专利名称：一种无线系统和环境监控方法
技术领域：
本发明实施方式涉及无线应用技术领域，更具体地，涉及一种无线系统和环境监控方法。
背景技术：
天线在当今各类无线通信系统中广泛应用。作为无线电设备中辐射或接收无线电波的装置，它是无线电通信装备、雷达、电子对抗设备和无线电导航设备的重要组成部分。凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。用于辐射无线电波的天线称发射天线，它把射频系统送来的交变电流能量转换为空间电磁波能量。用于接收无线电波的天线称为接收天线，它把从空间获取的电磁波能量转换为交变电流能量送给射频系统。通常一副天线既可作为发射天线，也可作为接收天线，配有双工器的天线可以收发同时共用。传统的天线用金属导线、金属面或其他介质材料构成一定形状，并架设在一定空间。另一方面，在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。传感器通常指“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息(如光、热、湿度、压力、或化学组成)，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在当前传感网络无线系统里，传感器与天线各自独立工作，且功能上是分离的。传感器检测信息并传至系统；系统需要对信息进行处理，如储存、数字化、编码等等；天线通过电磁波把系统处理后的信息发射出去。为了实现物品的网络化自动控制与管理，无线射频识别(RFID)标签被引入物联网概念中并得到大量应用。无线射频识别标签开始逐步取代传统的货物、设备，甚至人员管理中的一维或则二维条形码(Barcode)，很大程度提升了管理效率。当前一种结合传感器的无线系统为带传感器的RFID标签。RFID标签与其它传感器(如温度传感器)结合后，提供了很多应用机会。藉此不仅可以监控某件物品，还可以知道这些物品发生了什么事情。然而，现有RFID与传感器的结合是有源方式。传感器所感知的信息将自动存储到RFID标签的芯片存储器(ROM)中，由RFID标签天线发送到读卡器，从而起到监控作用。为了能够存储传感器的信息，芯片必须由电池供电才能实时接收和存储信息。而且，在这样的结构中，天线、芯片、传感器都是相对独立工作。天线的作用就是传统的发射与接受电磁信号；传感器的作用则是感知外界信息，这些信息大都是模拟信号。芯片把模拟信号转换为数字信息后，存储并通过射频接口利用天线把该数字信息发射出去。在现有的这种无线系统里，存在有需要电池的缺点，而且电池还需要定期更换，如不更换则有一定的使用寿命。而且，如果受电池限制，RFID标签工作环境也受到限制，如防水，不耐高温等。尤其是，电池价格高，不适宜大规模使用。
再有，在现有的这种无线系统里，传感器与天线各自独立，功能上没有相互作用影响。
发明内容
本发明实施方式提出一种无线系统，以实现环境监控。本发明实施方式还提出了 一种环境监控方法，以实现环境监控。本发明实施方式的具体方案如下:一种无线系统，该系统包括环境传感器、天线、存储芯片和阅读器，环境传感器与天线连接，天线与芯片连接，其中:存储芯片，用于存储标示物体信息；环境传感器，用于将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将所述电信号发送到天线；天线，用于将所述电信号映射为天线性能参数的变化，并将所述标示物体信息发送到阅读器:阅读器，用于读取所述标示物体信息，并根据所述读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。所述存储芯片为无线射频识别RFID芯片，所述阅读器为RFID阅读器。所述环境传感器为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、振动传感器、速度传感器或加速度传感器。所述环境传感器与天线连接包括: 环境传感器与天线直接连接，或环境传感器通过无源电路与天线连接。所述环境传感器、天线和RFID芯片构成无线差分子系统，而且该无线系统包括至少两个无线差分子系统，且每个无线差分子系统的环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同；RFID阅读器，用于读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。所述环境传感器、天线和RFID芯片集成为RFID标签。一种环境监控方法，该方法包括:环境传感器探测存储芯片中所标示物体所在的环境参数变化，将该环境参数变化转化为电信号，并将所述电信号发送到天线；天线将所述电信号映射为天线性能参数的变化，并将存储在所述存储芯片中的标示物体信息发送到阅读器；阅读器读取所述标示物体信息，并根据所述读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。所述天线将所述电信号映射为天线性能参数的变化包括:天线将所述电信号映射为天线发射功率的变化，或天线将所述电信号映射为天线谐振频率的变化。所述存储芯片为无线射频识别RFID芯片，所述阅读器为RFID阅读器，该方法进一步包括:
