CN102222258A - 一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能包装技术领域，具体为一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签。包括无线射频单芯片、一种或者几种组合的智能传感器、非法打开监测电路、实时时钟电路、无线唤醒电路、ESD保护电路、电池状态指示电路、电池以及天线。无线射频单芯片包括射频收发器、微处理器以及非易失性存储器。智能传感器采集外部环境物理量的变化并转换成相对应的数字量，以外部中断的方式唤醒休眠的微处理器，微处理器进行数据采集并存储。非法打开监测电路实时监测智能包装是否被非法开启。微处理器读取实时时钟电路内的时间信息来实时记录智能传感器采集数据的时间以及智能包装被非法打开的时间。无线唤醒电路接收阅读器发出的激励信号，并唤醒休眠的微处理器。本发明可以有效降低智能无线传感标签的功耗，提高智能无线传感标签的电池寿命。

Description

一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签

技术领域

本发明属于智能包装技术领域，具体涉及一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签。

背景技术

包装技术的发展是随着商品流通的发展需要而发展起来的。对商品来说，包装主要起防护、隔离、定量、装潢和说明的作用，这是传统包装的功能和特点。随着市场经济的发展和技术的进步，人们在包装中加入更多的智能化技术成分，以满足日益复杂的流通***的要求和用户对产品功能的需求，使其具备传统包装技术无法达到的功能。于是出现了智能包装（Intelligent packaging）这种概念。智能包装，是利用新型的包装材料、结构与形式对商品的质量和流通安全性进行积极干预与保障；利用信息收集、管理、控制与处理技术完成对运输包装***的优化管理等。智能包装应用领域包括药品、食品、日用化学品、物流等。智能包装除了能延长药品、食品、日用化学品和其他产品的保质期以外，它还承担着提高产品可追溯的重任。智能包装对环境因素具有感知和判别功能。它可以识别包装空间的温度、湿度、压力以及包装的撞击等一些重要的参数。这类智能包装一般采用有源RFID技术以及传感器技术。低功耗技术和智能传感器技术是这类智能包装的关键技术。本发明的超低功耗智能无线传感标签主要用于这类智能包装中。

专利号200920262391.9和200920262392.3 的中国专利分别公开了一种用于高档化妆品运输和食品保鲜运输的智能包装容器。此智能包装容器采用了非接触式多功能无线智能传感器进行环境信息采集。这些专利中的敏感元件包括温度敏感元件、湿度敏感元件、氧气敏感元件、二氧化碳敏感元件、乙烯敏感元件、氮气敏感元件、流量敏感元件的一种或几种组合。这些专利讲述了无线智能传感器信号处理的基本流程，但并没有提出无线智能传感器关键核心技术之低功耗技术的实现方法以及智能传感器的实现方法。无线智能传感器也不具备时间记录功能、非法打开监测功能以及电池监测功能。

专利号200810039151.2的中国专利公布了用于集装箱电子封条的有源RFID射频识别标签及其阅读器。此专利发明了一种低功耗的射频识别技术。此专利中的射频通信模块被设置成以一时钟循环周期向外部发送同步信号，并在所述时钟循环周期内以远小于所述周期的时间接收来自阅读器的数据信息。这种方式可以降低有源电子标签的功耗。采用这种方式，不管射频电子标签是否处于阅读器的工作范围，射频电子标签进行定时唤醒工作，一定程度上浪费了电池的能量而且也带来了电磁污染。

专利号200910053629.1的中国专利公布了一种具有唤醒功能的有源RFID***。此发明采用了一激励器对工作区域发射激活信号，电子标签在侦听中若收到所述激活信号则向所述阅读器发送数据。 此发明专利只阐述一种唤醒的机制，并没有给出具体的实现方法。

专利号201020026830.9的中国专利公布了一种低功耗的RFID温度传感器标签。此传感标签由无源唤醒模块和有源温度传感模块组成。此无源唤醒模块采用了MLX90129专用集成电路，没有给出无源唤醒电路有效工作距离。此传感器标签也只能进行温度监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能强、应用广、功耗超低的用于智能包装的智能无线传感标签。

