无线能量收集式GB/T29768国标物联网标签的制作方法

本发明属于射频识别领域，特别涉及满足gb/t29768-2013国标超高频rfid协议的无线能量收集物联网标签技术。
背景技术：
：近年来，射频识别技术(rfid)飞速发展，为促进国内rfid产业的发展，我国自主定义了gb/t29768-2013协议。该国标超高频rfid协议在编解码和指令结构等部分都有自主知识产权。物联网技术正在引发新的产业革命，物联网技术融合了网络、rfid技术、信息技术和无线传感器技术。无线传感器网络(wirelesssensornetworks,wsn)是一种分布式传感网络，它的节点可以感知外部环境中的传感信息。无线传感网络运用了无线通信技术、网络技术、传感器技术、控制技术等，它通过分布在区域的大量传感器节点采集节点周围的各种数据，包括地震、电磁、温度、湿度、压力、物体大小、移动方向和速度等信息，并且把这些信息通过无线传输技术传输到监控端，在监控端对其进行分析和处理。无线传感网络节点一般采用电池供电，因为传感节点需要在监控区域持续工作，因此电池供电始终是传感网络普及的主要障碍之一。现有的无线传感网络节点一般都是电池供电，并且使用射频识别技术(rfid)的传感器节点多采用iso/iec18000-6c协议。现有技术的缺点是：有源标签电池供电电量有限，需要频繁更换电池。无源标签不能主动发起通信，并且提供的功能少，并且通信距离短，很难满足无线传感网络的密集式工作要求。rfid技术实现的传感器节点多采用iso/iec18000-6c协议，没有自主知识产权，并且通信协议都是完全公开，加密算法通常增加成本和通信效率，对于没有加密的通信又很容易受到攻击。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提出无线能量收集式gb/t29768国标物联网标签，以单片机为载体，采用无线能量收集方式供电，实现满足gb/t29768-2013国标超高频rfid协议的物联网标签。本发明采用的技术方案为：无线能量收集式gb/t29768国标物联网标签，包括：太阳能收集电路、gsm900频段射频能量收集电路、gsm1800频段射频能量收集电路、充放电管理模块、能量存储器、调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器；所述太阳能收集电路的输出端与充放电管理模块的第一端相连；所述gsm900频段射频能量收集电路的输出端与充放电管理模块的第二端相连；所述gsm1800频段射频能量收集电路的输出端与充放电管理模块的第三端相连；所述充放电管理模块的第四端与能力存储器第一端相连，所述能量存储器第二端接地；所述充放电管理模块的第五端分别与调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器相连，为调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器提供工作电压；所述传感器与基带信号处理模块第一输入端相连，所述基带信号处理模块输出端与调制器输入端相连，所述调制器输出端与天线相连；所述解调器输入端与天线相连，解调器输出端与基带信号处理模块的第二输入端相连。进一步地，所述太阳能收集电路，包括太阳能电池板，所述太阳能电池板的输出与充放电管理模块的第一端相连。进一步地，所述gsm900频段射频能量收集电路，包括：低通滤波器、第一匹配网络、第一整流单元；所述天线与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与第一匹配网络的输入端相连，第一匹配网络的输出端与第一整流单元的输入端相连，第一整流单元的输出端与充放电管理模块的第二端相连。更进一步地，所述第一匹配网络为基于gsm900优化的匹配网络。进一步地，所述gsm1800频段射频能量收集电路，包括：所述天线还与高通滤波器的输入端相连，高通滤波器的输出端与第二匹配网络的输入端相连，第二匹配网络的输出端与第二整流单元的输入端相连，第二整流单元的输出端与充放电管理模块的第三端相连。更进一步地，所述第二匹配网络为：基于gsm1800优化的匹配网络。