将环境传感器、天线和RFID芯片构成无线差分子系统，其中每个无线差分子系统的环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同；RFID阅读器读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。所述环境传感器探测其所在的环境参数变化为:环境传感器探测其所在的温度参数变化、压力参数变化、湿度参数变化、振动参数变化、速度参数变化或加速度参数变化。从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，环境传感器将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将电信号发送到天线；天线将电信号映射为天线性能参数的变化，并将存储芯片中的标示物体信息发送到阅读器；阅读器读取标示物体信息，并根据在读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出环境参数变化。由此可见，应用本发明实施方式之后，实现了对环境监控，而且传感器与天线通过无源方式结合，还降低或杜绝了对电池的需求，并降低了成本。而且，本发明实施方式扩大了带传感器的RFID标签的使用范围，增加了灵敏度，也大幅度地降低了成本，为传感RFID的大规模应用提供了技术基础。
图1为根据本发明实施方式的无线系统结构示意图；图2为根据本发明实施方式的无线系统工作原理示意图；图3为根据本发明实施方式的多子系统差分识别结构示意图；图4为根据本发明实施方式的环境监控方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明实施方式提供一种低成本无源的无线系统，该系统中传感器可以直接影响天线的性能参数。实际上，可以将本发明实施方式所提出的这种性能参数变化应用到很多应用中，比如应用到传感RFID标签等。图1为根据本发明实施方式的无线系统结构示意图。如图1所示，该系统包括环境传感器101、天线102、存储芯片103和阅读器104，环境传感器101与天线102连接，天线102与存储芯片103连接。其中:存储芯片103，用于存储标示物体信息；环境传感器101，用于将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将电信号发送到天线；天线102，用于将电信号映射为天线性能参数的变化，并将标示物体信息发送到阅读器104:阅读器104，用于读取标示物体信息，并根据读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出环境参数变化。
在上述系统中，当环境传感器101所监控的外界环境如温度，湿度，压力等等发生变化后，环境传感器101的输出信号将发生变化。通常情况下，环境传感器101的输出是某种受所监控的环境影响的模拟电信号，然后这个模拟电信号通过直接的物理连接(或者无源电路)连接到天线102，从而改变天线102的性能参数。因此，环境传感器101可以把这种特定环境变化映射到天线102的某个性能参数的变化(比如天线的谐振频率的变化等)。天线102的电性能参数的变化可以导致天线发出的雷达散射面信号发生变化，而这一变化可以由阅读器103识别出来。这样阅读器103在读取签存储芯片103内的存储信息(通常为标示物体的属性信息等)的同时，阅读器104也得到了天线102的天线参数变化的信息，从而可以对应到环境传感器101所感知的环境变化。在该系统中，各个元件可以全部是无源器件，而无需电池，其中天线的发射能量可以来自于阅读器的发射波。在一个实施方式中，环境传感器101、天线102和存储芯片103构成无线差分子系统，而且该无线系统包括至少两个无线差分子系统，且每个无线差分子系统中环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同；此时:RFID阅读器104，用于读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。在现有技术中传感器与芯片连接，而与天线相互独立，天线性能与传感器特性无关。相区别的是，在本发明实施方式中，把传感器与天线先做连接，使得传感器成为天线的一部分。这样，当环境参数变化时，传感器的特性参数也相应变化，从而改变了天线的性能。在本发明实施方式中，天线既可以与传感器直接物理连接，也可以通过无源电路(分离式电容，电感，开关等)进行连接。无源电路的主要作用之一是使得传感器的变化能够更好地对应天线参数的变化。具体地，环境传感器101可以为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、振动传感器、速度传感器或加速度传感器，等等。优选地，可以将本发明实施方式的上述系统应用于RFID系统中。此时，存储芯片103具体为无线射频识别(RFID)芯片，阅读器104具体为RFID阅读器。优选地，还可以将环境传感器101、天线102和存储芯片103集成为RFID标签。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，可快速地进行物品追踪和数据交换。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。通常而言，RFID是一种简单的无线系统，用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个RFID阅读器和很多应答器(或RFID标签)组成。在本发明实施方式中，在工作时，RFID阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当RFID标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，RFID标签获得能量被激活。