超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)及其信號(hào)處理方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，由超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器兩部分組成；電子標(biāo)簽包括一個(gè)光電二極管、限幅放大器、無(wú)源高通濾波器、信號(hào)比較器、微瓦功耗的微處理器A和LED；所述讀卡器包括一個(gè)光接收器、微瓦功耗的微處理器B、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列；工作時(shí)讀卡器將要查詢的標(biāo)簽ID碼調(diào)制后通過(guò)LED陣列發(fā)送出去；當(dāng)讀卡器發(fā)出的光信號(hào)被電子標(biāo)簽接收到以后，經(jīng)過(guò)標(biāo)簽內(nèi)部的放大、調(diào)理和比較，由電子標(biāo)簽上的微瓦功耗的微處理器A進(jìn)行判斷；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID不同時(shí)，標(biāo)簽不做反應(yīng)；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID相同時(shí)，標(biāo)簽上的LED被點(diǎn)亮，同時(shí)可通過(guò)該LED向讀卡器發(fā)送信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)及其信號(hào)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于智能電子標(biāo)簽領(lǐng)域，涉及一種可隨意調(diào)節(jié)識(shí)別范圍的超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，還涉及該系統(tǒng)的信號(hào)處理方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]RFID無(wú)線射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，操作快捷方便。
[0003]RFID標(biāo)簽已經(jīng)是很成熟的技術(shù)了，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。被動(dòng)RFID標(biāo)簽利用天線與讀卡器發(fā)出的射頻電磁場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的供電與讀寫(xiě)，沒(méi)有內(nèi)部供電電源，價(jià)格低廉，體積小巧。雖然無(wú)源RFID標(biāo)簽理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間工作，但RFID的特點(diǎn)使其在某些特定場(chǎng)合難以應(yīng)用。例如，距離金屬太近會(huì)影響天線的性能，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊需要較大尺寸的天線，同時(shí)由于工作的頻段為開(kāi)放頻段，標(biāo)簽通信信道很擁擠，也容易受到干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，克服了 RFID標(biāo)簽天線尺寸大，標(biāo)簽通信信道容易受到干擾的缺陷。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于:由超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器兩部分組成。
[0006]進(jìn)一步的，所述電子標(biāo)簽包括一個(gè)光電二極管、限幅放大器、無(wú)源高通濾波器、信號(hào)比較器、微瓦功耗的微處理器A和LED ;光電二極管用于接收讀卡器發(fā)出的光信號(hào)；限幅放大器、無(wú)源高通濾波器和信號(hào)比較器依次對(duì)接受的光信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理和比較，微處理器A用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，LED用于發(fā)出指示信號(hào)外，還可向讀卡器發(fā)送調(diào)制數(shù)據(jù)的光信號(hào)。
[0007]進(jìn)一步的，所述讀卡器包括一個(gè)光接收器、微瓦功耗的微處理器B、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列；LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列用于向電子標(biāo)簽發(fā)送光信號(hào)，微處理器B用于對(duì)要發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行編碼與調(diào)制，同時(shí)負(fù)責(zé)處理接收的電子標(biāo)簽反饋信號(hào)，光接收器用于接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)。
