CN111275147B - 一种无需校准的rfid标签传感***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需校准的RFID标签传感***及方法，***包括：控制终端、读写器以及具有Auto Tune的RFID标签；读写器用于向RFID标签发送Auto Tune关闭和打开指令，并接收RFID标签分别在Auto Tune关闭状态和Auto Tune打开状态下，反射的第一传感信息和第二传感信息、以及获取RFID标签的Memory value值；控制终端用于根据不同的Memory value值所对应的输入并联电容值对若干个传感状态进行划分、以及根据第一传感信息、第二传感信息、以及Memory value值获取传感状态。通过本发明提供的***和方法，读写器与RFID标签之间无需固定位置，控制终端通过RFID标签返回的相位、幅度等传感信息以及Memory value值，即可获取对应的传感状态。

Description

一种无需校准的RFID标签传感***及方法

技术领域

本发明涉及RFID技术领域，特别涉及一种无需校准的RFID标签传感***及方法。

背景技术

在过去的数十年中，无源超高频射频识别(UHF RFID)技术已广泛应用于实时库存，工业自动化和仅需要识别功能的识别。在过去的几年中，大量的工作尝试为RFID增加传感功能，主要通过两种不同的架构来实现无源RFID传感，分别是数字方式和模拟方式，如下表1所示：

表1

在模拟RFID传感器中，天线的阻抗(Z_ant)会随着标签附近的电磁条件(介电常数，磁导率，电导率)以及环境(拉伸、压缩、弯曲引起的天线结构变化而变化，膨胀等)。到目前为止，RFID传感器标签已原型化用于温度感测，位移感测，填充液位感测，应变和裂纹感测，弯曲感测和表皮感测。基本的模拟方式RFID传感器工作如图1所示。

以温度传感为例，图2展示了RFID模拟传感器贴合温度变化的环境，读写器根据反射信号的幅度、相位和频偏信息获得对应的温度信息，实现温度传感。

虽然模拟方式RFID传感器在多个领域被验证可行，但是需要额外的校准这一问题极大地限制了模拟方式RFID传感器的广泛应用。

当以反射信号相位作为传感时，令环境变量为Ψ，则读写器获取的反射信号相位为：

其中，

表示在环境为Ψ时，读写器获取信号的相位值，-2k₀r表示读写器与标签距离造成相位值，

表示读写器天线与标签天线的极化匹配情况造成的相位值，

表示由于天线阻抗Z_A[Ψ]所造成的相位值。

从

的表达式可以看到，为了实现传感，需要固定读写器与标签的距离和相对位置，即固定

才能将

与Ψ建立一一对应关系实现传感。读写器与标签的相对位置发生变化时，需要额外的校准才能获得正确的传感值。

当以反射信号的幅度为传感指标时：

其中，P_R←T[Ψ]表示环境为Ψ时，读写器收到反射信号的幅度，P_av表示天线获取的功率，d表示读写器与标签的距离，G_R(Θ,φ)表示读写器的天线增益，G_T(Θ,φ)表示标签天线的增益，η_p表示极化失配系数，τ[Ψ]表示天线与芯片的能量传输系数。同相位传感同理，需要固定读写器与标签的相对位置。

τ[Ψ]＝1-|S_chip[Ψ]|²

芯片通常有两个阻抗，分别是吸收阻抗Z_abs，以及反射阻抗Z_ref，对应的反射系数为：

由于RFID标签通常贴合于不同的物体，从而实现物品追踪。因此RFID标签天线设计时，开发人员往往是根据目标物体的物理特性(介电常数、磁导率，电导率等)设计天线尺寸，使得天线贴合目标物体时的阻抗与芯片阻抗共轭匹配。这在一定程度限制了标签的通用性。因此RFID芯片厂家增加了AutoTune功能到芯片中，使得RFID标签能够适应不同的贴合物体，实现在不同贴合物体情况下都较优的读取距离；AutoTune功能主要用于调整芯片阻抗，增大芯片与天线的阻抗匹配程度，提高芯片获取的能量，降低能量反射，最终提高RFID芯片的适应性。

