WO2021052340A1 - 无源无线磁场特性感测标签及感测*** - Google Patents

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Definitions

  • the first type is medium and large conventional magnetic field monitoring equipment, which is mainly desktop equipment, which works actively, such as magnetometers.
  • the second type is small-scale magnetic field sensing based on RFID technology.
  • the measurement system, semi-active or passive working, is realized by self-made or commercial magnetic field sensor chip.
  • the present invention also proposes a passive wireless magnetic field characteristic sensing system, which includes several passive wireless magnetic field characteristic sensing tags described above arranged in a magnetic field environment to be measured, a reader that reads and writes the tags, and a control reader.
  • the upper computer of the writer includes several passive wireless magnetic field characteristic sensing tags described above arranged in a magnetic field environment to be measured, a reader that reads and writes the tags, and a control reader.
  • the upper computer of the writer includes several passive wireless magnetic field characteristic sensing tags described above arranged in a magnetic field environment to be measured, a reader that reads and writes the tags, and a control reader.
  • the backscatter circuit uses the backscatter method under the control of the modulation signal. Send the magnetic field parameter signal under the ASK type dual sensor acquisition mode to the reader.
  • the tag will run in the power-on state until the DC power stored in the rectifier and energy management circuit is exhausted, that is, power off and stop working, until the next radio frequency signal sent by the reader makes the tag powered on and activated again, and the treatment is realized in this way
  • the amount of magnetic field in the environment is intermittently sensed.
  • the passive wireless magnetic field characteristic sensing tag of the present invention also has the advantage of high accuracy of sensing and collecting magnetic field parameters.
  • the error of sensing magnetic field parameters is effectively controlled below 1%, which solves the problem of magnetic field in the prior art.
  • the present invention proposes to use the number of read data in the read command.
  • the duration of the tag returning to the square wave when the highest bit is 1, the last 7 digits can be used to indicate the duration of the square wave, and each bit represents the specific duration according to the specific application).
  • the duration can be selected according to the application scenario length. The longer the duration, the higher the accuracy of the return signal frequency measured by the reader.
  • the workflow of the sensing system is shown in Figure 12.
  • Passive resonant magnetic field sensing tag design compatible with single and dual sensor acquisition modes can switch the acquisition mode according to the reader control to meet the needs of different applications.
  • the host computer can issue collection commands, and through wired control the reader that supports the ISO/IEC 18000 international UHF RFID standard protocol, the reader is sent to the passive wireless magnetic field characteristic sensing tag through the 12dBi linear polarized antenna at the transmitting end RF energy and command signals.
  • the passive wireless magnetic field characteristic sensing tag processes and samples the output signal of the sensor, obtains real-time magnetic field parameters, and wirelessly transmits it back to the reader through backscattering.
  • the 920MHz-928MHz frequency band radio frequency signal and energy sent by the reader are transmitted from the antenna port to the impedance matching and backscatter modulation circuit module.
  • This circuit module It is composed of impedance matching circuit, backscatter modulation circuit and power divider circuit.
  • the RF signal and energy pass through the impedance matching circuit and the power divider circuit to transmit about four-fifths of the input RF energy to the rectifier and energy management circuit module, and perform RF-DC conversion and collection, which will reduce about one-fifth of the input RF energy.
  • the radio frequency signal is passed into the demodulation circuit module for demodulation.
  • the demodulation circuit module is composed of an envelope detection circuit, an averaging circuit and a comparator.
  • the demodulated signal processed by the envelope detection circuit and the output signal of the averaging circuit are sent to the comparator.