由于本发明实施方式中环境传感器与RFID标签的内置天线连接，环境传感器可以将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将电信号发送到该内置天线；然后内置天线将电信号映射为天线性能参数的变化，并将RFID芯片内储存的自身编码等信息(即标示物体信息)发送出去；系统接收天线接收到从RFID标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；然后主系统根据逻辑运算判断该RFID标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。在这个过程中，阅读器读取标示物体信息，并根据在该读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出环境参数变化。比如，阅读器可以通过天线发射功率的变化、天线谐振频率的变化等天线性能参数的变化来确定出环境参数变化。可以预先在阅读器(比如阅读器程序)中预先设置环境参数变化与天线性能参数变化这二者之间的对应关系。当阅读器发射不同天线性能参数的电磁波给天线时，只有对应天线性能参数的电磁波可以读取到标签信息(即标示物体信息)，那么这个天线性能参数所对应的环境温度也同时被阅读器感知到。比如，在阅读器(比如阅读器程序)中预先设置环境温度的变化与天线谐振频率的变化二者之间的对应关系。当阅读器发射不同频率的电磁波给天线时，只有某个频率的电磁波可以读取到标签信息(即标示物体信息)，那么这个频率所对应的环境温度也同时被阅读器感知到。本发明实施方式中RFID芯片的作用类似于传统RFID标签芯片的作用，储存了所要标示的物体的信息，而传感器则与天线则合二为一，成为智能化带感觉的天线。传感器与天线连接成一体后，除了完成信号的发射与接受外，还可以同时感知到外界的环境变化。由于天线所感知到的环境变化信息不会通过RFID芯片储存，而是通过天线性能参数的变化被阅读器直接读出，因此本发明实施方式可以彻底省去或节约电池，从而显著降低成本。图2为根据本发明实施方式的无线系统工作原理示意图。由图2所示，当传感器所监控的外界环境如温度、湿度、压力等等发生变化后，传感器的输出信号将发生变化。通常传感器的输出是某种受所监控的环境影响的模拟电信号。这个模拟信号通过直接物理连接，或者无源电路连接到天线，从而改变了天线的性能参数。传感器再将这种特定环境变化映射到天线的某个性能参数的变化，如天线的谐振频率的变化、天线的发射功率的变化，等等。天线的电信能参数的变化导致天线发出的雷达散射面信号发生变化。这一变化可以由阅读器识别出来。这样在读取签芯片内的存储信息的同时，阅读器也得到了天线参数变化的信息。从而对应到传感器所感知的环境变化。其中:本发明实施方式的RFID系统的主要工作频率和有效识别距离为:低频125-134kHz，识别距离< 0.5m ;高频13.56MHz，识别距离小于Im:特高频902_928MHz，识别距离4-8m:微波为2.54GHz，识别距离可达100m。RFID的识别距离可从几厘米到十几米，应用范围十分广泛。在本发明实施方式中，将传感器与天线有效结合后，天线电参数对于传感器变化的灵敏度将决定识别的灵敏度。除了通过阅读器的软件加强对天线发射的雷达散射信号进行信号处理以外，本发明实施方式还提出了多子系统差分识别方式来提高灵敏度。图3为根据本发明实施方式的多子系统差分识别结构示意图。由图3可知，一个环境传感器、一个天线和一个RFID芯片可以构成一个无线差分子系统，而且该无线系统包括至少两个无线差分子系统。其中:每个无线差分子系统中环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同。RFID阅读器读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。
具体地，根据传感器变化与天线电性能变化的映射关系，选取一组无线差分子系统。每个无线差分子系统中传感器的工作范围和感知范围都不相同。如果把每个无线差分子系统中传感器的感知范围相加，则为该组传感器的感知范围。阅读器可以读到每个无线差分子系统里的每个单元天线发出的信号，然后通过比较每个无线差分子系统中单元天线发射信号的不同来识别传感器的感知信息。无线差分子系统中单元天线发射信号的不同可以体现在阅读器的接收功率的区别，谐振频率的区别等等。其本质是通过多个子系统的天线电参数变化的不同放大了被感知对象的微小变化，从而达到提高感知灵敏度的要求。以上以RFID系统中的具体应用为例对本发明的技术特征和原则进行了详细描述。然而，本领域技术人员可以意识到，这种描述和应用仅仅是阐述性质的，并不用于对本发明实施方式的适用范围作出局限性限制。基于上述详细分析，本发明实施方式还提出了一种环境监控方法。图4为根据本发明实施方式的环境监控方法流程图。如图4所示，该方法包括:步骤401:环境传感器探测存储芯片中所标示物体所在的环境参数变化，将该环境参数变化转化为电信号，并将所述电信号发送到天线。步骤402:天线将所述电信号映射为天线性能参数的变化，并将存储在所述存储芯片中的标示物体信息发送到阅读器。步骤403:阅读器读取所述标示物体信息，并根据所述读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。其中，天线可以将电信号映射为天线发射功率的变化，或天线将所述电信号映射为天线谐振频率的变化，等等。而且，存储芯片优选为无线射频识别RFID芯片，阅读器优选为RFID阅读器，此时该方法进一步包括:将环境传感器、天线和RFID芯片构成无线差分子系统，其中每个无线差分子系统中环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同；RFID阅读器读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。