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适应性 射频 识别 读取器
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摘要
申请专利号:

CN201580036858.6

申请日:

2015.07.03

公开号:

CN106663181A

公开日:

2017.05.10

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G06K 7/10申请日:20150703|||公开
IPC分类号: G06K7/10; G08C17/02; G06K19/07 主分类号: G06K7/10
申请人: 美卓流体控制有限公司
发明人: J·尼库宁; M·弗里曼
地址: 芬兰万塔
优?#28909;ǎ?/td> 2014.07.07 FI 20145656
专利代理机构: 隆天知识产权代理有限公司 72003 代理人: 张浴月;王占杰
PDF完整版下载: PDF下载
法律状态
申请(专利)号:

CN201580036858.6

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.06|||2017.05.10

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

在具有射频识别(RFID)读取器和至少一个无源RFID传感器标签的系统中,RFID读取器将射频询问信号发送至具有提供传感器值的传感器的无源RFID传感器标签。RFID读取器从无源RFID传感器标签接收携带传感器值的反向散射射频信号。基于多个接收的传感器值、多个询问和/或信噪比的统计分析来控制传感器标签的询问率、询问的精确性和/或发射到传感器标签的射频询问信号的功率(60??69)。

权利要求书

1.一种控制系统中的传感器值的询问的方法,所述系统具有射频识别(RFID)读取器和
至少一个无源RFID传感器标签,所述无源RFID传感器标签至少具有感测元件,所述无源
RFID传感器标签提供通过所述感测元件感测的量的值,所述方法包括:
将来?#36816;?#36848;RFID读取器的射频询问信号发送至所述无源RFID传感器标签;
在所述RFID读取器处接收来?#36816;?#36848;无源RFID传感器标签的携带感测的量的值的反向
散射射频信号;
基于ⅰ)感测的量的多个接收值和/或ⅱ)多个询问和/或ⅲ)信噪比的分析来控制所述
感测元件的询问率和/或感测的量的接收值的精确度和/或发射到所述感测元件的所述射
频询问信号的功率。
2.如权利要求1所述的方法,其中,统计分析包括将新询问的值和/或新询问的值的信
噪比与基于感测的量的所述多个接收值和/或多个询?#35782;?#21019;建的标准进行比较。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,所述标准包括感测的量的值的值范围或者预测
值、感测的量的方差、感测的量的方差的长时间平均值、通过所述感测元件的多个询问的所
述反向散射信号的信噪比的平均值中的至少一个。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括:
如果感测的量的新询问的值根据所述统计分析是可接受的,则保持所述感测元件的询
问率;
如果感测的量的新询问的值根据所述统计分析是不可接受的,则至少暂时增大所述感
测元件的询问率。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法,其中,控制包括:基于所述反向散射信号的
信噪比将感测的量的新询问的值与提供的精确性信息相关联,和/或基于所述反向散射信
号的信噪比拒绝感测的量的新询问的值,和/或基于所述反向散射信号的信噪比调整感测
的量的新询问的值,以提高精确性。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括:
a)基于由所述感测元件感测的量的多个先前询问的值,预测将从所述感测元件询问的
接下来的一个值或接下来的多个值的值范围;
b)如果感测的量的新询问的值落入所述感测元件的预测的值范围之内,则保持所述感
测元件的询问率;
c)如果感测的量的新询问的值落在所述感测元件的预测的值范围之外,则至少暂时增
大所述感测元件的询问率。
7.如权利要求6所述的方法,其中,所述至少暂时增大所述感测元件的询问率包括即时
再询问所述感测元件。
8.如权利要求6-7中的任一项所述的方法,其中,所述至少暂时增大所述感测元件的询
问率包括:执行所述感测元件的即时再询问,直到感测的量的询问值根据所述统计分析是
可接受的。
9.如权利要求1-8中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括:
a)基于由所述感测元件感测的量的多个先前询问的值,预测将从所述感测元件询问的
接下来的一个值或接下来的多个值的值范围;
b)如果新询问的值落入所述感测元件的预测的值范围之内,则接受感测的量的新询问
的值;
c)如果感测的量的所述新询问的值落在所述感测元件的预测的值范围之外,则即时再
询问所述感测元件;
d)如果再询问的值落入所述感测元件的预测的值范围之内,则接受感测的量的再询问
的值,并且去掉所述新询问的值;
e)如果再询问的值也落在所述感测元件的预测的值范围之外,但是所述新询问的值和
所述再询问的值互相接近,则接受感测的量的所述新询问的值和所述再询问的值;
f)如果感测的量的所述再询问的值落也落在所述感测元件的预测的值范围之外,并且
所述新询问的值和所述再询问的值互相接近,则即时再询问所述感测元件;
g)继续所述感测元件的即时再询问,直到所述读取器获得并接受落在预测的值范围内
的新询问的值或者落在预测的值范围之外但是互相接近的两个再询问的值。
10.如权利要求6-9中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括用感测的量的每个接
受的询问的值更新预测的值。
11.如权利要求1-10中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括:
在所述感测元件的询问过程中确定所述反向散射信号的信噪比(SNR)的长时间平均
值;
使用所述SNR的长时间平均值作为控制参考来控制所述感测元件的询问功率和/或询
问率。
12.如权利要求1-11中的任一项所述的方法,包括:
确定所述感测元件的询问的传感器值的方差的长时间平均值;
使用询问的传感器值的方差的长时间平均值作为控制参考来控制所述感测元件的询
问功率和/或询问率。
13.如权利要求1-12中的任一项所述的方法,包括:并?#26800;?#25110;结?#31995;?#25511;制所述感测元件
的询问率和发射到所述感测元件的射频询问信号的功率。
14.如权利要求13所述的方法,包括:
在所述感测元件的询问过程中根据询问的传感器值的方差来确定所述反向散射信号
的信噪比(SNR)的长时间平均值;
使用与一个或多个最近询问的传感器值的当前方差对应的SNR的长时间平均值作为控
制参考来控制发射到所述感测元件的所述射频询问信号的功率;
确定所述感测元件的询问的传感器值的方差的长时间平均值;
使用询问的传感器值的方差的长时间平均值作为控制参考来控制所述感测元件的询
问率。
15.如权利要求13或14所述的方法,包括:首先控制发射到所述感测元件的所述射频询
问信号的功率,其次控制所述感测元件的询问率。
16.如权利要求13、14或15所述的方法,包括:
如果不能增大所述射频询问信号的功率,则增大所述感测元件的询问率。
17.如权利要求1-16中的任一项所述的方法,其中,所述控制包括:
在询问的传感器值的询问过程中确定所述反向散射信号的信噪比(SNR);
尤其如果不能增大所述射频询问信号的功率,则基于预存的补偿值和/或补偿函数来
补偿低信噪比(SNR)对询问的传感器值的影响。
18.如权利要求1-17中的任一项所述的方法,包括:
所述无源RFID传感器标签具有振荡器,所述振荡器的振荡频率取决于由所述感测元件
感测的量的值;
所述RFID读取器从所述无源RFID传感器标签接收利用取决于感测的量的值的振荡频
率调?#39057;?#21453;向散射射频信号;
所述RFID读取器将所述反向散射信号的振荡频率调制转换成感测的量的实际值。
19.一种实施如权利要求1-18中的任一项所述的方法的RFID读取器。
20.一种系统,所述系统包括实施如权利要求1-18中的任一项所述的方法的RFID读取
器和计算装置。

