一种无源无线氢气传感标签及系统的制作方法

本发明属于物联网及通信领域，特别涉及射频识别及无线传感网络技术。

背景技术：

近年来，随着物联网(internetofthings，iot)技术的兴起，无线传感网络(wirelesssensornetworks,wsn)受到了广泛关注，射频识别技术(radiofrequencyidentification，rfid)以其成熟的技术条件，迅速成为无线传感网络的核心技术之一。

无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的节点可以探测周围环境中的特定信息，如地震、电磁、温度、湿度、压力、物体大小、移动方向和速度，以及气体浓度信息等。传统的传感网络都是采用电池供电，由于电池供电需要频繁更换电池和需要人力维护等，并且无线传感网络在正常工作的时候不会持续工作(控制设备在需要的时候读取传感节点信息，其他时间处于休眠或断电状态)，因此采用无源无线的工作方式将是无线传感网络节点的最佳解决方案。

目前，通过无源无线的方式测试温湿度以及压力等信息的传感器比较常见，然而还没有无源无线测试气体浓度的解决方案，市面上的设备都是手持式的，并且成本较高，由于空气中很多气体对人体或多或少存在危害，比如一氧化碳，甲烷等，还有虽然对人体无害，却是易燃易爆的气体，如氢气等，因此无源无线非视距的测试方案对于气体检测将是最优的解决方案。

综合上述分析，无线传感网络面临的主要问题如下：1)网络节点电池供电，不能满足无线能量收集可持续工作的需求；2)现有的气体测试仪器体积大，笨重，成本高，有源工作方式，不便于维护，安全性能有待提高。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种无源无线氢气传感标签及系统，实现对环境中气体浓度的无线非视距的测试。

本发明采用方案为：一种无源无线氢气传感标签，包括：氢气传感器、充放电管理电路、天线、匹配网络、整流电路、射频前端、mcu、传感器、传感器调理电路以及调制电路；

氢气传感器采用惠斯通桥式实现，由四个氢敏可变电阻单元组成，其中两个为工作单元，另外两个为参比单元；工作单元底层为绝缘层，敏感薄膜层为钯电极；氢气会导致钯的电阻率变化，桥臂阻值随着氢气浓度增加而变大，但参比单元采用氮化硅封闭敏感层，仅对温度响应，用于消除温漂。

天线接收电磁波信号，并将其转换为交流电信号，所述交流电信号经匹配网络后由整流电路转化为直流信号，所述直流信号输入充放电管理电路的输入端；充放电管理电路输出的稳定电压源为射频前端、mcu、传感器以及传感器调理电路提供电压；

射频前端对天线接收到的命令进行解调，并将解调后的数据发送至mcu，传感器根据mcu发送的控制信号进行气体数据采集并将采集的气体数据发送至mcu，mcu将气体数据发送至调制电路，调制后的信号经天线发出。

本发明提供一种更加节能的充放电管理电路技术方案，包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一pmos管、第二pmos管、第一nmos管以及第二nmos管；还包括ldo；

所述第一电阻第一端与第二电阻第一端相连，且第一电阻第一端作为充放电管理电路的第一端接输入电压，第一电阻第二端接第一二极管正极，第一二极管负极接第一电容第一端，第一电容第二端接地；第二电阻第二端接第二二极管正极，第二二极管负极接第二电容第一端，第二电容第二端接地；

第一二极管负极接第一pmos管源极，第一二极管负极还接第二pmos管源极，第二pmos管漏极作为充放电管理电路的输出端；ldo输入端接充放电管理电路的输出端，ldo输出端用于输出稳定电压源；

第二二极管负极接第一pmos管栅极，第一pmos管栅极还与第一nmos管栅极相连，第一pmos管漏极与第一nmos管漏极相连，第一pmos管漏极还与第二pmos管栅极相连，第一nmos管源极与第四电阻第一端相连，第四电阻第二端接地；

第二二极管负极还与第二nmos管漏极相连，第二nmos关源极接第三电阻第一端，第三电阻第二端接地，第二nmos管栅极作为充放电管理电路的第二输入端接外部控制信号；外部控制信号从充放电管理电路第二输入端输入，控制第二nmos管打开，使第二电容进行放电。

