一种智能包装的超低功耗无线传感标签硬件的制作方法

本实用新型涉及电子标签技术领域，特别是一种智能包装的超低功耗无线传感标签硬件。

背景技术：

ISO-18000-7国际标准（以后简称美军标）是一个公认成熟和具有广泛影响的433兆有源电子标签国际标准，并已在美军中广泛使用；我国也刚刚公布了有源电子标签的试用国家标准。对海量标签的读写方法是这些标准所涉及的最重要的一个部分，因为无论物流仓储，智能交通，超市智能化管理等各个领域都涉及对海量电子标签的读写问题。而标准中所采用的对海量有源电子标签的读写的技术方法无疑也反映了当前国内外的相关水平。其中所涉及的关键技术问题如下：

首先，由于环境电磁污染以及信号碰撞的考虑，这些标准都规定有源电子标签必须采用在需要时，通过读写器发射唤醒信号先将标签唤醒后再工作，并在工作完成后回到休眠状态的工作方式。即“按需工作”的方式。这就涉及标签的睡眠唤醒技术。（由于采用低频无源唤醒的方式距离非常近，普遍应用的意义非常有限，因而我们在这里不加讨论）。

其次，由于成本的考虑，现有的有源电子标签都是半双工的，即发射信号和接收信号不能同时进行。而由于标签采用的是间歇性工作方式，读写器必须在一段时间内连续不间断发射唤醒信号，这无疑给读写器和标签之间的通信带来许多问题。如何处理这个问题，是有源电子标签系统，特别是对海量有源电子标签进行读写所面临的另一个关键问题。

另外，单一读写器对海量标签的读写必然涉及的另一个问题，则是如何有效解决读写过程中出现的，多个标签同时向一个读写器发射信号时所造成信号碰撞问题，这包括防碰撞处理速度和标签在整个过程中的能耗问题。

下面以现有有源电子标签主要标准，美军标和我国刚刚公布的有源电子标签国家标准来加以具体说明。

现有主要标准是这样来实现对海量标签的读写的：读写器在一段时间内通过广播的方式，连续不间断地向标签发射唤醒信号，先将所有在读写器信号覆盖范围内的标签唤醒，使其进入一种等待随后接收来自读写器指令信号的状态。先苏醒的标签在接收到指令信号后将继续保持这种接收状态直到所有标签都被唤醒，并在接收到指令信号后继续保持这种接收状态至少30秒钟，除非在这个期间标签完成了需要完成的各种任务，并接收到读写器进入休眠状态的命令。

当所有的标签先后在这2.35–4.8秒期间内被唤醒并全都进入接收信号的等待状态时，读写器将首先以广播的方式向所有标签发射采集标签ID信息的指令，在这个指令中，包含有传给标签的时间窗口信息，和初始时隙数量N（由于系统并不知道被唤醒的标签的总的数量，这里的N也是一个经验值）的信息。每个标签在收到这个指令信息后，都将产生一个≦N的属于自己的随机整数I，同时进行时间同步，并在读写器安排的N个通信时隙中的第I个时隙向读写器发射信息；由于I是随机产生的，其不可能与读写器提供的N个时隙一一对应，因而，在N个时隙中，可能出现多个标签在同一时隙中发射信息从而造成碰撞的情况，同时又有一些时隙轮空而没有标签发射信号的状况.读写器将根据每次窗口中发生碰撞和轮空的几率，调整时隙窗口的数量。每个标签每次在接收到读写器采集信息的指令后，只发射一次信号。在该采集期末尾接收到读写器返回的发射ID成功的回执信息后，将根据读写器的指令（取决于标签本身的类型和应用需要）要么进入睡眠状态，要么继续处于接收状态等待读写器发射新的点对点信息读写指令。

对于那些在该轮信息采集过程中因为信号碰撞的原因没有发射成功的标签，则需要等待读写器以广播方式发布的新一轮标签ID信息 采集指令，再次进行时间同步并产生新的随机数，并在读写器新提供的M个时隙窗口中对应的时隙位置发射，如此反复进行，直到完成对所有被唤醒标签的ID信息采集为止。（参见美军标）

