专利名称：利用rfid标签实现的一种无线传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器，尤其是一种利用RFID标签实现的一种无线传感器。
背景技术：
无线传感器网络由数十、数百，甚至上千个分散布置的传感器组成，来监控物理或者环境变量。每个传感器都是一个节点，多个传感器通过不同的拓扑结构连接起来，构成网络，拓扑结构可以有多种，如星型，网格型等等。其上层协议还有路由、接力及防数据溢流等功能。无线传感器的基本结构包括RF收发机，天线，微处理器，传感器接口，电源(电池或电源收获装置)。无线传感器网络技术是最近10年来随着无线技术的发展，应用，而发展起来的。目前IEEE802. 15. 4为主要技术标准，定义了低速率无线个人局域网(WPAN)的物理层，和媒体访问控制层的协议。标准根据地域不同，采用3个频段
868. 0-868. 6 MHz:欧洲。902-928 MHz:北美。2400-2483. 5 MHz:全球。其基本的通信范围为10米左右。在此标准基础上有ZigBee，Wireless HART,ISAlOO等标准定义具体的应用方向，及网络其它层的协议。另外的一系列标准IEEE21451，则定义网络化，智能化传感器接口协议，如电子表单格式，传感器自动校准，等等，该套标准侧重于传感器网络，而并非指定有线，或无线。其中最新的标准IEEE21451. 7定义了 RFID和传感器的通信协议，电子表单格式。
上述各系列标准的实施，基本上可以涵盖从传感器接口，到OSI 7层协议的所有方面，是个全面解决方案。当前各种解决方案的主要问题是成本，基于802. 15. 4基础上的传感器网络，都是有源传感器，其可靠性，维护需求，复杂程度都导致成本过高，是制约其广泛应用的最大问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种利用RFID标签实现的无线传感器，用低成本RFID标签，结合市场现有的Ι-wire数字传感器，使其成为无线传感器。和专用无线传感器模块相比，RFID标签技术成熟，成本极低。按照本发明提供的技术方案，利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签，所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPR0M，所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连，信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器，冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPROM,寄存器的输入端连接EEPR0M，寄存器的输出端连接计数器，本发明还包括Ι-wire状态机模块，I-wire状态机模块的输入端连接EEPROM，Ι-wire状态机模块的输出端连接寄存器，并通过所述信号处理电路连接天线，所述寄存器与Ι-wire传感器连接；在EEPROM中存储l_wire命令查询表，根据Ι-wire协议的要求,I-wire状态机模块按顺序从EEPROM中读取需要向l_wire总线上发出的命令，然后驱动Iiire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器；在冲突检测单元探测到无冲突之后，RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。所述Ι-wire命令查询表包括的命令有l_wire处理终止命令、l_wire总线数据读取命令、所连接传感器ROM的ID ;Ι-wire状态机工作过程如下遵循RFID标准协议，向RFID读写器发送RFID标签的ID，发送完成之后，Ι-wire状态机模块被激活；l-wire状态机模块首先输出复位与检测信号，检测总线上是否有传感器，如果探测到传感器，则开始按顺序读取Ι-wire命令查询表中储存的命令,从索引O开始，l_wire状态机模块按照l_wire信号标准输出命令到总线上；如果读取的命令是Ι-wire处理终止命令,表示命令结束，I-wire状态机模块从寄存器中读取传感器数据，经信号处理电路和天线发送到RFID读写器；如果读取的命令不是Ι-wire处理终止命令,I-wire状态机模块读取l_wire命令查询表的下一条命令继续操作。