  • the comparator receives power from the rectification and energy management circuit module, it outputs the baseband signal and sends it to the baseband processing unit circuit module for processing.
  • the magnetic field characteristic sensing and acquisition circuit module also accepts power supply from the rectification and energy management circuit module.
  • the premise of being powered is that after the tag receives the command to collect the magnetic field from the reader and the baseband processing unit circuit module enables the corresponding linear regulator in the rectifier and energy management circuit module, the magnetic field characteristic sensing and acquisition circuit module is that Start the operation, and finally transfer the collected magnetic field parameters to the baseband processing unit circuit for processing.
  • the magnetic field characteristic sensing and acquisition circuit module in the present invention uses a passive magnetic field sensor to sense the amount of magnetic field in the environment.
  • an implementation method of the magnetic field characteristic sensing and acquisition circuit module is provided, including: AC excitation source circuit, magnetic field Sensor, sensor output signal conditioning circuit, sensor output signal acquisition circuit.
  • the output peak-to-peak value is about one twentieth of the peak-to-peak value of the excitation signal.
  • the sensor output signal is sent to the sensor output signal conditioning circuit for processing .
  • the magnetic field sensor used in the present invention is made of an amorphous magnetic film (Fe-Ni-Mo amorphous film), laminated in a package, and is equivalent to a transformer structure.
  • amorphous magnetic film Fe-Ni-Mo amorphous film
  • the permeability of the magnetic film of the sensor changes accordingly, and the equivalent inductance (impedance value) of the sensor changes.
  • the peak-to-peak value of the output sinusoidal signal with the same frequency after excitation by the sinusoidal excitation signal will be negatively correlated with the surrounding magnetic field strength.

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Abstract

本发明公开了一种无源无线磁场特性感测标签、感测***及基于无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法，具体采用无源谐振型磁场量传感器集成在板级无源电子标签中，配合读写器与上位机搭建基于RFID技术的磁场感测***，实现对磁场量的高精度、高智能化监测；通过单、双传感器采集模式兼容的无源谐振型磁场感测标签设计，可根据读写器控制切换采集模式，解决现有基于RFID技术的小型磁场感测***具有运行模式单一、可二次开发空间小、精度与灵敏度得不到保障等问题。本发明的方案既可监测恒定磁场，亦可监测交变磁场，特别适合在大型电力传输中心对电力传输设备的磁场监测。

Description

无源无线磁场特性感测标签及感测*** 技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无源无线磁场特性感测标签、无源无线磁场特性感测***及基于无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法。
背景技术
磁场存在于人类生活的方方面面，影响着人类的生存与生活。人类一直致力于对磁场的利用与监测，在一些特殊领域，如军事、工业生产等，对于磁场的监测显得尤为重要，因此很多磁场强度测试设备应运而生，这些磁场强度测试设备往往具有不错的测量精度，但由于其体积往往庞大，功耗高，加之需要人工介入完成测量，并不适合在一些特殊场合对磁场量合进行高精度、高频次、高智能化的监测活动。
磁场传感器是一种可以感知环境中磁场强度的电感型无源传感器。其受到特定频率信号激励以后，输出信号大小会随环境中磁场强度变化而呈线性变化。输出信号经过处理以后，可以真实地体现磁场强度变化的过程与程度。
无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)被认为是继互联网之后的第二大网络,被称为21世纪最具影响的技术之一，它是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接与通信。因此将无线传感器网络引入磁场量监测领域，可以解决之前磁场量监测所面临的诸多问题。
射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是传统的无线通信识别技术，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域。RFID技术应用在无线传感网络中，能兼具RFID和无线传感网络的技术特点，通过RFID射频信号自动识别目标的特性，能够同时实现无线传感网络感知信息和通信的功能，将传感器信号高频次、远距离传输，是实现智能磁场量监测的不二选择。
RFID读写器(Radio Frequency Identification的缩写)又称为“RFID阅读器”，通过射频识别信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可识别高速运动物体并可同时识别多个RFID标签。
无源电子标签，即无源射频标签，采用跳频工作模式，具有抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，识读距离可达十米以上。无源射频标签具有宽工作频段，既符合相关行业规定，又能进行灵活的开发应用，其专用读写器可同时读写多个标签。由于其无源的工作特性，标签设计中无需电池，标签的内存可反复擦写100000次以上。无源电子标签由于没有内装电池，在读写器的通信识别范围之外时，电子标签处于低功耗休眠状态，在读写器的通信识别范围之内，电子标签从读写器发出的射频能量中收集到其工作所需的电能。无源电子标签一般采用反向散射方式完成电子标签信息向读写器的传送，所以无源电子标签也可称之为被动标签，是实现基于RFID技术的无线磁场量传感器网络的绝佳载体。
现有磁场量感测技术主要有两类，第一类为中大型常规磁场量监测设备，以台式设备为主，有源工作，如磁强计等；第二类为基于RFID技术的小型磁场感测***，半有源或无源工作，采用自制或商用磁场传感器芯片实现。
现有磁场量感测技术普遍存在的主要缺点有：
1)中、大型常规磁场量监测设备普遍具有较高的功耗，大体积，基本采用有源模式运行工作，有源运行模式的磁场量感测设备，没有形成完整的无线磁场量参数传输***，也没有引入RFID技术，没有实现磁场量参数的远距离无线传输，这对固定电源或者便携式电池提出了一定要求，也增加了定期维护的成本，且在一些无法安装电源或者无法更换电池的特殊环境中，现有技术体现出了相当的局限性，并且现有的磁场量感测设备相对体积庞大，造价不菲，无法实现大面积传感网络布局。
2)基于RFID技术的小型磁场感测***具有采集模式单一、可二次开发空间小、精度与灵敏度得不到保障等问题，且该类型研究成果较少、普及度较低。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种无源无线磁场特性感测标签、无源无线磁场特性感测***及基于无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法。
本发明的具体技术方案为：
本发明提出了一种无源无线磁场特性感测标签，具体包括：天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路、整流及能量管理电路、LDO(Low Dropout Regulator、线性稳压器)组(1号LDO与2号LDO)、解调电路、处理器、磁场特性感知电路、选择开关电路及反向散射电路，其中，
所述磁场特性感知电路用于感测标签所在位置的磁场量；
所述天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路用于接收和分配读写器发送的射频信号与射频能量；
所述整流及能量管理电路用于转换射频能量为标签可用的直流电能，并将直流电能存储，间歇式供应标签工作使用；
