CN109219820A - 跟踪*** - Google Patents

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萨夫万·库茨巴里
贾马莱丁·纳塞尔
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Abstract

一种跟踪***包括标签读取器，所述标签读取器包括询问天线。一个或多个标签包括电能发电机，所述电能发电机被配置为将环境能转换为电能。无线电频率(RF)通信电路。控制器，所述控制器被配置为使用由电能发电机生成的电能以使用RF通信电路将数据信号发送到标签读取器。

Description

跟踪***
技术领域
本发明涉及一种用于使用电子标签跟踪项目的***，并且具体地，涉及一种包括标签和标签读取器(例如，RFID标签)的***。
背景技术
重要的是能够尤其当项目在多个地点之间行进时对它们进行定位与跟踪。对象可以在单个设施内行进，或者在更大的距离上移动，或者甚至穿越陆地、海洋和天空在国家之间运输。例如，这样的项目可以包括货运、邮政、文档和交通工具(例如船舶、火车和飞机)的各个部件。无源电子标签(例如，RFID标签)可以贴到单个项目上，以便它们可以被唯一地标识并在几毫米至可能高达10米的距离下进行本地询问。通常，标签是无源的，并且没有存储的电能，因此从标签读取器所生成的询问信号中得到它们需要的电能。因此，项目和货物可以在旅行中或地点之间经过特定地点时被跟踪，前提是它们经过时足够接近标签读取器(即在短的询问和接收范围内)。这对于必须遵循特定路线并有明确停靠点或货运站的货运来说，效果很好。然而，对于在限定较少的路线上进行或不具有特定最终目的地的项目(例如，在飞机内持续使用的飞机部件)，无源标签具有缺点。
承载其自身的电源的有源标签可以用于跟踪较大的项目，如货运集装箱。这样的标签可以具有大电池、远程无线接口(例如，GSM无线电或卫星通信器)和位置***(例如GPS或GSM三角测量单元)。然而，一旦电池耗尽，标签就不再起作用了，并且项目将不再能够定位。此外，由于这样的跟踪装置的尺寸和占地空间，它们仅适合于较大的项目。
US 2010/0079238描述了一种基于RF的标签，其包括非易失性存储器和压电传感器。压电传感器产生电荷，当受到机械力时，电荷会瞬间向标签供应电力。这种电力足以将数据记录在非易失性存储器中。因此，这样的标签可以记录在旅程期间发生的事件，并且在这样的旅程结束时可以读取非易失性存储器以提供附加信息。然而，这样的标签不能用于定位较远处的项目。
能够定位交通工具(例如飞机)的各个部件通常是很重要的。例如，如果飞机被租赁，那么在租赁期间，某些部件可能被互换或替换。当飞机还给它的主人时，所有的部件都必须顾及到。这对于监管和安全目的是重要的，或者对于审计特定部件已经使用的小时数以使它们能够被适当地替换或维修是重要的。此外，可以发现在机队内的单个飞机之间交换部件。当这些飞机被送回其所有者或传送给新的承运人时，那么原始部件必须再次返回到原始飞机。为了跟踪这样的移动和变化，可能需要大量的努力和文书工作来定位缺失或移动的部分。
类似地，诸如珠宝和重要文件之类的贵重项目也可以在使用中运输和移动。由于额外的占地空间，为这样的小项目提供有源全局跟踪***通常是不可行的。然而，小而有价值的项目可能更容易丢失或错放，并且因此在任何给定的时间知道它们的下落是有用的，但这在当前是不可行的。
因此，需要一种克服这些问题的方法和***。
发明内容
跟踪***包括询问器或读取器，所述询问器或读取器通常与一个或多个标签或标签网络非常接近(例如，最多可达12米的半径或最多可达100m的半径)。每个标签可以接收来自读取器的信号，并作为响应发送信号，或者可以在没有任何询问信号的情况下以间隔(常规或其他方式)发送数据。来自读取器的信号可以用于向标签提供电力和/或可能不存在任何数据(或者例如本身可能不引起任何响应)。例如，信号或响应可以是标签的唯一标识符，或者可以包括由读取器接收和处理的其他数据。该标签由机械能量采集器供电，该机械能量采集器产生至少足够的能量以将数据发送到读取器(以及接收使用或范围内的任何询问信号)。这种能量可以可选地例如使用电池、存储单元、电容器、超级电容器或固态设备来存储。多个标签可以以这种方式操作。有利地，标签可以具有定时器或间歇性地操作(例如，开启一分钟，然后睡眠一小时或更长时间或其他周期)，以转换能量或允许收集足够的能量用于短暂操作。标签可以形成能量收集无线传感器网络(EHWSN)。可以无需直视线来读取标签。
读取器可以存储信息以供稍后索取，或者可以使用诸如蜂窝网络、卫星网络或其他远程无线网络之类的网络与中央服务器通信。读取器和一个或多个标签可以置于诸如飞机或船舶之类的交通工具内，并且标签可以附接到交通工具内的项目(例如，运输中的货物)或交通工具本身的部件上或在其内。因此，整个***允许许多不同的项目可以在更长的距离上更可靠地跟踪，而不需要每个标签中的大电池来为远程收发器(即，用于与中央服务器直接通信)供电。
根据第一方面，提供了一种跟踪***，包括：
标签读取器，所述标签读取器包括询问天线；
一个或多个标签(例如，一个或多个电子标签或无线电频率识别(RFID)标签)，所述一个或多个标签包括：
电能发电机，其被配置为将环境能转换为电能；
无线电频率(RF)通信电路；以及
控制器，其被配置为：
使用由电能发电机产生的电能以使用RF通信电路将数据信号发送到标签读取器(例如，RFID标签读取器)。