所述Ι-wire处理终止命令用Oxff标示，I-wire总线数据读取命令用0x0标不O所述Ι-wire状态机模块内部包括=EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/o接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPR0M，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接1/0接口电路，1/0接口电路还连接寄存器组；使能信号激活整个Ι-wire状态机模块，在时钟控制下，Ι-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中，每个字读取完成后，输入到比较与判断电路，以判断是否为特殊命令包括Ι-wire复位命令、读取时间段命令,若非特殊命令，则该命令输入到移位寄存器中，1/0接口电路把每个数位按照Ι-wire总线的信号协议输出到Ι-wire总线上；若为读取时间段命令，则1/0接口电路按l_wire总线信号协议输出读取时间段命令，然后1/0接口电路把Ι-wire总线上的数据读入到寄存器组，该数据的信号输出到RFID标签。本发明的优点是利用了现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能，传感器数据的读取可通过现有的RFID读写器，通过适当的应用程序来实现，而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(Ι-wire)传感器类型，及拓扑结构，不需对传感器做改动而把传统传感器转变为无线传感器网络。
图I是典型被动RFID标签结构框图。图2是带有传感器接口的RFID标签电路框图。图3是本发明的应用模式一。图4是本发明的应用模式二。图5是本发明的应用模式三。图6是Ι-wire状态机流程图。
图7是Ι-wire状态机实施例的功能框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明采用远场(far field)甚高频，或者微波频段的RFID技术，被动标签采用后向散射对信息进行调制。在标准RFID标签电路的基础上，做一些改动，从而实现与I-wire传感器的接口。RFID标签由天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM构成，图I是一种典型RFID标签结构框图。被动标签没有电源，其前端电路从RFID读写器的射频信号中获取电源，由整流、稳压、复位(生成P0R，加电复位信号)等电路构成。通常，RFID标签数字电路由数千个门电·路构成，更高级些的RFID标签还包括一些基本的安全性机制。其存储装置EEPROM通常只存储标识信息。数字部分的冲突检测单元，是最复杂和最重要的部分，因为不仅这个单元要实现随机冲突防止算法，还要实现内容的读/写操作。本发明，对典型RFID电路进行修改，添加Ι-wire协议接口及状态机逻辑电路。如图2所示。和图I的典型RFID标签框图比较，本发明增添了一个功能模块，即“l-wire状态机”模块，另外，还增加了 EEPROM中的存储内容，其内容为”l_wire命令查询表”。其基本功能，是根据Ι-wire协议的要求,状态机按顺序从EEPROM中读取需要向l_wire总线上发出的命令，然后驱动Iiire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器。单纯的RFID标签在冲突检测单元探测到无冲突之后，向读写器发送EEPROM中储存的ID，对于本发明的应用，标签在发送了 EEPROM中的ID之后，还要向读写器发送读取的传感器数据。所以读写器的应用程序，要做适当的修改以接收传感器数据，这方面的实现不在本发明的考虑范围之内。对于上述集成有传感器接口的RFID标签，可以有3种应用
I、单一标签外接单一传感器，如图3所示。2、单一标签和单一传感器集成到同一芯片上，如图2所示。3、单一标签外接多个传感器,通过Ι-wire总线连接到一起,如图3所示。其中，应用1，适用范围广泛，可以和多种传感器结合。应用2，成本低，因为是集成解决方案，但每个标签支持单一固定传感器，所以不很灵活。应用3，适合于小范围内的多点监控/测量应用，但要对各传感器提供外接电源。下面描述电路结构与实施例。本发明采用Ι-wire状态机来实现与传感器的通信，状态机的作用为
Ι-wire总线的初始化和检测。·生成和发送ROM命令对Ι-wire传感器进行寻址操作。· 按顺序读取和发送EEPROM中存储的传感器特定l_wire命令。为了增强应用灵活性，和传感器兼容性，本发明采用Ι-wire命令查询表，预存储需要状态机发送的Ι-wire命令，Ι-wire命令查询表是RFID的EEPROM内容的一部分。显然，对于不同的应用模式，其命令查询表内容不会相同，本发明要求EEPROM可读写，在确定了应用模式之后，使用RFID读写器对EEPROM内容进行写操作，从而把特定的l_wire查询表内容写入。每个Ι-wire命令的长度为一个字节。除了传感器特定的l_wire命令之外，查询表包括以下共有的命令