本发明提供的用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签，根据智能包装材料的不同，其安装外形结构采用内置形式或者外置形式。内置形式适用于箱体材质为非金属材质（比如ABS工程塑料）；外置形式适用于箱体材料为金属材质（比如不锈钢，铁，铜，铝）。

本发明提供的智能无线传感标签，包括一无线射频单芯片（SoC）、一种或者几种组合的智能传感器（比如温湿度智能传感器、加速度智能传感器、二氧化碳智能传感器等）、一非法打开监测电路、一实时时钟电路、一无线唤醒电路、一ESD保护电路、一电池状态指示电路、电池以及天线。其中，无线射频单芯片主要包括射频收发器、微处理器以及非易失性存储器。天线分为无线射频单芯片的收发天线和无线唤醒电路的接收天线。

本发明的无线传感标签具有无线唤醒功能；所述无线唤醒电路包括：接收天线、差分三次倍压整流电路、比较器；其中,接收天线感应阅读器发射的激励信号，该激励信号经过差分三次倍压整流，产生一直流电压,并和预先设定的阈值电压相比较；当唤醒电路产生的直流电压大于阈值电压时，所述比较器产生一外部中断信号,该外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，然后无线传感标签开始和***阅读器之间进行双向数据通信。阅读器发射的激励信号能够激活距离在0 ～ 20米内的无线传感标签。无线唤醒电路具有高阻输入阻抗的特性。

本发明的无线传感标签具有一种或者几种组合的智能传感器,如温度智能传感器、湿度智能传感器、加速度智能传感器、二氧化碳智能传感器、光照智能传感器或者流量智能传感器等。智能传感器中包括敏感元件、模拟信号处理电路、模拟数字转换电路、数字信号处理电路和存储器（RAM），还包括内部振荡器、时钟电路、接口电路等; 接口电路包括两线串行总线接口和中断接口。某种智能传感器的敏感元件能够感知某一外部环境物理变化，比如温度、湿度、加速度、二氧化碳、光照或者流量；物理量的变化转换成相应的电压或电流信号变化；此电压或电流依次经过智能传感器中的模拟信号处理电路、模拟数字转换电路、数字信号处理电路后，电压或电流的变化转换成智能传感器采集的数据并存储在内部存储器中；如果采集的数据大于预先设定的阈值，智能传感器将通过外部中断的方式唤醒处于休眠模式的微处理器；微处理器通过二线式串行总线接口读取智能传感器采集的数据并存储在传感标签的非易失性存储器中；智能传感器具有自身ID号，出厂日期，制造企业ID号，敏感元件类型等信息；敏感元件本身具有低功耗特性。

可见，所述的智能传感器具有感知功能，具有低功耗和功耗管理功能，具有非易失性存储功能，具有阈值设定功能，外界环境物理变化量超过阈值时发出中断功能。

本发明的无线传感标签具有实时时钟信息记录功能,即实时时钟电路用于记录外界环境物理量,比如温度、湿度、加速度超出设定阈值时的时间信息或者环境物理量随时间变化的信息。

本发明的非法打开监测电路由一开关组成；开关可以是一对搭扣或类似原理组成的开关。

非法打开监测电路用于监测非法打开。如果箱体被非法打开，微处理器将记录此次非法打开以及此次非法打开的时间；

本发明的电池状态指示电路用于监测电池状态；ESD保护电路用于保护ESD; 电池为无线传感标签提供电源。

此外,本发明无线传感标签还具有数据加密、电子身份识别、防碰撞等功能。

在本发明应用***中，设有一数据库中心，一手持式阅读器或者固定式阅读器。该阅读器用于阅读本发明的无线传感标签。阅读器有一无线射频单芯片（SoC）以及激励器电路，具有发射无线唤醒信号功能；激励信号频率为900MHz。数据通信距离大于50米，唤醒距离0～20米。

本发明的工作过程为：当智能无线传感标签进入阅读器工作距离后，传感标签的无线唤醒电路通过接收天线感应阅读器发出的激励信号，经过差分三次倍压整流产生一大于阈值电压的直流电平来唤醒处于休眠模式的微处理器；传感标签存储的采集数据、时间信息以及传感标签和阅读器之间的指令信息通过射频收发器进行双向数据通信；通信完毕，传感标签重新进入休眠状态；智能传感器采集的数据需要发送时，发出一外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，微处理器进入工作模式并采集智能传感器的数据以及实时时钟的时间信息，存入到非易失性存储器；当非法打开监测电路监测到智能包装有非法开启时，监测电路发出一外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，微处理器进入工作模式并记录此次非法开启以及此次非法开启的时间信息，存入非易失性存储器中。