电能发电机(例如，机械发电机)允许标签获得足够的电能，以在更大的距离上并且不需要笨重的电池(或非常大的询问信号)便可更可靠地来由读取器响应询问信号(或简单地发送数据)，因为电能可以在运输中或者在移动标签时产生。标签读取器可以包括用于接收来自标签的数据信号的接收器(或收发器)和用于进行较长距离(例如大于100m或1km)通信的接口，以提供与收集的标签数据不同的实体。RF通信电路可以使用无线保真协议。该标签还可以包括用于供电目的的RF到电能收集模块。例如，机械能可以通过声能得到。机械能可以包括任何运动类型，包括振动、运动和声能(在任何或特定的频率或频率范围下)。标签还可以包括RF-DC电路，其可以提供额外的或替代的功率(例如，用于负载、传感器、控制电路、通信电路、和/或WiFi发射器)。标签还可以使用RF到电能转换器，以使用RF通信电路将数据信号发送到标签读取器。
有利地，标签读取器还可以包括无线网络接口，跟踪***还包括：
接收服务器，其被配置为从标签读取器的无线网络接口接收数据，所接收到的数据包括与来自标签的数据信号(或对询问信号的响应)相关联的信息。因此，***可以更有效地报告关于项目(例如，在运输中)的位置或其他信息。读取器可以由交通工具的电源(例如)供电，但是标签仅需要少量能量(由机械运动提供)来发送数据(和/或对询问请求的响应)，这随后可导致该信息被发送回中心位置(或基于云的服务器)。通过这种方式，可以在大距离和长时间帧(例如月或年)上跟踪大量项目。优选地，一个或多个标签与标签读取器一起行进或移动(例如，在相同的外壳、交通工具、盒子、设备内和/或它们彼此位于同处)，并且接收服务器远离标签读取器和(一个或多个)标签的组合。换句话说，标签使用一种传输协议(例如，短距离或低功率协议)与读取器通信，并且读取器使用另一种不同的传输协议(例如，长距离或高功率协议)与中央服务器通信。
优选地，跟踪***还可以包括被配置为存储所接收到的数据的数据库。数据库的库可以是集中式的(例如，物理服务器)、基于云或在位置之间分布(例如，与读取器和服务器位于同处)。
优选地，接收服务器可以被配置为向标签读取器发送请求，并且数据是响应于请求来接收的。替代地，接收服务器可以接收来自一个或多个标签读取器的临时或常规信号。
可选地，无线网络接口可以是蜂窝接口、卫星接口、Wi-Fi接口或802.11接口。可以使用其他无线网络接口。
有利地，标签还可以包括能量存储设备，其被配置为存储由电能发电机(例如，机械能到电能转换器)提供的电能，并且供应所存储的电能以供控制器和RF通信电路(例如发射器或收收发器)使用。因此，当接收到询问信号时，但是没有机械运动为发射器和/或控制器产生功率时，可以存储多余的能量以供使用。例如，标签可以是电子标签、RFID标签或其他类型的标签。
优选地，数据信号(和/或响应)可以包括标签的唯一标识符。然而，也可以包括其他信息。
有利地，标签的RF通信电路可以是收发器，并且标签读取器可以被配置为向标签读取器发送询问信号，并且进一步地，其中，标签可以被配置为响应于询问信号向标签读取器发送数据信号。
可选地，标签还可以被配置为从询问信号产生电能以向RF通信电路和控制器供电。这种电能可以附加于所产生的电力(例如，机械能、热能和/或太阳能)。
可选地，电能发电机可以是包括以下各项的任意一个或多个发电元件：
机械能到电能转换器；
热电发电机；
太阳能发电机；
压电发电机；以及
RF功率发电机。
根据第二方面，提供了一种标签，其包括：
电能发电机，其被配置为将环境能转换为电能；以及
控制器，其被配置为使用由发电机产生的电能(例如，机械能到电能转换器)以使用RF通信电路向标签读取器发送数据信号。通信电路可以使用任何频率或频带，特别是那些被许可用于标签将要使用的特定国家或国家的频率或频带。在特定示例中，标签可以包括机械能到电能转换器以及热发电机。
可选地，标签还可以包括能量存储设备，其被配置为存储由电能发电机提供的电能，并供应所存储的电能以供控制器和RF通信电路使用。
可选地，能量存储设备可以是电容器或次级电池。可以使用其他能量存储设备。
有利地，标签还可以包括一个或多个传感器，并且其中，控制器还被配置为将由一个或多个传感器生成的数据包括在数据信号中。
优选地，标签还可以包括存储器存储库，存储器存储库被配置为存储由一个或多个传感器生成的数据。存储器可以是非易失性存储器(例如，FLASH存储器)，并且可以存储数据直到下一次与RFID读取器进行通信和/或特定时间或位置。
可选地，一个或多个传感器可以测量以下各项中的任何一项或多项：湿度、振动、移动、运动、加速度(加速度计)、陀螺仪、GPS、温度、光或声音。可以包括其他传感器或***设备。任何一个或多个传感器可以由MEMS形成。
可选地，控制器可以包括电路、微处理器、和/或计算机软件或固件。标签的任何或所有组件可以并入相同的电路、板或封装中，或者可以是独立的。
可选地，通信电路可以是收发器(即，发送和接收而不是仅仅发送)，并且控制器还可以被配置为从标签读取器接收询问信号，并且响应于询问信号向RFID标签读取器发送数据信号。
优选地，标签还可以包括电连接到RF通信电路的天线。天线可以是集成的(与控制器或其他电路)、置于封装内部或外部。天线可以是环形的、偶极的、单向的或多向的。可以存在多个天线(例如，两个、三个、四个或更多个)，每个天线可以针对特定方位进行优化，以便标签可以在任何方位上接收和/或发送数据和/或被使用以及接收RF功率。
可选地，标签还可以包括被配置为将由天线接收到的信号转换成电能以给RF通信电路和控制器供电的电路。这可以是与接收和发送对询问信号的响应的相同天线或不同的天线。
可选地，控制器还可以被配置为间歇性地为RF通信电路供电。这可以节省功率和/或带宽，并且还可以避免由于同时操作的多个标签产生的干扰。
可选地，发电机可以是压电发电机。可以使用其他类型的发电机，包括弹簧、磁发电机和/或热梯度能量发电机。
可选地，电能发电机可以是包括以下各项的任何一个或多个发电元件：
机械能到电能转换器；
热电发电机；
太阳能发电机；
压电发电机；以及
RF功率发电机。
可选地，标签还可以包括控制电路，控制电路被配置为管理由一个或多个发电元件中的任意一者或多者产生的电能。例如，这可以同时使用多个发电元件(如果可用的电源不足)，或者关闭或减少发电太多的发电元件。控制电路还可以控制电存储(必要时再次存储或耗尽)。