所述LDO组为标签各电路模块提供直流电压；
所述解调电路用于解调读写器发送的命令信号并转化为基带信号；
所述处理器用于解析读写器命令，并控制标签按照读写器命令工作；
所述选择开关电路为三选一通道选择开关，在处理器的控制下接通读写器命令要求的信号通道；
所述反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送信号。
进一步的，所述处理器具体为单片机。
本发明还提出了一种无源无线磁场特性感测***，包括布置在待测磁场环境中的数枚上述的无源无线磁场特性感测标签、读写所述标签的读写器以及控制读写器的上位机。
本发明又提出了基于无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法，包括：
S1、上位机首次运行时，先初始化读写器，然后对所有的无源无线磁场特性感测标签进行盘存；
S2、若上位机发送标定命令，则执行步骤S3；若上位机发送采集磁场量参数命令，则执行步骤S4；
S3、改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，并通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，获取当前磁场强度下无源无线磁场特性感测标签的采集磁场量参数，通过多次改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，从而得到磁场强度与采集的磁场量参数对照表；
S4、上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，无源无线磁场特性感测标签采集磁场量参数，并将采集的磁场量参数返回至上位机；上位机根据采集的磁场量参数在磁场强度与采集磁场量参数对照表查找得到所述无源无线磁场特性感测标签所感测的环境磁场强度值。
本发明的有益效果：本发明采用无源谐振型磁场量传感器集成在板级无源电子标签中，配合读写器与上位机搭建基于RFID技术的磁场感测***，实现对磁场量的高精度、高智能化监测；通过单、双传感器采集模式兼容的无源谐振型磁场感测标签设计，可根据读写器控制切换采集模式，解决现有基于RFID技术的小型磁场感测***具有运行模式单一、可二次开发空间小、精度与灵敏度得不到保障等问题。本发明的方案可以适用于众多领域，既可监测恒定磁场，亦可监测交变磁场，特别适合在大型电力传输中心对电力传输设备的磁场监测。
附图说明
图1为本发明实施例的基于超高频RFID技术的无源无线磁场特性感测标签结构示意图。
图2为本发明实施例的磁场特性感知电路结构示意图。
图3为本发明实施例的谐振型磁场量传感器结构示意图。
图4为本发明实施例的谐振型磁场量传感器等效电路示意图。
图5为本发明实施例的传感器激励电路结构示意图。
图6为本发明实施例的感测标签工作流程示意图。
图7为本发明实施例提供的无源磁场传感器等效电路示意图。
图8为本发明又一实施例提供的磁场特性感知电路结构示意图。
图9为本发明又一实施例提供的无源无线磁场特性感测标签电路结构示意图。
图10为本发明实施例提供的基带信号处理单元的工作流程示意图。
图11为本发明实施例的感测***结构示意图。
图12为本发明实施例的感测***工作流程示意图。
图13为本发明实施例提供的无源无线磁场特性感测标签中基带信号处理单元的工作流程示意图。
图14为本发明实施例提供的感测***上位机软件流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
本实施例提供的一种无源无线磁场特性感测标签，具体包括：天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路、整流及能量管理电路、LDO组、解调电路、处理器、磁场特性感知电路、选择开关电路及反向散射电路，其中，
所述磁场特性感知电路用于感测标签所在位置的磁场量；
所述天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路用于接收和分配读写器发送的射频信号与射频能量；
所述整流及能量管理电路用于转换射频能量为标签可用的直流电能，并将直流电能存储，间歇式供应标签工作使用；
所述LDO组为标签各电路模块提供直流电压；
所述解调电路用于解调读写器发送的命令信号并转化为基带信号；
所述处理器用于解析读写器命令，并控制标签按照读写器命令工作；
所述选择开关电路为三选一通道选择开关，在处理器的控制下接通读写器命令要求的信号通道；
所述反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送信号。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述磁场特性感知电路为单、双传感器采集模式并存型感知电路。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述处理器具体为单片机。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述磁场特性感知电路包括：双传感器采集模式开关、1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路，及依次连接的异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器，其中，1号传感器及1号传感器激励电路在单传感器采集模式下单独运行工作，经由单传感器采集模式输出信号端口输出37KHz-39KHz方波信号，双传感器采集模式开关在双传感器采集模式下被导通，1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路、异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器均在双传感器采集模式开关被导通后运行工作，经由双传感器采集模式输出信号端口输出300Hz-500Hz方波信号。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述1号传感器和2号传感器具体为谐振型磁场量传感器，其由磁致伸缩材料与高Q值石英晶体谐振器复合构成。
本实施例提供的一种无源无线磁场特性感测标签结构如图1所示，具体包括：天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路、整流及能量管理电路、LDO组(1号LDO与2号LDO)、解调电路、处理器、磁场特性感知电路，选择开关电路、反向散射电路。
其中，磁场特性感知电路用于感测标签所在位置的磁场量；天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路用于接收和分配读写器发送的射频信号与射频能量；整流及能量管理电路用于转换射频能量为标签可用的直流电能，并将直流电能存储，间歇式供应标签工作使用；LDO组为标签各电路模块提供高精度直流电压；解调电路用于解调读写器发送的命令信号并转化为基带信号；处理器用于解析读写器命令，并控 制标签按照读写器命令工作；选择开关电路为三选一通道选择开关，在处理器的控制下接通读写器命令要求的信号通道；反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送信号。
在本实施例中，所述处理器具体为单片机。
本实施例提供的磁场特性感知电路为单、双传感器采集模式并存型，如下图2所示。该电路具体包括：双传感器采集模式开关、1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路，及依次连接的异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器，其中，1号传感器及1号传感器激励电路在单传感器采集模式下单独运行工作，经由单传感器采集模式输出信号端口输出37KHz-39KHz方波信号。双传感器采集模式开关在双传感器采集模式下被导通，1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路、异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器均在双传感器采集模式开关被导通后运行工作，经由双传感器采集模式输出信号端口输出300Hz-500Hz方波信号。
单传感器采集模式特点为：功耗低(磁场特性感知电路总功耗为双传感器采集模式的三分之一)、精度稍低(单传感器采集模式在温度波动较大的应用环境中存在温度漂移，影响测量精度)。
双传感器采集模式特点为：精度高(在温度波动较大的应用环境中可以抑制温度漂移引入的共模噪声，传感器不受温度漂移影响测量精度)、功耗高(磁场特性感知电路总功耗为单传感器工作模式三倍)、效率低(返回信号频率低，周期长)。根据不同应用环境中的精度、工作效率、标签功耗和标签工作距离等要求的全方位考虑，本发明提出采用双传感器和单传感器协同工作的方式来协调***精度、效率和功耗，满足不同的应用需求。
单传感器采集模式为磁场特性感知电路的默认工作模式，在单片机解析到读写器发送的单传感器采集模式命令后，单片机向2号LDO发送磁场特性感知电路使能信号，2号LDO即向磁场特性感知电路提供高精度直流电压供其运行工作，此时磁场特性感知电路仅为单传感器采集模式，即磁场特性感知电路中只有一枚传感器及其激励电路被供电运行工作。零磁场的初始状态下，磁场特性感知电路输出方波信号为37kHz-39kHz，在感应到磁场量变化，如磁场强度增强时，由于传感器的谐振频率发生变化(频率变高)，输出方波信号也随之改变(频率变高)，反之亦然。需要注意的是，单传感器采集模式虽然功耗低，效率高，标签一次充电完成与读写器通信时间较长，但由于单传感器不可避免的受温度漂移的影响，在温度波动较大的应用环境中容易被影响测量精度，故比较适合应用在温度相对恒定，需保证标签与读写器通信时长的应用环境。
在单片机解析到读写器发送的双传感器采集模式命令后，单片机通过使能信号打开磁场特性感知电路中的双传感器采集模式开关，此时磁场特性感知电路为双传感器采集模式，即磁场特性感知电路中有两枚传感器和其激励电路以及信号调理电路(异或门电路、低通滤波器、反向器、缓冲器)运行工作。两路传感器激励电路输出方波信号(均为37kHz-39kHz)连接到异或门的两个输入端口，异或门输出信号是两路输入信号的差频信号与高次谐波分量的叠加，异或门输出经过低通滤波器滤除高次谐波后获 得两路传感器谐振信号的差频信号，该差频信号是频率为300Hz-500Hz的正弦信号，该正弦信号经反向器后转变为同频率方波信号，方波信号经过缓冲器后输出。需要注意的是，双传感器采集模式虽然功耗高，效率低，标签一次充电完成与读写器通信时间较短，但由于双传感器采集模式可以抑制温度漂移带来的共模干扰，在温度波动较大的应用环境中也可以保障测量精度，故适合应用在温度波动较大，不计较标签与读写器通信时长的应用环境中。
