能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统

1.本发明涉及一种反向散射标签技术，尤其一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统。


背景技术：

2.rfid技术在物联网时代被认为是一种最具潜力的通信技术，但其存在通信距离近、容量小的缺点，限制了其应用场景；近年发展起来的反向散射技术，因其具有通信距离远、容量大的优点，大有取代传统rfid的潜力，并且，反向散射技术能够使设备脱离电池的束缚，十分契合“绿色”物联网的广覆盖、低能耗、可持续的设计目标。
3.现有技术在实现反向散射时，通常需要使用高频振荡器，而普通的高频振荡器的功耗通常在mw级，如此大的功耗使得标签无法仅使用发射器的射频能量供电，而环境中的其他能量密度和类型限制了标签的应用场景。美国sitime公司最近报道的mems硅晶振在3.072mhz频率能够降至100μw的功耗，该晶振价格昂贵、难以购买，且受温度的影响很大，导致无法保证标签大规模的布置。


技术实现要素：

4.针对背景技术中的问题，本发明提出了一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，其创新在于：所述频移反向散射标签系统由第一发射器、第二发射器、多个标签单元、传感器和接收器组成；所述标签单元由射频能量采集单元、频移信号生成单元、微处理器、上变频单元和射频开关单元组成；所述射频能量采集单元分别与频移信号生成单元、微处理器、上变频单元和射频开关单元连接；频移信号生成单元分别与微处理器和上变频单元连接；微处理器分别与上变频单元和传感器连接；上变频单元与射频开关单元连接；所述第一发射器能向外发射频率为f1的第一载波信号；所述第二发射器能向外发射开关键控信号：第二发射器能向外发射频率为f2的第二载波信号，发射第二载波信号的过程中，第二发射器的射频开关以频率
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f进行开、断操作，使频率为
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f的频移信号被加载到第二载波信号中，进而得到开关键控信号；所述射频能量采集单元用于采集第一载波信号，并将第一载波信号转换为电能，然后向频移信号生成单元、微处理器、上变频单元和射频开关单元供能；所述频移信号生成单元能接收开关键控信号，对开关键控信号进行解调，得到频率为
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f的频移信号，并将该频移信号分别输出至微处理器和上变频单元；所述微处理器能在所述频移信号的触发下，获取相应传感器的检测信号，然后将id信息、检测信号和结束位信息顺次排列并封装成一个二进制的数据包，然后将所述数据包传输至上变频单元；所述id信息为相应标签单元的身份代码；所述上变频单元能根据所述频移信号对所述数据包作频移处理，得到频率为
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f的上变频数据包，然后将所述上变频数据包输出至射频开关单元；
所述射频开关单元根据上变频数据包的高低电平对第一载波信号进行反射、吸收操作，被射频开关单元所反射的第一载波信号即形成反向散射信号；所述接收器用于接收反向散射信号，以及对接收到的反向散射信号作解调处理，接收器根据解调出的结束位信息来识别数据包是否发送完毕。
5.本发明的原理是：现有技术之所以要采用高频振荡器，是因为：反向散射技术的架构是由发射器、标签、接收器三者构成的三点式架构，发射器发送的载波信号、标签反射的反向散射信号都会被接收器接收到，由于载波信号能量远大于反向散射信号的能量，这就导致反向散射信号会被载波信号淹没，因此，需要通过高频振荡器产生高频频移信号来将反向散射信号搬移到与载波信号不同的信道上；而在本发明中，频移处理所需的频移信号，先由第二发射器将其加载到第二载波信号中形成开关键控信号，然后由开关键控信号将频移信号携带至频移信号生成单元，频移信号生成单元对开关键控信号作解调处理后，就使得标签单元获得了频移处理所需的高频的频移信号，如此，标签单元就能在没有高频振荡器的条件下获取到高频的频移信号并实现频移处理，最终就能极大地降低标签单元的功耗，使得由第一载波信号所转换出的电能就能满足标签单元工作所需的能量，可以有效拓展频移反向散射标签的应用场景。
6.本发明的有益技术效果是：提出了一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，该方案能通过发射器将频移信号携带至标签单元中，无需采用高频振荡器来产生频移信号，最终就能大幅降低标签单元的功耗。
附图说明
7.图1、本发明的原理示意图；图2、现有技术中主流反向散射系统的原理示意图；图3、频移信号生成单元的原理示意图；图中各个标记所对应的名称分别为：第一发射器1、第二发射器2、标签单元3、射频能量采集单元31、频移信号生成单元32、微处理器33、上变频单元34、射频开关单元35、传感器4、接收器5。
实施方式
8.一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，其创新在于：所述频移反向散射标签系统由第一发射器1、第二发射器2、多个标签单元3、传感器4和接收器5组成；所述标签单元3由射频能量采集单元31、频移信号生成单元32、微处理器33、上变频单元34和射频开关单元35组成；所述射频能量采集单元31分别与频移信号生成单元32、微处理器33、上变频单元34和射频开关单元35连接；频移信号生成单元32分别与微处理器33和上变频单元34连接；微处理器33分别与上变频单元34和传感器4连接；上变频单元34与射频开关单元35连接；所述第一发射器1能向外发射频率为f1的第一载波信号；所述第二发射器2能向外发射开关键控信号：第二发射器2能向外发射频率为f2的第二载波信号，发射第二载波信号的过程中，第二发射器2的射频开关以频率
