轮胎气压监测系统的制作方法

专利名称：轮胎气压监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆轮胎气压监测系统，并尤其涉及一种监测系统，其利用反向散射射频识别(RFID)传递来自轮胎上的一射频(RF)标签的轮胎气压信息到一远程阅读器。
背景技术：
众所周知，许多监测装置用于充气车辆轮胎，其测量轮胎中的压力并传输数据到一位于远处的接收器及操作界面。例如，在此结合艾文鲍姆(Ivenbaum)的美国专利No.3,713,092作为参考，其公开了一种传统的轮胎气压监测系统，该系统包括一圆柱状的探测器，该探测器可穿入地(threadably)与一轮胎阀杆接合并传递一响应轮胎低压状况的无线电信号到一位于远处的接收器。
在此传统监测系统中，附近安装的探测器通常包括一压力传感器，一电开关，一传感器装置，一发射器及一电池。工作中，压力传感器测量轮胎中的压力。当探测到低压状况时，起动电开关。传感器监控该电开关的位置为开或关，并且当传感器和开关处于低压状态时激活电池供电的发射器。当该发射器被激活时，发送多个RF信号到位于远处的接收器。该接收器电连接至位于操作间内的显示装置。
与这种类型的传统轮胎气压监测系统相关的缺点在于由于数据传送能量的需要，电池寿命非常有限。因此，未出现低压信号并不一定意味着轮胎气压是符合要求的。如果电池没电了，探测器失效，并且没有设置低压状况的警报。当低压状况发生时，发射器迅速耗尽电池上的电量并致使装置无法操作，这一事实使电池寿命的问题恶化。其他现有技术的装置在监测系统中结合一电池电量指示器，以在由于电量低或没电的电池引起的探测器失效时，提供用以通知操作者的机械装置。然而在这些装置中的电池寿命仍然有限，仍需要频繁地替换电池。
在托马斯(Thomas)等的美国专利No.4,734,674中公开了一种轮胎气压监测器试图通过在探测器装配中包含一个计数器来消除电池电力低的问题。探测器中的该计数器记录已被发送的编码信号脉冲的数目，并且，当已发送预定数目的信号脉冲时，发射器失效，由此保护电池。尽管电池寿命已被延长，但系统已经失效，并且，仅在感应到高压值或手动重启时系统才被激活。
与现有技术的轮胎气压监测系统相关的另一问题是难以确定压力低的轮胎。这个困难与大型商用车辆特别相关，这种商用车辆经常具有十八个或更多的轮子。传统的压力监测器仅显示已经遇到一个低压读数，但不识别经受低压的轮胎的位置。因此，操作者接收一低压信号后必须手动检查每一个轮胎，以确定低压信号的来源。
因此需要一种轮胎气压监测系统，其在一延长的时间周期允许附近感应并且远程监测轮胎气压，而没有与现有技术的装置相关的电池限制。此外，需要一种系统，其还能辨别车辆上哪个轮胎是经受低压的轮胎。

发明内容
本发明涉及一种监测轮胎气压的射频识别系统，其包括一阅读器、一半无源RF标签、一充气轮胎以及一压力传感器，该压力传感器与该轮胎功能连接并与该RF标签相联接。该压力传感器能够将轮胎压力读数传送至该RF标签，其能够依次通过调制反向散射以相应于与所述压力读数而将这些读数传递至该阅读器。这允许在自车辆的远距离处并且当车辆在行驶时，检查轮胎气压。
本发明还涉及一种确定轮胎内部压力的方法，其包括步骤采用一阅读器装置产生一RF信号；在该RF标签中接收该RF信号；使用一压力传感器测量轮胎内的压力；传递压力测量信号至一RF标签；调整该RF标签上的天线以编码在一被反射的RF信号中的压力信息；反射具有来自该RF标签的被编码的压力信息的调制信号；在该阅读器中接收来自该RF标签的该调制信号；以及解调来自该RF标签的信号并解码该信号中的编码信息。