[0008]進(jìn)一步的，工作時(shí)讀卡器將要查詢的標(biāo)簽ID碼調(diào)制后通過(guò)LED陣列以光的形式發(fā)送出去；當(dāng)讀卡器發(fā)出的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光信號(hào)被電子標(biāo)簽接受到以后，經(jīng)過(guò)標(biāo)簽內(nèi)部的放大、調(diào)理和比較步驟，由電子標(biāo)簽上的微處理器A進(jìn)行判斷；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID不同時(shí)，標(biāo)簽不做反應(yīng)，進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID相同時(shí)，標(biāo)簽上的LED被點(diǎn)亮，同時(shí)通過(guò)該LED向讀卡器發(fā)送信號(hào)。
[0009]進(jìn)一步的，讀卡器的光束照射范圍利用透鏡組進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)。
[0010]進(jìn)一步的，當(dāng)讀卡器未發(fā)出查詢信號(hào)時(shí)，電子標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，當(dāng)讀卡器發(fā)出查詢信號(hào)后，標(biāo)簽開(kāi)始激活。
[0011 ] 進(jìn)一步的，標(biāo)簽采用紐扣電池和太陽(yáng)能電池供電。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
[0013](I)克服了傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽系統(tǒng)天線面積較大、使用環(huán)境受限以及識(shí)別范圍無(wú)法隨意調(diào)整的缺點(diǎn)；(2)解決傳統(tǒng)光學(xué)標(biāo)簽，如條形碼和二維碼識(shí)別速度慢的缺點(diǎn)；(3)彌補(bǔ)傳統(tǒng)智能電子標(biāo)簽功耗大、供電困難的不足。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0014]圖1是本發(fā)明的電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的信號(hào)限幅放大電路圖；
【具體實(shí)施方式】:
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，由超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器兩部分組成。電子標(biāo)簽包括一個(gè)光電二極管、限幅放大器、無(wú)源高通濾波器、信號(hào)比較器、微瓦功耗的微處理器A和LED ;光電二極管用于接收讀卡器發(fā)出的光信號(hào)；限幅放大器、無(wú)源高通濾波器和信號(hào)比較器依次對(duì)接收的光信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理和比較，微瓦功耗的微處理器A用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，LED用于發(fā)出指示信號(hào)，同時(shí)可向讀卡器發(fā)送光信號(hào)。讀卡器包括一個(gè)光接收器、微瓦功耗的微處理器B、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列；LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列用于向電子標(biāo)簽發(fā)送光信號(hào)，微處理器B用于將輸入的要查詢標(biāo)簽ID進(jìn)行編碼與調(diào)制，同時(shí)處理接收的電子標(biāo)簽信號(hào)，光接收器用于接受電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)。
[0018]實(shí)施例
[0019]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。讀卡器上的光電二極管采用Sharp公司的PD100MC0MP。微處理器B采用TI的MSP430F122和一個(gè)內(nèi)部RC振蕩器。該微處理器B在最深睡眠模式下的靜態(tài)工作電流為ΙΟΟηΑ，因此可以降低功耗。讀卡器發(fā)出的調(diào)制光信號(hào)會(huì)弓I起標(biāo)簽上光電二極管中產(chǎn)生電流，用于喚醒標(biāo)簽上微處理器A。為了避免環(huán)境光和低頻照明光的影響，光電二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)會(huì)被通過(guò)無(wú)源RC高通濾波器調(diào)理后，由LTC1540納瓦功率比較器與內(nèi)部參考電壓對(duì)比。在照明充分時(shí)，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干凈的數(shù)字門(mén)信號(hào)，因此不需要線性放大器，降低了系統(tǒng)功耗。比較器產(chǎn)生喚醒微處理器A的中斷命令。一旦微處理器A被喚醒，會(huì)將收到的編碼與存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的識(shí)別碼對(duì)比。如果兩個(gè)碼相同，這時(shí)就會(huì)驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽上的綠色LED閃動(dòng)一段時(shí)間，表明標(biāo)簽被找到。
[0020]讀卡器調(diào)制信號(hào)頻率為10kHz，可以滿足快速識(shí)別的需要。為了增加識(shí)別距離和光斑尺寸，讀卡器部分采用了高密度LED陣列，其中包含了 20個(gè)紅色LED，這些LED分為4行排列，每行有5個(gè)LED。在正常工作模式下，該LED陣列的工作電壓為12-13V，工作電流為350-450mA。由于普通的硅光電探測(cè)器對(duì)紅外光的響應(yīng)更強(qiáng)烈，因此該LED陣列發(fā)出近紅外的845nm光,該光與F1DlOOM光電二極管的最高敏感峰匹配很好。LED陣列每一行的最后一個(gè)LED為一個(gè)可見(jiàn)的超亮紅LED。這樣做可以為用戶提供視覺(jué)反饋，使其更容易將讀卡器與標(biāo)簽對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)在系統(tǒng)調(diào)試中也有用，使得讀卡器與標(biāo)簽通訊是否成功變得顯而易見(jiàn)。