本实施例中，磁场特性感知电路所采用的传感器具体为谐振型磁场量传感器，其由磁致伸缩材料与高Q值(≥10 4)的石英晶体谐振器复合构成，如图3所示。磁致伸缩材料在磁场的作用下产生伸长或缩短变形，该形变传递至石英晶体谐振器，从而使整个传感器的谐振频率发生改变。该传感器的谐振频率：37kHz-39kHz；量程：±50Oe；灵敏度：3.5Hz/Oe，谐振型磁场量传感器的等效电路如图4所示。
本实施例中，传感器激励电路采用门振荡电路激励谐振型磁场量传感器工作，典型电路如图5所示。采用施密特触发器芯片，门电路起振方式，用于激励敏感元件产生振荡输出，电路的输出信号为方波。其工作原理为：振荡电路由一个放大器、一个反向器和一个反馈网络构成，当环路的闭环增益大于或等于1，环路的总相移为零或2π(360°)的任何整数倍时，可以确保振荡电路处于谐振型磁场量传感器的谐振频率处，反馈电阻用于确保第一枚反向器作为放大器在其线性区域内工作，第二枚反向器确保了环路总相移为2π(360°)，谐振型磁场量传感器作为振荡器的反馈网络，用于确定振荡电路的输出信号频率，振荡器的输出信号为正弦波信号，第三枚反向器是把正弦波信号转换成同频率的方波信号，并确保信号幅度和电源电压保持一致。
***工作时，读写器按照上位机程序向无源谐振型磁场量感知标签发送射频信号，射频信号经天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路被一分为二，一部分射频信号以RF能量(射频能量)的形式进入整流及能量管理电路用于转换射频能量为标签可用的直流电能，并将直流电能存储，当存储直流电能达到一定的阈值，整流及能量管理电路向LDO组(1号LDO与2号LDO)提供直流电压。
1号LDO为上电即开启状态，无需额外使能信号。在接收到整流及能量管理电路提供的直流电能后，即向解调电路、单片机以及选择开关电路提供高精度直流电压供其运行工作，因此，此时的无源谐振型磁场量感知标签已经部分上电，可以接收读写器发来的命令信号。当读写器向标签发送RFID通用命令时，命令信号经天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路以RF(Radio Frequency)信号的形式被此时已上电的解调电路解调并转化为基带信号发送至单片机，单片机解析后通过指定通道将通用命令返回信号(基带信号)发送至选择开关电路，单片机控制选择开关选择对应的通道，此时选择开关输出的调制信号即为通用命令返回信号，反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送ASK型通用命令返回信号。
2号LDO为上电未开启状态，需要使能方可开启。在单片机解析到读写器发送的单传感器采集模式命令后，单片机向2号LDO发送磁场特性感知电路使能信号，2号LDO即开启，并向磁场特性感知电 路提供高精度直流电压供其运行工作。此时磁场特性感知电路仅为单传感器采集模式，即磁场特性感知电路中只有一枚传感器及其激励电路运行工作，磁场特性感知电路在单传感器采集模式下的输出信号(37kHz-39kHz方波信号)即为磁场量参数信号，通过指定通道发送至选择开关电路，单片机控制选择开关选择对应的通道，此时选择开关输出的调制信号即为单传感器采集模式下的磁场量参数信号，反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送ASK型单传感器采集模式下的磁场量参数信号。
在单片机解析到读写器发送的双传感器采集模式命令后，单片机通过使能信号打开磁场特性感知电路中的双传感器采集模式开关，此时磁场特性感知电路为双传感器采集模式，即磁场特性感知电路中有两枚传感器和其激励电路以及信号调理电路运行工作，磁场特性感知电路在双传感器采集模式下的输出信号(300Hz-500Hz方波信号)即为磁场量参数信号，通过指定通道发送至选择开关电路，单片机控制选择开关选择对应的通道，此时选择开关输出的调制信号即为双传感器采集模式下的磁场量参数信号，反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送ASK型双传感器采集模式下的磁场量参数信号。标签将在上电状态下运行至整流及能量管理电路中存储的直流电能耗尽即断电停止工作，直到下一次读写器发送的射频信号使标签再次上电并激活，以此方式实现对待测环境的磁场量进行间歇式感测。
本发明提出的无源谐振型磁场感测标签遵循ISO/IEC 18000-6 Type C standard，并且在其基础上扩展了读命令的功能，其工作流程如图6所示。当标签上电后，首先MCU执行初始化，然后进入低功耗模式等待读写器发送命令。当标签接收到读写器的命令后，如果是通用命令，则按照ISO/IEC 18000-6 Type C standard执行所有命令；当标签接收到单传感器采集模式命令时，标签首先开启单传感器及其激励电路，然后通过三选一通道选择开关，选择单传感器采集模式下的磁场特性感知电路的输出作为输出(输出37kHz-39kHz方波)，并根据读命令中的读数据个数确定返回方波的持续时间Ta；当标签接收到双传感器采集模式命令时，标签首先开启双传感器及其激励电路，以及后续调理电路，然后通过三选一通道选择开关，选择双传感器采集模式下的磁场特性感知电路的输出作为输出(输出300Hz-500Hz方波)，并根据读命令中的读数据个数确定返回方波的持续时间Tb。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述磁场特性感知电路包括：交流激励源电路、磁场传感器、传感器输出信号调理电路、传感器输出信号采集电路；所述交流激励源电路用于输出激励信号，磁场传感器在激励信号的激励下，输出与其周围磁场强度相关的输出信号，传感器输出信号调理电路对传感器的输出信号进行处理，经传感器输出信号调理电路处理后的传感器的输出信号进入传感器输出信号采集电路进行磁场特性的采集。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述交流激励源电路包括：有源晶振、无源带通滤波器以及限流电阻；有源晶振经直流电能供电起振，输出200KHz方波信号，所述200KHz方波信号传入无 源带通滤波器，过滤不需要的频率分量，输出200KHz正弦信号，所述200KHz正弦信号流经限流电阻后输出作为激励信号。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述传感器输出信号调理电路包括：第一级运算放大器、第一级RC(Resistance Capacitance电阻电容)低通滤波器、第二级运算放大器、对管检波器、第二级RC低通滤波器、第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器；磁场传感器的输出信号作为第一级运算放大器的输入，第一级运算放大器的输出作为第一级RC低通滤波器的输入，第一级RC低通滤波器的输出作为第二级运算放大器的输入，第二级运算放大器的输出作为对管检波器的输入，对管检波器的输出作为第二级RC低通滤波器的输入，第二级RC低通滤波器的输出作为第三级运算放大器的输入，第三级运算放大器的输出作为第三级RC低通滤波器的输入，第三级RC低通滤波器的输出作为传感器输出信号调理电路的输出。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述传感器输出信号采集电路为12位精度ADC(Analog and Digital Conversion、AD转换)。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述无源无线磁场特性感测标签还包括基带处理单元电路；
外部读写器发送的射频信号与能量经天线输入阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路；阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路包括两路输出，其中一路输出进入整流与能量管理电路，另一路输出进入解调电路；
整流与能量管理电路将输入的射频能量转化为直流电能；转化的直流电能用于给解调电路、基带处理单元电路、磁场特性感知电路供电；
解调电路将解调后的基带信号传入基带处理单元电路进行处理；基带处理单元电路对输入的基带信号进行解析，基带处理单元电路将采集到的磁场强度参数转化为调制信号，并将所述调制信号传入阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路，然后通过反向散射的方式将磁场强度参数回传到读写器。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述整流与能量管理电路包括：倍压整流电路、DC-DC(Direct Current、直流转直流)能量管理芯片、储能电容、LDO线性稳压器；倍压整流电路将输入的射频能量转化为直流电能，经由DC-DC能量管理芯片将直流电能升压并存储在储能电容之中，当储能电容中存储的电能达到设定的阈值，再由DC-DC能量管理芯片的输出端口输出2.4V直流电能并传入LDO线性稳压器，并由LDO线性稳压器输出高精度2V直流电能。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述储能电容为钽电容。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述基带处理单元还包括：当接收到读写器要求采集磁场量参数命令后，向整流与能量管理电路中对应的LDO线性稳压器输入使能信号；整流与能量管理电路即向磁场特性感知电路供电。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述标签基于ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议。
本实施例给出一种磁场传感器的实现方式，具体如图7所示，所述磁场传感器由非晶磁性薄膜(Fe–Ni–Mo amorphous film)制成，压层式封装，等效为变压器结构。当外部磁场作用于传感器，由于磁畴壁的移动和畴旋转，传感器的磁性膜的磁导率发生相应的变化，从而传感器的等效电感值(阻抗值)发生改变，其在受到200KHz正弦激励信号激励后的输出正弦信号峰峰值与其周围的磁场强度将呈负相关。由于在磁场量变化中，传感器的磁性薄膜的磁导率变化迅速。该特性可便于标签电路快速感知与采集环境中的磁场量参数，从而实现对环境中的磁场量的实时与灵敏的感知效果。并且相比于现有的磁场传感器功耗更低，本发明中采用的磁场传感器在工作时的功耗仅为400微瓦。