说明书

适应性射频识别读取器

?#38469;?#39046;域

本发明涉及无源无线传感器,尤其涉及一种无源射频识别(RFID)传感器、RFID传
感器系统和用于无源RFID传感器标签的RFID读取器。

背景?#38469;?br />

传感器是将测量的量变换成可读格式(通常变换成电信号)的装置。?#32440;瘢?#23454;际上
对于任何测量目的,都有市场上可买到的传感器。根据连接性,传感器可以分成有线传感器
和无线传感器。有线传感器经由布线线束或者电缆组件连接到读取装置。无线传感器可以
不需物理连接传感器而被读取,并且经常给传感器装配无线电收发机来实现。发送的无线
电信号被接收机翻译,接收机将无线信号转换成期望的输出。例如由于?#37327;?#30340;操作条件(像
温度和压力)、旋转部件或者布线的成本和复杂性使有线连接困难时,在很多应用中无线操
作是有利的。但是,无线传感器也有一些缺点,诸如由电池引起的有限寿命、由衰减和干扰
引起的有限读取距离、因信号的不可控传播导致的安全问题以及可能的通信低速。基于电
源和通信原理,无线传感器可以分为三类:?#24615;?#20256;感器、半无源传感器和无源传感器。

?#24615;?#26080;线传感器通常具有无线电收发机和用于使无线电收发机通电的车载电池。
?#24615;?#26080;线传感器具有它们自己的电源并且可以使用?#33499;?#30340;发射机和灵敏的接收机。但是,
车载电池限制了寿命并且也增大了尺寸和重量。由于电路更加复杂,?#24615;?#20256;感器的价格比
无源传感器的价格高的多。

半无源无线传感器不包含无线电收发机,但是装配有电池。电池用于使集成电路
(IC)通电并且使传感器能够独立于读取装置而运行或者能够保持传感器中的内存。半无源
电池辅助传感器利用调制反向散射?#38469;?#29992;于通信。这是指半无源传感器不需要任何来自车
载电池的电力用于传输,而是传感器仅仅将读取装置发出的一些电力反射回来。