本发明通过采用智能传感器技术和无线唤醒技术，可以有效降低智能无线传感标签的功耗，提高智能无线传感标签的电池寿命。此智能无线传感标签可采用内置或者外置的方式放置于智能包装中。

附图说明

图 1 为本发明的无线传感标签安装位置图示。

图 2 为本发明的无线传感标签结构图示。

图 3 为本发明中智能传感器的结构图示。

图 4 为无线唤醒电路的电路图。

图 5 为非法打开监测电路的电路图。

图 6 为本发明的应用***工作流程图，应用***结构包括传感标签、阅读器以及数据库中心。

具体实施方式

低功耗智能无线传感标签外壳采用ABS工程塑料，具体安装位置结构图示如图1。箱体600采用非金属材质（比如ABS工程塑料）作为箱体的材料。箱体700采用金属材质（比如不锈钢，铁，铜，铝）作为箱体的材料。传感标签100以内置的方式放置于箱体600的内部或者传感标签100以外置的方式放于箱体700的外部。传感标签外壳和箱体的连接采用黏贴的方式。非法打开监测电路采用搭扣3的开关方式。低功耗智能无线传感标签结构图示如图2。无线传感标签由无线射频单芯片（SoC）1、智能传感器2（比如温湿度智能传感器21、加速度智能传感器22等）、一非法打开监测电路3、一实时时钟电路4、一无线唤醒电路5、一ESD保护电路D1、一电池状态指示电路D2、电池6、无线射频单芯片（SoC）收发天线7以及无线唤醒接收天线8组成。

智能传感器2、实时时钟电路4和无线射频单芯片（SoC）1连接信号包括：符合二线式串行总线方式（I²C）信号SDA，SCL和集电极开路的中断信号INT3。SDA是串行数据线。SCL是串行时钟线。非法打开监测电路3和无线射频单芯片（SoC）1连接信号为一外部中断信号线INT1。打开监测电路3的信号线INT1具有ESD保护功能。一ESD保护器件D1连接INT1信号线和电源地。无线唤醒电路5与无线射频单芯片（SoC）连接信号为一外部中断信号线INT2。电池6提供无线传感标签电源。电池为一钮扣电池（CR3032，标称电压为3V，容量为550mAH）。电池欠压电路指示D2为一LED指示灯，与无线射频单芯片（SoC）连接信号为一数字输出端口。当电池处于欠压状态时，数字输出端口为高电平，指示灯亮。无线射频单芯片（SoC）具有收发天线7。无线唤醒电路具有接收天线8。

无线射频单芯片（SoC）1内部包括射频收发器、微处理器和非易失性存储器。射频收发器工作于2.4GHz ISM频段。其空中数据传输速率为250kbps、1Mbps或者2Mbps。无线射频单芯片还具有加密功能、防碰撞功能以及灵活的输入输出接口（IO口）。无线射频单芯片具有电源管理功能（包括工作模式和休眠模式）。无线射频单芯片处于休眠模式时，消耗电流在微安级。从休眠模式到工作模式可由外部中断信号触发唤醒。

智能传感器2结构示图如图3。该智能传感器2由敏感元件201、模拟信号处理电路202、模拟数字转换电路（ADC）203、数字信号处理电路204、接口电路205、内部振荡器206、时钟电路207以及储存器208组成。敏感元件201感知外界某一物理量变化，比如温度、湿度、光照、加速度、流量或者二氧化碳等，然后把外界物理变化量转化成对应的电压或者电流的变化量。模拟信号处理电路202进行电流到电压转化以及进行电压信号的放大，使得输入电压信号符合ADC的动态范围。模拟数字转换电路203完成模拟信号的数字化过程。数字信号处理电路204完成滤波、校正、补偿等功能。接口电路205信号有：二线串行总线SDA、SCL以及中断INT3。这些信号线和无线射频单芯片（SoC）的SDA、SCL以及中断INT3相连接。内部振荡器206产生电压控制震荡信号。时钟电路207对震荡信号进行整形和分频，产生内部基准时钟，作为ADC 203的时钟信号和数字模拟信号处理202的时钟信号。储存器208存储了自身ID号，出厂日期，制造企业ID号，敏感元件类型等信息。智能传感器2具有电源管理功能，具有休眠模式和工作模式两种状态且可自动进行切换。智能传感器2具有环境物理量阈值设定功能以及超过阈值发出中断功能。