优选地，标签还可以包括外壳。例如，这可以是箱体或封装化合物。可以使用塑料、树脂、金属、复合材料或其他材料。
外壳可以是不受天气影响的、防尘的、耐溶的、和/或耐热或耐寒。这允许标签在不同类型的敌对环境中进行操作。
可选地，标签可以由PCB板形成。标签可以是柔性的，或者由弹性材料(例如塑料或橡胶材料)形成。可以向标签设置外壳。用于标签的印刷电路板(PCB)可以被形成为柔性和/或弹性的。PCB可以由多个迷你板形成。PCB可以具有扁平电缆或柔性PCB板。PCB或标签还可以被形成为具有被贴标签的对象的形状。
根据另外的方面，提供了一种标签，该标签使用至少两种不同的能量源。这些能量源(用于产生电力)可以从以下各项中的两者或多者中选择：太阳能、机械能(包括声学、振动、热、任何一个或多个维度上的平移)、电磁能、无线电频率能、电池或电容器。这样的标签可以有选择地在能量源之间切换(例如，当源变得可用和/或防止过电或欠电事件时，自动切换)。能量源在被产生时可以合并、储存或使用。至少两种能量源被用于给控制器和RF发射器或收发器供电。标签可以用于响应询问信号和/或以与本说明书中关于其他标签描述的方式相同或类似的方式间隔地提供数据信号。标签可以与本说明书中描述的任何或所有标签读取器一起使用。
优选地，标签还可以包括RF-DC转换电路。这可以转换RF信号(例如，由一个或多个天线接收)并由其产生电力以供存储或立即使用。
根据另外的方面，提供了一种跟踪***，其包括：
标签读取器，所述标签读取器包括询问天线；
一个或多个标签(例如，一个或多个电子标签或无线电频率识别(RFID)标签)，所述一个或多个标签包括：
无线电频率(RF)到电能转换器，其被配置为产生电能；
无线电频率(RF)通信电路；以及
控制器，其被配置为：
使用由RF能量转换器产生的电能，以使用RF通信电路向标签读取器(例如，RFID标签读取器)发送数据信号。额外的电能可以通过使用机械能到电能转换和/或太阳能转换器(例如，光伏)来提供。跟踪***还可以包括被配置为从标签读取器的无线网络接口接收数据的接收服务器，所接收到的数据包括与来自标签的数据信号(或对询问信号的响应)相关联的信息。服务器可以具有贯穿本说明书描述的其他接收服务器的任何或全部特征。
根据另外的方面，提供了一种标签，其包括：
无线电频率(RF)到电能转换器，其被配置为产生电能；无线电频率(RF)通信电路；以及
控制器，其被配置为使用由发电机产生的电能，以使用RF通信电路向标签读取器发送数据信号。额外的电能可以通过使用机械能到电能转换和/或太阳能转换器(例如，光伏)来提供。此外，标签可使低功率传感器放弃从温度梯度获取能量，从而使该能量可以被累积以存储由标签检测或监测的事件(例如，询问、数据变化等)。
可选地，标签还可以被配置为记录从发电机获取的数据。换言之，发电机(或形成发电机的不同类型的发电机)既可以产生电力供标签使用，又可以充当一个或多个传感器来记录数据。
优选地，标签还可以包括存储器存储库(例如，如FLASH之类的持久性或无源存储器)，存储器存储库被配置为存储从发电机获取的数据。因此，可以在延长的时间内获取数据。
根据另外的方面，提供了一种操作标签的方法，该标签具有被配置为将环境能转换为电能的电能发电机和无线电频率(RF)通信电路，该方法包括以下步骤：
使用由电能发电机产生的电能，以使用RF通信电路向标签读取器发送数据信号。
优选地，数据信号包括标签的标识符。因此，可以唯一地标识标签(以及附接到标签的任何项目)。
有利地，该方法还可以包括以下步骤：
从标签的电能发电机获取数据；以及
在将包括所获取的数据的数据信号发送到标签读取器之前存储数据。该电能发电机可以充当电源供应器和传感器两者，由于不需要单独的组件，所以这可以减轻重量、降低复杂度、降低功率需求和成本。
可选地，所获取的数据可以指示以下项中的一项或多项：
由电能发电机产生电能的时间段；
由电能发电机产生的功率电平；
电能发电机发电的次数；以及
电能发电机达到一个或多个阈值功率电平的次数。由发电机获取的数据(可能仅仅是发电的量、时间和/或电平)可以指示关于标签环境的性质。发电机可以包括多个组件，每个组件基于不同的环境性质来发电。由这些组件中的两者或多者产生的功率的相对电平还可以提供可以被解释为描述性质或活动的数据。例如，热电发电机所经历的温度梯度可以指示项目的温度，并且用于从机械能到电能发电机发电的振动级别可以指示项目被使用的程度(例如，发动机和发动机功率)。仅在检测到某些标准或功率电平(或功率电平的组合)时，数据本身才可以被记录(即，为了节省有限的存储器空间)。
优选地，该方法还可以包括以下步骤：
基于所获取的数据，确定附加到标签上的组件的以下项中任何一项或多项：周期数、操作数、操作时间、服务间隔、飞机飞行次数、以及异常操作特性。其他信息可以被确定。
优选地，所述确定步骤还可以包括分析所获取数据内的多个数据项目，以确定由多个数据项目定义的一系列重复事件。这可以用于指示周期(例如，发动机供电周期，例如飞机的起飞和着陆)。
可选地，标签可以附加到以下项中的任何一项：飞机、交通工具、发动机、供电单元、辅助供电单元、推力反转器、和起落架。这些可能是飞机或其他交通工具的部件。标签可以附接到其他项目上，以记录它们随时间变化的环境。标签可以包括一个或多个定时器或时钟，以便可以记录数据收集的时间。
上述协议和操作过程可以被实施为计算机程序，该计算机程序包括操作计算机的程序指令。计算机程序应存储在计算机可读介质上。
计算机***应包括处理器，例如中央处理单元(CPU)。处理器应以软件程序的形式执行逻辑。计算机***可以包括存储器，存储器包括易失性和非易失性存储介质。可以包括计算机可读介质以存储逻辑或程序指令。***的不同部件可以使用网络(例如，无线网络和有线网络)来连接。计算机***可以包括一个或多个接口。计算机***可以包含合适的操作***，例如UNIX、Windows(RTM)或Linux。