不像?#24615;?#21644;半无源传感器,无源传感器不需要车载电池。因此,它们更简单、更小、
更便宜,并且它们的寿命不受电源的限制。无源无线传感器的典型读出距离是10cm至3m之
间。无源无线传感器主要可以分为四类:射频识别(RFID)标签、电谐振式电路传感器、表面
声波(SAW)、谐波传感器和互调式传感器。

RFID是使用无线电波在标签与读取器之间通信的识别?#38469;酰?#20854;用于识别物品。相
对于光学条?#28201;?#35782;别,RFID有一些优点,诸如在读取器装置与标签之间无需瞄准线,RFID读
取器还能一次读数百个标签?#21462;?#26080;源RFID标签利用图1中示出的调制反向散射通信原理。当
标签10与RFID读取器11通信时,标签调制接收到的信号12并且将信号的一部分13反射回读
取器。通常的无源标签包括连接到专用微芯片的天线。当被RFID收发机或读取器无线地询
?#36866;保琑FID标签天线从RFID读取器接收电力和RF信号,并且将它们提供给芯片。芯片处理信
号并且将所请求的数据发回给RFID读取器。根据发送的数据来调制反向散射信号。RFID的
最大操作频率和读出距离受限于集成电路(IC)的整流功率,并且分别是数GHz和5-10m。

RFID大多用于识别。RFID标签装配有?#31245;儺创?#20648;器,?#31245;儺创?#20648;器使得RFID标签
能够具有可重用特征,但是RFID标签不用于测?#23458;?#37096;的量。RFID还表现出适于通过给RFID
标签装配外部传感器和数?#33268;?#36753;来感测,以读取外部的传感器。这种方式的优点是其将使
用通用的传感器元件,因此将非常适合极宽范围的应用。但是在这种方式中,标签必须包括
附加的A/D转换器和数?#20540;?#36335;以使得能够读取传感器。附加的电子器件引起的能?#33041;?#22823;会
显著地减小读出范围(例如具有8比特的A/D转换器时从5m减小到0.3m)。附加的传感器元件
进一步增大能耗。在[1]中?#33268;?#20102;A/D转换器和附加数?#20540;?#36335;的实际执行上的考虑:
“Development and implementation of RFID Technology”一书中第九?#38534;癝mart RFID
Tags?#20445;琁SBN 978-3-902613-54-7,2009年2月,I-Tech,Vienna,Austria。http://
www.intechopen.com/books/developmentand implementation of rfidtechnology。

US2013/0099897公开了RFID读取器、RFID芯片和电连接到RFID芯片的天线,天线
配置成从RFID读取器接收信号和将信号发送到RFID读取器。RFID芯片设置有对感测材料的
电接口。RFID芯片配置成调制从读取器接收的信号并且用调?#39057;?#20449;号驱动感测材料。感测
材料具有可变的电性能,使得反射的调制信号会根据感测材料的条件而改变。?#36824;?#24863;测材
料的性?#21097;?#20854;与来自RFID芯片的调制信号交互,并且将信号返回至RFID芯片。返回的信号从
RFID芯片经由反向散射调制器到天线,然后再发送回RFID读取器。可选择地,由感测材料处
理的信号用于调制RFID芯片的输入阻抗,来自RFID芯片的信号通过天线反射至RFID读取器
以确定感测材料的条件。

Chen等,Coupling Passive Sensors to UHF RFID Tags,Radio and Wireless
Symposium(RWS),2012 IEEE,15-18,2012年1月,Santa Clara,255-258,探索了不设计新的
专用集成电路(ASIC)标签而将无源传感器数据耦?#31995;较?#26377;的超高频(UHF)RFID标签的可能
性。现有的UHF RFID系统可以用于通过在标签天线?#31995;?#21152;耦合环和调制矢量反向散射来传
送额外的数据。载有传感器数据的无源传感器的阻抗影响幅度值和反向散射的相位。对于
无源传感器数据的传输,无源传感器耦合模块的负载在这三个负载之间转换以提供连接到
两个参考阻抗中的一个或无源传感器。采用两个参考阻抗来确定无源传感器的阻抗。

Guerin等,A temperature and gas sensor integrated on a 915MHz RFID UHF
tag,Wireless Information Technology and Systems(IC-TS),2010 IEEE
International Conference,Honolulu,2010年8月28日至2010年9月3日,公开了一种利用
调制反向散射原理的无源无线传感器。通过电压控?#39057;?#25391;荡器产生调制信号,振荡器的控
?#39057;?#21387;及其产生的输出频率布置成根据电感值而改变。

未决专利PCT/FI12013/051214公开了无源无线传感器设计,其能使无源无线传感
器的读取距离从根本上增大。调制信号由振荡器产生,振荡器包括作为振荡电路的一部分
的感测元件,使得调制频率取决于感测元件的感测值。因此,传感器值被翻译成调制模拟信
号的频率,调制模拟信号可以在无需能量消耗的AD转换以及最小数量的额外组件的情况下
产生。结果是读取距离可以增大直到数米,到房间规模。