为了解决传感器输出不平衡的问题，本发明还提供传感器电桥平衡调整的技术方案，包括两种方式，一是采用并联滑动电阻调整，二是自动调整；上述传感器调理电路至少包括放大器，所述惠斯顿电桥包括两个输出电压，这两个输出电压分别与放大器的同相输入端、反相输入端相连；放大器为仪表放大器。

采用并联滑动电阻调整，具体为：当放大器同相输入端电压远大于反相输入端电压时，通过并联滑动电阻，减小同相输入端电压；当放大器同相输入端电压远小于反相输入端电压时，通过并联滑动电阻，增加同相输入端电压。

自动调整电桥平衡，具体为：上述传感器调理电路还包括第五电阻、第六电阻以及mcu自带的dac；所述dac输出端接仪表放大器的ref，第五电阻第一端接仪表放大器的输出端，第五电阻的第二端接第六电阻的第一端，第六电阻第二端接地，第五电阻的第二端还接仪表放大器的fb。

自动调整电桥平衡的过程为：

s1、首先测试惠斯顿电桥类型，所述类型包括：第一输出电压远大于第二输出电压的类型，第一输出电压远小于第二输出电压的类型；

s2、将第一输出电压与第二输出电压中较大的一个输入仪表放大器的同相输入端，较小的一个输入仪表放大器的输出端；

s3、当mcu接收到调平电桥命令后，不断采集仪表放大器的输出信号；

s4、若仪表放大器的输出信号大于设定的电桥输出最小值，则执行步骤s5；若仪表放大器的输出信号小于设定的电桥输出最小值，则执行步骤s6；否则认为惠斯顿电桥达到平衡；

s5、mcu输出较大数字信号控制dac输出较大电压；然后返回步骤s3继续采集仪表放大器的输出信号；

s6、mcu输出较小数字信号控制dac输出较小电压；然后返回步骤s3继续采集仪表放大器的输出信号。

本发明还提供一种采用上述的无源无线氢气传感标签的无源无线氢气传感系统，还包括读写器与上位机，所述读写器与该标签通信协议为iso/iec18000。

本发明的无源无线氢气传感标签采用柔性电路板制造工艺生产，以满足各种表面可弯曲的贴附需求。

本发明的有益效果：本发明提出一种无源无线氢气传感标签及系统，采用无源无线的方式进行能量收集，为标签系统供电来测试周围环境中的氢气浓度，并采用无线的方式传输传感器数据，其中标签采用柔性电路板制造工艺生产，可以满足各种表面可弯曲的贴附需求；本发明的系统能够实现远距离无源无线并且非视距的通信功能，克服了只能近距离通过人工测试的方案，尤其为测试危险品带来了安全保障，也克服了有源标签寿命短和需要频繁更换电池的缺点，可以满足物联网中无线传感网络节点对低成本，高安全性，低功耗和持续工作的要求；本发明具备以下优点：

1、本发明的充放电管理电路，具备节约能量的效果，不仅适用于能够用于无线传感网络节点的充放电管理，也为其他低功耗电路及系统设计提供了参考；

2、本发明采用的手动调整氢气传感器电桥输出平衡和自动调整电桥平衡方案解决传感器输出不平衡的问题，使得数据采集更加可靠，适用于所有采用电桥方式实现的电路；

3、本发明提出上位机与气体传感器标签通信使用的自定义命令，该自定义命令兼容传统支持iso/iec18000标准的读写器，不需要对读写器做任何修改，并在此基础上实现了氢气传感器数据采集功能；

4、本发明提出运用微控制器实现无源无线的氢气传感标签，提高了标签的使用寿命，本发明基于该标签还提出了采集氢气浓度信息的方法，以及一整套可行的通信技术方案，使得气体浓度测量更加便捷，增加了危险气体浓度测量工作的安全性，同时降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无源无线氢气传感标签及系统结构；