应当注意，上述任何特征都可以与本发明的任意特定方面或实施例结合使用。
附图说明
本发明可以以多种方式付诸实践，并且现在将仅通过示例并参考附图来描述实施例，在附图中：
图1示出了用于跟踪项目的***的示意图，其中***包括标签；
图2示出了图1的***内的标签的示意图；
图3示出了图2的标签的另外的示意图，其包括用于标签的不同电能源；
图4示出了用于监测图2和图3的标签的***的示意图；
图5示出了用于示例性标签的电源以及用于每个电源的选择和优先级逻辑的示意图；
图6示出了在图1的***内使用的示例性标签的电路图；
图7示出了根据图6的电路图构建的组装标签的透视图；以及
图8示出了图6的电路的示意图。
应该注意，这些图是为了简单起见而示出的，并且不一定是按比例绘制的。类似的特征被提供有相同的附图标记。
具体实施方式
跟踪***使用环境能来远距离地监测和分析项目的状态。各种环境能量源可用于产生***使用和储存的电力。该***使用可以形成通信***电网的无线传感器网络。
该***可以包括多个部件，其包括：
1.节点、接入点节点(APN)或标签读取器，其从分布式标签收集数据和信息。
2.“标签”或“智能传感器板”(EPT或端点标签)，其可以监测部件的状态，以便向多个节点报告。
3.软件接口设计，其用于链接和监测从分布式传感器收集到的数据。
该节点设计建立了与标签的优选安全连接，以确保和保护数据传递并减少冗余。数据使用特定和公共的帧格式进行封装。
该标签使用稳定且可靠的无线传感器板，该无线传感器板具有可用于恶劣环境的外部盒或外壳设计。标签由从操作站点收集的能量自供电，并且可以使用无线(例如，Wi-Fi)数据连接进行通信。
标签形成能量收集无线传感器网络(EHWSN)。标签通过限定的无线协议来发送数据，并从以下两个源中的至少一个或两个源接收能量：发射的RF生成信号和振动模块。标签调节这两个源，以便为微控制器、无线收发器和其他传感器(无需任何外部充电电池供应)输送稳定的电源。标签可以由(一个或多个)接入点节点(一个或多个APN)发起并部分地(或全部)供电，这些接入点节点还应收集、处理和发送经校验的数据以进行向前传输或存储。
图1示出了跟踪***10的示意图。一些项目被封装在一个虚线盒15中，并且这些项目可能彼此非常接近(彼此相距几毫米至几十米)。例如，虚线框15内的所有项目可以在特定项目内(例如，交通工具、飞机、船舶、火车、汽车、卡车、发电厂模块、太阳能模块站等)。标签读取器或询问器20具有天线30，以用于与各个标签40进行无线通信。在这幅图中，示出了三个标签40，但是可以使用大于1的标签数目。每个标签可以包含机械能到电能转换器50、一个或多个RF通信电路(例如，发射器、收发器或单独的接收器和发射器)60和控制器70。RF通信电路60可以提供至少两个功能。这些可以是与标签40通信(例如，使用WiFi)，并且还可以向标签40提供RF功率。在远程站点，可存在具有关联数据库90的服务器80。服务器80通过广域网络100与标签读取器20通信，该广域网络可以是互联网、蜂窝网络、卫星***、或其他无线(或部分有线)通信网络。服务器80(可以是物理的或基于云的)可以监测多个不同的标签阅读器20，尽管为了简单起见，在图中只示出了一个。例如，可以在每个地点或交通工具中使用多于一个标签读取器20。
因此，标签40只需在相对短的距离上通信，但是可以附接到每个标签40的各个项目可以有效地在任何距离上被跟踪，并由服务器80集中监测。例如，服务器80可以通过网络100向一个或多个标签读取器20发送信号，标签读取器20通过其天线30发送要被每个标签40接收的信号；并作为响应，每个标签向标签读取器20返回信号。这些数据可以通过网络100传送回服务器80，并且可选地被记录在数据库90中。因此，可以确定没有响应的标签和因此被附接到那些标签的项目丢失。此外，应该位于特定***15(例如，飞机的原始部分)内的标签40可以由另一个***15中的不同的标签读取器20在其他地方被发现，当该不同的标签读取器接收到来自该特定错误放置的标签40的数据信号时。然后，不同的标签读取器20可以通过标签读取器20向服务器80报告新位置，作为响应，服务器80可以更新数据库90。在一个示例中，标签40可以附接到飞机部件(例如发动机)。如果发动机被移除并被移动到新飞机，那么新飞机上的标签阅读器20可以报告这样的部件的存在，该部件可以自动记录和审计，无需额外的文书工作。
***10可以在标签读取器20不发出任何询问信号的情况下进行操作。取代的是，每个标签40可以发送(无提示地)由标签读取器20接收的常规数据信号。服务器80可以从任何一个或多个标签读取器20请求最后一组接收到的数据。***10还可以以任一种或两种模式(常规数据传输和/或询问信号与响应)进行操作。
图2更详细地示出了各个标记40的示意图。控制单元70被示出为从指定发电机连接到RF收发器(或发射器)60、机械能到电能转换器50以及热能收集设备，所述指定发电机向控制单元70提供DC或AC功率(例如，使用DC/DC或AC/DC转换器)。附加的***设备或传感器110可以附接到控制单元70。以太网传输单元120可以使用RF收发器(或发射器)60提供互联网协议通信。通用输入/输出单元130还可以连接到控制单元70，以用于其他通信(例如，测试、设置、固件更新等)。
机械能到电能转换器50可以是压电振动传感器/发电机元件，当标签40移动或振动时，该压电振动传感器/发电机元件可以瞬间提供电力，这可以是由于交通工具内的运动或振动产生的。这样的能量收集为标签40提供足够的功率，使得标签40不需要依赖附近的询问信号来获得功率，并且其范围可以扩展。这在大型交通工具中可能很重要，例如飞机、轮船和火车(它们能够容纳单独的标签阅读器20)。然而，每个标签40可以另外包括以在询问信号足够强时(即，如果标签读取器20靠近标签40)从询问信号中获取能量的电路。因此，标签40可以具有不止一个电源。