I-wire处理终止命令,用Oxff标示。·Ι-wire总线数据读取命令,用0x0标示。· 对于应用模式1(图3)，和应用模式2(图4)，存储8个字节的传感器R0MID。·对于应用模式3 (图5)，存储8Xn个字节的传感器ROM ID，其中η为Ι-wire总线上传感器的个数。图6描述了状态机的流程图。如图6所示，Ι-wire状态机工作过程描述如下 遵循RFID标准协议，向RFID读写器发送其ID，发送完成之后，I-wire状态机电路被激
活
状态机首先输出复位与检测信号，检测总线上是否有传感器。· 如果状态机探测到传感器，则开始按顺序读取Ι-wire命令查询表中储存的命令，从索引O开始。· 状态机按照Ι-wire信号标准输出命令到总线上。· 如果读取的命令是OxFF，表示命令结束，状态机从寄存器中读取传感器数据到奇偶校验/编码电路，从而发送到RFID读写器。·如果读取的命令不是OxFF，状态机将命令查询表加I，既读取下一条命令继续操作。Ι-wire命令查询表实例。下面以应用模式I，外接DS18S20，l_wire数字温度传感器为实例，说明命令查询表存储内容。实例中，假设 64 位 ROM ID 用 xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx 表不。表I Ι-wire命令查询表实例
索引I内容I索引I内^
0_0x55 7_Oxxx
1Oxxx 8 Oxxx
2Oxxx 9 Oxxx
3Qxxx 10 0x44
4Qxxx 11 QxBE
5Oxxx 12 0x00
6Oxxx 13 OxFF
针对表一实例，状态机在复位/传感器探测完成后，将执行以下命令序列从传感器中读取温度数据
I.发送MATCH ROM命令0x55，对传感器寻址。2. 发送8个字节的传感器ROM ID。3. 发送CONVERT T命令0x44，执行温度数据转换。4. 发送READ SCRATCH PAD 命令 OxBE，从SCRATCH REGISTER 中读取温度数据。5. 命令标示0x00，通知状态机发送“读取时间段”到Ι-wire总线。6. 读取传感器数据。
7. 命令标示OxFF,通知状态机处理结束,对Ι-wire总线复位。图7给出一种Ι-wire状态机模块的功能框图，包括EEPROM接口电路、寄存器、t匕较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPR0M，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接I/O接口电路，I/O接口电路还连接寄存器组。在图7的实例中，使能信号0NE_WIRE_EN激活整个l_wire状态机模块。在时钟SYS_CLK控制下，Ι-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中，每个字读取完成后，输入到判断与比较电路，以判断是否为特殊命令(Ι-wire复位命令，或“读取时间段”命令);若非特殊命令字，则该命令输入到移位寄存器中，1/0接口电路把每个数位按照Iiire总线的信号协议输出到Ι-wire总线上。若命令字为“读取时间段”命令，则1/0接口电路 按Ι-wire总线信号协议输出“读取时间段”命令，然后1/0接口电路把Ι-wire总线上的数据读入到寄存器组。该数据通过0NE_WIRE_DATA信号输出到外部(RFID寄存器)，数据的发送由标准RFID标签电路提供，不是本发明内容。关于电源，本发明可用既可用于被动标签，又可用于主动标签。被动标签的应用更为灵活，受空间限制小，不需要电源线，但由于标签电路要驱动额外的状态机电路，和外接的传感器电路，所以在具体实现上要考虑RF能量是否足够提供所需电源。与Ι-wire传感器接口时，Ι-wire传感器有2种工作模式1.外接电源模式；2.寄生电源模式。采用第一种模式时，外接电源只提供电源给传感器，而不提供电源给标签。标签所需的电源不会因为外接传感器而增加而显著的增加。采用第二种模式时候，标签和传感器所需电源完全由RF能量收获来提供。市场现有的Ι-wire传感器中，有一部分支持“寄生电源”模式，既传感器直接从数据线上获得电源。本发明采用在被动标签和传感器上集成大容量电容，RFID读写器在读取传感器数据之前，向标签发送足够时间的preamble序列，内部电路回收RF能量,保持Ι-wire总线高电平状态，以对电容进行充电。
权利要求