本发明的特征及优点在于能够自离轮胎远处的位置确定充气不当的轮胎，由此允许监测该轮胎气压而不需要用压力计物理检查每一个轮胎。
本发明的另一特征和优点在于车辆行驶中能够确定充气不当的轮胎。
本发明的再一特征及优点在于能够同时确定有几个轮胎充气适当。此外，本发明允许用一个测量装置检查在不同车辆上的轮胎气压。因此，可以在一仓库或车库的控制室检查车队，以在车辆进入或离开该区域时查证所有轮胎都充气适当。这将减少事故的机会并减少与一商业车队的经营相关的责任。
本发明的又一特征及优点在于采用半无源RF标签传递轮胎气压信息，其具有比有源标签更长的寿命范围并能够传递比无源标签更大的范围。


图1示出了根据本发明的射频识别系统的一实施例的示意图，其包括一阅读器和一RF标签。
具体实施例方式
本发明涉及轮胎气压监测系统，其利用射频识别(RFID)技术来传送轮胎气压信息到一远程接收器。该系统在感应/发送位置不需为数据传送的目的设置一专门的电源，并且能够确定传感器的位置并接收压力读数。
使用无源或半无源RF识别系统从一个电“标签”读数在本领域是公知的，并且已经被用于如存货监测系统的应用中，如在卡朗德(Carrender)等的美国专利No.5,850,187及兰特(Landt)等的美国专利No.6,078,251中所述，二者在此都被参考结合。
典型地是，这样的一个系统包括一阅读器，也被称为雷达或收发器，用以产生一调制的或未被调制的射频询问信号，探测一从电标签返回的信号，以及一用以处理返回信号的信号处理器。在另一个实施例中，该RFID系统还包括一用户界面以初始化命令，及一用户显示器以传递与压力读数联系在一起的信息。
RF标签通过从阅读器接收一信号，处理该信号，然后反射能量回到该阅读器(反向散射)来进行操作。在同样的应用中，使用两类RFID装置，即，无源的和半无源的。无源RF标签通过从阅读器接收能量并存储能量，直到已接收足够的能量运行标签上的电子元件来进行操作。一旦满足能量阈值，该标签就调整天线特性来反射部分能量返回至阅读器。该阅读器接收该反射能量，从而以智能的方式显示被发送的部分能量正在返回。
无源RF标签可以感应地或通过一直接电场进行操作。最普遍的为感应RF标签，其典型工作在13.25MHz的频率。较新的RF标签已工作在更高的频率，允许他们实际上变成为电容性的，并利用远场效应。这些较新的标签能工作在915MHz或2.45GHz，然而他们典型的范围仍限制在3米左右。
第二种标签还包括一电源，如电池，以提供电力于板上(onboard)的电子元件。着重注意的是，在这个系统中电池不用来传递信号，而仅仅运行位于RF标签上的电子系统。由于电池供电给板上电路，该阅读器仅需要发送足够的能量以警报RF标签，然后反射回该阅读器。这大大提高系统的范围，因为在上述无源RF标签中，板上电子元件使用大部分能量，留下很少用以反射回该阅读器。该系统使用一电池运行板上电子元件被称为半无源RF标签。这些系统通常工作在900MHz及2.45GHz的频段，并且在一些应用中具有超过100米的工作范围。这是本发明采用的RF标签的优选实施例。
本发明采用的一典型阅读器如图1所示，由于这些装置以相同的原理工作，所以他们经常被称为雷达。一振荡器110产生一频率在RF标签200的工作频段内的信号。为了与RF标签200相联接，该信号的频率通过一频率调制器120调节。输出信号通过调制而被编码，并发送指令到该RF标签。为了获得低成本，包括简单元件的标签优选为一简单的调制配置。最佳的调制配置为双相调制。调制后信号被分成多个部分。一部分信号在功率放大器130中放大并经天线140传送。其他的信号被送至在阅读器接收侧的解调器160。