图3示出了标签40，并进一步示意性地示出了可以产生能量并用于给控制单元70和标签40内的电气组件供电的两种方式。具体而言，压电振动传感器210被示出为连接到AC-DC转换器。RF源230(例如，来自标签读取器20)产生由集成天线220接收的RF能量，该集成天线连接到DC-DC转换器，以便调节信号以作为标签40内的电力使用。此外，能量存储装置可以包括在标签内，以用于存储从机械能到电能转换器和/或从RF源230收集的能量。
图4示出了进一步的示意图，包括标签读取器、标签40以及标签读取器20对进出标签的信号进行的特定处理的更多细节。在本地环境中，可能有不止一个询问器300。每个询问器均可以具有天线30和相关联的RF接口。在这个示例性实施方式中，第一询问器或读取器300使用以太网交换机310通过以太网连接与本地服务器320通信。第二询问器或读取器300’与服务器320串行通信。在本地环境15内可能有一个以上的以太网和/或串行连接的询问器300、300’。服务器与本地数据库330通信，服务器可以是例如MySQL服务器。标签40可以被分组成不同的组350、360，并由询问器300、300’中的任何一者或两者读取。以这种方式，可以在将结果报告给数据处理服务340之前由服务器320在本地执行一些处理，该数据处理服务可以是专用的物理服务器80或基于云的web服务或虚拟服务器。在本地***内可以有一个或多个标记读取器。
如前所述，每个标签40可以使用一个或多个能量源供电：
在使用RF能的情况下，则可以收集RF能，并可以在以下示例性频带之间进行切换：
a.GSM-850上行链路。
b.欧洲RFID和GSM-850下行链路。
c.ISM USA和GSM-900上行链路。
d.GSM-1800上行链路。
e.GSM-1900上行链路。
f.Wi-Fi 2.4GHz。
这些频带或协议中的任何一者或多者也可以用于将数据发送回中央服务器80。更一般地，可以使用两个频带，例如：820MHz至960MHz和2.40GHz至2.45GHz。
机械能可从以下项中的任何一者或多者中收集：
a.低频环境：
ⅰ.X、Y和Z加速度。
ⅱ.一般来说，在操作模式下，振动环境可以具有在±0.05g之间的加速度，但是在睡眠和/或深度睡眠模式下，振动环境可以在±0.5g之间施加0到900秒。
b.例如，操作模式可以激活45分钟。例如，睡眠模式可以在240和720分钟之间变化。
3.在标签40上，可以实现多个电路以向低功率控制单元(控制器70)、传感器110以及发射器或收发器60提供稳定且可靠的电压。
4.可以向每个标签40提供全向天线(优选地具有接近各向同性的能量图案)。
5.电容器或电池可以用于存储产生的能量(来自任一个或两个源)并向标签40提供经调节的功率。
6.优选地，使用多层的SMD(表面安装设备)可以用于减小标签大小和占用空间。
7.在一些实施例中，机械强化可以用于使标签40能够经受恶劣环境。更轻、更小或更不结实的设计可以用于更良性的环境。
8.标签40可以包括以下传感器中的任何一种或所有：湿度、温度、光、外部GPIO(通用输入输出)组件。
9.标签40可以包括用于向标签供应功率和数据的热梯度发生器。
接入点设计(RFID标签读取器20)可以从EHWSN(网络)或各个标签40收集所有的数据帧。例如，RFID标签读取器20可以以高可靠性管理多达8000个同时连接，并且避免了帧冗余和冲突。RFID标签读取器20可以包括GSM模块以提供广域网络连接。RFID标签读取器20和/或标签40上的软件可以使用C、C++或另一种合适的语言来编写。
收集的数据(例如，来自一个或多个标签40)可以以适当的格式(例如，CSV或Jason格式)封装。可以使用其他格式，例如数据库格式或标记格式。数据可以发送到服务器80。RFID标签读取器20可以包括收发器，该收发器将遵循标签40内使用的相同无线协议。在这个示例中，RFID标签阅读器20可以用8至28伏之间的DC电压供电，尽管可以使用其他电源参数。RFID标签读取器20可以包括能够在定义的范围(例如，高达5m、10m、20m、100m或更远)上定位或与各个标签40通信的软件或固件。
标签40的能源可以使用机械能到电能转换器，例如压电换能器。然而，这可以通过从RFID标签读取器20的RF发射器获得的功率来补充，优选使用标签40上的集成全向天线来接收。
标签40可以使用C平台使用固件来操作以控制和监测输入，并执行用于标签无线定位的算法。控制器70还可以控制和监测从RFID标签读取器20接收到的请求，并通过串行和/或以太网通信以适当的格式接收数据帧。RFID标签读取器20还可以包括含有物理本地服务器的平台，以管理从标签40接收到的数据。这个本地服务器可以包括数据库，以用于根据请求存储和提供数据。
标签读取器20内的用于控制和监测标签的软件或固件平台的特定功能可以包括以下项中的任何一项或多项：
数据收集器管理器；
队列临时存储库；
数据传输管理器；
本地化管理器；
时间同步管理器；
服务器通信任务。
每个标签40内的软件或固件可以包括以下项中任何一者或多者：
数据收集器管理器；
传感器管理器；
功率管理管理器；
传输管理器。
可以包括(多个)应用接口，以管理和处理***中的不同元件或组件之间的数据。这些应用接口可以提供用于实时处理的更稳定且可靠的跟踪应用，并且具有大型的数据库设计，这优选地是可扩展的。
可以使用功率选择优先级。这可能有助于满足特定的规则。该***也可以与文档一起使用(例如，跟踪、分类和归档)。每个标签和/或阅读器具有的预期寿命可达15或20年。每个标签可以是灵活的和/或被配置成符合可以附加到其上的项目的形状。