本发明的有益效果：无线能量收集式gb/t29768国标物联网标签，采用无线能量收集方式供电，实现满足gb/t29768-2013国标超高频rfid协议的传感标签；通过太阳能收集、gsm900频段射频能量收集、gsm1800频段射频能量收集三种无线能量收集方案同时收集能量，可以大大缩短系统收集能量的时间，为系统提供足够的工作电压，保证系统能够可靠的运行；本发明的感标签能够实现有源标签的远距离通信，也克服了有源标签寿命短和需要频繁更换电池的缺点，可以满足无线传感网络标签节点对低功耗和持续工作的要求。附图说明图1为本发明实施例提供的传感标签结构图；图2为本发明实施例提供的传感命令执行流程图；图3为本发明实施例提供的sm7算法总体架构图；图4为本发明实施例提供的单片机实现的加解密流程图。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下；面结合附图对本
发明内容进一步阐释。如图1所示为本发明的传感标签结构图，本发明的无线能量收集式gb/t29768国标物联网标签，主要收集gsm900/gsm1800频段的射频电磁波和可见光波段的电磁波(太阳能)。gsm900/gsm1800频段射频电磁波的能量通过天线收集，可见光波段的能量通过太阳能电池板收集。太阳能收集部分，通过直接将太阳能电池板的输出与充放电管理模块的第一端相连；实现太阳能的收集。gsm900频段射频能量收集部分，包括：低通滤波器、第一匹配网络、第一整流单元；天线与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与第一匹配网络的输入端相连，第一匹配网络的输出端与第一整流单元的输入端相连，第一整流单元的输出端与充放电管理模块的第二端相连；收集的gsm900频段射频能量通过低通滤波器进行滤波处理，滤波处理后的输出通过基于gsm900优化的匹配网络，再对第一匹配网络输出进行rf-dc整流，最后输入充放电管理模块。gsm1800频段射频能量收集部分，包括：天线还与高通滤波器的输入端相连，高通滤波器的输出端与第二匹配网络的输入端相连，第二匹配网络的输出端与第二整流单元的输入端相连，第二整流单元的输出端与充放电管理模块的第三端相连；收集的gsm1800频段射频能量通过高通滤波器进行滤波处理，滤波处理后的输出通过基于gsm1800优化的匹配网络，再对第二匹配网络的输出进行rf-dc整流，最后输入充放电管理模块。本发明的无线能量收集式gb/t29768国标物联网标签，还包括：能量存储器、调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器。充放电管理模块的第四端与能力存储器第一端相连，所述能量存储器第二端接地；所述充放电管理模块的第五端分别与调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器相连，为调制器、解调器、基带信号处理模块以及传感器提供工作电压；所述传感器与基带信号处理模块第一输入端相连，所述基带信号处理模块输出端与调制器输入端相连，所述调制器输出端与天线相连；所述解调器输入端与天线相连，解调器输出端与基带信号处理模块的第二输入端相连。充放电管模块可以采用德州仪器(texasinstruments)的bq25505、bq25504、bq25570等超低功耗dc-dc芯片来实现，可以用他们的组合方式实现多路能量同时收集。其中bq25570的冷启动电压为330mv，在其工作的过程中，其输入电压只需要不小于100mv就能一直给能量存储器充电。解调器用来解调天线接收的信号，射频信号首先经过匹配电路，然后通过一级dickson整流电路，该整流电路可以用hsms285c芯片来实现，整流后的信号经过一个1bits的a/d转换芯片转换成数字基带信号。调制器用来调制返回信号，由于超高频rfid技术使用的都是反向散射通信，因此调制器根据返回信号的高低来设置接收的输入阻抗，当需要返回高电平的时候，使标签的输入阻抗失配，从而反射大部分能量；当需要返回低电平的时候，使标签的输入阻抗匹配到50ω左右。阅读器根据反射的功率大小来确定标签返回的数据。本发明还涉及了兼容gb/t29768-2013国标超高频rfid协议，该协议的传感命令可以在单片机、fpga或者芯片中实现。