口标签天线以及太阳能能量收集解决RFID标签传感器的能源供应、工作距离近等问题。RFID标签采用CMOS工艺，标签天线是多端口的patch天线，覆盖着收集能量的太阳能电池薄膜。与其他的电池供电的RFID传感器相比，该RFID标签传感器实现了远距离通信，增强了传感精度并且极大的优化了传感器的寿命。发明具有以下优点：

1.双端口天线的设计与其他RFID标签传感器所用的偶极子天线相比，显著降低了标签面积以及成本，本发明所采用的双端口patch天线不仅能够达到较高的增益，并且具有良好的单向辐射性。

2.太阳能电池能源供给以及标签天线能源获取的双能源获取模式，为整个标签电路提供了充足的能源，不仅提升了标签传感器的性能，极大的增加了RFID标签的工作距离，并且扩展了RFID标签传感器的应用范围，延长了RFID标签传感器的寿命。

综上所述，本发明的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器的整体框图；

图2是本发明中贴片天线的结构示意图；

图3是本发明中射频识别芯片的电路框图；

图4是本发明射频识别芯片中解调电路的电路原理图。

图中

1：射频识别芯片 2：控制芯片

3：传感器 4：RF-DC整流电路

5：电荷泵 6：稳压电路

7：太阳能电池 8：贴片天线

11：匹配网络 12：解调电路

13：数字基带电路 14：调制电路

81：金属片 82：第一端口

83：第二端口83 121：包络检波器

122：低通滤波器 123：迟滞比较器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器做出详细说明。

本发明的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器，

如图1所示，本发明的采用多端口标签天线以及太阳能能量收集的无线传感器，包括用于采集信号的传感器3，接收传感器3所采集的信号的控制芯片2，还设置有与所述控制芯片2进行通信的射频识别芯片1，以及双端口的贴片天线8、用于供电的太阳能电池7和能够从周围环境中的射频信号中获取能量进行供电的电源管理单元，其中，所述贴片天线8的第一端口82用来进行射频通信，连接射频识别芯片1，所述贴片天线8的第二端口83用来从阅读器或者周围射频辐射环境中接收射频信号，并产生直流电压，为数字电路供电，第二端口83连接电源管理单元的输入端，所述电源管理单元的输出端和太阳能电池7的输出端分别连接传感器3、控制芯片2和射频识别芯片1的电源输入端。

本发明中，将太阳能电池作为主要能源。太阳能电池选择太阳能柔性薄膜来获取能量为数字模块以及传感器供电。太阳能薄膜和贴片天线共享一个区域，太阳能薄膜被粘附在贴片天线的表面，此方式可实现紧凑的封装。

在本发明实施例中，所述的控制芯片是一个16位的低功耗微处理器(MCU)MSP430，在工作模式下，该处理器的功耗为230uA/MHz，在待机模式下为0.5uA/MHz。为了尽可能的减少系统硬件接口的数量，我们用单条I²C总线实现微处理器与射频识别芯片和数字传感器的通信。在太阳能供电模式下，传感器可以使用14位的模数转换器(ADC)，以提高位分辨率。在工作模式下的MCU的操作包括从传感器中查询新数据，并将格式数据传送到射频识别芯片的EPC存储器中。通过MCU从传感器中读取的新的温度和湿度数据是原始格式的数据，将原始数据转换成摄氏度和相对湿度需要利用与传感器有关的转换公式。

传感器是温度和湿度传感器，其可以在-40℃至125℃的范围内进行测量，精度可以达到±0.25℃，湿度测量范围是0至100％。

如图2所示，所述的贴片天线8包括有金属片81，与所述金属片81相连作为与所述的射频识别芯片1相连的第一端口82的第一线圈，以及与所述金属片81相连作为与所述的电源管理单元相连的第二端口83的第二线圈。

贴片天线的宽长比以达到共轭阻抗匹配以及在915MHz中心频率实现最大功率传输。本发明中，所述传感器3控制芯片2的射频识别芯片1构成一个集成电路，所述电源管理单元成一个集成电路，双端口的贴片天线与两个集成电路相连，端口1与射频识别芯片相连，端口2与电源管理单元相连接，射频识别芯片与电源管理单元均具有复数输入阻抗。因此，可以利用感应线圈匹配技术对贴片天线端口进行匹配，感应线圈的尺寸通过HFSS优化已达到共轭匹配的效果。贴片天线的第二个端口在本发明中是用来从RFID阅读器以及其他周围环境中的RF辐射中接收RF信号，以产生可供数字模块使用的直流电压，为传感器、控制芯片以及射频识别芯片测量温度和湿度以及更新射频识别芯片存储器中的传感数据提供能量。通过这种方式实现的能量收集，本发明可以在不依赖电池的情况下工作，并使传感器的寿命达到了传统无源RFID标签的水平。

如图1所示，所述的电源管理单元包括有：依次相连的用于从周围环境中的射频信号中获取能量的RF-DC整流电路4、电荷泵5以及稳压电路6，其中，所述RF-DC整流电路4的输入端连接所述贴片天线8的第二端口83，所述稳压电路6的输出分别连接传感器3、控制芯片2和射频识别芯片1的电源输入端，所述RF-DC整流电路4的输出端还通过第一电容C1接地，所述电荷泵5还通过第二电容C2接地。

电源管理单元是为了从周围环境中的RF信号中获取能量，电源管理单元包括一个工作在915MHz的整流二极管即RF-DC整流电路，一个电荷泵以及稳压电路，能够将射频信号转换成直流电压。电荷泵适用于超低电压应用，其振荡的起始电压低至0.35V。一旦震荡开始，存储电容开始充电，当电容充电至2.4V时，内部监控电路调整电容至负载。电荷泵充电的所需的时间周期取决于输入电压以及存储电容值。

如图3所示，所述的射频识别芯片1包括有依次串接的匹配网络11、解调电路12、数字基带电路13和调制电路14，其中，所述的匹配网络11的输入端连接所述贴片天线8的第一端口82，所述调制电路14的输出端连接所述匹配网络11的输入端。

如图4所示，所述的解调电路12包括有：依次串接的包络检波器121、低通滤波器122和迟滞比较器123，所述包络检波器121的输入端连接所述贴片天线8的第一端口82，所述迟滞比较器123的输出端连接所述数字基带电路13的输入端。

射频识别芯片1中没有内部电源，它所需的能源是利用RF-DC整流电路将阅读器所发射的射频信号转换成直流信号。解调电路用来对从阅读器接收到的命令进行解调，数字基带电路作为标签的核心部分，对阅读器的命令进行解码，并根据EPC-G-2空间接口协议作出相应的反应。调制电路被用来将标签的反应通过反向散射的方式发射给阅读器。