该半无源RF标签包括一天线210，其被调整为吸收预定频段内的能量；整流信号的二极管探测器220，其将无线电信号转化为电压；以及比较器230，其将来自二极管探测器220的电压与一设定电压或激活电压相比。一电池(未示出)供电给这些电子元件，由此消除从阅读器接收及存储的用以操作板上电子元件的能量的需求。
当合适的激活电压被RF标签接收，表明该阅读器正在传送一信息需求，比较器230发信号到微控制器240，其记录能量撞击天线的时间长短及其何时停止。该微控制器240使用这个数据确定信号的调制，并对自阅读器发送的信息进行解码。
一旦阅读器100发送已调制命令，阅读器中的调制器120就关闭，并且阅读器100传送未调制的能量到RF标签200。RF标签200将该未调制的信号传递回阅读器100。
反射能量的形式将根据压力传感器250的输入而变化。RF标签200通过调整或不调整其天线210来更改反射能量。在本发明的一个实施例中，RF标签的天线210通过调整天线接地而被调整，这导致反射信号振幅的轻微波动。如公知技术一样，来自RF标签的信息可经多个预定天线的调整配置被传送至该阅读器。
在一个实施例中，如果RF标签根据上述实施例，正在调整其天线，反射能量将具有相应于调整频率的双边带。如果RF标签未调整其天线，能量将未经调制地反射回该阅读器。此外该标签可通过时间间隔地开和关其天线的调整频率来使用双相调制。根据预定格式调整天线使得RF标签能够通过反射能量将压力状况和其他信息传送回该阅读器。除了压力状况之外，RF标签可传递象电池中可获得的能量这样的信息操作标签上的电子元件。
阅读器100接收以调制或未调制的形式从RF标签反射或者反向散射的能量。然后阅读器100采用从放大器和天线之前的振荡器分离出来的第二部分信号，并混合该信号与从该标签接收到的信号。分离的波形为阅读器接收的从该标签返回的一个信号的复制信号，其仅仅是振幅不同并且具有一个由于传送至该标签并反射回来花费的时间而引起的小延迟。两个信号的混合去掉了载波，并且仅留下当标签调整其天线时的调制信号或当标签未调整其天线时的DC偏移。基于标签调制时间长度提取信息，即压力读数，然后不进行调制。产生的信号可被数字化并进行数据显示或其他的报告方式。此外根据阅读器可识别的预定码，经由一系列反向散射能量的调制和未调制，可传递任何信息。
由于波效应，阅读器自标签的距离有时将导致偶然的相消干涉。该现象在当两列波相遇并彼此互相抵消时发生。在本发明中，来自该振荡器的用于向下转换输入信号和输入的反射信号的信号可能彼此相互抵消，以至无信号被解调器接收。这在特定距离处产生了一个空值或盲点，此处该阅读器不能处理反射的RF标签信号。该空值将根据波长而改变，以至每一个频率在每一特定位置处的半波长具有一个空值。因此这些空值将会出现在信号传播的每个半波长的距离处，这样信号传送将从一理想的反射进行到每四分之一波长处无信号。
该问题通过移动用于向下转换的该接收信号的信号90度解决，由此一四分之一波长产生两个信道偏移。因此，一个信号进入信号分配器170，分离为0和90度偏移的两个信号。然后该解调器能够混合从标签接收的信号及信道延迟0度和90度的各信号。这保证如果一个信道被输入信号完全无效，那么另一个信道产生一个完整的复制。在本发明的另一个实施例中，频率偏移被用来解决波相消的问题。该阅读器遍及整个光谱从一个频率跳跃到另一个频率。如果一个频率导致一个相消的信号，那么另一个传播同样距离的不同频率将很可能导致一个可处理信号。