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f进行开、断操作，使频率为
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f的频移信号被加载到第二载波信号中，进而得到开关键控信号；
所述射频能量采集单元31用于采集第一载波信号，并将第一载波信号转换为电能，然后向频移信号生成单元32、微处理器33、上变频单元34和射频开关单元35供能；所述频移信号生成单元32能接收开关键控信号，对开关键控信号进行解调，得到频率为
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f的频移信号，并将该频移信号分别输出至微处理器33和上变频单元34；所述微处理器33能在所述频移信号的触发下，获取相应传感器4的检测信号，然后将id信息、检测信号和结束位信息顺次排列并封装成一个二进制的数据包，然后将所述数据包传输至上变频单元34；所述id信息为相应标签单元3的身份代码；所述上变频单元34能根据所述频移信号对所述数据包作频移处理，得到频率为
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f的上变频数据包，然后将所述上变频数据包输出至射频开关单元35；所述射频开关单元35根据上变频数据包的高低电平对第一载波信号进行反射、吸收操作，被射频开关单元35所反射的第一载波信号即形成反向散射信号；所述接收器5用于接收反向散射信号，以及对接收到的反向散射信号作解调处理，接收器5根据解调出的结束位信息来识别数据包是否发送完毕。
9.从处理流程来看，本发明的处理流程可以分为供能处理和反向散射处理两个流程，其中，供能处理的过程相对简单，系统工作过程中，第一发射器1持续向外发射频率为f1的第一载波信号，射频能量采集单元31接收到第一载波信号后，将其转换为电能，然后向频移信号生成单元32、微处理器33、上变频单元34和射频开关单元35供能；反向散射处理的过程相对复杂，下面以步骤的形式来介绍反向散射处理的过程；步骤1）：第二发射器2向外发射开关键控信号；步骤2）：频移信号生成单元32收到开关键控信号后，对开关键控信号进行解调，得到频率为
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f的频移信号，随后，频移信号生成单元32将频移信号分别输出至微处理器33和上变频单元34；输出至微处理器33的频移信号会触发微处理器33的外部中断，唤醒微处理器33，微处理器33获取相应传感器4的检测信号后，微处理器33就会生成相应的数据包，然后将数据包传输至上变频单元34；上变频单元34收到数据包后，根据频移信号对所述数据包作频移处理，得到频率为
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f的上变频数据包，然后将所述上变频数据包输出至射频开关单元35；步骤3）：上变频数据包对射频开关单元35其控制作用，使射频开关单元35根据上变频数据包的高低电平对第一载波信号进行反射、吸收操作，被射频开关单元35所反射的第一载波信号即形成反向散射信号；反向散射信号的频率为f1+
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f；步骤4）：接收器5接收到反向散射信号后，通过傅里叶变换解调出传感器4的检测信号。
10.实际操作中，应使第一载波信号和第二载波信号的信号频率相差越大越好，以使它们各自处于互不干扰的信道内；基于射频供能技术可知，第一载波信号为连续的正弦载波，第二载波信号的占空比无特别要求，只要其能满足“与第一载波信号的信号频率相差较大”即可；下面通过一个对比例来比较一下本发明和现有技术的功耗；参见图2，现有技术中的主流反向散射系统架构如图所示，其中，处理器、环境能量采集单元、传感器、高频晶振和反射单元即构成反向散射标签，其工作原理是：发射器发射
频率为f的载波信号；处理器采集传感器数据，并生成包含前导码、id信息、传感器数据、终止位的数据包；为了克服载波信号对反向散射信号的干扰，处理器通过高频晶振将数据包的频率提升至f+
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f，得到高频数据包，然后由高频数据包控制反射单元改变天线的阻抗生成反向散射信号；接收器对接收到的反向散射信号进行傅里叶变换解码出传感器数据。
11.处理器使用低功耗的fpga agln250时，功耗为24μw，反射单元采用adg902射频开关，功耗为21μw，高频晶振采用低功耗晶振ltc6900，频率为10mhz，功耗为2.04mw，其总功耗为2.085mw；本发明的一种实施例，微处理器33仍然采用fpga agln250，功耗为24μw，上变频单元34采用异或门sn74auc2g86，功耗为18μw，射频开关单元35也同样采用adg902射频开关，功耗21μw，频移信号生成单元32的硬件构成包括：天线321、阻抗匹配322、包络检波323、低功耗放大器324和反相器325，阻抗匹配322使用lc无源器件，包络检波323也使用无源器件，低功耗放大器324采用tlv521运算放大器输入偏置电流仅为1pa，功耗为1.15μw，反相器325采用sn74aup1g04，功耗为2.97μw，计算可得，前述配置条件下，标签单元3的功耗仅为67.12μw，与前述的采用高频晶振的方案相比，本发明的功耗降低了近70%，若需要更高频率的频移信号，功耗降低效果将更加明显。
12.频移信号生成单元32的工作原理是：开关键控信号被天线321接收后输入到阻抗匹配322，阻抗匹配322将开关键控信号最大功率地传输给包络检波323，包络检波323输出频率为
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f的微弱高频方波到低功耗放大器324，低功耗放大器324将信号放大后输入到反相器325进行整形得到频移信号。