就目前来说，当外界非传感变量的变动发生(即发生读写器与标签相对距离、相对角度的变动)时，需要额外的校准这一限制条件极大地限制了RFID模拟传感器的应用，本文提出了一种无需校准的RFID标签传感***及方法，基于RFID芯片的AutoTune功能达到了无需校准的目的，将极大地助力RFID传感器进入实际使用场景。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种无需校准的RFID标签传感***及方法，在外界非传感变量变化时，可得到相应的传感状态，无需校准。

本发明实施例提供了一种无需校准的RFID标签传感***及方法。

根据本发明第一方面实施例的一种无需校准的RFID标签传感***，包括：控制终端、读写器以及具有Auto Tune的RFID标签；所述读写器用于向所述RFID标签发送AutoTune关闭和打开指令，并接收所述RFID标签分别在Auto Tune关闭状态和Auto Tune打开状态下，反射的第一传感信息和第二传感信息、以及获取所述RFID标签的Memory value值；所述控制终端用于根据不同的Memory value值所对应的输入并联电容值对若干个传感状态进行划分、以及根据所述第一传感信息、所述第二传感信息、以及所述Memory value值获取传感状态。

相对于现有技术，本公开实施例披露的一种无需校准的RFID标签传感***，至少具有以下有益效果：

本发明提供的***，根据RFID标签AutoTune功能，生成打开和关闭两个状态，在外界非传感变量变化时，AutoTune将主动调节其输入并联电容值，从而调整RFID标签中的共轭匹配，所以通过本***，读写器与RFID标签之间无需固定位置，控制终端通过RFID标签返回的相位、幅度等传感信息以及Memory value值，即可获取对应的传感状态。

根据本发明的一些实施例，所述控制终端将若干个传感状态划分为三个区域，第一区域内最多设置一个传感状态，所述第一区域内的传感状态与输入并联电容值为0的Memory value值相对应；第二区域内的传感状态与输入并联电容值小于0的Memory value值相对应；第三区域内的传感状态与输入并联电容值大于0的Memory value值相对应；所述控制终端根据所述第一传感信息、以及所述第二传感信息获取位于所述第二区域、以及所述第三区域中的传感状态。

根据本发明的一些实施例，所述第一传感信息包括第一幅度值以及第一相位值；所述第二传感信息包括第二幅度值以及第二相位值。

根据本发明第二方面实施例的一种无需校准的RFID标签传感方法，包括以下步骤：

读写器向具有Auto Tune功能的RFID标签发送Auto Tune关闭指令，接收所述RFID标签反射的第一传感信息；

读写器向所述RFID标签发送Auto Tune打开指令，接收所述RFID标签反射的第二传感信息；

读写器向所述RFID标签发送读取指令，获取所述Auto Tune中的Memory value值；

控制终端根据所述第一传感信息、第二传感信息、以及所述Memory value值获取传感状态。

相对于现有技术，本公开实施例披露的一种无需校准的RFID标签传感方法，至少具有以下有益效果：

本发明提供的方法，根据RFID标签AutoTune功能，生成打开和关闭两个状态，在外界非传感变量变化时，AutoTune将主动调节其输入并联电容值，从而调整RFID标签中的共轭匹配；所以通过本方法即可做到读写器和RFID标签在不同相对距离或者不同相对角度情况下的传感，即读写器与RFID标签之间无需固定位置，控制终端通过RFID标签返回的相位、幅度等传感信息以及Memory value值，即可获取对应的传感状态。

根据本发明的一些实施例，所述控制终端根据所述第一传感信息、第二传感信息、以及所述Memory value值获取传感状态，具体包括步骤：

若所述Memory value值对应的输入并联电容值为0时，所述控制终端根据所述Memory value值获取对应的传感状态；

若所述Memory value值对应的输入并联电容值不为0时，所述控制终端根据所述第一传感信息、以及所述第二传感信息获取对应的传感状态。

根据本发明的一些实施例，所述第一传感信息包括第一幅度值以及第一相位值；所述第二传感信息包括第二幅度值以及第二相位值。

本公开实施例所实现的更多特点和优势，将在具体实施方式或实践中给出。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为现有技术提供的模拟RFID标签的工作方式示意图；

