CN101770601B - 一种被动式有源电子标签和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式有源电子标签和控制方法。被动式有源电子标签，包括控制单元、900M唤醒电路和2.4G无线传输电路，所述的900M唤醒电路接收到外部读写器发来的信号后，唤醒控制单元；唤醒后的控制单元控制2.4G无线传输电路发送、接收数据后关闭2.4G无线传输电路并自身进入休眠状态。本发明被动式有源电子标签消耗电能少，唤醒距离远，成本低廉。唤醒及传输有效距离可以达到40米，220mAh的电池可以使用5年以上，电子标签的总成本可以控制在15元以内。

Description

一种被动式有源电子标签和控制方法

[技术领域]

本发明涉及无线射频识别技术，尤其涉及一种被动式有源电子标签和控制方法。 

[背景技术]

在现有的有源射频识别技术中，主动式有源电子标签信号的发送是主动的，即电子标签以设定的时间间隔周期性的向外发送电磁波信号，而不论用户是否正在使用它，或者是否存在接收设备(阅读器)。这种方式会造成两个方面的问题： 

1.由于一直处于发射状态，浪费了电池的电量。如果以标签每秒发送一次计算，每次完成发送的时间为1毫秒，发送电流为15mA。不计算标签的休眠电流，则平均工作电流为15uA。如果采用220mAh钮扣电池，理论工作时间也只有611天。 

2.由于标签是主动的，用户无法控制有源电子标签的发送行为，包括发送的时间范围和空间范围。 

现在也有采用被动式有源标签的产品，一般采用125KHz低频唤醒，采用超高频传输的方式。125KHz低频唤醒一般采用芯片方案，如ATMEL的ATA8253，芯片的价格在人民币5元以上。除了成本高之外，低频唤醒需要的接收天线(一般是电磁线圈)比较大，不利于标签的小型化，而且一般需要三个方向的天线来保证三维空间不同方向的接收。低频唤醒的唤醒距离在3米以内，不利于电子标签的远距离应用。 

[发明内容] 

本发明要解决的技术问题是提供一种消耗电能少，唤醒距离远，成本低廉的被动式有源电子标签。 

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种被动式有源电子标签，包括控制单元、900M唤醒电路和2.4G无线传输电路，所述的900M唤醒电路接收到外部读写器发来的信号后，唤醒控制单元；唤醒后的控制单元控制2.4G无线传输电路发送、接收数据后关闭2.4G无线传输电路并自身进入休眠状态。所述的900M唤醒电路包括900M天线、带通滤波电路、检波电路和基带放大电路，900M天线接带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端接检波电路的输入端，检波电路的输出端接基带放大电路输入端，基带放大电路输出端接控制单元的信号输入端。所述的控制单元采用低功耗RISC单片机ATMEGA48V，所述的2.4G无线传输电路采用Nrf24L01芯片及其外围电路；Nrf24L01芯片通过SPI总线和单片机ATMEGA48V连接。 

以上所述的被动式有源电子标签，所述的带通滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电感，第一电容、第二电容和第三电容；第一电感、第一电容、第三电感和第三电容依次串接成串联电路，所述串联电路的第一电感端作为输入端接天线，第三电容端作为输出端接检波电路的输入端；第二电感和第二电容并接后，一端接所述串联电路第一电容和第三电感之间的连接点，另一端接地。 

以上所述的被动式有源电子标签，所述的检波电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一耦合电容和第二耦合电容，第一滤波电容和第二滤波电容；第一二极管的阴极和第二二极管的阳极接第一耦合电容的一端，第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极经第一滤波电容接地；第三二极管的阴极和第四二极管的 阳极接第二耦合电容的一端，第三二极管的阳极接第二二极管的阴极，第四二极管的阴极作为检波电路的输出端经第二滤波电容接地；第一耦合电容的另一端和第二耦合电容的另一端接带通滤波电路的输出端。 

以上所述的被动式有源电子标签，所述的基带放大电路包括依次串接的放大电路、低通滤波电路和比较电路，所述串接的放大电路的输入端接检波电路的输出端，所述比较电路的输出端接控制单元的信号输入端。 