读取无源RFID传感器需要用于使传感器通电的“广播”时间。需要的时间非常短,
诸如2-3毫秒,或者相对较长,诸如10-50毫秒,这取决于使用的传感器。RFID通信可用的无
线电带宽不是无限?#39057;?#32780;是实际上非常缺乏。如果必须频繁地询?#35782;?#20010;传感器,则在RFID
频谱之内有很多无线电噪声。如果询问传感器不频?#20445;?#26356;多无线电频谱可以不受限?#39057;?#32473;
其它读取器和传感器用于通信。很难确定应该多频繁地询问传感器以将所需的传感器值保
持为最新。另一个问题涉及无线通信的性质。经常有零星的噪声影响读取事件。对于移动的
物体,也有涉及无线信号的衰减改变的问题。

已经创建不同种类的算法来解决信号消减,但是它们都需要无线电水平的改变。
空间?#20174;?#26159;一种很好的方式来增强无线电通信。但是,由于复杂的电子器件和计算,空间复
用很难?#24230;?#20351;用。另一种管理链路级问题的通常方式是管理信号功率。改变的信号功率易
于保?#20540;?#27744;消耗最小并且减小RF噪声。在US7825806中公开了这种方式的示例。

因此需要新?#38469;酰?#29992;于使传感器的询?#36866;?#29992;于不同的无线电水平条件和干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于使传感器的询?#36866;?#24212;改变的无线电水平条件和干
扰的新?#38469;酢?br />

本发明的目的通过根据所附独立权利要求的方法、读取器和系统来实现。本发明
的优选实施例在从属权利要求中公开。

本发明的一方面是一种控制系统中的传感器值的询问的方法,所述系统具有射频
识别(RFID)读取器和至少一个无源RFID传感器标签,该无源RFID传感器标签至少具有感测
元件,该无源RFID传感器标签提供通过感测元件感测的量的值,所述方法包括:

将来自RFID读取器的射频询问信号发送至无源RFID传感器标签;

在RFID读取器处从无源RFID标签接收携带感测的量的值的反向散射射频信号;

基于ⅰ)感测的量的多个接收值和/或ⅱ)多个询问和/或ⅲ)信噪比的分析来控制
感测元件的询问率和/或感测的量的接收值的精确性和/或发射到感测元件的射频询问信
号的功率。

在实施例中,统计分析包括将新询问的值和/或新询问的值的信噪比与基于感测
的量的多个接收值和/或多个询?#35782;?#21019;建的标准进行比较。

在实施例中,所述标准包括感测的量的值的值范围或者预测值、感测的量的方差、
感测的量的方差的长时间平均值、通过感测元件的多个询问的反向散射信号的信噪比的平
均值中的至少一个。

在实施例中,所述控制包括:

a)如果感测的量的新询问的值根据所述统计分析是可接受的,则保持感测元件的
询问率;

b)如果感测的量的新询问的值根据所述统计分析是不可接受的,则至少暂时增大
感测元件的询问率。

在实施例中,所述控制包括:基于反向散射信号的信噪比将感测的量的新询问的
值与精确性信息相关联,和/或基于反向散射信号的信噪比拒绝感测的量的新询问的值,
和/或基于反向散射信号的信噪比利用精确性信息调整感测的量的新询问的值,以提高精
确?#21462;?br />

在实施例中,所述控制包括:

a)基于由感测元件感测的量的多个先前询问的值,预测将从感测元件询问的接下
来的一个值或接下来的多个值的值范围;

b)如果感测的量的新询问的值落入感测元件的预测的值范围之内,则保持感测元
件的询问率;

c)如果感测的量的新询问的值落在感测元件的预测的值范围之外,则至少暂时增
大感测元件的询问率。

在实施例中,至少暂时增大感测元件的询问率包括:即时再询问感测元件。

在实施例中,至少暂时增大感测元件的询问率包括:执行感测元件的即时再询问,
直到感测的量的询问值根据所述统计分析是可接受的

在实施例中,所述控制包括:

a)基于由感测元件感测的量的多个先前询问的值,预测将要从感测元件询问的接
下来的一个值或接下来的多个值的值范围;

b)如果新询问的值落入感测元件的预测的值范围之内,则接受感测的量的新询问
的值;

c)如果感测的量的所述新询问的值落在感测元件的预测的值范围之外,则即时再
询问感测元件;

d)如果再询问的值落入感测元件的预测的值范围之内,则接受感测的量的再询问
的值,并且去掉所述新询问的值;

e)如果再询问的值也落在感测元件的预测的值范围之外,但是所述新询问的值和
所述再询问的值互相接近,则接受感测的量的所述新询问的值和所述再询问的值;

f)如果感测的量的再询问的值也落在感测元件的预测的值范围之外,而且所述新
询问的值和所述再询问的值互相接近,则即时再询问感测元件;

g)继续感测元件的即时再询问,直到读取器获得并且接受落入在预测的值范围内
的再询问的值或者落在预测的值范围之外但是互相接近的两个再询问的值。

在实施例中,所述控制包括感测的量的每次接受的询问值更新预测值。

在实施例中,所述控制包括:

在感测元件的再询问过程中确定反向散射信号的信噪比(SNR)的长时间平均值;

使用SNR的长时间平均值作为控制参考来控制感测元件的询问功率和/或询问率。

在实施例中,该方法包括:

确定感测元件的询问的传感器值的方差的长时间平均值;

使用询问的传感器值的方差的长时间平均值作为控制参考来控制感测元件的询
问功率和/或询问率。

在实施例中,该方法包括:并?#26800;?#25110;结?#31995;?#25511;制感测元件的询问率和发射到感测
元件的射频询问信号的功率。

在实施例中,该方法包括:

在感测元件的询问过程中根据询问的传感器值的方差确定反向散射信号的信噪
比(SNR)的长时间平均值;

使用与一个或多个最近询问的传感器值的当前方差对应的SNR的长时间平均值作
为控制参考来控制发射到感测元件的射频询问信号的功率;

确定感测元件的询问的传感器值的方差的长时间平均值;

使用询问的传感器值的方差的长时间平均值作为控制参考来控制感测元件的询
问率。

在实施例中,该方法包括:首先控制发射到感测元件的射频询问信号的功率,其次
控制感测元件的询问率。

在实施例中,该方法包括:

如果不能增大射频询问信号的功率,则增大感测元件的询问率。

在实施例中,该方法包括的所述控制包括:

在询问的传感器值的询问期间确定反向散射信号的信噪比(SNR);

基于预存的补偿值和/或补偿函数补偿低信噪比(SNR)对询问的传感器值的影响,
尤其如果不能增大射频询问信号的功率。

在实施例中,该方法包括:

无源RFID传感器标签具有振荡器,振荡器的振荡频率取决于由感测元件感测的量
的值;

RFID读取器从无源RFID传感器标签接收利用取决于感测的量的值的振荡频率调
?#39057;?#21453;向散射射频信号;

RFID读取器将反向散射信号的振荡频率调制转换成感测的量的实际值。

本发明的另一方面是实施根据本发明的上述方面的方法的RFID读取器。

本发明的又一方面是一种系统,其包括实施根据本发明的上述方面的方法的RFID
读取器和计算装置。

附图说明

下面将通过参考附图的优选实施例更详细地描述本发明,其中:

图1示出RFID系统中的反向散射通信原理;

图2是示出RFID标签架构的示例的功能框图;

图3是示出用于RFID传感器的通信原理的谱图;

图4是示出RFID读取器架构的示例的功能框图;

图5是示出对于一个传感器的十五个连续的询问I1、I2、…、I15所接收的传感器值
v1、v2、…、v15的曲线图;

图6示出的流程图示出用于询问率的示例性控制程序;

图7的流程图示出用于询问率的另一示例性控制程序;

图8A是示出接收信号的可接受的信噪比(SNR)的曲线图;

图8B是示出接收信号的不可接受的低信噪比(SNR)的曲线图;

图8C是示出接收信号的低信噪比(SNR)的时间方差的曲线图;

图9A是示出错误的预测值范围的计算结果的曲线图,其基于由不可接收的低信噪
比(SNR)引起的不精确的传感器值;

图9B和图9C是示出SNR随时间逐渐改变的曲线图以及传感器值相应的逐渐改变的
曲线图;

图10的流程图示出用于询问功率的示例性控制程序;

图11的流程图示出另一示例性组合控制程序,其中询问功率和询问?#35782;?#34987;控制;

图12的流程图示出示例性控制程序,其中基于询问传感器值的询问率R的统计控
制被布置成考虑由信噪比(SNR)可能导致的询问传感器值的不精确性;

图13A和图13B是示出SNR随时间的改变的曲线图和不精确的传感器值的相应SNR
补偿的曲线图;

图14的流程图示出示例性控制程序,其中将SNR引起的不精确传感器值的补偿提
供给基于询问传感器值的询问率R的统计控制;

图15的流程图示出用于基于SNR的询问值的SNR补偿的示例性方法;以及

图16是的流程图示出用于提供SNR补偿值或者SNR补偿函数的示例性方法。

具体实施方式

参考图1,RFID系统通常包括两个基本部件:RFID转发器或标签10,位于要识别的
物体上或在测量点处;RFID询问机或读取器11,执行RFID标签的询问。在无源RFID系统中,
为了使标签执行读取器的询问信号的调制,RFID读取器11将必要的电力提供给标签10。在
RFID传感器标签的情况下,除了只向标签10提供电源和介质以操作和传输数据之外,RFID
读取器11可以执行朝向标签10的数据传输,在大多数情况下,数据被实施为载波信号的调
制。