技术特征：
1.一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，其特征在于：所述频移反向散射标签系统由第一发射器（1）、第二发射器（2）、多个标签单元（3）、传感器（4）和接收器（5）组成；所述标签单元（3）由射频能量采集单元（31）、频移信号生成单元（32）、微处理器（33）、上变频单元（34）和射频开关单元（35）组成；所述射频能量采集单元（31）分别与频移信号生成单元（32）、微处理器（33）、上变频单元（34）和射频开关单元（35）连接；频移信号生成单元（32）分别与微处理器（33）和上变频单元（34）连接；微处理器（33）分别与上变频单元（34）和传感器（4）连接；上变频单元（34）与射频开关单元（35）连接；所述第一发射器（1）能向外发射频率为f1的第一载波信号；所述第二发射器（2）能向外发射开关键控信号：第二发射器（2）能向外发射频率为f2的第二载波信号，发射第二载波信号的过程中，第二发射器（2）的射频开关以频率
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f进行开、断操作，使频率为
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f的频移信号被加载到第二载波信号中，进而得到开关键控信号；所述射频能量采集单元（31）用于采集第一载波信号，并将第一载波信号转换为电能，然后向频移信号生成单元（32）、微处理器（33）、上变频单元（34）和射频开关单元（35）供能；所述频移信号生成单元（32）能接收开关键控信号，对开关键控信号进行解调，得到频率为
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f的频移信号，并将该频移信号分别输出至微处理器（33）和上变频单元（34）；所述微处理器（33）能在所述频移信号的触发下，获取相应传感器（4）的检测信号，然后将id信息、检测信号和结束位信息顺次排列并封装成一个二进制的数据包，然后将所述数据包传输至上变频单元（34）；所述id信息为相应标签单元（3）的身份代码；所述上变频单元（34）能根据所述频移信号对所述数据包作频移处理，得到频率为
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f的上变频数据包，然后将所述上变频数据包输出至射频开关单元（35）；所述射频开关单元（35）根据上变频数据包的高低电平对第一载波信号进行反射、吸收操作，被射频开关单元（35）所反射的第一载波信号即形成反向散射信号；所述接收器（5）用于接收反向散射信号，以及对接收到的反向散射信号作解调处理，接收器（5）根据解调出的结束位信息来识别数据包是否发送完毕。

技术总结
本发明公开了一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，由第一发射器、第二发射器、多个标签单元、传感器和接收器组成；第一发射器能向外发射第一载波信号；第二发射器能向外发射开关键控信号；射频能量采集单元用于采集第一载波信号，并将第一载波信号转换为电能，然后向相应单元供能；标签单元能接收开关键控信号并进行相应处理；本发明的有益技术效果是：提出了一种能降低标签单元功耗的频移反向散射标签系统，该方案能通过发射器将频移信号携带至标签单元中，无需采用高频振荡器来产生频移信号，最终就能大幅降低标签单元的功耗。耗。耗。


技术研发人员：杨进 李鹏
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/12