在一个示例中，标签(端点标签或EPT)和读取器(APN)之间的操作功率范围可能需要范围或10-12米，并且可以考虑各种类型的障碍，包括：塑料、金属和玻璃。EPT的尺寸可以符合ISO/IEC 7810，其为ID-1：85.60×53.98mm。标签外壳可以尽可能薄，并且可以包括集成的太阳能薄膜。
标签可以从多个能源供电(例如，以下任何一个、两个或三个)：
i.可从以下示例性频带列表中获取RF能并能够在可用时在其之间进行切换(或更一般地，可以使用两个频带，例如：820MHz至960MHz和2.40GHz至2.45GHz)：
a.GSM-850上行链路。
b.欧洲RFID和GSM-850下行链路。
c.ISM USA和GSM-900上行链路。
d.GSM-1800上行链路。
e.GSM-1900上行链路。
f.Wi-Fi 2.4GHz。
ⅱ.标签上的收集器可以连接到标签的PCB上的集成全向天线，并且其可以选择性地收集1.2伏以给升压器或电压转换器供电，以输送3.3伏从而给SMD超级电容器(Vcap)充电，并且然后提供控制单元、传感器单元和传输单元。
a.示例性收集器可以是提供以下项中的任何一者或多者的芯片组：
ⅰ.高转换效率高达75％。
ⅱ.宽RF操作范围-17dBm至+20dBm。
ⅲ.宽频率范围：100MHz至6GHz。
ⅳ.封装SC-70。
b.升压器可以是芯片组，其提供以下项中的任何一者或多者：
ⅰ.高效率高达95％。
ⅱ.封装：SOT23-6。
ⅲ.5.5V@50毫安输出能力。
c.RF-DC电路可以转换和收集上述频率或频带。
ⅲ.太阳能收集优选地集成在EPT的外部封装上。
ⅳ.在EPT的PCB上实施的调节器应支持多种能源。这种设计定义了RF能的存在，以在调节器根据参考图5描述的方案限制或切断功率的其它情况下进行操作。
用于太阳能和振动压电(具有双AC输入)的DC调节器可以使用QFN 6x6x0.85mm尺寸封装。这可以在3.3伏特上提供高达100mA的输出电流。替代地，可以使用另一个零功率无线传感器(在这种情况下，可能需要不同的微控制器)。
图5示意性地示出了标签40的不同电源。
机械收集的能量：
a.低频环境(振动能量)：一般而言，振动环境在操作模式下会有±0.05g的加速度，但在睡眠和深度睡眠模式下，它将在±0.5克之间，所考虑的时间在0到1350秒之间。
b.操作时间可以限制为最大45分钟，睡眠模式可以在240分钟到720分钟之间变化。
c.声能采集(这可能取决于环境，包括飞机能量分布)。
d.热梯度产生的电能。
2.EPT内的多个电路可以被实施以向低功率控制单元、传感器和收发器输送稳定和合适的电压。
3.EPT的PCB的全向天线设计可靠地接收来自所有方向的RF能，以便在所有时间和所有位置都能操作。
a.天线可以接收具有多极化的发射能量：竖直、水平和圆形：
ⅰ.对于RF能，具有天线馈送的接收信号的λ/4波长和示例性阻抗75Ω的正交天线。
ⅱ.匹配网络电路(在发射器和接收器之间)避免或减少电磁干扰(EMI)。
ⅲ.天线或多天线带宽可以覆盖从860MHz直到960MHz，直到2.39GHz到2.45GHz(最小的反射高达1％作为可选的最大值)。
ⅳ.回波损耗天线可以不超过5％以具有改进的图案辐射。
ⅴ.接收器可以在具有32mA的负载、在至少3.3伏下操作。
b.在多层路径PCB设计上提供具有多路径接收(各向同性图案接收)的智能天线。替代地，可以使用芯片智能天线来减少PCB上所需的空间。
c.天线设计可以符合HID规则。
4.使用特定的超级电容器(例如，细线2.0mm5V 85mF 85m)。
5.具有多层的SMD(表面安装设备)提供小的标签尺寸(例如，最大尺寸是***尺寸)和占用空间。柔性形状可以用于由鲁棒的平坦电缆互连的多个迷你板。EPT的PCB布局可以分成多个可以分离的模块。
6.根据需要，可以为正常环境和/或恶劣环境向PCB标签提供覆盖物。
7.EPT可以包括以下传感器：温度、光、外部GPIO(通用输入输出)、湿度等。
8.(多个)EPT和(多个)APN之间的通信中的安全性和加密。
9.可以对板上的混合信号处理测试的功能进行模拟。
10.EPT和APT的固件可以使用C代码或其他合适的编程语言。该代码至少能够执行以下项中的任何一者或多者：
a.通过中断编程读取多个传感器：光、温度、湿度。
b.GPIO输入准备好将数据和电压电平读到控制单元，电压电平最高可达3.3伏。
c.编码和固件可以符合：航空标准，如RTCA DO-178C、DO-178B、ARP4754和DO-254。
11.微控制器可以是具有纳米瓦技术的16位(QFN封装)，其具有以下消耗特性中的任何一个或多个：
a.20nA深睡眠模式。
b.25nA睡眠模式。
c.实时时钟上500nA，但处于睡眠模式状态。
d.195uA在1MHz操作模式下运行。
e.5uS从睡眠模式醒来。
f.-40C到125C。
12.无线通信可以基于具有集成天线的P2P无线协议(Tx操作32mA和Rx操作21mA)。
13.外壳的机械设计可以包含薄的太阳能薄膜(例如PV)，其尺寸应适合于安全地容纳Tx、Rx、控制器和收集具有所需最小重量的源。
APN：
示例性接入点节点(APN)可以提供：
1.接入点可以从EHWSN标签或EPT收集所有帧。它可以以高可靠性管理5000个同时连接，以避免帧冗余和冲突。
2.收集的数据可以封装为csv或Jason格式(这可以改变)，并被发送到服务器与特定应用程序相接口，以便监测用户的数据。
3.接入点收发器可以尊重EPT的相同无线协议。
4.APN可以采用25至32伏(通常为28VDC)之间的直流电压供电。
5.APN的固件可以用可接受的误差范围(5cm-25cm)来定位EPT，该误差范围将根据操作环境而定义。
6.APN可以使用集成的ARINC读取器协议通过外部服务器IP和端口来通信数据。数据也可以根据请求通过GPRS/GSM通信进行通信。
7.APN和EPT可以包括通过无线通信协议读取和更新分布式EPT上的数据的双向通信。