图2示出的功能框图示出射频识别(RFID)标签架构的进一步示例。在示出的示例
中,RFID标签10可以包括:天线21,直接匹配到标签的前端阻抗(未示出匹配电路)以与RFID
读取器11通信;模拟的RF前端,通常包含将RF电力转换成直流电流(DC)的整流电路22、时钟
发生器或者振荡器23、调制器24和解调器25。还可以有逻辑部分或数字控制模块26,其配置
成提供期望功能,诸如处理询问命令,实行防冲突协议,执行数据完整性检查、运行存储器
读写操作,以及执行输出控制和数据流。逻辑实现通常遵循定义的标准和特定的相关协议。
进一步地,可以提供存储器27。取决于用户需求,如果读/写能力都要实现,则会需要?#19988;资?br />性存储器。

如上所?#33268;?#30340;,无源REID标签利用调制反向散射原理用于通信。当标签与读取器
通信时,标签调制接收到的信号并且将信号的一部分反射回读取器。使用从读取器11发送
的射频(RF)连续波(CW)信号促动RFID传感器。首先,通过整流器22将RF信号转换成DC电压。
整流电压使振荡器23通电,振荡器在其输出端产生低频正弦形的fOSC。最后,将振荡信号
fOSC供给至反向散射调制器24以实现反向散射原理。调制器24调制信号,并且取决于天线
与整流器21/调制器24之间的匹配,那些信号回到天线21。结果是,如图3所示,在从传感器
反向散射的信号中存在边带或者副载波fCW-fOSC和fCW+fOSC。fCW和fOSC分别表示载波频
率和振荡频率。边带或者副载波从载波频率fCW偏移振荡频率fOSC。振荡频率fOSC也可以指
调制频率或副载波频率。

时钟频率发生器23可以由其频率取决于感测值的振荡器实现。这能够实现RFID的
复杂特征并且使测?#23458;?#37096;的量而无需AD转换成为可能。在示例性实施例中,感测元件配置
成标签振荡器的振荡电路的基本部分,使得来自振荡器的调制频?#36866;?#20986;取决于感测值。这
使得没有实际的任何额外部件的能量消耗而测?#23458;?#37096;的量成为可能。可用的振荡器的示例
可以包括RC振荡器、环形振荡器、LC振荡器和RLC振荡器,或者任何其他基于谐振的振荡器,
诸如基于微机械系统(MEMS)、表面声波(SAW)和体声波(BAW)的振荡器。例如,与LC振荡器或
者RLC振荡器相比,RC振荡器的优点是其能够集成,虽然其可能具有更高的能耗并且读出距
离减小。

应该理解的是,本发明不将本发明限于任何特定类型的RFID传感器标签或者任何
特定类型的传感器标签的反向散射信号的调制。但是,本发明的实施例在RFID传感器标签
的调制振荡频率布置成取决于感测值的应用中特别有利,也就是将感测量的值的范围映射
成振荡频率范围,例如在PCT/FI2013/051214中,和在Guerin等的文献中。

本发明的一方面是用于根据本发明的其他方面的无源无线传感器的读取器。总体
来说,RFID读取器是专门的无线电发射机和接收机。像所有这样的装置,读取器必须产生一
定载波频率fCW(对于通常的UHF装?#32654;?#22914;大约800-900MHZ)的信号,并?#19994;?#21046;该载波信号以
向标签传递信息。对于无源标签,读取器可以赋予标签能量,接收结果并且频繁地处理?#22270;?br />防冲突算法,防冲突算法?#24066;?#35835;取器一次读取一个以上的标签。在简单的RFID系统中,读取
器的RF信号是连续波(CW)信号或者脉冲开关信号;在更复杂的系统中,读取器的RF信号能
够包含对标签的命令、读取或者写入标签包含的存储器的指令。读取器11可以选择性地接
收和放大来自标签的响应,并且将来自载波频率的信号向下转换成包含在接收信号中的低
得多的频率特性的信息。

在图4中示出示例性RFID读取器的总体框图。RFID读取器11可以包括两个主要部
分:射频(RF)前端40和数字控制部分41。射频(RF)前端40用于RF信号的发送和接收。RF前端
40可以包括两个分离的信号通路以与来回RF传感器10的两个方向的数据流相对应。调制器
401可以用来自数字控制部分41的Tx数据(诸如指令)调制?#38236;?#25391;荡器信号(RF载波信号
fCW)。调制信号被功率放大器402放大,并且放大的信号即RF功率(有效的各向同性辐射功
率)和可能的读取器的指令经由天线ANT发送至传感器10,传感器10位于读取区域或者询问
区域之内。接收机经由天线ANT从传感器10接收模拟反向散射信号。定向耦合器或者循环器
403将到传感器10的放大的发送信号和来?#28304;?#24863;器10的接收微弱反向散射信号fcw±fOSC
分离。接收的反向散射信号是微弱的,并且可以提供低噪声放大器以在接收信号在解调器
404中被解调先前和之后增大接收信号的振幅。然后,解调器414可以将解调的接收信号RX
数据发送至信号控制部分41。当解调从转发器或者标签10接收的数据时可以使用不同的解
调?#38469;酢?#22312;RFID系统中使用的调制和解调?#38469;?#30340;示例包括二进制相移键控(BPSK)和振幅偏
移键控(ASK)。读取器天线ANT的辐射强度决定询问范围和区域。取决于RFID的应用,能够以
不同方式设计RFID读取器,其中天线的谐振频率、增益、方向性和辐射模式能够改变。