这里存在的问题是：

睡眠唤醒问题：

为了省电的目的，标签平常处于一种使用内部时钟进行控制的周期性睡眠，苏醒后监听唤醒信号一瞬间的状态，由于内部时钟的误差及其它各种原因，标签在一个睡眠周期中苏醒的时间是随机的。读写器通过向标签连续发射一定时间（美军标是2.35–4.8秒）的唤醒信号，抓住标签睡眠苏醒的瞬间与之建立起通信联系，向其传达要求标签进入等待接收读写器工作指令信号的指令。

在现有标准中，唤醒指令信号都是由几个部分组成的一个完整信号。美军标是由两组不同的方波信号组成，试用国标则是由一个包括包头，包身和效验位等几部分组成的一个完整数字信号包。因而，标签在睡眠苏醒监听的瞬间，必须要有足够长的监听时间时间，保证能够监听到一个完整的唤醒信号，由于发射和监听信号的时间并不同步，因而监听时间需要至少两倍于发射一个完整信号所需的时间（参见有源电子标签试行国家标准）。美军标也需要至少监听若干个方波信号。这样标签每次睡眠苏醒后就需要花费相当长的时间处于高耗电的监听状态，而标签反复周期性苏醒监听的耗电是决定有源电子标签电池寿命决定性的因素。为了减少标签的监听耗电，唤醒信号就需要越短越好，因而现有标准中的唤醒只能传达一个要求标签进入接收状态的简单唤醒信息。

有源电子标签半双工工作问题

在现有标准中，由于收发机采用的都是半双功的工作方式，因而，当读写器将标签唤醒后，标签并不能立即向读写器返还信号，而必须要等到读写器发送完信号，进入接收状态后才能与之建立起通信联系。读写器向标签发射唤醒信号与标签进行通信必须分分开进行，因而标签往往必须要浪费大量的能量在等待与读写器建立通信的时间上。

对快速移动标签进行连续识别和读写的问题：

现有的有源电子标签系统，虽然可以有多个频道可以选用，但一当选定，整个系统就只能在选定的这个单一频道上工作。而在许多实际应用中，由于标签处于快速移动状态，且不断有新的标签进入读写器的信号覆盖范围，同时还有标签不断离开读写器的信号覆盖范围。例如进出门禁的车辆和人员管理，以及对途经十字路口所有车辆的识别。此时，采用单一频道的工作方式将很难处理这种对动态标签的识别和读写。因为同一信道上的两种信号（唤醒信号和读写信号）将造成相互干扰，因而读写器只能通过分时的方式，将两种信号分开，这就无法实现读写器需要对标签进行连续不间断的唤醒和不间断地识别读写的要求。

海量标签信号防碰撞问题。

在现有这些标准中，都采用了时隙Aloha的方式。这实际沿用于无源电子标签的防碰撞处理方式。然而，这种方式并不适用于有源电子标签。因为这种处理方式要求标签在不与读写器通信时，始终要处于可以接收读写器命令的待机状态，因而需要消耗大量的电池能量。无源标签可以不考虑这个问题，因为它们可以从电磁场中获取能量，但有源电子标签则不能。标签的数量越大，防碰撞处理的时间就越长，平均每个标签消耗在等待上的能量就越多。这必将大大影响有源电子标签的电池寿命。时隙Aloha的方式需要先将已经处于随机状态（随机苏醒）的标签，唤醒后统一到一个同步状态（共同等待接收读写器的盘点指令，然后再通过让标签重新生成随机数，使其重新进入到一种随机状态以减少信号碰撞。这实际上是一个从“随机”到“同步”再回到“随机”的多余过程。这不仅浪费了时间，也增加了标签的耗电。另外，唤醒信号与工作指令信号是分开的两个指令信号，标签被唤醒后并不能立即进入工作状态，还必须要等待接收到另外一个工作指令信号后才能开始工作。

时间同步问题：由于以现有标准为代表的有源电子标签防碰撞处理过程（时隙Aloha）中，需要根据标签所产生的随机数来分配时隙，这就需要所有标签的时间必须同步。在现有标准中，时间同步是通过所有标签同时接收同一个读写器指令来实现的。这就要求所有标签必 须预先随时处于等待接收信号的状态。在整个防碰撞处理过程中，由于需要多次重新分配时隙，也就需要多次同步，因而，所有标签在没完成自身工作任务前，只好始终处于等待接收信号的高耗电状态。