无线唤醒电路5如图4所示。antp、antn为无线唤醒电路接收天线8的输入端。n1～n10为唤醒电路连接线的网表名。电容C1～C12为无极性电容。D1～D12为零偏置肖特基二极管。M为一超低功耗比较器。电容C1一端连接antp，另一端连接n3。电容C2一端连接antp，另一端连接n2。电容C3一端连接antp，另一端连接n1。电容C4一端连接antp，另一端连接n4。电容C5一端连接antp，另一端连接n5。电容C6一端连接antp，另一端连接n6。电容C7一端连接antn，另一端连接n7。电容C8一端连接antn，另一端连接n8。电容C9一端连接antn，另一端连接n9。电容C10一端连接antn，另一端连接n10。电容C11一端连接antn，另一端连接Vp。电容C12一端连接antn，另一端连接Vn。二极管D1阳极连接antn,阴极连接n3。二极管 D2阳极连接n4,阴极连接antn。二极管D3阳极连接n3,阴极连接n7。二极管D4阳极连接n8,阴极连接n4。二极管D5阳极连接n7,阴极连接n2。二极管D6阳极连接n5,阴极连接n8。二极管D7阳极连接n2,阴极连接n9。二极管D8阳极连接n10,阴极连接n5。二极管D9阳极连接n9,阴极连接n1。二极管D10阳极连接n6,阴极连接n10。二极管D11阳极连接n1,阴极连接Vp。二极管D12阳极连接Vn,阴极连接n6。比较器M的负输入端连接Vp，正输入端连接Vref，输出端连接INT2。当传感标签进入到阅读器的激励工作范围（0～20米），无线唤醒电路的接收天线感应阅读器发出的激励信号，经过差分三次倍压整流滤波电路后，产生一直流电平（Vp）与预设的参考电压（Vref）进行比较。当直流电平大于参考电压时，比较器输出低电平信号（INT2）。此信号作为外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，然后微处理器自动切换到工作模式，并开始与阅读器进行数据交换。

非法打开监测电路如图5所示。Rp为INT1信号线的上拉电阻。K为一开关。Rp的一端连接电源VCC，另一端连接INT1。开关K一端连接INT1，另一端连接电源地。开关可以采用任意形式的开关，比如搭扣形式的开关。当开关闭合时，INT1信号为高电平。此时微处理器不会发生非法打开外部中断，也不会唤醒处于休眠模式的微处理器。当开关打开时，信号变为低电平。如果此时微处理器处于休眠模式，则此外部中断将唤醒微处理器，使之切换到工作模式，并进行非法打开程序处理。如果微处理器处于工作状态，则直接进行非法打开程序处理。