本发明的磁场特性感知电路如图8所示，包括：交流激励源电路、磁场传感器、传感器输出信号调理电路、传感器输出信号采集电路。磁场特性感知电路在标签接收到读写器发送的采集命令后接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电并运行。此处，标签接收到读写器发送的采集命令后接受标签电路自身转化并收集的直流电能，具体由标签中的整流与能量管理电路模块完成，后续关于图9的详细描述中做具体介绍。
交流激励源电路中包括：有源晶振、无源带通滤波器以及限流电阻；有源晶振接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电起振，输出200KHz方波信号，该200KHz方波信号传入后接的无源带通滤波器，将不需要的频率分量过滤之后，输出200KHz正弦信号，该200KHz正弦信号流经限流电阻后输入磁场传感器。限流电阻将交流激励源电路的输出电流固定为约200微安，该电流大小为最小可激励磁场传感器的电流大小。由于磁场传感器等效为电感器，内阻低至10欧姆以内，限流电阻的作用旨在降低激励磁场传感器时产生过大的功耗。
磁场传感器被交流激励源电路的输出信号激励以后，输出峰峰值约为激励信号峰峰值的二十分之一的微小的同频信号，该传感器输出信号传入图8中的传感器输出信号调理电路进行处理。
传感器输出信号调理电路包括：第一级运算放大器、第一级RC低通滤波器、第二级运算放大器、对管检波器、第二级RC低通滤波器、第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器；其中，第一级运算放大器、第二级运算放大器均采用双电源(正负电源)供电；第三级运算放大器采用单电源供电。电路工作运行时，磁场传感器的输出信号经第一级运算放大器放大以后进入第一级RC低通滤波器，第一级RC低通滤波器输出过滤了高频噪声后的传感器输出信号并传入第二级运算放大器，第二级运算放大器再次将传感器输出信号放大后输入后续的对管检波器以及第二级RC低通滤波器，从而获得传感器输出正弦信号放大后的包络线信号，该包络线信号传入第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器，从而提高包络线信号的信噪比以传入后续的传感器输出信号采集电路。
传感器输出信号采集电路为标签电路中单片机自带的12位精度ADC，该ADC(单片机)接受标签 电路自身转化并收集的直流电能供电，接收来自传感器输出信号调理电路的输出信号，并进行模数转换，最终将模数转换后的数字信号传递给单片机处理，从而实现磁场特性的感知与采集。
本发明的磁场特性感知电路使用微功耗运算放大器、无源低通滤波器以及对管检波电路搭建本发明中的低功耗传感器输出信号调理电路，以及利用本发明中的单片机自带的低功耗12位精度ADC实现的传感器输出信号采集电路，从而实现了在磁场特性感知电路仅1.1毫瓦的低功耗下，获取高精度磁场量参数的效果。
本发明的无源无线磁场特性感测标签结构如图9所示，无源无线磁场特性感测标签包括天线以及5个功能模块电路：阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路模块、整流与能量管理电路模块、解调电路模块、基带处理单元电路模块、磁场特性感知电路模块。
无源无线磁场特性感测标签电路在工作的时候，读写器发送的920MHz-928MHz频段射频信号与能量由天线端口传入阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路模块，该电路模块由阻抗匹配电路、反向散射调制电路以及功分器电路组成。射频信号与能量经由阻抗匹配电路与功分器电路将约五分之四的输入射频能量传入整流与能量管理电路模块中，并进行RF-DC(Radio Frequency-Direct Current)转化与收集，将约五分之一的输入射频信号传入解调电路模块中进行解调。
整流与能量管理电路模块中的倍压整流电路将传入的射频能量转化为直流能量，该直流能量在整流与能量管理电路模块中，经由DC-DC能量管理芯片将直流电能升压并存储在储能钽电容之中，当钽电容中存储的电能达到设定的上限阈值，再由DC-DC能量管理芯片的输出端口输出2.4V电能并传入LDO线性稳压器，最终LDO线性稳压器输出高精度2V直流电能供给标签电路运行使用，当储能钽电容中的电能因放电而电压下降至设定的下限阈值，整流与能量管理电路模块即停止为标签电路供电，直到下一次储能钽电容中的电能充电至设定的上限阈值。这里的上限阈值是指由DC-DC能量管理芯片控制的特定放电电压值，即当电容中的电压充电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即开始向后续电路供电，电容中的电能被释放。这里的下限阈值是指同样由DC-DC能量管理芯片控制的特定停止放电电压值，即当电容中的电压放电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即停止向后续电路供电。在本实施例中，上限阈值取值为4.8V，下限阈值取值为2.4V。
解调电路模块由包络检波电路、均值电路以及比较器组成。包络检波电路处理后的解调信号与均值电路输出信号一起传入比较器，比较器接受整流与能量管理电路模块供电以后，输出基带信号并传入基带处理单元电路模块进行处理。
基带处理单元电路模块中的单片机接受整流与能量管理电路模块供电，处理和解析解调电路模块传入的读写器命令，当接收到读写器要求采集磁场量参数命令后，会从基带处理单元电路模块中的单片机向整流与能量管理电路模块中对应的LDO线性稳压器发送采集使能信号，并同时对磁场特性感知电路模块传入的磁场量参数进行处理，并将采集到的参数转化为调制信号，传入阻抗匹配网络电路及反向散 射调制电路模块，通过反向散射的方式将磁场量参数回传到读写器。
磁场特性感知电路模块同样接受整流与能量管理电路模块供电。其被供电的前提是在标签接收到读写器发送的采集磁场量命令，基带处理单元电路模块使能整流与能量管理电路模块中对应的线性稳压器以后，磁场特性感知电路模块即开始运行工作，运行方式如图8所述，最终将采集的磁场量参数传入基带处理单元电路处理。
本发明的基带处理单元电路模块的软件工作流程如图10所示，基带处理单元主要实现基于ISO/IEC18000的RFID协议。当整流与能量管理电路模块开始给基带处理单元电路模块供电后，基带处理单元模块电路将开始工作，首先初始化单片机各管脚的工作状态并对接收数据的模块进行相应的配置，随即开始接收上位机的命令。当上位机发送通用的RFID命令后，该无源无线磁场特性感测标签像通用的RFID标签一样执行命令，并根据协议确定是否返回信号；当上位机发送的是磁场量参数采集命令，则标签解析命令并获得采集次数，然后使能磁场特性感知电路，并等待磁场特性感知电路稳定，然后配置ADC，并采集数据，将采集的数据保存起来以便随时可以读取，之后将采集次数减1，再判断采集次数是否为零，不为零则继续采集，否则向读写器返回采集的数据。
本发明提出一种无源无线磁场特性感测标签，能够实现在极低的功耗下，获取高精度磁场量参数的效果，解决了现有磁场量感测设备存在的体积大、功耗高、成本高、没有实现基于RFID技术的无线传输***且测量磁场量参数精度低的问题，
本发明公开一种磁场特性感知电路及基于其的磁场特性感测标签，应用于电子通信技术与传感器技术领域，针对现有的磁场量感测设备存在的功耗高、维护难、体积大、造价高的问题；本发明的磁场特性感知电路，采用无源磁场传感器在激励信号的激励下，输出与其周围磁场强度相关的输出信号；且通过本发明中标签的整流与能量管理电路，将无源无线磁场特性感测标签接收到的外部读写器发送的射频能量转化成直流电能并储存，以为无源无线磁场特性感测标签工作运行时提供能量，相比于现有技术，本发明的无源无线磁场特性感测标签体积小，隐蔽性强，无源方式运行工作且精度高，感知与传输距离经测试可达4米，十分有利于无线传感网络的布局与实现。
本发明的中的磁场特性感知电路通过创新设计的电路结构，优选器件元件，从而具备在极低的功耗下(1.1毫瓦)，获取高精度(1％精度)磁场量参数的效果，具备反映静磁场特性以及1Hz-100Hz交变磁场量特性的优点，可在MATLAB(MATrix LABoratory、矩阵实验室)等软件上根据标签返回的数据绘制出1Hz-100Hz交变磁场量呈周期性变化的波形图；本发明基于该磁场特性感知电路的无源无线磁场特性感测标签，具备以下优点：
1、本发明的无源无线磁场特性感测标签总体积仅为8cm3，解决了现有技术中，磁场量感知设备体积大的问题；
2、本发明的无源无线磁场特性感测标签，为能量自动收集式无源电子标签，无需电池，总体峰值功 耗小于2.1毫瓦，总体平均功耗小于1.7毫瓦，解决了现有技术中，磁场量感知设备功耗高的问题；
3、本发明的无源无线磁场特性感测标签，总成本低，单枚标签不大于90元人民币，解决了现有技术中，磁场量感知设备成本高的问题；
4、本发明的无源无线磁场特性感测标签，结构简单，无需更换电池，维修和维护方便，维护造价低廉，解决了现有技术中，磁场量感知设备维护难的问题；
5、本发明的无源无线磁场特性感测标签，体积小，隐蔽性强，感知与传输距离经测试可达4米，十分有利于无线传感网络的布局与实现，解决了现有技术中，磁场量感知设备广泛布局难的问题；
6、本发明的无源无线磁场特性感测标签，还具有感知与采集磁场量参数精度高的优点，传感磁场量参数误差被有效控制在1％以下，解决了现有技术中，磁场量感知设备在低功耗运行状态下无法实现高精度感测的问题；
7、本发明的无源无线磁场特性感测标签，具有反映静磁场特性以及1Hz-100Hz交变磁场特性的优点，可以实现对大型电力传输单位中的电力传输设备以及电力传输线管周围的静磁场以及交变磁场的实时监控与探测。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述储能电容，用于将转化的直流电能进行存储。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，当所述储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，无源无线磁场特性感测标签开始工作运行。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述无源无线磁场特性感测标签与读写器的通信距离为4米。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述读写器支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述读写器包括12dBi线极化天线，读写器通过所述12dBi线极化天线向无源无线磁场特性感测标签发送射频能量以及命令信号，并通过所述天线与无源无线磁场特性感测标签实现信息交互。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述天线为2dBi线极化天线，无源无线磁场特性感测标签通过2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，并通过所述2dBi线极化天线与读写器实现信息交互。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述无源无线磁场特性感测标签还包括12位精度ADC，对无源磁场传感器的输出信号进行采集。