图2为本发明实施例提供的充放电管理电路；

图3为本发明实施例提供的rfid协议实现与气体数据采集流程；

图4为本发明实施例提供的手动调整a类电桥平衡；

图5为本发明实施例提供的手动调整b类电桥平衡；

图6为本发明实施例提供的自动调整电桥平衡。

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。

本发明为解决气体检测中存在的安全性低及成本高的问题，提出了一种无源无线氢气传感标签系统，如图1所示，包括：上位机、读写器、无源无线氢气传感标签。

本发明的氢气传感器采用惠斯通桥式实现，由四个氢敏可变电阻单元组成，其中两个为工作单元(如图4/5中的rx1、rx2)，另外两个为参比单元(如图4/5中的r1、r2)；工作单元底层为绝缘层，敏感薄膜层为钯电极；氢气会导致钯的电阻率变化，桥臂阻值随着氢气浓度增加而变大，但参比单元采用氮化硅封闭敏感层，仅对温度响应，用于消除温漂。

本发明的无源无线氢气传感标签采用柔性板制造工艺，为基于mcu的iso/iec18000超高频rfid无源无线氢气传感标签。由于传感器的离散型，因此需要给采集到的传感器数据和氢气浓度建立对照表，在本发明标签使用之前需要定标来提高传感器采集精度，在不同氢气浓度环境下测试采集到的传感器数据，并根据采集数据和氢气浓度建立参考对照表。标签正常使用时，通过上位机软件控制读写器工作状态，上位机软件控制读写器发送传感器数据采集命令，读写器将接收到的标签返回的传感器数据反馈给上位机，上位机解析接收到的传感器数据，并使用该数据在氢气浓度和采集数据对照表中进行查表，可以查询到本次检测时标签所处的环境中氢气浓度。

在正常工作的时候，上位机首先初始化读写器的工作模式，读写器接收到上位机发出的盘存命令后，读写器首先发送连续载波给周围的标签充电，然后发出盘存命令盘存周围存在的标签，当读写器盘存周围标签结束后，上位机通过配置读写器发送带有特定标签id的选择命令来选择某个标签进行访问，然后上位机配置读写器发出读命令，为了完全兼容iso/iec18000协议，本发明提出读用户存储区地址0x10表示采集单次传感器数据，并将数据存储在用户区地址0x11中，以便下次直接读取；读用户区0x12表示采集多次传感器数据，并将数据存储在以地址0x13开始的用户区中，以便下次可以直接读取；读其他地址或者其他命令表示实现通用rfid标签的功能。标签接收到读写器发出的数据采集命令后，将采集到的传感器数据发送给读写器，读写器然后反馈给上位机，上位机通过定标时生成的传感器采集数据和氢气浓度对照表得到标签所处环境的氢气浓度，并将其显示出来。

本发明实施例给出了一种充放电管理电路的具体实现方式，如图2所示，vrec为整流电路的输出电压，r0、r1、r2、r3是电阻，d0和d1是二极管，用来实现单向导通功能，p0、p1、n0和n1是mos(metaloxidesemiconductor)管，用来作为开关管；ldo(lowdropoutregulator)用来输出稳定的电压源；load是负载电路，包括传感器标签的mcu、射频前端、调制电路和传感器调理电路。该充放电管理电路通过调整r0和r1的大小来控制c0和c1的充电时间，c0作为主供电电源，c1作为控制使能信号，当c1经过反相器(反相器是高电平输入低电平输出或者低电平输入高电平输出的器件，即p0、n0组成的反相器)输出为低的时候，p1导通，c0经过ldo给mcu、射频前端、调制电路和传感器调理电路提供稳定的电压源；mcu实现rfid协议及传感器数据采集，mcu可以通过打开开关管n1来给c1放电，以便保存c0中的能量不被消耗，从而节约能量。

本发明的rfid协议实现与气体数据采集流程，如图3所示，mcu实现基于iso/iec18000标准的rfid协议与传感器数据采集功能的流程，mcu用于实现满足iso/iec18000的rfid协议和氢气数据采集以及节能控制等。本实施例采用msp430系列单片机，其功耗低，自带adc(模数转换)和dac(数模转换)等功能，非常适用于传感器数据采集。具体流程如下：