在一个实施方式中，环境传感器探测其所在的温度参数变化、压力参数变化、湿度参数变化、振动参数变化、速度参数变化或加速度参数变化。在本发明实施方式中，环境传感器将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将电信号发送到天线；天线将电信号映射为天线性能参数的变化，并将存储芯片中的标示物体信息发送到阅读器；阅读器读取标示物体信息，并根据在读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出环境参数变化。由此可见，应用本发明实施方式之后，实现了对环境监控，而且由于天线所感知到的环境变化信息不会通过存储芯片储存，而是通过天线性能参数的变化被阅读器直接读出，传感器与天线通过无源方式实现了结合，因此本发明实施方式可以彻底省去或节约电池，从而显著降低了成本。而且，本发明实施方式扩大了带传感器的RFID标签的使用范围，增加了灵敏度，也大幅度地降低了成本，为传感RFID的大规模应用提供了技术基础。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种无线系统，其特征在于，该系统包括环境传感器、天线、存储芯片和阅读器，环境传感器与天线连接，天线与芯片连接，其中: 存储芯片，用于存储标示物体信息； 环境传感器，用于将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将所述电信号发送到天线.天线，用于将所述电信号映射为天线性能参数的变化，并将所述标示物体信息发送到阅读器: 阅读器，用于读取所述标示物体信息，并根据所述读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。
2.根据权利要求1所述的无线系统，其特征在于，所述存储芯片为无线射频识别RFID芯片，所述阅读器为RFID阅读器。
3.根据权利要求1所述的无线系统，其特征在于， 所述环境传感器为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、振动传感器、速度传感器或加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的无线系统，其特征在于，所述环境传感器与天线连接包括: 环境传感器与天线直接连接，或环境传感器通过无源电路与天线连接。
5.根据权利要求2所述的无线系统，其特征在于， 所述环境传感器、天线和RFID芯片构成无线差分子系统，而且该无线系统包括至少两个无线差分子系统，且每个 无线差分子系统的环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同； RFID阅读器，用于读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。
6.根据权利要求2所述的无线系统，其特征在于，所述环境传感器、天线和RFID芯片集成为RFID标签。
7.—种环境监控方法,其特征在于,该方法包括: 环境传感器探测存储芯片中所标示物体所在的环境参数变化，将该环境参数变化转化为电信号，并将所述电信号发送到天线； 天线将所述电信号映射为天线性能参数的变化，并将存储在所述存储芯片中的标示物体信息发送到阅读器； 阅读器读取所述标示物体信息，并根据所述读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述天线将所述电信号映射为天线性能参数的变化包括: 天线将所述电信号映射为天线发射功率的变化，或天线将所述电信号映射为天线谐振频率的变化。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述存储芯片为无线射频识别RFID芯片，所述阅读器为RFID阅读器，该方法进一步包括: 将环境传感器、天线和RFID芯片构成无线差分子系统，其中每个无线差分子系统的环境传感器能检测到的环境参数变化范围都不相同；RFID阅读器读取每个无线子系统的标示物体信息，并通过比较针对各个无线子系统的读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出所述环境参数变化。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述环境传感器探测其所在的环境参数变化为: 环境传感器探测其所在的温度参数变化、压力参数变化、湿度参数变化、振动参数变化、速度参数变 化或加速度参数变化。
全文摘要
本发明实施方式提出了一种无线系统和环境监控方法，该系统包括存储芯片，用于存储标示物体信息；环境传感器，用于将其所在的环境参数变化转化为电信号，并将电信号发送到天线；天线，用于将电信号映射为天线性能参数的变化，并将标示物体信息发送到阅读器阅读器，用于读取标示物体信息，并根据读取过程中觉察到的天线性能参数的变化确定出环境参数变化。本发明实施方式实现了对环境监控，而且传感器与天线通过无源方式结合，还降低或杜绝了对电池的需求，并降低了成本。另外，本发明实施方式扩大了带传感器的RFID标签的使用范围，增加了灵敏度，也大幅度地降低了成本，为传感RFID的大规模应用提供了技术基础。
文档编号G06K7/00GK103218583SQ20121001459
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者杨帆, 樊明延, 李展 申请人:北京慧感嘉联科技有限公司