8.通信APN和服务器IP处的安全和加密。
9.APN的控制单元也基于具有另一个集成模块的16位IC，以使用USB报告从EPT收集的帧。
10.所使用的无线接入点可以是与无线通信协议(APN的一部分)一起使用的子板接入点。
RF发射器：
1.EPT能量源可以主要由RF发射器供电(但也包括适当的机械能量补充)，该RF发射器可以利用集成的全向天线提供高覆盖范围。该发射器可以集成在APN内部。
2.RFI(无线电频率干扰)条件(用于APN和EPT)在板内传导30KHz至2.4GHZ(混合信号问题：)和在空气中不应干扰下列信号：
a.利用117.975-137.000MHz的频带。
b.利用108-117.975MHz的频带
c.对于DME利用960-1215MHz的频带
d.利用5030.4-5150.0MHz的的频带。
RF发射器的天线优选地为具有360能量图案分布的各向同性全向天线。
图6示出了包括控制单元、无线发射器/接收器模块、天线、功率存储单元、管理单元、压电收集器、紫外收集器、控制单元、RF天线(发电)和热(例如温度梯度)发生器模块的示例性标签的电路图。可以添加其他模块，并且可以根据功率需求同时或单独使用任何一个或多个能量产生模块(热、光、机械、RF等)。这种需求和供应可以由管理单元管理。
图7示出了根据图6的电路图构建的组装标签的透视图。可以使用其他布局和配置。RF天线用于向标签阅读器发送数据。其可以是3D天线。
图8示出了图示参考图6描述的电路的重要元件的示意图。热发电机可以是德国Micropelt公司提供的。优选地，使用10摄氏度间隔或差值，这可以提供2.4V(150微瓦至10毫瓦)的输出来给标签供电。热能收集(也可以与RF和/或振动产生相结合)使得标签(例如以板的形式)能够堆叠或附接到飞机发动机上，提供RFID通信信道，从而能够将数据传送回询问器。这可以在无源标签不能使用的情况下使用。
所述热发生器或所述环境能发生器的任何组合可以用于产生功率并产生可以存储在标签内且包含在由读取器读取的信号中的数据。在标签固定到飞机、飞机的部件或飞机内的项目的应用中，这些数据可以用于测量这些部件的周期和/或花在空中的时间。在一些示例中，可以在存储数据(例如，触发记录过程)之前应用标准。这些标准可以包括：
i.触发标签的特定振动水平(例如，以附接到发动机或其他部件的板的形式)；
ⅱ.标签所经历的特定或预定的温度变化。例如，这可以是由特定发电组件(例如，若干mW或微瓦)确定的20摄氏度差。
此外，这个检测到的数据可能导致在标签内发生动作。例如，标签(例如，自供电)在需要的能量预算可用来记录数据时唤醒。这可以由以下项中的任何一者或多者触发：
i.由RF收集供电；
ⅱ.由PV可用能量供电；
ⅲ.由振动供电；以及
ⅳ.由热梯度能量供应。
这可以防止标签在不足电力可用时尝试操作。
数据可以以一定间隔读取(例如，当飞机在地面被检查时)。这些数据可以用于确定是否遵守了服务间隔。这可以通过解释数据来获得，以发现项目(例如发动机)已经操作了多少小时，以及何时(使用板上定时器或时钟)进行了操作。还可以确定发生了多少次循环(例如起飞和着陆)。这些数据可以作为验证步骤与交通工具或飞机上的其他数据进行比较。
发动机、起落架、供电单元(例如，飞机的辅助动力单元)和推力反转器的不同操作阶段可以通过测量组成发电机的一个或多个组件已经产生多少功率以及何时产生来检测。这可以指示多个航班及其持续时间。
如技术人员将理解的，在不脱离如所附权利要求所定义的本发明的范围的情况下，上述实施例的细节可以改变。
例如，可以使用其他机械能到电能发电机(例如，飞轮或基于弹簧的发电机)。可以按需求请求实时处理或数据。超级SMD电容器可以用于快速充电和供电。可以使用可扩展选项的存储器。各向同性天线可以用于标签和/或读取器。命令可以通过受控的发射信号从读取器发送到标签。标签内的报告和监测可以根据需要自动执行。数据可以从标签阅读器读取并写入每个标签。可以使用振动和/或在声波波长水平收集特定或调节的能量量。此外，太阳能可以用于为标签供电。这些电源可以使用AC/DC和/或DC/DC模块和/或降压转换器来调节，以对电容器或超级电容器或电池充电。
每个标签可能在EHWSN内部，因此它们将连接到标签阅读器，标签阅读器可以通过总线或GSM(例如，固定IP和到云服务器的端口)连接到因特网。可以在每个标签(例如三个)内使用多个天线以提供不同的范围、方位、协议、频率和/或其他通信模式。标签能源可以在机械和RF(例如，从读取器)之间切换。
对上述实施例的特征的许多组合、修改或改变对于技术人员来说将是显而易见的，并且旨在形成本发明的一部分。通过做出适当的改变，具体地描述与一个实施例或示例相关的任何特征都可以在任何其它实施例中使用。

Claims (35)

1.一种跟踪***，包括：
标签读取器，所述标签读取器包括询问天线；
一个或多个标签，所述一个或多个标签包括：
电能发电机，其被配置为将环境能转换为电能；
无线电频率(RF)通信电路；以及
控制器，其被配置为：
使用由所述电能发电机产生的电能以使用所述RF通信电路将数据信号发送到所述标签读取器。
2.根据权利要求1所述的跟踪***，其中，所述标签读取器还包括无线网络接口，所述跟踪***还包括：
接收服务器，其被配置为从所述标签读取器的所述无线网络接口接收数据，所接收到的数据包括与来自所述标签的所述数据信号相关联的信息。
3.根据权利要求2所述的跟踪***，还包括被配置为存储所接收到的数据的数据库。