RFID读取器41的控制部分41可以对来自RFID标签的接收(Rx)数据执行数?#20013;?#21495;
处理和程序。而且,控制部分41可以通过执?#26800;?#21046;、防冲突程序和解码来自RFID标签10的接
收数据,使得读取器能够与RFID标签通信。该数据通常用于询问标签(读)或者重编标签
(写)。控制部分41(例如微处理器)通常可以包括数?#20013;?#21495;处理(DSP)块411、存储器块412、
解码器块413、编码器块414和通信接口块415。控制部分41可以接收来自RF前端40的接收解
调信号,并且将其转换成等效数?#20013;?#21495;。然后,解码器413可以将接收信号解码成Rx数据并
且DSP411可以对Rx数据执行数据处理。存储器块412可?#28304;?#20648;各种数据,诸如询问Rx数据、
读取器的结构?#38382;?#20256;感器专用?#38382;取?#24403;控制部分41想要向一个特定标签或者朝询问区
域中的所有标签10发送信息或者指令时,控制部分41的编码器414可以编码Tx数据并且将
编码数据输出至RF前端40以调制载波信号。?#36865;猓?#25511;制部分41可以例如通过控制功率放大
器402的增益来控制RF前端40的RF发射功率。可以以载波频率fcw从无线RFID传感器或者标
签10接收(使用合适的调制?#38469;?所有标准的FRID数字通信,并且用解调器404和解码器413
处理。所有普通的RFID功能可以用商业性RFID读取器实施,诸如来自ThingMagic(Trimble
的分部)的Mercuy6e(M6e)?#24230;?#24335;UHF RFID读取器模块。

如以上?#33268;?#30340;,在根据本发明的第一方面的无源无线传感器中,可以使无线传感
器的振动频率fOSC取决于测量的量或者对测量的量敏感。换言之,fOSC与每个具体时刻所
感测的量成比例。还如上所?#33268;?#30340;,接收的反向散射信号被fOSC调制,即,接收的反向散射
信号具有的频率为fCW±fOSC。如图3所示,边带从载波频率fCW偏移振荡频率fOSC。

根据本发明的一方面,读取器11可以布置成基于瞬时振荡频率fOSC检测感测的量
的值。例如,可以提供频率fOSC获取实体405?#28304;?#25509;收的反向散射信号导出fOSC或者表示其
的?#38382;?#30001;信号416示出,进一步将该信息提供至控制部分41。实体405可以选择性地导出和
提供与接收的反向散射有关的其他信息,诸如接收信号水平、接收信号的信噪比(SNR)?#21462;?br />例如,fOSC获取实体可以包括下混频器,其中接收信号fCW±fOSC与载波fCW混合,从而获得
振荡频率信号fOSC。然后可以以适合的方式测量频率foffset,例如频率计数方法。还可?#28304;?br />接收信号直接检测fOSC,例如通过确定fCW与fCW±fOSC之间的相移,该相移与fOSC之间的
振荡频率成比例。接收信号水平能够用任何合适的信号水平检测器确定。信号水平信息在
很多商业性RFID读取器中已经可用。

根据本发明的一方面,读取器11被布置成?#28304;?#24863;器元件专用的方式(例如基于传
感器元件专有的配置信息)将传感器标签的传感器频率调制响应转换成测量值。控制部分
41可以用频率相关的信息导出感测量的实际值。控制部分41可以具有与正?#33268;?#30340;无线传感
器有关的其他信息,例如在传感器标签中可用的传感器元件、询问每个传感器元件所需的
时间等(也称为节点配置信息),以便例如将该信息转换成感测的量的实际值、做出校准操
作、做出计算?#21462;?br />