以上所述的被动式有源电子标签，所述串接的放大电路包括同相放大器、第一调零电阻和第二调零电阻、第三耦合电容、反馈电容和反馈电阻，所述同相放大器的同相输入端通过第三耦合电容接检波电路的输出端；第一调零电阻和第二调零电阻串接后，一端接地，另一端接电源，第一调零电阻和第二调零电阻之间的接点接同相放大器的反相输入端；反馈电容和反馈电阻并接后一端接同相放大器的反相输入端，另一端接同相放大器的输出端，即串接的放大电路的输出端。 

以上所述的被动式有源电子标签，所述的比较电路包括一个作为比较器的运算放大器、第一分压电阻和第二分压电阻、去耦电容，运算放大器的同相输入端接低通滤波电路的输出端，第一分压电阻和第二分压电阻串接后，一端接地，另一端接电源，第一分压电阻和第二分压电阻之间的接点接运算放大器的反相输入端；所述的去耦电容一端接地，另一端接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端作为比较电路的输出端。 

以上所述的被动式有源电子标签控制方法的技术方案是，包括以下步骤： 

701)系统上电后对2.4G无线传输电路进行配置，然后将其设置为休眠状态； 

702)控制单元进入休眠状态，等待900M唤醒电路唤醒； 

703)控制单元接收到900M唤醒电路发出的唤醒信号时，被唤醒进入工作状态，控制2.4G无线传输电路发送、接收数据； 

704)2.4G无线传输电路发送、接收数据结束后，进入休眠状态； 

705)返回步骤702。 

以上所述的被动式有源电子标签的控制方法，在步骤704之后包括以下步骤： 

801)控制单元暂停接收900M唤醒电路发出的唤醒信号； 

802)开启看门狗定时器后控制单元进入休眠状态； 

803)看门狗定时器到时间后重新等待接收900M唤醒电路发出的唤醒信号； 

804)返回步骤703。 

本发明被动式有源电子标签采用900M唤醒电路，唤醒及传输有效距离可以达到40米，远高于低频唤醒电路3米的唤醒距离；900M唤醒电路仅在接收到外部读写器发来的信号后，唤醒控制单元控制2.4G无线传输电路发送、接收数据，其余时间控制单元和2.4G无线传输电路处于休眠状态，可以节省大量的电能，电池的使用寿命长，220mAh的电池可以使用5年以上；本发明被动式有源电子标签价格低廉，电子 标签的总成本可以控制在15元以内。 

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1是本发明被动式有源电子标签实施例的原理框图。 

图2是本发明被动式有源电子标签实施例控制单元和2.4G无线传输电路的原理图。 

图3是本发明被动式有源电子标签实施例900M唤醒电路的原理图。 

图4是本发明被动式有源电子标签的控制流程图。 

[具体实施方式]

如图1至图3所示，本发明被动式有源电子标签实施例包括控制单元、900M唤醒电路和2.4G无线传输电路。被动式有源电子标签平时处于休眠状态，以节省电量。当其处于触发器的电磁场范围，接收到的能量达到一定的门限时被激活，然后发送标签数据到阅读器。其主要性能指标如下： 

唤醒频率：920MHz～925MHz 

传输频率：2.40GHz～2.45GHz 

唤醒及传输有效距离：视距40米 

工作电压：3V纽扣电池供电 

工作电流：休眠电流4uA，工作电流15mA 

工作温度：-20℃～80℃。 

如图2所示，控制单元采用低功耗RISC单片机ATMEGA48V(U1)，在本设计中，使用到该单片机的掉电工作模式，(在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。)其消耗电流仅为1uA。单片机的P口接放大电路输出的触发信号，触发信号由低电平变为高电平时，能将单片机唤醒。单片机唤醒后处于正常工作模式，它通过SPI总线(SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口，SPI是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务)对2.4G无线传输电路发送命令，控制其发送或接收2.4G的无线信号。发送或接收完成后，单片机主动进入到掉电模式。 