[0021 ] 為了增加識(shí)別距離，在標(biāo)簽的電路中增加了一個(gè)TI的0PA349運(yùn)算放大器，來(lái)為比較器之前的信號(hào)提供增益，盡管這會(huì)增加標(biāo)簽的功耗，但該運(yùn)算放大器的最大穩(wěn)態(tài)電流為2uA，因此不會(huì)對(duì)標(biāo)簽上的電源使用壽命產(chǎn)生太大影響。由于光電二極管的輸出電流在不同照度情況下差別很大，因此采用了對(duì)數(shù)限幅放大器。該放大器可以根據(jù)接收的讀卡器光信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)整其增益，如圖2所示為信號(hào)限幅放大電路。
[0022]經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)在送到微處理器A前需要經(jīng)過(guò)納瓦功率的比較器的識(shí)別。微處理器A采用32針QFN封裝的MSP430F112HBR，具有電路布局超小和功耗超低的特點(diǎn)。內(nèi)部的數(shù)控振蕩器采用了外部晶振，使電路尺寸與功耗達(dá)到最小。微處理器A內(nèi)部的數(shù)控振蕩器從低功耗模式的喚醒時(shí)間僅為6us。為了增加供電電路的穩(wěn)定性，采用了一個(gè)TI的TPS3836電壓管理芯片。該電壓管理芯片的工作電流小于0.5uA，因此其對(duì)標(biāo)簽功耗的影響可以忽略。為了對(duì)微處理器A進(jìn)行重新編程，還連接了一個(gè)Molex的扁平電纜連接器。
[0023]由于放大后的光電二極管信號(hào)通過(guò)AC耦合方式經(jīng)過(guò)高通濾波器送到比較器，因此編碼方式必須是零平衡的，其中不許有一些充當(dāng)I位的O位。本專(zhuān)利中通過(guò)雙相曼徹斯特碼實(shí)現(xiàn)，其中對(duì)于每一個(gè)信息位，讀卡器發(fā)送兩個(gè)位，即“ 10”表示邏輯1，“01”表示邏輯O。通過(guò)這種方式將數(shù)據(jù)傳輸速率降低了一半，但仍然能夠傳輸5Kbps的信號(hào)，足夠在幾微妙的時(shí)間內(nèi)傳輸4字節(jié)碼，因此也足夠快速光束掃描的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼的信號(hào)被放進(jìn)一個(gè)RS-232串行通信打包器，使得微處理器B和標(biāo)簽可通過(guò)其UART模塊發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。通過(guò)增加這樣的抽象層，增加了系統(tǒng)的可用性和魯棒性(例如，MSP430串口處理器可實(shí)施錯(cuò)誤檢測(cè))，并可以利用其先進(jìn)性能，如“接收開(kāi)始邊探測(cè)”等，其中可以存放足夠長(zhǎng)的初始字節(jié)，以等待微處理器A從低功耗休眠模式喚醒，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。一旦收到一個(gè)字符后，標(biāo)簽的微控制器A可以驗(yàn)證它是否是框架的邊界。如果是，微控制器會(huì)根據(jù)前面所述的逆過(guò)程對(duì)接收來(lái)的字符進(jìn)行解碼。MSP430僅在它的UART接到一串有效數(shù)據(jù)的有效字并產(chǎn)生中斷后才會(huì)被激活。盡管在存在快速亮光變化時(shí)(例如，室內(nèi)亮度快速開(kāi)關(guān)時(shí))會(huì)產(chǎn)生誤轉(zhuǎn)換，但誤激活發(fā)生的概率會(huì)非常低。
[0024]標(biāo)簽電路板的尺寸為12_，因此其封裝尺寸主要由電池決定。讀卡器基于一個(gè)改造的手電筒，可通過(guò)添加的鍵盤(pán)輸入要查詢的標(biāo)簽ID碼。距離該讀卡器幾米范圍內(nèi)且位于90度錐形立體角范圍的標(biāo)簽都可以進(jìn)行讀取，當(dāng)標(biāo)簽距離為Sm時(shí)，可讀取的錐形立體角減小為45度。讀卡器采用兩個(gè)2.15A-h/7.4V鋰離子可充電電池供電。
[0025]為了允許標(biāo)簽與讀卡器之間進(jìn)行通訊，即增加了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈，可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。第一種方法是在標(biāo)簽上多用了一個(gè)紅外LED，用來(lái)以37KHz的頻率發(fā)送放大的幅移鍵控?cái)?shù)據(jù)。讀卡器上使用一個(gè)集成的PNA4613紅外接收器模塊。該數(shù)據(jù)鏈支持I米范圍內(nèi)標(biāo)簽與讀卡器之間以1200bps速率的通信。這樣的通信速率足夠在60ms內(nèi)發(fā)送包含有框架字節(jié)和6個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。第二種方法利用綠色可見(jiàn)光LED，通過(guò)如前所述的曼徹斯特編碼方式將數(shù)據(jù)調(diào)制到1kHz的載波上，可以在幾厘米距離內(nèi)與實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與讀卡器之間的通信。由于利用對(duì)講機(jī)制是為了解決包括查詢特定標(biāo)簽在內(nèi)的系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)的問(wèn)題，因此近距離操作更加適合。這兩種方式中，標(biāo)簽都在讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)包的間隙發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，這時(shí)讀卡器的LED是滅的。。