以下为本发明提供的无源无线磁场特性感测***的实施例。无源无线磁场特性感测***的实施例与上述的无源无线磁场特性感测标签的实施例属于同一构思，无源无线磁场特性感测***的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述无源无线磁场特性感测标签的实施例。
本实施例提供的一种无源无线磁场特性感测***，包括布置在待测磁场环境中的数枚如上述的无源无线磁场特性感测标签、读写所述标签的读写器以及控制读写器的上位机。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，在工作时，所述读写器首先盘存其周围存在的标签，并记录盘存到的所有标签，然后选择标签实现通用功能或者磁场量感测。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，当所述读写器读用户存储区，且读地址为0x10时，表示使用单传感器进行磁场量感测；当读用户存储区，且读地址是0x12时，表示使用双传感器进行磁场量感测。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述读写器使用读命令中的读数据个数来表示标签返回方波的持续时间。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，当所述读数据个数的最高位为1时，后7位用来表示方波持续时间。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与无源无线磁场特性感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述无源无线磁场特性感测标签为无源标签；无源无线磁场特性感测标签至少包括无源磁场传感器，所述无源磁场传感器在受到特定频率正弦激励信号激励时，其输出的同频正弦输出信号峰峰值与待测环境中的磁场强度呈负相关。
基于上述实施例的标签，本实施例还提供一种基于超高频RFID技术的无源无线磁场特性感测***如图11所示，包括布置在待测磁场环境中的数枚无源谐振型磁场感测标签、读写所述标签的读写器以及控制读写器的上位机。
上位机主要控制读写器工作状态以及显示标签返回的磁场量参数信息；读写器受上位机控制工作，向标签群发送射频信号，该射频信号包含射频能量与命令，以无线的方式为无源谐振型磁场感测标签充电并将其激活，并控制激活后的标签按上位机设定的工作模式工作(可以是RFID通用工作模式、双传感器采集模式以及单传感器采集模式)，使标签将所处环境的磁场量参数感测后，以频率信号的方式回传至读写器，并在上位机中显示该频率信号对应的磁场量参数；无源谐振型磁场感测标签被放置在待测环境中，通过天线接收读写器发送的射频信号并将其转化为可供自身工作的直流电能并储存，当储存的直流电能足够标签正常工作，标签即被供电，待读写器发送命令激活，按照上位机设定的工作模式，运行标签中的磁场特性感知电路，将所处环境的磁场量参数感测后，以频率信号的方式回传至读写器，直到本次存储的直流电能被耗尽，标签断电停止工作，直到下一次读写器发送的射频信号使标签再次上电并激活，以此方式实现对待测环境的磁场量进行间歇式监测。该种方式可保障无源无线磁场特性感测***的感测范围足够大(即读写器与标签的有效通信距离足够远，一般在4米以上)。在多枚无源谐振型磁场感测标签工作的***中，为了解决碰撞问题，本发明提出扩展ISO/IEC 18000-6 Type C standard的读命令的数据个数的含义，以此提高***整体效率，实现多标签防碰撞功能。
这里的无源无线磁场特性感测***可以包括一个读写器和多个标签，在工作时，读写器首先盘存其周围存在的标签，并记录盘存到的所有标签(重复的标签只记录一次)，然后选择标签实现通用功能或者磁场量感测(单传感器采集或双传感器采集)。为了兼容ISO/IEC 18000-6 Type C standard，在此扩展其读命令，当读用户存储区，且读地址为0x10时，表示使用单传感器进行磁场量感测；当读用户存储区，且读地址是0x12时，表示使用双传感器进行磁场量感测。
由于单传感器采集模式和双传感器采集模式下的磁场特性感知电路输出的方波频率差别较大，因此为了提高***效率和避免多标签的碰撞现象，本发明提出使用读命令中的读数据个数来表示标签返回方波的持续时间(最高位为1时，后7位可用来表示方波持续时间，根据具体应用定义每一位所代表具体的持续时间)，可以根据应用场景选择持续时间的长度。持续时间越长，读写器测量的返回信号频率精度越高。感测***工作流程如图12所示。
综上可以看出，本发明将无源谐振型传感器集成在板级电子标签中，具有成本低、功耗低、维护方便，使得感测***具有精度高、感测范围大的效果，具有如下特点：
1.通过单、双传感器采集模式兼容的无源谐振型磁场感测标签设计，可根据读写器控制切换采集模式，可满足不同应用需求。
2.通过标签返回的频率信号，检测对应环境磁场量参数的***感测。
3.在兼容ISO/IEC 18000-6 Type C standard基础上，提出扩展读命令的用户存储区和地址表示的含义，来实现自定义的磁场量采集命令，并实现标签可根据命令选择单传感器或双传感器工作模式的功能。
4.通过扩展ISO/IEC 18000-6 Type C standard的读命令的数据个数的含义，来提高***整体效率，实现多标签防碰撞功能，并一定程度上可提高读写器测量精度(标签返回方波持续时间越长，读写器测量返回信号频率精度越高)。
本发明采用RFID技术，将无源磁场传感器融合到支持ISO/IEC 18000协议的板级无源电子标签中，并与上位机以及同样支持ISO/IEC 18000协议的读写器构成无源无线磁场特性感测***。
本发明的无源无线磁场特性感测***，包括：上位机，读写器以及无源无线磁场特性感测标签；无源无线磁场特性感测***在工作的时候，旨在实现对待测磁场环境中的磁场强度参数进行间歇式采集与传输。
上位机可发出采集命令，并通过有线控制支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议的读写器，读写器即通过发射端的12dBi线极化天线向无源无线磁场特性感测标签发送射频能量以及命令信号。
无源无线磁场特性感测标签同样支持ISO/IEC 18000国际超高频RFID标准协议，应用时置放于待测磁场环境之中，与读写器最远通信距离可以达到4米。无源无线磁场特性感测标签通过其2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，射频能量用于转化成直流电能并储存，命令信号用于解调和识别。当无源无线磁场特性感测标签的储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，无源无线磁 场特性感测标签即开始运行。标签上载有无源磁场传感器，该传感器在工作时，其输出正弦信号峰峰值与待测环境中的磁场量呈负相关。无源无线磁场特性感测标签对传感器的输出信号进行处理和采样，获得实时的磁场量参数，并通过反向散射的方式无线传送回读写器。
读写器接收到无源无线磁场特性感测标签传回的待测环境中的磁场量参数以后，通过有线方式传送给上位机，上位机软件将传回的磁场量参数处理后，将磁场量参数值显示在上位机上，从而完成对待测环境中磁场量参数的远距离采集与传输。
本实施例中给出一种无源无线磁场特性感测标签的实现方式，无源无线磁场特性感测标签包括天线以及5个功能模块电路：阻抗匹配及反向散射调制电路模块、整流与能量管理电路模块、解调电路模块、基带处理单元电路模块、磁场特性感知与采集电路模块。
远距离无源无线无源无线磁场特性感测标签电路在工作的时候，读写器发送的920MHz-928MHz频段射频信号与能量由天线端口传入阻抗匹配及反向散射调制电路模块，该电路模块由阻抗匹配电路、反向散射调制电路以及功分器电路组成。射频信号与能量经由阻抗匹配电路与功分器电路将约五分之四的输入射频能量传入整流与能量管理电路模块中，并进行RF-DC转化与收集，将约五分之一的输入射频信号传入解调电路模块中进行解调。
整流与能量管理电路模块中的倍压整流电路将传入的射频能量转化为直流能量，该直流能量在整流与能量管理电路模块中，经由DC-DC能量管理芯片将直流电能升压并存储在储能钽电容之中，当钽电容中存储的电能达到设定的上限阈值，再由DC-DC能量管理芯片的输出端口输出2.4V电能并传入LDO线性稳压器，最终LDO线性稳压器输出高精度2V直流电能供给标签电路运行使用，当储能钽电容中的电能因放电而电压下降至设定的下限阈值，整流与能量管理电路模块即停止为标签电路供电，直到下一次储能钽电容中的电能充电至设定的上限阈值。这里的上限阈值是指由DC-DC能量管理芯片控制的特定放电电压值，即当电容中的电压充电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即开始向后续电路供电，电容中的电能被释放。这里的下限阈值是指同样由DC-DC能量管理芯片控制的特定停止放电电压值，即当电容中的电压放电至该阈值，DC-DC能量管理芯片即停止向后续电路供电。在本实施例中，上限阈值取值为4.8V，下限阈值取值为2.4V。
解调电路模块由包络检波电路、均值电路以及比较器组成。包络检波电路处理后的解调信号与均值电路输出信号一起传入比较器，比较器接受整流与能量管理电路模块供电以后，输出基带信号并传入基带处理单元电路模块进行处理。
基带处理单元电路模块中的单片机接受整流与能量管理电路模块供电，处理和解析解调电路模块传入的读写器命令，当接收到读写器要求采集磁场量参数命令后，会从基带处理单元电路模块中的单片机向整流与能量管理电路模块中对应的线性稳压器发送使能信号，并同时对磁场特性感知与采集电路模块传入的磁场量参数进行处理，并将采集到的参数转化为调制信号，传入阻抗匹配及反向散射调制电路模 块，通过反向散射的方式将磁场量参数回传到读写器。
磁场特性感知与采集电路模块同样接受整流与能量管理电路模块供电。其被供电的前提是在标签接收到读写器发送的采集磁场量命令，基带处理单元电路模块使能整流与能量管理电路模块中对应的线性稳压器以后，磁场特性感知与采集电路模块即开始运行工作，最终将采集的磁场量参数传入基带处理单元电路处理。本发明中的磁场特性感知与采集电路模块采用无源磁场传感器来感知环境中的磁场量，本实施例中提供磁场特性感知与采集电路模块的一种实现方式，包括：交流激励源电路、磁场传感器、传感器输出信号调理电路、传感器输出信号采集电路。