使用单片机的adc可以采集各种传感器输出的传感信息，包括温度信息，湿度信息，压力信息等各种需要的信息。本发明实施例提出的定制传感命令，可以用于各种传感信息的采集，其中传感命令的参数解析为：如表1所示的定制的传感命令帧格式，如表2所示的标签响应数据包格式。表1定制传感命令格式表2传感命令响应格式数据域长度描述操作状态8命令的操作状态数据和传感命令的长度对应实际传感数据句柄16handle校验16crc-16①命令代码为：0xb501，可兼容gb/t29768-2013国标超高频rfid协议。②传感类型域是传感命令的参数，其值代表需要采集的传感信息类型，共16bits，可以区分2^16种传感类型。③存储标志域表示是否读取传感信息，或者是否把采集的传感信息入存储器中，00b表示不采集传感信息，只读读写指针指示地址的存储的传感信息值，读取长度为长度域表示的字数；01b表示仅仅将采集的传感信息写入指针指示的地址，不用返回传感信息；10b表示采集信息，并把传感信息写入指针指示的地址，并且返回采集的信息；11b保留；④读写指针域是读传感信息和记录传感信息的地址；⑤长度域是需要采集和记录的传感信息字个数，因为不同的传感信息，需要采集的数据可能不同，因此此处需要定义其采集的长度。⑥句柄，提供握手信号；crc-16是校验码，校验无线传输过程中是否出错。传感命令总共80bits。标签检测到该命令，并且handle匹配其crc-16校验成功才会执行该命令，启动相应的传感模块采集信息，并将采集到的温度信息根据存储标志确定是否写入指定存储地址；否则标签将保持沉默。图2是传感命令执行流程图，这里用温度和压力作为传感类型的代表做出传感命令执行流程，其他传感类型与其类似。标签在接收到传感命令的时候就跳转到传感命令处理模块，然后检测crc-16和handle，如果通过，则继续执行，否则直接结束；根据传感类型来选择不同的无线传感网络功能；根据存储标志来确定是否采集和读写传感信息，并根据指针地址和长度来确定传感信息的存储地址和数据大小。最后将根据需要返回传感命令中长度域指示的数据。本发明首次提出在单片机运用汇编实现sm7算法，并且结合gb/t29768-2013国标超高频rfid实现标签的加解密，可以防止通信信息被泄露和截取等。加/解密模块用于实现鉴别协议时对数据进行加解密操作，完成鉴别操作。标签采用sm7加解密算法是一种国产分组加密算法，其分组长度为64位，不足64bits的在后面补0，再进行加密，密钥长度为128位，算法整体为feistel结构。算法整体为16个子层的feistel结构，图3是在单片机中实现sm7算法整体结构框图，运用单片机的循环指令，使得每次有需要加密的新的密文时，开始执行该sm7算法，总共执行循环16次子密钥加密。图3中k1，k2，…，k15，k16为由工作密钥经密钥编排产生的子密钥，待加密数据每次分成左右两路各32比特(左路l0，右路r0)进行加密运算。f0(32b)表示经过f函数处理后的数据与左路l0进行异或的结果，r0(32b)||f0(32)表示将r0和f0连接为64bits数据data1(r0在左，f0在右)，data1继续执行第2次子密钥加密，执行完后继续执行3到16次子密钥加密，每次执行子密钥加密过程和第一次执行完全相同。在最后一次，也就是第16次子密钥加密结束后得到data16，将data16的高低32bits互换后得到新的64位数据就是加密后的密文。在单片机中，只需要重复执行子密钥加密过程16次，并且把最终的输出结果高低32位交换就得到64位分组码加密后的密文。图3中的f函数处理过程和子密钥加密类似，仅仅输入为32bits，子密钥也被分成3个32bits，且只执行3次，其中对应f函数的位置需要的子函数输入是16bits，和2个16bits的密钥，将该16bits数据和高16位的密钥进行异或后，进行s变换，在进行p变换，然后和低16bits的密钥异或后继续进行s变换，最后的结果在进行左移7bits，其中s可以由查找表的方式实现，p变换是一个线性变换，其作用是实现s变换输出的数据间的相互扩散。单片机实现gb/t29768-2013国标超高频rfid标签的加解密流程如图4所示，循环执行16次子密钥加密或解密操作。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。当前第1页12