整个应用***的工作流程如图6所示。应用***由无线传感标签100、带有激励功能的手持式阅读器300或者固定式阅读器400以及数据库中心500组成。阅读器数据库中心的数据传输可以采用有线或者无线的方式。有线方式包括RS232、RS485、CAN总线接口或者Ethernet接口。无线方式包括WiFi、Bluetooth或者GPRS方式。带有传感标签的智能包装在包装点，非法打开监测开关闭合，阅读器设置传感标签的各种参数，比如时钟、智能传感器阈值、传感标签ID号等。传感标签运行初始化程序后，进入休眠模式。在休眠模式时，整个传感标签消耗电流一般为几个微安。一节钮扣电池（CR3023）可以支持大于3年的待机时间。智能包装在运输途中，各类智能传感器以及非法打开电路实时监测外界环境物理量。当外界环境物理量超过智能传感器预先设定的阈值时，智能传感器发出外部中断唤醒处于休眠模式的微处理器。微处理器自动从休眠模式转换到工作模式。微处理器读取传感器的数据信息以及实时时钟的时间信息，并存入至非易失性存储器中。然后传感标签自动从工作模式转换到休眠模式。当非法打开监测电路监测到开关被打开后，此监测电路发出外部中断唤醒处于休眠模式的微处理器。微处理器自动从休眠模式转换到工作模式。微处理器记录非法打开的次数信息以及实时时钟的时间信息，并存入至非易失性存储器中。然后传感标签自动从工作模式转换到休眠模式。当智能包装到达交货点时，传感标签的无线唤醒电路感知阅读器发出的激励信号。唤醒电路发出外部中断唤醒处于休眠模式的微处理器。微处理器自动从休眠模式转换到工作模式。传感标签和阅读器进行数据和命令交换。阅读器读取传感标签的信息，然后通过有线或者无线的方式，把传感标签的数据传至数据中心进行数据处理。

Claims (7)

1.一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签，其特征在于包括一无线射频单芯片、一种或者几种组合的智能传感器、一非法打开监测电路、一实时时钟电路、一无线唤醒电路、一ESD保护电路、一电池状态指示电路、电池以及天线；其中，所述无线射频单芯片包括射频收发器、微处理器以及非易失性存储器；所述无线唤醒电路包括：接收天线、差分三次倍压整流电路、比较器；所述天线包括无线射频单芯片的收发天线和无线唤醒电路的接收天线；  

当智能无线传感标签进入阅读器工作距离范围后，无线唤醒电路通过其接收天线感应阅读器发出的激励信号，经过差分三次倍压整流产生一大于阈值电压的直流电平来唤醒处于休眠模式的微处理器；无线传感标签存储的采集数据、时间信息以及传感标签和阅读器之间的指令信息通过射频收发器进行双向数据通信；通信完毕，无线传感标签重新进入休眠状态；智能传感器采集的数据需要发送时，发出一外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，微处理器进入工作模式并采集智能传感器的数据以及实时时钟的时间信息，存入到非易失性存储器；当非法打开监测电路监测到智能包装有非法开启时，非法打开监测电路发出一外部中断信号唤醒处于休眠模式的微处理器，微处理器进入工作模式并记录此次非法开启以及实时时钟的时间信息，存入非易失性存储器中。

2.权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于所述智能传感器包括温度智能传感器、湿度智能传感器、加速度智能传感器、二氧化碳智能传感器、光照智能传感器或者流量智能传感器；每个智能传感器中包括敏感元件、模拟信号处理电路、模拟数字转换电路、数字信号处理电路和存储器，还包括内部振荡器、时钟电路、接口电路;某种智能传感器的敏感元件能够感知某一外部环境物理量变化，这些物理量包括温度、湿度、加速度、二氧化碳、光照或者流量；物理量的变化转换成相应的电压或电流信号变化；此电压或电流依次经过模拟信号处理电路、模拟数字转换电路、数字信号处理电路后，电压或电流的变化转换成智能传感器采集的数据并存储在内部存储器中；如果采集的数据大于预先设定的阈值，智能传感器将通过外部中断的方式唤醒处于休眠模式的微处理器；微处理器通过二线式串行总线接口读取智能传感器采集的数据并存储在传感标签的非易失性存储器中；智能传感器具有自身ID号，出厂日期，制造企业ID号，敏感元件类型等信息。

3.权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于当无线传感标签不在阅读器的工作范围时，无线传感标签处于休眠状态。

4.根据权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于非法打开监测电路由一开关组成。

5.根据权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于所述阅读器是手持式或者固定式阅读器；阅读器内嵌无线射频单芯片以及激励器电路，激励信号频率为900MHz；数据通信距离大于50米，激励唤醒距离为0 ～ 20米。

6.根据权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于传感标签和阅读器之间的数据通信的工作频率为2.4GHz,通信数据传输速率设置为250kbps、1Mbps或2Mbps。

7.根据权利要求1所述的无线传感标签，其特征在于无线传感标签安装采用内置的形式或者外置的形式；所述内置形式适用于箱体材质为非金属材质，所述外置形式适用于箱体材料为金属材质。

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