如图3所示，900M检波电路包括带通滤波电路和二极管检波电路，900M天线接收的信号首先输入到带通滤波器。带通滤波电路采用巴特沃斯带通滤波器，由电感L1、L2、L3和电容C1、C2、C3组成，该滤波器中心频点为922MHz，3dB带宽为50MHz，能有效滤除空间其它杂波干扰。 

滤波后的信号进入二极管检波电路。检波电路由两个二极管对组成。每个二极管对封装了两个肖特基二极管。两个二极管对的第2脚分别由耦合电容C4和C5连接到滤波器的输出；第一二极管对的1脚接地；第二二极管对的1脚接第一二极管对的3脚，并且接滤波电容C6到地；第二二极管对的3脚为检波电路的输出，接滤波电容C7到地滤除高频杂波。使用两个二极管对进行检波是本实施例的关键点之一，这种接法能够使检波输出信号电压提高一倍，能够有效的降低 电子标签的唤醒门限，从而提高使用距离。 

基带放大采用低功耗的运算放大器AD8502，该芯片封装了两个单元的运算放大器(U3和U4)，有低功耗、低成本的特点，工作电流小于1uA。其中U3用作同相放大器，U4用作比较器。U3的同相输入端通过耦合电容C8接到检波电路D2的3脚输出。U3的反相输入端接R1和R2组成的调零电阻，其中R1接电源正，R2接地。反相输入端接R3和C9并联的反馈的电路，反馈电路另一端接U3输出端。在反馈电阻R3上并联电容C9，能有效的滤除高频噪声。 

U3的输出端接电阻R4和电容C10组成的低通滤波器，信号输送到运算放大器U4的同相输入端。U4的反相端接电阻R5和R6分压电路，用来设定比较门限电压；并接电容C11去耦。U4的输出即为可以被单片机识别的数字信号，直接接入到单片机的外部中断脚。 

2.4G无线传输电路采用比较成熟的Nrf24L01芯片(U2)及其外围电路。U2通过SPI总线和单片机U1连接，外围电路如图2所示。由于本实施例采用纽扣电池供电，考虑到nRF24L01的发射电流较大(12mA)，而普通纽扣电池的最大电流只能是几毫安，所以在Nrf24L01的供电脚上加100uF大电容进行电流缓冲。 

如图4所示，本发明被动式有源电子标签的控制流程如下： 

1.单片机上电后首先对Nrf24101进行配置，主要对其收发地址、频率、速率等内容进行配置，然后将其设置为休眠状态，单片机开启外部中断后也进入到休眠状态。 

2.当900M的天线接收到足够大的电磁波信号后，经过检波、放大和比较判决，在单片机的外部中断脚上产生了一个高电平，触发了单片机的外部中断，单片机被唤醒。 

3.单片机被唤醒后，将nRf24L01配置为发送状态，并发送数据，发送结束后再将其设置为休眠状态。为了避免标签长期处于电磁波范围内而被过度频繁的唤醒，此时单片机关闭外部中断，并设置看门狗定时中断，设定一定的定时时间，再这段时间内，900M电磁波不能使标签唤醒工作。单片机设定好看门狗后进入到休眠状态，等待被看门狗中断唤醒。 

4.单片机被看门狗中断唤醒后，关闭看门狗，开启外部中断，然后再进入到休眠状态。此时，900M电路可以时标签唤醒了，如果有足够强的信号，则进入到步骤2；否则一直保持休眠状态。 

经检测，本实施例被动式有源电子标签的休眠电流小于3uA，再每天被阅读1000次的情况下，使用220mAh电池可以使用5年以上；识别距离可以达到40米，并且可以根据应用需求进行调节；被识别的区域可以通过900M的天线范围进行调节；电子标签的总成本控制在15元以内。 

本实施例的优点在于： 

使用900M电磁波来唤醒有源电子标签，即满足了识别距离需求，又能够提高标签的使用寿命。 

在900M接收端采用二极管倍压检波的方式，能有效的提高接收的灵敏度，提高识读距离。 

使用一个两单元的低功耗运算放大器进行基带小信号放大，其中一个单元做同相放大，另一个做比较器，满足了电子标签在功耗、成本、体积等多方面的要求。 

通过单片机固件进行控制，避免了长期处在电磁波辐射范围内的标签被反复唤醒而浪费电能的情况，有效提高了标签的环境适应性。 

Claims (8)