如何区分工作标签与非工作标签的问题

在现有标准所代表的技术中，当我们只需要对海量标签中的一部分标签进行读写时，读写器信号覆盖范围内的所有其它标签仍将全部被唤醒而处于等待接收指令信号的高耗电状态，直到接收到睡眠指令信号为止；另外当我们依次处理这部分需要处理的标签时，现有标准采用了点对点指令信号，使用特定标签ID号作为地址码来区别立即工作与暂时不工作的标签。但无论谁先工作，读写器每下发读写某一个标签的指令时，其它暂时不工作的标签都必须要接收这个指令，并打开信号包，通过比对标签ID号（地址码）的方式，来决定读写器是否需要与自己立即通信。这就增加了其它标签的工作时间，因而也就需要消耗其它标签大量的耗电，特别是有大量标签需要读写数据时，问题更严重。

现有标准所代表的技术无法将标签的实时定位和数据读取结合在一起同步进行。

由于现有标准所代表的技术，无法实现对动态标签的识别读写（单一工作频道的限制），更无法实现对他们的频繁读写（每次读写标签都要消耗大量的能量），因而，也就无法实现实时定位的功能。而大多数实际应用中，在对资产进行盘点的同时，往往还需要知道资产的具体位置。这些缺陷无疑大大限制了这些技术和标准的应用范围。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本实用新型提出了一种简单有效的，基于超低功耗睡眠唤醒技术，非对称多信道协同工作技术的解决方案。

一种智能包装的超低功耗无线传感标签硬件，包括MCU和无线收发模块；所述MCU包括电源电路、复位电路、晶振电路和匹配网络电路；所述无线收发模块为nRF24LE1，所述nRF24LE1是低电平复位，采用电容电阻复位电路；所述nRF24LE1的工作电压是3.0V，在所述MCU的供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，分别为100nF和33nF，滤波电容尽量靠近供电电压和电源负极，有效的消除干扰。

进一步地，所述晶振电路由16MHz的外部晶振和两个15pF的振荡电容组成。

进一步地，所述匹配网络电路是在芯片内部的射频震荡器和外部天线之间的一部分电路，所述匹配网络电路将射频震荡器的输出转换成天线的输出，并将射频震荡器的输出阻抗调整到50欧姆。

进一步地，还包括复位电路、晶振电路、JTAG/ISP接口和无线匹配网络，温湿度传感器，加速度传感器，实时时钟芯片，非法打开接口电路，供电电池。

进一步地，所述JTAG/ISP接口是用来调试和编程的接口，共用一个10位的双排针，连接相应的信号就可以对所述MCU进行调试和编程；所述JTAG/ISP接口中包含了电源接口，能够直接使用仿真编程工具对所述MCU供电。

进一步地，在所述电源接口处使用0.1uF的滤波电容以消除干扰。

进一步地，所述温湿度传感器型号为SHT21，与所述MCU的接口是标准的I2C接口，由数据信号和时钟信号组成，信号线连接上拉电阻，阻值为4.7KΩ。

进一步地，所述加速度传感器型号为MMA8453Q，在供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，以消除干扰，电容值为4.7uF和0.1uF；所述MMA8453Q与所述MCU的接口是标准的I2C接口，由数据信号和时钟信号组成，信号线连接上拉电阻，阻值为4.7KΩ；所述MMA8453Q的两路中断输出信号直接与所述MCU的IO相连，在加速度事件发生时能够外部唤醒所述MCU。

进一步地，所述实时时钟芯片的型号为DS2417，工作电压是3.0V，在供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，以消除干扰，电容值为0.1uF；所述DS2417设置外部晶振，振荡频率为32.768KHz，DS2417的XO和XI引脚与晶振的引脚用地线包围，以屏蔽外界干扰；所述DS2417与所述MCU的通讯接口为单线制接口，与所述MCU的IO相连；所述DS2417的中断输出信号与所述MCU的IO相连，能够定时唤醒所述MCU；所述DS2417的通讯信号和中断信号都是开漏输出，设置有上拉电阻，阻值为4.7KΩ。

进一步地，所述非法打开接口电路，当外部开关闭合时，外部打开信号为高电平，当外部开关断开时，外部打开信号为低电平，在闭合到打开的切换过程中会产生一个下降沿，将此信号与MCU的IO相连，就能够在外部开关由闭合到打开时唤醒所述MCU；在外部打开信号上加了一粒防静电管ES0603V014BT，防止外部静电的干扰。