交流激励源电路中包括：有源晶振、无源带通滤波器以及限流电阻；有源晶振接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电起振，输出特定频率方波信号，该方波信号传入后接的无源带通滤波器，将不需要的频率分量过滤之后，输出该特定频率的正弦信号，该特定频率的正弦信号流经限流电阻后输入磁场传感器。限流电阻将交流激励源电路的输出电流固定为约200微安，该电流大小为最小可激励传感器的电流大小。由于磁场传感器等效为电感器，内阻低至10欧姆以内，限流电阻的作用旨在降低激励磁场传感器时，产生过大的功耗。
无源磁场传感器被交流激励源电路的输出信号激励以后，输出峰峰值约为激励信号峰峰值的二十分之一的微小的同频信号，该传感器输出信号传入传感器输出信号调理电路进行处理。
传感器输出信号调理电路包括：第一级运算放大器、第一级RC低通滤波器、第二级运算放大器、对管检波器、第二级RC低通滤波器、第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器；其中，第一级运算放大器、第二级运算放大器均采用双电源(正负电源)供电；第三级运算放大器采用单电源供电。电路工作运行时，磁场传感器的输出信号经第一级运算放大器放大以后进入第一级RC低通滤波器，第一级RC低通滤波器输出过滤了高频噪声后的传感器输出信号并传入第二级运算放大器，第二级运算放大器再次将传感器输出信号放大后输入后续的对管检波器以及第二级RC低通滤波器，从而获得传感器输出正弦信号放大后的包络线信号，该包络线信号传入第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器，从而提高包络线信号的信噪比以传入后续的传感器输出信号采集电路。
传感器输出信号采集电路为标签电路中单片机自带的12位精度ADC，该ADC(单片机)接受标签电路自身转化并收集的直流电能供电，接收来自传感器输出信号调理电路的输出信号，并进行模数转换，最终将模数转换后的数字信号传递给单片机处理，从而实现磁场特性的感知与采集。
本实施例中给出了无源磁场传感器的实现方式，本发明采用的磁场传感器由非晶磁性薄膜(Fe–Ni–Mo amorphous film)制成，压层式封装，等效为变压器结构。当外部磁场作用于传感器，由于磁畴壁的移动和畴旋转，传感器的磁性膜的磁导率发生相应的变化，从而传感器的等效电感值(阻抗值)发生改变，其在受到特定频率的正弦激励信号激励后的输出同频正弦信号峰峰值与其周围的磁场强度将呈负相关。
本发明中标签的基带处理单元电路模块的工作流程如图13所示，基带处理单元主要实现基于ISO/IEC 18000的RFID协议。当整流与能量管理电路模块开始给基带处理单元电路模块供电后，基带处理单元电路模块开始初始化单片机各管脚的工作状态以及配置接收模块，然后等待上位机发出的命令。如果上位机发出的是通用RFID命令，该无源无线磁场特性感测标签即像通用的RFID标签一样执行命令，并做相应的响应；当上位机发送的是磁场量采集命令，则标签解析命令后，首先使能磁场特性感知与采集电路，然后配置ADC，等磁场特性感知与采集电路稳定后，根据命令是单次还是多次采集来对磁场量参数进行单次或者多次采集，并将采集的数据通过反向散射的方式发送到上位机。
本发明采用如图14所示上位机软件工作流程来实现对磁场量参数的采集。上位机软件首次运行时，首先初始化读写器，然后盘存周围的无源无线磁场特性感测标签或者可以手动输入确定的标签EPC(电子产品代码)。当上位机需要做标定操作的时候，执行标定流程；当上位机需要采集磁场量参数的时候执行磁场量采集流程；否则上位机进行通用RFID操作。
上位机定标：上位机开始执行标定操作前需要盘存周围的标签(或者通过手动输入标签的EPC)，然后通过上位机选择特定的标签进行标定。通过人工改变标签周围的磁场强度，然后通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令。读写器在接收到标签返回的采集数据后，上位机将当前的磁场强度和采集的数据在对照表中记录下来，通过多次改变磁场强度大小，最终得到完整的磁场量与采集数据对照表。
磁场量数据采集：上位机正常工作时可以发送通用RFID命令，或者发送磁场量参数采集命令。在采集磁场量参数前，上位机需要盘存无源无线磁场特性感测标签(或者提供EPC列表)，然后选择标签进行磁场量参数采集。上位机可以进行单标签或者多标签的磁场参数采集，单标签采集磁场参数操作可以先通过读写器盘存周围的标签，从而得到这些标签的EPC列表，然后选择需要执行采集命令的标签进行磁场量参数采集。如果要进行多标签采集磁场参数操作，则可以将多个特定标签的EPC通过文件的方式列出来，形成EPC列表，然后上位机先发送连续载波，给所有标签充电，充电完毕后，上位机发出群采集命令，所有标签进行磁场量参数采集并将采集的数据保存到指定的存储空间(上位机可以配置采集的数据个数)，然后上位机按照EPC列表的顺序选择特定的标签进行读取操作，从而获得标签采集到的磁场量参数；当上位机接收到标签返回的磁场量参数后，根据标定产生的对照表找到该磁场量参数对应的磁场量值，然后显示在上位机上，并保存当前EPC、磁场量值和记录时间等信息；然后上位机判断EPC列表是否结束，如果结束则跳转到结束状态，否则继续执行EPC列表中的下一个标签。
本发明提出一种基于RFID技术的无源无线磁场特性感测***，借助上位机、读写器，采用具有低功耗，低成本，高精度感知与远距离无线传输优点的无源无源无线磁场特性感测标签，实现对磁场量的高精度、远距离无线传输，解决了磁场感知设备没有实现基于RFID技术的远距离无线传输磁场量参数的问题。
本发明公开一种无源无线磁场特性感测***，应用于电子通信技术与传感器技术领域，针对现有的磁场量感测存在的磁场量感测设备功耗高、体积大、成本高、维护难等问题，本发明的无源无线磁场特性感测***，基于RFID无线通信技术，通过采用无源磁场传感器，在激励信号的激励下，输出与其周围磁场强度相关的输出信号，并采用整流与能量管理电路，将无源无线磁场特性感测标签收到的读写器发送的射频能量转化成直流电能并储存，以为无源无线磁场特性感测标签工作运行时提供能量，相比于现有技术，不仅减小了磁场量感测设备的体积，且生产成本更低，功耗更小，且精度高，并能实现远距离无线感测。
本发明的无源无线磁场特性感测***，包括：上位机，读写器以及无源无线磁场特性感测标签；上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与无源无线磁场特性感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述无源无线磁场特性感测标签为无源标签；本发明具备以下优点：
1、本发明引入RFID技术，构造了无源无线磁场特性感测***，针对磁场量参数进行了远距离感知与传输，解决了现有技术中，磁场量感知设备没有实现构造基于RFID技术的远距离无线传输磁场量参数***的问题；
2、本发明采用的无源无线磁场特性感测标签总体积仅为8cm3，解决了现有技术中，磁场量感知设备体积大的问题；
3、本发明采用的无源无线无源无线磁场特性感测标签，为能量自动收集式无源电子标签，无需电池，总体峰值功耗小于2.1毫瓦，总体平均功耗小于1.7毫瓦，解决了现有技术中，磁场量感知设备功耗高的问题；
4、本发明采用的无源无线无源无线磁场特性感测标签，总成本低，单枚标签不大于90元人民币，解决了现有技术中，磁场量感知设备成本高的问题；
5、本发明采用的无源无线无源无线磁场特性感测标签，结构简单，无需更换电池，维修和维护方便，维护造价低廉，解决了现有技术中，磁场量感知设备维护难的问题；
6、本发明采用的无源无线无源无线磁场特性感测标签，体积小，隐蔽性强，感知与传输距离经测试可达4米，十分有利于无线传感网络的布局与实现，解决了现有技术中，磁场量感知设备广泛布局难的问题；
7、本发明采用的无源无线无源无线磁场特性感测标签，还具有感知与采集磁场量参数精度高的优点，传感磁场量参数误差被有效控制在1％以下，解决了现有技术中，磁场量感知设备在低功耗运行状态下无法实现高精度感测的问题；
8、本发明的无源无线无源无线磁场特性感测标签，具有反应静磁场特性以及1Hz-100Hz交变磁场特性的优点，可以实现对大型电力传输单位中的电力传输设备以及线管周围的静磁场以及交变磁场的实时监控与探测。
以下为本发明提供的基于上述的无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法的实施例。基于上述的无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法的实施例与上述的无源无线磁场特性感测***的实施例属于同一构思，基于上述的无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述无源无线磁场特性感测***的实施例。
本实施例提供的基于上述的无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法，其特征在于，包括：
S1、上位机首次运行时，先初始化读写器，然后对所有的无源无线磁场特性感测标签进行盘存；
S2、若上位机发送标定命令，则执行步骤S3；若上位机发送采集磁场量参数命令，则执行步骤S4；
S3、改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，并通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，获取当前磁场强度下无源无线磁场特性感测标签的采集磁场量参数，通过多次改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，从而得到磁场强度与采集的磁场量参数对照表；
S4、上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，无源无线磁场特性感测标签采集磁场量参数，并将采集的磁场量参数返回至上位机；上位机根据采集的磁场量参数在磁场强度与采集磁场量参数对照表查找得到所述无源无线磁场特性感测标签所感测的环境磁场强度值。
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。

Claims (28)

  1. 一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，具体包括：天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路、整流及能量管理电路、LDO组、解调电路、处理器、磁场特性感知电路、选择开关电路及反向散射电路，其中，
    所述磁场特性感知电路用于感测标签所在位置的磁场量；
    所述天线、阻抗匹配网络电路与功分器电路用于接收和分配读写器发送的射频信号与射频能量；
    所述整流及能量管理电路用于转换射频能量为标签可用的直流电能，并将直流电能存储，间歇式供应标签工作使用；
    所述LDO组为标签各电路模块提供直流电压；
    所述解调电路用于解调读写器发送的命令信号并转化为基带信号；