在本发明的一个实施例中，采用上述相消干涉现象可以确定该标签的位置。该阅读器在一个波长处传送信号，并寻找一个空值或盲点。如果存在一空值，该阅读器就计算传送的波长出现这些空值的距离。该过程在整个频段内重复直到获得一组导致空值的频率。比较导致所有频率出现空值的距离以确定一个所有频率都将产生一个空值的距离。其为自该阅读器到该标签的距离。
取决于本发明的使用种类，可能需要持续监测轮胎气压，例如行驶中的车辆。在另一应用中，需要在一特定地点检查轮胎压力读数，例如当一装置或一队车辆经过车库门的时候。在本发明的一个实施例中，该阅读器持续发射一个信号，并且可用于接收一从RF标签返回的信号。在本发明的另一个实施例中，询问器在预定间隔内或被一操作员开动时产生信号脉动。
在本发明的优选实施例中，该阅读器进一步与一显示装置或其他允许使用者视觉观察轮胎压力读数的用户界面联接。其可被并入一个车库中的一轮胎监测系统或一手提的便携式阅读器。在本发明的另一个实施例中，阅读器和用户界面被并入车辆仪表板显示器中，以允许驾驶员在车辆行驶中监测轮胎气压。
在本发明的优选实施例中，阅读器被安装在车库入口，并且标签被置于在该车库中存放的卡车轮胎上。当卡车通过位于车库入口处的阅读器时，压力读数被收集并传送至维修部门。然后根据这些读数确定车辆维修时间。
在本发明的另一个实施例中，阅读器及显示器被集成为一手提单元。这使得可在不同场所监测多个车辆的轮胎气压或车辆。该手提单元包括一阅读器及一用以传递信号读数给使用者的显示器。该实施例在一单独的使用者检查多个车辆及/或轮胎的应用中是特别有用的。这也为该装置提供方便，即允许在多个不同的应用或位置中采用一个装置。
在本发明的另一个实施例中，一显示装置被安装在仪表盘或并入到驾驶室的其他车辆静态显示器中。当感应到低压状况并自轮胎传送至阅读器时，该阅读器传递这些包括有问题轮胎的位置的信息到用户界面。然后通过驾驶室中的传统装置，如警报灯或声音信号，警示车辆驾驶员该低压状况。
本发明的各实施例可用于各种从远处监测压力的场合。在此描述的实施例和示例一般涉及汽车和卡车，然而其他设想的应用也包含在本发明范围内。例如，本发明可用来监测在飞机、重工业设备、自行车或其他轮子受压的车辆上的轮胎气压。
标签可被读出的距离取决于阅读器发送信号的强度、阅读器接收侧的灵敏度、天线特性和标签的比较电路。该阅读器的功率受限于单元尺寸及电源。目前半无源RF标签在一些应用中可在约100米范围内被激活。此外，该阅读器能够阅读高达500个的RF标签。
本发明还包括一压力传感器以测量压力并将压力读数转换为一电信号。在本发明的一个实施例中，压力传感器250为RF标签200的构成部分，以至两个装置构成为一个单元。在本发明的另一个实施例中，该压力传感器为一分立的装置并在传感器接口250处与RF标签200联接。
本领域中任何已知的压力传感器都可用于本发明的实行，只要其可以功能连接至该RF标签。在本发明的一个较佳实施例中，压力传感器包括一压电压力传感器，其中在涂有压电晶体的一膜片上施加一电压。膜片上的压差导致晶体彼此相对移动，由此在电极上产生电阻变化。测量该电阻变化并发送其至RF标签。前述仅为对于应用于本发明的压力传感器的一个例子。本领域的普通技术人员将认识到其他压力传感装置可被应用于本发明的各个实施例中，而不改变本发明的精神或范围。
压力传感器可安装在轮胎上或轮胎内的任何位置。在本发明的优选实施例中，压力传感器可旋入安装在轮胎阀杆上。在本发明的实施例中传感器及RF标签的小尺寸减少了与现有技术中的压力传感器相关的破损问题。本领域的技术人员将认识到压力传感器可被设入轮胎中、安装在轮胎上或安装在轮胎的轮圈上。压力传感器安装在轮胎中的一个优点在于消除了各外部装置，这些装置被暴露在自然环境及来自公路的尘土中，或者如果轮胎接触岩石、路边或其他不平坦行驶表面而可能脱落。