标签接收到来自读写器发出的连续载波时，首先标签天线将射频信号转化为交流电信号，然后整流电路将交流电信号转换为直流电压信号，直流电压通过充放电管理电路给储能电容充电，当使能信号的电压c1达到设定的开启电压时，充放电管理电路为有源元件供电。

mcu上电后，首先初始化其管脚的工作状态，并且开启接收命令的引脚的中断使能功能，然后等待射频接收前端接收到读写器发出的命令。

如果标签接收到的是通用rfid命令，则标签就像普通的满足rfid协议的标签一样执行该命令，并确认是否返回信号，然后发送节能控制信号关闭供电开关，关闭供电开关后，mcu进入掉电状态，等待下一次上位机发送连续载波和命令；

如果标签接收到的是传感器电桥调平命令，则mcu执行自动调整电桥平衡功能，当电桥平衡后，将当前的dac输入数字数据保存起来，便于下一次上电的时候使用；

如果标签接收到的是传感器数据采集命令，则mcu首先使能传感器电路，再配置adc的工作模式并等待传感器电路工作稳定，然后mcu根据接收到的命令判断是单次采集还是多次采集，并开始采集数据，采集数据后将数据返回给读写器，读写器将其传输给上位机，最后通过节能控制信号关闭供电开关，则mcu进入掉电状态，等待下一次读写器发送连续载波和命令。

本实施例给出了手动调整氢气传感器电桥输出平衡的具体实现方式，如图4与图5所示；虚线框表示需要根据具体的传感器来确定是否需要添加滑动变阻器。图4和图5的r1和r2是固定阻值，在r1和r2其中一个电阻两端并联一个滑动变阻器rv1和rv2来调整电桥平衡。a1表示放大器，推荐采用仪表放大器，电桥两个输出电压中高电压输入放大器的同相输入端；为了描述方便，以下将接入仪表放大器同相输入端的电桥输出点记为a点，将接入仪表放大器反相输入端的电桥输出点记为b点。

在确定焊接滑动变阻器到哪个电阻两端之前，先测试传感器输出是否平衡(在气体浓度为0的环境中测试)，如果电桥基本平衡并且a点电位稍高于b点电位，并且不会导致放大器输出饱和，则该气体传感器不用添加滑动变阻器；如果电桥不平衡并且a点电位比b点电位高1mv以上(称为a类电桥)，如图4所示，则在r2两端并联滑动变阻器，r1两端不用并联滑动变阻器，通过滑动r2两端的滑动变阻器rv2来减小r2在电桥上的有效阻值，减小a点电位，从而可以控制电桥达到基本平衡状态；如果电桥不平衡且a点电位低于b点电位1mv以上(称为b类电桥)，则将电桥旋转90度，如图5所示，现在还是a点电位低于b点电位，则在r1两端并联滑动变阻器，r2两端不用并联滑动变阻器，我们可以通过滑动r1两端的滑动变阻器rv1来减小r1在电桥上的有效阻值，增加a点电位，从而可以控制电桥达到基本平衡状态。我们可以在a类和b类电桥的固定臂上通过滑动添加的变阻器，将电桥调整到接近平衡的状态(a点电位比b点电位相差1mv以内)，这样可以使得放大器输入有一个微小的偏置，该偏置的大小由气敏元件对于气体浓度变化敏感度来确定，需要既满足传感器数据的采集精度又不使放大器饱和。输出有一个小的偏置，可以解决放大器输出在零附近导致adc采集不可靠的问题。

本实施例给出了自动调整电桥平衡的具体实现方式；如图6所示，支持间接电流反馈架构的仪表放大器可以实现该功能，通过调整ref的大小来平衡电桥。图6的电桥首先需要通过手动测试传感器是a类还是b类电桥，并将电桥输出大的一端接到放大器的同相输入端，其中r3和r4决定放大器a1的放大倍数。在标签接收到调平电桥命令后，mcu通过不断采集放大器输出信号，并且比较其大小，如果采集到的数据太大则通过mcu输出更大的数字信号(ctrl_data)来控制dac输出较大的电压，并且继续采集放大器输出信号；如果采集到的数据太小则通过mcu输出更小的数字信号(ctrl_data)来控制dac输出较小的电压，并继续采集放大器输出信号；直到放大器输出信号等于或刚好小于mcu设定的电桥输出最小值(即设定的电桥输出平衡值)，则mcu认为电桥达到平衡。本实施例中间接电流反馈仪表放大器可以采用ad8237器件。

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。