1.一种被动式有源电子标签，其特征在于，包括控制单元、900M唤醒电路和2.4G无线传输电路，所述的900M唤醒电路接收到外部读写器发来的信号后，唤醒控制单元；唤醒后的控制单元控制2.4G无线传输电路发送、接收数据后关闭2.4G无线传输电路并自身进入休眠状态；所述的900M唤醒电路包括900M天线、带通滤波电路、检波电路和基带放大电路，900M天线接带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端接检波电路的输入端，检波电路的输出端接基带放大电路输入端，基带放大电路输出端接控制单元的信号输入端；所述的控制单元采用低功耗RISC单片机ATMEGA48V，所述的2.4G无线传输电路采用Nrf24L01芯片及其外围电路；Nrf24L01芯片通过SPI总线和单片机ATMEGA48V连接。

2.根据权利要求1所述的被动式有源电子标签，其特征在于，所述的带通滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电感，第一电容、第二电容和第三电容；第一电感、第一电容、第三电感和第三电容依次串接成串联电路，所述串联电路的第一电感端作为输入端接天线，第三电容端作为输出端接检波电路的输入端；第二电感和第二电容并接后，一端接所述串联电路第一电容和第三电感之间的连接点，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的被动式有源电子标签，其特征在于，所述的检波电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一耦合电容和第二耦合电容，第一滤波电容和第二滤波电容；第一二极管的阴极和第二二极管的阳极接第一耦合电容的一端，第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极经第一滤波电容接地；第三二极管的阴极和第四二极管的阳极接第二耦合电容的一端，第三二极管的阳极接第二二极管的阴极，第四二极管的阴极作为检波电路的输出端经第二滤波电容接地；第一耦合电容的另一端和第二耦合电容的另一端接带通滤波电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的被动式有源电子标签，其特征在于，所述的基带放大电路包括依次串接的放大电路、低通滤波电路和比较电路，所述串接的放大电路的输入端接检波电路的输出端，所述比较电路的输出端接控制单元的信号输入端。

5.根据权利要求4所述的被动式有源电子标签，其特征在于，所述串接的放大电路包括同相放大器、第一调零电阻和第二调零电阻、第三耦合电容、反馈电容和反馈电阻，所述同相放大器的同相输入端通过第三耦合电容接检波电路的输出端；第一调零电阻和第二调零电阻串接后，一端接地，另一端接电源，第一调零电阻和第二调零电阻之间的接点接同相放大器的反相输入端；反馈电容和反馈电阻并接后一端接同相放大器的反相输入端，另一端接同相放大器的输出端，即串接的放大电路的输出端。

6.根据权利要求4所述的被动式有源电子标签，其特征在于，所述的比较电路包括一个作为比较器的运算放大器、第一分压电阻和第二分压电阻、去耦电容，运算放大器的同相输入端接低通滤波电路的输出端，第一分压电阻和第二分压电阻串接后，一端接地，另一端接电源，第一分压电阻和第二分压电阻之间的接点接运算放大器的反相输入端；所述的去耦电容一端接地，另一端接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端作为比较电路的输出端。

7.一种权利要求1所述的被动式有源电子标签的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

701)系统上电后对2.4G无线传输电路进行配置，然后将其设置为休眠状态；

702)控制单元进入休眠状态，等待900M唤醒电路唤醒；

703)控制单元接收到900M唤醒电路发出的唤醒信号时，被唤醒进入工作状态，控制2.4G无线传输电路发送、接收数据；

704)2.4G无线传输电路发送、接收数据结束后，进入休眠状态；

705)返回步骤702。

8.根据权利要求7所述的被动式有源电子标签的控制方法，其特征在于，在步骤704之后包括以下步骤：

801)控制单元暂停接收900M唤醒电路发出的唤醒信号；

802)开启看门狗定时器后控制单元进入休眠状态；

803)看门狗定时器到时间后重新等待接收900M唤醒电路发出的唤醒信号；

804)返回步骤703。

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