尽管已描述了本发明特殊的实施例，但这些实施例仅应认为是本发明原理的示例。本领域的普通技术人员将意识到本发明的密封件和装配可采用其他材料及以其他方式和实施例而被构建及实现。相应的是，此处的描述不应视为对本发明的限制，其他实施例也应包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种监测轮胎气压的射频识别系统，包括一阅读器；一半无源RF标签；一充气轮胎；以及一压力传感器，其与该轮胎功能连接并与该RF标签相联接；其中，该压力传感器能够将轮胎压力读数传送至该RF标签，其能够依次通过调制反向散射以相应于所述压力读数而将这些读数传递至该阅读器。
2.如权利要求1所述的系统，其中该阅读器单元包括一振荡器，用以产生一信号；一调制器，用以调制所述信号；一天线，用以传送所述信号；一天线，用以接收一输入的反向散射信号；以及一解调器，用以解调该输入信号。
3.如权利要求1所述的系统，其中该半无源RF标签包括一天线，用以接收来自一阅读器的一信号；一比较器，用以比较该信号与一预定值；一控制器，用以确定该信号的调制；一传感器接口，用以接收来自该压力传感器的压力状况。
4.如权利要求1所述的系统，其中还包括一与该阅读器相联接的显示单元。
5.如权利要求1所述的系统，其中该压力传感器包括一压电压力传感器。
6.如权利要求1所述的系统，其中该压力传感器位于该轮胎内。
7.如权利要求1所述的系统，其中该压力传感器位于该轮胎的轮圈上。
8.如权利要求1所述的系统，其中该压力传感器位于该轮胎的阀杆上。
9.如权利要求1所述的系统，其中还包括与至少一个附加的轮胎相连的至少一个附加的RF标签及至少一个附加的压力传感器。
10.如权利要求1所述的系统，其中还包括与多个车辆上的多个轮胎相连的多个RF标签及多个压力传感器。
11.如权利要求1所述的系统，其中该阅读器被并入一手提式装置，该手提式装置还包括一用户界面。
12.一种确定轮胎内部压力的方法，包括采用一阅读器装置产生一RF信号；在该RF标签中接收该RF信号；使用一压力传感器测量轮胎内的压力；传送压力测量信号至一RF标签；调整该RF标签上的天线以编码在一被反射的RF信号中的压力信息；反射具有来自该RF标签的被编码的压力信息的调制信号；在该阅读器中接收来自该RF标签的该调制信号；以及解调来自该RF标签的信号并解码在该信号中的编码信息。
13.如权利要求12所述的方法，其中该RF信号在一阅读器中产生，该阅读器包括一振荡器，一调制器，一解调器及至少一个天线。
全文摘要
本发明涉及采用射频识别(RFID)监测轮胎气压的系统和方法。本发明的RFID系统包括一阅读器和一与压力传感器相连的RF标签。本发明的阅读器包括一振荡器、一调制器、一发射天线、一接收天线和一解调器。RF标签包括一天线、一二极管探测器、一比较器、一控制器及一压力传感器接口，还包括一提供电力给标签电子元件的电池。在本发明中，振荡器产生一发送至调制器进行信息编码的信号。然后调制信号由天线发送至RF标签。在RF标签上接收由阅读器发送的比较器和控制器译码的信息的信号的天线，从压力传感器接收压力读数并通过调制反射能量发送编码信号返回阅读器。阅读器依序接收反射能量并解调该信号以重新获得包括压力读数的编码信息。
文档编号B60C23/04GK1553867SQ02817827
公开日2004年12月8日 申请日期2002年10月31日 优先权日2001年10月31日
发明者马克·J·克兰兹, 马克 J 克兰兹 申请人:斯特姆科有限公司