[0026]盡管采用信號(hào)驅(qū)動(dòng)喚醒方法會(huì)將標(biāo)簽工作電流降到最低，因此可采用太陽(yáng)能電池供電。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池在典型辦公室照明條件下能夠產(chǎn)生10-100uW/Cm2的電力計(jì)算，通過(guò)6.5cm2太陽(yáng)能電池從環(huán)境光中獲得的電力累積起來(lái)，標(biāo)簽就可以在LED關(guān)閉的情況下得到6-60%的工作時(shí)間，在LED開(kāi)啟的情況下標(biāo)簽可工作2-20%的時(shí)間。這樣，在太陽(yáng)能電池供電下，24小時(shí)內(nèi)，系統(tǒng)可以獲得無(wú)LED工作的90分鐘工作時(shí)間，或者有LED工作的30分鐘工作時(shí)間。這對(duì)標(biāo)簽工作來(lái)講，完全足夠了，因?yàn)榧词箻?biāo)簽匹配時(shí)，有LED工作的時(shí)間也僅為I秒，標(biāo)簽不匹配時(shí)，標(biāo)簽工作時(shí)間更短。
[0027]本發(fā)明未做詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，其特征在于:由超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器兩部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，其特征在于:所述電子標(biāo)簽包括一個(gè)光電二極管、限幅放大器、無(wú)源高通濾波器、信號(hào)比較器、微瓦功耗的微處理器A和LED ;光電二極管用于接收讀卡器發(fā)出的光信號(hào)；限幅放大器、無(wú)源高通濾波器和信號(hào)比較器依次對(duì)接受的光信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理和比較，微處理器A用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，LED用于向讀卡器發(fā)送光信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)，其特征在于:所述讀卡器包括一個(gè)光接收器、微瓦功耗的微處理器B、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列；LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列用于向電子標(biāo)簽發(fā)送光信號(hào)，微處理器B用于將要查詢標(biāo)簽編號(hào)進(jìn)行編碼與調(diào)制，同時(shí)處理光接收器接收到的信號(hào)，光接收器用于接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)。
4.一種權(quán)利要求1所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，其特征在于:工作時(shí)讀卡器將要查詢的標(biāo)簽ID碼調(diào)制后通過(guò)LED陣列以光的形式發(fā)送出去；當(dāng)讀卡器發(fā)出的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光信號(hào)被電子標(biāo)簽接受到以后，經(jīng)過(guò)標(biāo)簽內(nèi)部的放大、調(diào)理和比較步驟，由電子標(biāo)簽上的微處理器A進(jìn)行判斷；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID不同時(shí)，標(biāo)簽不做反應(yīng)，進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)讀卡器發(fā)出的查詢ID與標(biāo)簽內(nèi)置ID相同時(shí)，標(biāo)簽上的LED被點(diǎn)亮，同時(shí)通過(guò)該LED向讀卡器發(fā)送信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，其特征在于:讀卡器的光束照射范圍利用透鏡組進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，其特征在于:當(dāng)讀卡器未發(fā)出查詢信號(hào)時(shí)，電子標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，當(dāng)讀卡器發(fā)出查詢信號(hào)后，標(biāo)簽開(kāi)始激活，并在處理完該次查詢?nèi)蝿?wù)后，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超低功耗光激活電子標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，其特征在于:標(biāo)簽采用紐扣電池和太陽(yáng)能電池供電。
【文檔編號(hào)】G06K19/077GK104036316SQ201410251984
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】馬中發(fā) 申請(qǐng)人:杭州沃樸物聯(lián)科技有限公司