    所述处理器用于解析读写器命令，并控制标签按照读写器命令工作；
    所述选择开关电路为三选一通道选择开关，在处理器的控制下接通读写器命令要求的信号通道；
    所述反向散射电路在调制信号的控制下通过反向散射的方式向读写器发送信号。
  2. 根据权利要求1所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述磁场特性感知电路为单、双传感器采集模式并存型感知电路。
  3. 根据权利要求1所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述处理器具体为单片机。
  4. 根据权利要求2所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述磁场特性感知电路包括：双传感器采集模式开关、1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路，及依次连接的异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器，其中，1号传感器及1号传感器激励电路在单传感器采集模式下单独运行工作，经由单传感器采集模式输出信号端口输出37KHz-39KHz方波信号，双传感器采集模式开关在双传感器采集模式下被导通，1号传感器、1号传感器激励电路、2号传感器、2号传感器激励电路、异或门电路、低通滤波器、反向器以及缓冲器均在双传感器采集模式开关被导通后运行工作，经由双传感器采集模式输出信号端口输出300Hz-500Hz方波信号。
  5. 根据权利要求4所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述1号传感器和2号传感器具体为谐振型磁场量传感器，其由磁致伸缩材料与高Q值石英晶体谐振器复合构成。
  6. 根据权利要求1所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述磁场特性感知电路包括：交流激励源电路、磁场传感器、传感器输出信号调理电路、传感器输出信号采集电路；所述交流激励源电路用于输出激励信号，磁场传感器在激励信号的激励下，输出与其周围磁场强度相关的输出信号，传感器输出信号调理电路对传感器的输出信号进行处理，经传感器输出信号调理电路处理后的传感器的输出信号进入传感器输出信号采集电路进行磁场特性的采集。
  7. 根据权利要求6所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述交流激励源电路包括：有源晶振、无源带通滤波器以及限流电阻；有源晶振经直流电能供电起振，输出200KHz方波信号，所 述200KHz方波信号传入无源带通滤波器，过滤不需要的频率分量，输出200KHz正弦信号，所述200KHz正弦信号流经限流电阻后输出作为激励信号。
  8. 根据权利要求7所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述传感器输出信号调理电路包括：第一级运算放大器、第一级RC低通滤波器、第二级运算放大器、对管检波器、第二级RC低通滤波器、第三级运算放大器以及第三级RC低通滤波器；磁场传感器的输出信号作为第一级运算放大器的输入，第一级运算放大器的输出作为第一级RC低通滤波器的输入，第一级RC低通滤波器的输出作为第二级运算放大器的输入，第二级运算放大器的输出作为对管检波器的输入，对管检波器的输出作为第二级RC低通滤波器的输入，第二级RC低通滤波器的输出作为第三级运算放大器的输入，第三级运算放大器的输出作为第三级RC低通滤波器的输入，第三级RC低通滤波器的输出作为传感器输出信号调理电路的输出。
  9. 根据权利要求8所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述传感器输出信号采集电路为12位精度ADC。
  10. 根据权利要求6所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述无源无线磁场特性感测标签还包括基带处理单元电路；
    外部读写器发送的射频信号与能量经天线输入阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路；阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路包括两路输出，其中一路输出进入整流与能量管理电路，另一路输出进入解调电路；
    整流与能量管理电路将输入的射频能量转化为直流电能；转化的直流电能用于给解调电路、基带处理单元电路、磁场特性感知电路供电；
    解调电路将解调后的基带信号传入基带处理单元电路进行处理；基带处理单元电路对输入的基带信号进行解析，基带处理单元电路将采集到的磁场强度参数转化为调制信号，并将所述调制信号传入阻抗匹配网络电路及反向散射调制电路，然后通过反向散射的方式将磁场强度参数回传到读写器。
  11. 根据权利要求10所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述整流与能量管理电路包括：倍压整流电路、DC-DC能量管理芯片、储能电容、LDO线性稳压器；倍压整流电路将输入的射频能量转化为直流电能，经由DC-DC能量管理芯片将直流电能升压并存储在储能电容之中，当储能电容中存储的电能达到设定的阈值，再由DC-DC能量管理芯片的输出端口输出2.4V直流电能并传入LDO线性稳压器，并由LDO线性稳压器输出高精度2V直流电能。
  12. 根据权利要求11所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述储能电容为钽电容。
  13. 根据权利要求11所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述基带处理单元还包括：当接收到读写器要求采集磁场量参数命令后，向整流与能量管理电路中对应的LDO线性稳压器输入使能信号；整流与能量管理电路即向磁场特性感知电路供电。
  14. 根据权利要求13所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述标签基于ISO/IEC18000国际超高频RFID标准协议。
  15. 根据权利要求11所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述储能电容，用于将转化的直流电能进行存储。
  16. 根据权利要求15所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，当所述储能电容中的直流电能收集到设定的上限阈值，无源无线磁场特性感测标签开始工作运行。
  17. 根据权利要求16所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述无源无线磁场特性感测标签与读写器的通信距离为4米。
  18. 根据权利要求17所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述读写器支持ISO/IEC18000国际超高频RFID标准协议。
  19. 根据权利要求18所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述读写器包括12dBi线极化天线，读写器通过所述12dBi线极化天线向无源无线磁场特性感测标签发送射频能量以及命令信号，并通过所述天线与无源无线磁场特性感测标签实现信息交互。
  20. 根据权利要求19所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述天线为2dBi线极化天线，无源无线磁场特性感测标签通过2dBi线极化天线接收读写器发送的射频能量以及命令信号，并通过所述2dBi线极化天线与读写器实现信息交互。
  21. 根据权利要求20所述的一种无源无线磁场特性感测标签，其特征在于，所述无源无线磁场特性感测标签还包括12位精度ADC，对无源磁场传感器的输出信号进行采集。
  22. 一种无源无线磁场特性感测***，包括布置在待测磁场环境中的数枚如权利要求1-21任一权利要求所述的无源无线磁场特性感测标签、读写所述标签的读写器以及控制读写器的上位机。
  23. 根据权利要求22所述的一种无源无线磁场特性感测***，其特征在于，在工作时，所述读写器首先盘存其周围存在的标签，并记录盘存到的所有标签，然后选择标签实现通用功能或者磁场量感测。
  24. 根据权利要求23所述的一种无源无线磁场特性感测***，其特征在于，当所述读写器读用户存储区，且读地址为0x10时，表示使用单传感器进行磁场量感测；当读用户存储区，且读地址是0x12时，表示使用双传感器进行磁场量感测。
  25. 根据权利要求23所述的一种无源无线磁场特性感测***，其特征在于，所述读写器使用读命令中的读数据个数来表示标签返回方波的持续时间。
  26. 根据权利要求25所述的一种无源无线磁场特性感测***，其特征在于，当所述读数据个数的最高位为1时，后7位用来表示方波持续时间。
  27. 根据权利要求22所述的一种无源无线磁场特性感测***，其特征在于，所述上位机通过有线方式控制读写器工作；读写器与无源无线磁场特性感测标签采用RFID标准协议进行通信；所述无源无线 磁场特性感测标签为无源标签；无源无线磁场特性感测标签至少包括无源磁场传感器，所述无源磁场传感器在受到特定频率正弦激励信号激励时，其输出的同频正弦输出信号峰峰值与待测环境中的磁场强度呈负相关。
  28. 基于权利要求22至27的任一项权利要求所述的无源无线磁场特性感测***的磁场量采集方法，其特征在于，包括：
    S1、上位机首次运行时，先初始化读写器，然后对所有的无源无线磁场特性感测标签进行盘存；
    S2、若上位机发送标定命令，则执行步骤S3；若上位机发送采集磁场量参数命令，则执行步骤S4；
    S3、改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，并通过上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，获取当前磁场强度下无源无线磁场特性感测标签的采集磁场量参数，通过多次改变无源无线磁场特性感测标签周围磁场强度，从而得到磁场强度与采集的磁场量参数对照表；
    S4、上位机控制读写器发出采集磁场量参数的命令，无源无线磁场特性感测标签采集磁场量参数，并将采集的磁场量参数返回至上位机；上位机根据采集的磁场量参数在磁场强度与采集磁场量参数对照表查找得到所述无源无线磁场特性感测标签所感测的环境磁场强度值。
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