4.根据权利要求2或3所述的跟踪***，其中，所述接收服务器被配置为向所述标签读取器发送请求，并且响应于所述请求来接收所述数据。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的跟踪***，其中，所述无线网络接口是蜂窝接口、卫星接口、Wi-Fi接口或802.11接口。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的跟踪***，其中，所述标签还包括能量存储设备，所述能量存储设备被配置为存储由所述电能发电机提供的电能，并且供应所存储的电能以供所述控制器和RF通信电路使用。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的跟踪***，其中，所述数据信号包括所述标签的唯一标识符。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的跟踪***，其中，所述标签的所述RF通信电路是收发器，并且所述标签读取器被配置为向所述标签读取器发送询问信号，并且进一步地，其中，所述标签被配置为响应于所述询问信号向所述标签读取器发送所述数据信号。
9.根据权利要求8所述的跟踪***，其中，所述标签还被配置为从所述询问信号产生电能以向所述RF通信电路和所述控制器供电。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的跟踪***，其中，所述电能发电机是以下项中的任意一项或多项：
机械能到电能转换器；
热电发电机；
太阳能发电机；
压电发电机；以及
RF功率发电机。
11.一种标签，包括：
电能发电机，其被配置为将环境能转换为电能；
无线电频率(RF)通信电路；以及
控制器，其被配置为使用由所述电能发电机产生的电能以使用所述RF通信电路向所述标签读取器发送数据信号。
12.根据权利要求11所述的标签，还包括能量存储设备，所述能量存储设备被配置为存储由所述电能发电机提供的电能，并且供应所存储的电能以供所述控制器和RF通信电路使用。
13.根据权利要求11所述的标签，其中，所述能量存储设备是电容器或次级电池。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的标签，还包括一个或多个传感器，并且其中，所述控制器还被配置为将由所述一个或多个传感器生成的数据包括在所述数据信号中。
15.根据权利要求14所述的标签，还包括存储器存储库，所述存储器存储库被配置为存储由所述一个或多个传感器生成的所述数据。
16.根据权利要求14或15所述的标签，其中，所述一个或多个传感器测量以下各项中的任意一者或多者：湿度、振动、移动、运动、加速度、GPS、温度、光或声音。
17.根据权利要求11至16中的任一项所述的标签，其中，所述控制器包括电路、微处理器、和/或计算机软件或固件。
18.根据权利要求11至16中的任一项所述的标签，其中，所述通信电路是收发器，并且所述控制器还被配置为从所述RF标签读取器接收询问信号，并且响应于所述询问信号向所述标签读取器发送所述数据信号。
19.根据权利要求11至18中的任一项所述的标签，还包括电连接到所述RF通信电路的天线。
20.根据权利要求19所述的标签，还包括被配置为将由所述天线接收到的信号转换成电能以给所述RF通信电路和所述控制器供电的电路。
21.根据权利要求11至20中的任一项所述的标签，其中，所述控制器还被配置为间歇性地为所述RF通信电路供电。
22.根据权利要求11至21中的任一项所述的标签，其中，所述电能发电机是包括以下各项的任何一个或多个发电元件：
机械能到电能转换器；
热电发电机；
太阳能发电机；
压电发电机；以及
RF功率发电机。
23.根据权利要求22所述的标签，还包括控制电路，所述控制电路被配置为管理由所述一个或多个发电元件中的任意一个或多个产生的电能。
24.根据权利要求11至23中的任一项所述的标签，还包括外壳。
25.根据权利要求24所述的标签，所述外壳是不受天气影响的、防尘的、耐溶的、和/或耐热或耐寒的。
26.根据权利要求11至25中的任一项所述的标签，还包括RF到DC转换电路。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的标签，还被配置为记录从所述发电机获取的数据。
28.根据权利要求27所述的标签，还包括被配置为存储从所述发电机获取的所述数据的存储器存储库。
29.一种用于操作标签的方法，所述标签具有被配置为将环境能转换为电能的电能发电机和无线电频率(RF)通信电路，所述方法包括以下步骤：
使用由所述电能发电机产生的电能，以使用所述RF通信电路向标签读取器发送数据信号。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述数据信号包括所述标签的标识符。
31.根据权利要求29或30所述的方法，还包括以下步骤：
从所述标签的所述电能发电机获取数据；以及
在将包括所获取的数据的所述数据信号发送到所述标签读取器之前存储所述数据。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所获取的数据指示以下项中的任意一项或多项：
由所述电能发电机产生电能的时间段；
由所述电能发电机产生的功率电平；
所述电能发电机发电的次数；以及
所述电能发电机达到一个或多个阈值功率电平的次数。
33.根据权利要求31或32所述的方法，还包括以下步骤：
基于所获取的数据，确定附加到所述标签的组件的以下项中任意一项或多项：周期数、操作数、操作时间、服务间隔、飞机飞行次数、以及异常操作特性。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述确定步骤还包括分析所获取数据内的多个数据项目，以确定由所述多个数据项目定义的一系列重复事件。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述标签附接到以下项中的任意一项：飞机、发动机、供电单元、辅助供电单元、推力反转器、和起落架。
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