图2为现有技术提供的一种RFID模拟温度传感器的工作流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无需校准的RFID标签传感***的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种无需校准的RFID标签传感***的传感流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种无需校准的RFID标签传感方法的流程示意图；

图6为本发明实施提供的一种T-match天线拓扑的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种RFID标签与读写器位置的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本公开的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本公开保护范围的限制。

为了方便理解，以下先对RFID标签的Auto Tune功能进行说明：

RFID芯片厂家开发了具有Auto Tune功能芯片，例如Monza R6芯片、SL3S1205_15UCODE 8/8m芯片等，目的是为了提高芯片的适应性。这里，以Monza R6芯片为例，该芯片有着以下三个典型的特性：

(1)AutoTune可以由读写器发送打开指令或者关闭指令，进入打开状态或者关闭状态；

(2)AutoTune可以自动调节并记录RFID输入并联电容值(Input capacitancevalue)；

(3)AutoTune内设置有Memory value。当Auto Tune是打开状态时，芯片会自动调节input capacitance value，并联电容变化值由Memory value值与之一一对应。例如，如下表2所示：读写器能够发送指令，从而读取到Memory value。Memory value＝0002时，表示并联电容没有变化，Memory value＝0000时，表示并联电容减少了100ff；当Memory value＝0003时，表示并联电容增加了40ff。需要说明的是，当前R6芯片仅支持此5个值，不同的芯片会有差异。

Memory value	Input capacitance value difference(ff)
		0000	-100
0001	-40
		0002	0
0003	40
		0004	100

表2

在现有技术中，AutoTune功能的引入是为了提高天线与芯片阻抗匹配的微功耗电路；因此，若RFID标签的天线阻抗与芯片阻抗之间实现完美的共轭匹配时，打开AutoTune后，电容值将不会发生变化；若天线阻抗与芯片阻抗未实现完美的共轭匹配时，那么AutoTune在打开后，将自动调节电容以获得更好的共轭匹配，即τ(天线与芯片的能量传输系数)在打开AutoTune后将获得增加。

当当前的环境变量为Ψ时，AutoTune调节吸收阻抗Z_abs的值，即AutoTune在打开状态和关闭状态中分别产生了Z_{abs_o}[Ψ]，Z_{abs_n}[Ψ]，对应的反射系数分别为：Z_A[Ψ]表示环境变量为Ψ时，天线的阻抗，Z_A ^*[Ψ]表示环境变量为Ψ时，天线的共轭阻抗。

由于

因此τ_n[Ψ]＝1-|S_{abs_n}[Ψ]|²，τ_o[Ψ]＝1-|S_{abs_o}[Ψ]|²

调节过后的Δτ[Ψ]＝τ_n[Ψ]-τ_o[Ψ]，Δτ[Ψ]≥0；由上表2，可知：

当Δτ[Ψ]＝0时，表示AutoTune在打开和关闭时，电容值没有发生变化，则Memoryvalue等于0002，对应的输入并联电容值等于0。

当Δτ[Ψ]>0时，表示AutoTune在打开和关闭时，电容值发生了变化，此时Z_{abs_n}！＝Z_{abs_o}，Memory value值等于0000、0001、0003或者0004中的某一个；而且根据幅度差和相位差公式，可以计算出：

ΔRSSI＝10log₁₀ΔP_R←T[Ψ]＝10log₁₀Δτ[Ψ]dBm

因此，根据Memory value、ΔRSSI(幅度差)、

(相位差)能够有效的对传感状态进行区分。

不失一般性，假设传感状态分别为Ψ₁，Ψ₂，Ψ₃，Ψ₄，为了实现无需校准的RFID标签传感，只需要在RFID标签的天线设计时，进行以下设计：

最多只有一个传感状态Ψ的天线阻抗使得Δτ[Ψ]＝0，即Memory value值为0002时，最多匹配一个传感状态；

当天线的阻抗使得Δτ[Ψ]>0时，将Memory value值为0000和0001的分为一组，Memory value值为0003和0004的分为一组，两组中分别包含着多个传感状态，则可以根据ΔRSSI和