本实用新型是一款带多传感器、可灵活配置、无线传输、超低功耗、超薄外观的射频识别卡。带有温湿度传感器和加速度传感器，可实时检测环境温度、湿度、和被测物体的加速度、倾斜角度等，还可以进行非法打开检测。

本实用新型工作于2.4GHz绿色频段，频率范围2.402~2.81GHz，空中速率250kbps、1Mbps、2Mbps可选。MCU集成了无线收发内核，采用了最新的无线射频技术，无线通信稳定可靠。

本实用新型采用的MCU、实时时钟芯片、传感器芯片等都采用了最新的超低功耗技术，从根本上保证了RFID的低功耗；本RFID使用定时唤醒的工作方式，进一步大大降低了功耗。

本实用新型可以根据实际需要进行配置，使能或关闭传感器芯片或时钟芯片，实现灵活的配置，并降低功耗。

本实用新型全部采用贴片元器件，单板厚度仅为2mm，超薄的外观具有广阔的应用领域。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中，

图1为本实用新型的硬件组成示意图；

图2为本实用新型的nRF24LE1的电容电阻复位电路示意图；

图3为本实用新型的晶振电路示意图；

图4为本实用新型的JTAG/ISP接口电路示意图；

图5为本实用新型的匹配网络电路示意图；

图6为本实用新型的温湿度传感器电路示意图；

图7为本实用新型的加速度传感器电路示意图；

图8为本实用新型的实时时钟芯片电路示意图；

图9为本实用新型的非法打开接口电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1-2所示，一种智能包装的超低功耗无线传感标签硬件，包括MCU和无线收发模块；MCU包括电源电路、复位电路、晶振电路和匹配网络电路；无线收发模块为nRF24LE1，nRF24LE1是低电平复位，采用电容电阻复位电路；nRF24LE1的工作电压是3.0V，在MCU的供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，分别为100nF和33nF，滤波电容尽量靠近供电电压和电源负极，有效的消除干扰。

一种智能包装的超低功耗无线传感标签硬件还包括复位电路、晶振电路、JTAG/ISP接口和无线匹配网络，温湿度传感器，加速度传感器，实时时钟芯片，非法打开接口电路，供电电池。

如图3所示，晶振电路由16MHz的外部晶振和两个15pF的振荡电容组成。

如图4所示，JTAG/ISP接口是用来调试和编程的接口，共用一个10位的双排针，连接相应的信号就可以对MCU进行调试和编程；JTAG/ISP接口中包含了电源接口，能够直接使用仿真编程工具对MCU供电。

如图5所示，匹配网络电路是在芯片内部的射频震荡器和外部天线之间的一部分电路，匹配网络电路将射频震荡器的输出转换成天线的输出，并将射频震荡器的输出阻抗调整到50欧姆。电源接口处使用0.1uF的滤波电容以消除干扰。

如图6所示，温湿度传感器型号为SHT21，与MCU的接口是标准的I2C接口，由数据信号和时钟信号组成，信号线连接上拉电阻，阻值为4.7KΩ。

如图7所示，加速度传感器型号为MMA8453Q，在供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，以消除干扰，电容值为4.7uF和0.1uF；MMA8453Q与MCU的接口是标准的I2C接口，由数据信号和时钟信号组成，信号线连接上拉电阻，阻值为4.7KΩ；MMA8453Q的两路中断输出信号直接与MCU的IO相连，在加速度事件发生时能够外部唤醒MCU。

如图8所示，实时时钟芯片的型号为DS2417，工作电压是3.0V，在供电电压和电源负极之间需要加滤波电容，以消除干扰，电容值为0.1uF；DS2417设置外部晶振，振荡频率为32.768KHz，DS2417的XO和XI引脚与晶振的引脚用地线包围，以屏蔽外界干扰；DS2417与MCU的通讯接口为单线制接口，与MCU的IO相连；DS2417的中断输出信号与MCU的IO相连，能够定时唤醒MCU；DS2417的通讯信号和中断信号都是开漏输出，设置有上拉电阻，阻值为4.7KΩ。

如图9所示，非法打开接口电路，当外部开关闭合时，外部打开信号为高电平，当外部开关断开时，外部打开信号为低电平，在闭合到打开的切换过程中会产生一个下降沿，将此信号与MCU的IO相连，就能够在外部开关由闭合到打开时唤醒MCU；在外部打开信号上加了一粒防静电管ES0603V014BT，防止外部静电的干扰。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。