1.利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签，所述RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM，所述天线与射频前端电路和信号处理电路相连，信号处理电路与冲突检测逻辑电路、EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路与EEPROM相连，所述冲突检测逻辑电路包括冲突检测单元、计数器、寄存器，冲突检测单元的输入端连接所述计数器、EEPR0M，寄存器的输入端连接EEPR0M，寄存器的输出端连接计数器，其特征是还包括Ι-wire状态机模块，Ι-wire状态机模块的输入端连接EEPR0M，Ι-wire状态机模块的输出端连接寄存器，并通过所述信号处理电路连接天线，所述寄存器与Ι-wire传感器连接；在EEPROM中存储l_wire命令查询表,根据l_wire协议的要求，Ι-wire状态机模块按顺序从EEPROM中读取需要向l_wire总线上发出的命令，然后驱动Ι-wire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器；在冲突检测单元探测到无冲突之后，RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。
2.如权利要求I所述利用RFID标签实现的一种无线传感器，其特征是，所述1-wire命令查询表包括的命令有Ι-wire处理终止命令、l_wire总线数据读取命令、所连接传感器ROM的ID ； Ι-wire状态机工作过程如下遵循RFID标准协议，向RFID读写器发送RFID 标签的ID，发送完成之后，Ι-wire状态机模块被激活；l_wire状态机模块首先输出复位与检测信号，检测总线上是否有传感器，如果探测到传感器，则开始按顺序读取Ι-wire命令查询表中储存的命令，从索引O开始，Ι-wire状态机模块按照Ι-wire信号标准输出命令到总线上；如果读取的命令是Ι-wire处理终止命令，表示命令结束，Ι-wire状态机模块从寄存器中读取传感器数据，经信号处理电路和天线发送到RFID读写器；如果读取的命令不是I-wire处理终止命令,I-wire状态机模块读取l_wire命令查询表的下一条命令继续操作。
3.如权利要求2所述利用RFID标签实现的一种无线传感器，其特征是，所述Ι-wire处理终止命令用Oxff标示，I-wire总线数据读取命令用0x0标示。
4.如权利要求I所述利用RFID标签实现的一种无线传感器，其特征是，所述1-wire状态机模块内部包括=EEPROM接口电路、寄存器、比较与判断电路、移位寄存器、计数器、I/O接口电路、寄存器组，寄存器通过EEPROM接口电路连接EEPR0M，寄存器连接比较与判断电路的输入端，比较与判断电路的输出端通过计数器连接EEPROM接口电路，比较与判断电路的输出端还连接移位寄存器，移位寄存器的输出端连接1/0接口电路，1/0接口电路还连接寄存器组；使能信号激活整个Ι-wire状态机模块，在时钟控制下，Ι-wire状态机模块从EEPROM中读取命令字到寄存器中，每个字读取完成后，输入到比较与判断电路，以判断是否为特殊命令包括Ι-wire复位命令、读取时间段命令,若非特殊命令,则该命令输入到移位寄存器中，1/0接口电路把每个数位按照Ι-wire总线的信号协议输出到l_wire总线上；若为读取时间段命令，则1/0接口电路按Iiire总线信号协议输出读取时间段命令，然后I/O接口电路把Ι-wire总线上的数据读入到寄存器组，该数据的信号输出到RFID标签。
全文摘要
本发明公开了利用RFID标签实现的一种无线传感器，包括RFID标签和1-wire状态机，RFID标签包括天线、射频前端电路、信号处理电路、冲突检测逻辑电路，以及EEPROM，1-wire状态机的输入端连接EEPROM，输出端连接寄存器，并通过信号处理电路连接天线，寄存器与1-wire传感器连接；在EEPROM中存储1-wire命令查询表，状态机按顺序从EEPROM中读取命令，然后驱动1-wire总线，执行读取传感器数据的功能，读取的数据存入寄存器；冲突检测单元探测到无冲突之后，RFID标签向读写器发送EEPROM中储存的ID以及读取的传感器数据。优点是利用现有的低成本RFID标签电路实现了无线传感器网络的功能，传感器数据的读取通过现有的RFID读写器，而不需要专用的传感器读取设备。支持多种(1-wire)传感器类型及拓扑结构。
文档编号G06K19/07GK102722744SQ201210168490
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者孙雷 申请人:无锡里外半导体科技有限公司