对每一组中的不同传感状态进行区分。

参照图3和图4，本发明的一个实施例，提供了一种无需校准的RFID标签传感***，包括：控制终端、读写器以及具有Auto Tune的RFID标签；读写器用于向RFID标签发送AutoTune关闭和打开指令，并接收RFID标签分别在Auto Tune关闭状态和Auto Tune打开状态下，反射的第一传感信息和第二传感信息、以及获取RFID标签的Memory value值；控制终端用于根据不同的Memory value值所对应的输入并联电容值对若干个传感状态进行划分，以及用于根据第一传感信息、第二传感信息、以及Memory value值获取传感状态。

这里的控制终端可以为计算机或者移动终端；RFID标签又包括RFID芯片和天线，这里的RFID芯片可以选择具有Auto Tune功能的Monza R6芯片或者SL3S1205_15UCODE 8/8m芯片。

作为一种可实施方式，第一传感信息包括第一幅度值以及第一相位值；第二传感信息包括第二幅度值以及第二相位值；将第一幅度值减去第二幅度值即可得到幅度差，将第一相位值减去第二相位值即可得到相位差。当然的，传感信息还可以包括频偏值等，但这里，幅度值以及相位值已经能适用大部分应用场景。

作为一种可实施方式，控制终端将若干个传感状态划分为三个区域，第一区域内最多设置一个传感状态，第一区域内的传感状态与输入并联电容值为0的Memory value值相对应；第二区域内的传感状态与输入并联电容值小于0的Memory value值相对应；第三区域内的传感状态与输入并联电容值大于0的Memory value值相对应；控制终端根据幅度差、以及相位差获取位于第二区域、以及第三区域中的传感状态。当然的，还可以以其它方式划分，例如：将Memory value值为0000、0001、0002、0003、0004各自划分一个区域；需要说明的是，以Memory value值为0002而划分的区域内做多只能匹配一个传感状态，若读写器获取的Memory value值等于0002，即输入并联电容值为0时，控制终端可以直接获取对应的传感状态；若读写器获取的Memory value值不等于0002，即输入并联电容值不为0时，控制终端则需要进一步通过上述幅度差以及相位差信息来对每一个区域内的不同传感状态进行区分。

根据上述结论，本实施例提供的***，根据RFID标签AutoTune功能，生成打开和关闭两个状态，在外界非传感变量变化时，AutoTune将主动调节输入并联电容值，从而调整RFID标签中的共轭匹配；所以通过本***，读写器与RFID标签之间无需固定位置，控制终端通过RFID标签返回的幅度差、相位差、以及Memory value值，即可获得相对应的传感状态。

参照图5，根据上述结论，本发明的一个实施例，提供了一种无需校准的RFID标签传感方法，包括以下步骤：

S100、读写器向具有Auto Tune功能的RFID标签发送Auto Tune关闭指令，接收RFID标签反射的第一幅度值以及第一相位值；

S200、读写器向RFID标签发送Auto Tune打开指令，接收RFID标签反射的第二幅度值以及第二相位值；

S300、读写器向RFID标签发送读取指令，获取Auto Tune中的Memory value值；

S400、控制终端计算幅度差以及相位差，并根据幅度差、相位差、以及Memoryvalue值获取传感状态：

若Memory value值对应的输入并联电容值为0时，根据Memory value值获取对应的传感状态；

若Memory value值对应的输入并联电容值不为0时，根据幅度差、以及相位差获取对应的传感状态。

需要说明的是，S100和S200的间隔很短，可以认为此时的信道、相对位置都没有发生变化。

本实施例提供的方法，根据RFID标签AutoTune功能，生成打开和关闭两个状态，在外界非传感变量变化时，AutoTune将主动调节输入并联电容值，从而调整RFID标签中的共轭匹配，所以通过本方法即可做到读写器和RFID标签在不同相对距离或者不同相对角度情况下的传感，即读写器与RFID标签之间无需固定位置，控制终端通过RFID标签返回的幅度差、相位差、以及Memory value值，即可得到传感状态。

需要说明的是：由于本实施例中的无需校准的RFID标签传感方法与上述实施例的无需校准的RFID标签传感***基于相同的发明构思，因此，***实施例中的相应内容同样适用于本方法实施例，此处不再详述。

参照图6及图7，为了方便理解，以下是基于本发明***实施例的一个温度测量的实施流程：

RFID标签以T-match天线、Monza R6芯片为例，图6是T-match天线拓扑；

第一步：选择介质材料；

选用Rogers RT/duroid6006材料，其参数包括：热膨胀系数为47/34/117ppm/℃在x/y/z。介电常数-410ppm/℃

第二步：优化天线参数；

通过商用电磁仿真软件获取不同温度情况下天线的阻抗情况，f是工作频率，天线尺寸和工作频率结果如下表3所示，单位分别是mm和GHz：

χ<sub>1</sub>	χ<sub>2</sub>	χ<sub>3</sub>	χ<sub>4</sub>	χ<sub>5</sub>	χ<sub>6</sub>	f
							92.4	4.8	25.75	2.7	7.5	0.292	0.8762

表3

第三步：经上述实施例方法映射的传感状态信息，如下表4所示：

表4

第四步：获取传感信息；

如图7所示，在可传输距离内，采用现有技术的方式，读写器在位置S1，S2，S3时，需要分别与RFID标签进行校准，然后才能实现准确的传感。而通过本实施方法，读写器在位置S1，S2，S3之间任意移动，无需额外的校准，均可以实现传感；具体获取的传感状态过程如下：

当读写器接收RFID标签返回的Memory value值为0002时，即input capacitancevalue为0ff，控制终端获取传感状态为：温度T＝40度。

当读写器接收RFID标签返回的Memory value值为0000时，即input capacitancevalue为+100ff，控制终端根据ΔRSSI(幅度差)＝1、

获取传感状态为：温度T＝30度；

当读写器接收RFID标签返回的Memory value值为0000时，即input capacitancevalue为-100ff，控制终端根据ΔRSSI(幅度差)＝0、

获取传感状态为：温度T＝50度；根据ΔRSSI(幅度差)＝1、

获取传感状态为：温度T＝60度。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种无需校准的RFID标签传感***，其特征在于，包括：控制终端、读写器以及具有Auto Tune的RFID标签；所述读写器用于向所述RFID标签发送Auto Tune关闭和打开指令，并接收所述RFID标签分别在Auto Tune关闭状态和Auto Tune打开状态下，反射的第一传感信息和第二传感信息、以及获取所述RFID标签的Memory value值，所述第一传感信息包括第一幅度值以及第一相位值；所述第二传感信息包括第二幅度值以及第二相位值；所述控制终端用于将若干个传感状态划分为三个区域，第一区域内最多设置一个传感状态，所述第一区域内的传感状态与输入并联电容变化值为0的Memory value值相对应；第二区域内的传感状态与输入并联电容变化值小于0的Memory value值相对应；第三区域内的传感状态与输入并联电容变化值大于0的Memory value值相对应，以及用于根据所述Memoryvalue值获取位于所述第一区域中的传感状态、根据所述第一传感信息和所述第二传感信息计算的幅度差和相位差获取位于所述第二区域和所述第三区域中的传感状态。

2.一种无需校准的RFID标签传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

读写器向具有Auto Tune功能的RFID标签发送Auto Tune关闭指令，接收所述RFID标签反射的第一传感信息，所述第一传感信息包括第一幅度值以及第一相位值；

读写器向所述RFID标签发送Auto Tune打开指令，接收所述RFID标签反射的第二传感信息，所述第二传感信息包括第二幅度值以及第二相位值；

读写器向所述RFID标签发送读取指令，获取所述Auto Tune中的Memory value值；

控制终端根据由所述第一传感信息和第二传感信息计算的幅度差和相位差、以及所述Memory value值获取传感状态：

若所述Memory value值对应的输入并联电容变化值为0时，所述控制终端根据所述Memory value值获取对应的传感状态；

若所述Memory value值对应的输入并联电容变化值不为0时，所述控制终端根据所述幅度差和相位差获取对应的传感状态。

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