通信接口使得读取器11能够使用合适的连接和合适的协议,诸如OPC(用于过程控
?#39057;腛LE(对象链接与?#24230;?),与诸如主机或软件应用43之类的更高水平的系统通信。例如,
读取器可以用串行连接诸如RS-228或者USB串行连接而物理连接到主机。作为另一个示例,
读取器可以经由有线或者无线网络连接到主机43,由此读取器像标准网络设备一样运转并
?#20063;?#38656;要特别的硬件和系统配置的知识。RFID读取器可以支持多种网络协议,诸如
Ethernet、TCP/IP、UDP/IP、HTTP、LAN、WLAN和其它。主机43可以通常提供两个主要功能。第
一,主机从读取器接收数据并且执行诸如滤波和整理的数据处理。第二,主机用作设备监视
器,以确保读取器正确安全地运行并且具有最新的指令。RFID读取器还可以包括电源44。例
如,电源44可以是连接到电网或电池电源的合适的AC/DC适配器。可选择地,可以通过诸如
Ethernet或USB的通信网络连接给读取器供电。

使用根据本发明的第一方面的无源无线传感器以及可选地使用根据本发明的第
二方案的读取器,无源无线传感器的读取距离可以增大到数米,到房间规模。增大的读取距
离使得用一个和同一个读取器读取多个无源无线传感器(位于增大的读取范围之内)成为
可能。多个无线传感器可以具有不同类型的感测元件、不同的读取周期、不同的传感器值格
式/范围、不同的温度补偿布置、不同的校准布置或者其他传感器专用?#38382;?#29305;征或配置。在
单个无源无线传感器中也可以有若干个具有不同配置和?#38382;?#30340;传感器元件。例如,尽管UHF
RFID?#38469;?诸如标准的Class-1Gen-2防冲突)已经解决大部分与读取多个无线标签有关的
问题,但仍需要提供用于管理和读取具有不同的传感器特性的多个无源无线传感器的方
法、路线和布置。

在每个询问过程中,读取器11可以发送RF询问信息到设置有感测元件28的传感器
标签10并且从传感器10接收反向散射回复信号fCW±fOSC。读取器11可以布置成基于瞬时
振荡频率fOSC检测感测量的值v并且存储传感器值。例如,频率fOSC获取实体405可?#28304;?#25509;
收的反向散射信号导出fOSC或者表示其的?#38382;?#24182;且将其进一步转发给控制部分41,控制
部分41将其存储在存储器412中,如参照图4所描述的。因此,传感器的每次询问n(其中n=
1、2、3、4、…、N)可以产生该传感器元件的一个传感器值vn,从而读取器将对于附近的每个
传感器存储一系列传感器值…、vn-1、vn、vn+1、…。传感器元件选择地有时被询问一次(时分
?#20174;?,但是它们的询问率互相之间显著不同。

询问或者读取无源RFID传感器需要用于给传感器通电的“广播”时间。需要的时间
可以非常短,诸如2-3毫秒,或者相对较长,诸如10-50毫秒,这取决于使用的传感器。还重要
的是,注意在标签处接收的射频信号功率和在读取器处接收的反向散射信号的功率随读取
器与标签之间的距离快速下降。因此,用于给传感器通电所需的时间会随距离增大,除非读
取器的发射功率相应地增大。?#36865;猓?#30830;定由读取器在标签方向上发射的信号的功率的最大
?#24066;鞥IRP(等效各向同性辐射功率)通常受限于国家规定(例如在北美,是4W)。在任何情况
下,在接收机处反向散射信号的功率随距离减小,这将增大错误率。?#36865;猓?#30001;于无线通信的
性?#21097;?#23384;在影响读取事件的恒定的零星的噪声。

RFID通信可用的无线带宽不是无限?#39057;?#32780;是实际上非常缺乏。如果必须频繁地询
?#35782;?#20010;传感器,则在RFID频谱之内存在更多无线电噪声。如果询问传感器不频?#20445;?#20363;如传感
器的询问率R(每单位时间询问的?#38382;?减小,更多无线电频谱可以自由地给其它的读取器
和传感器用于通信。询问周期IC=1/R是从询问开始到下一个询问开始的?#20013;?#26102;间。

难以确定保?#20013;?#35201;的传感器值?#20013;?#26356;?#28388;?#38656;的最小询问率或周期。在控制系统
中,其中无源RFID传感器标签10可以是控制环的一部分,最小询问周期将是所需的控制周
期,但是在大多数情况下,会更经常地进行读取。

根据本发明的一方面,基于在读取器中接收的传感器值的统计分析来控制询问
率。如果统计分析表明接收的传感器值明显是错误的,则询问率会至少暂时地改变。这种方
式滤掉了明显有缺陷的传感器读取值。

在图5和图6中示出基于接收的传感器值的统计分析来控制询问率的示例。图5示
出对于一个具体的传感器,十五个连续的询问I1、I2、…、I15的接收传感器值v1、v2、…、v15。对
于询问范围内的每个传感器可以进行类?#39057;?#23637;示。传感器元件选择地有时被询问一次(时
分?#20174;?,但是它们的询问率可以互相之间显著不同。图6示出用于一个具体传感器的示例
性控制程序的流程图。可以对每个附近的传感器单独地执行类?#39057;?#25511;制程序。

开始时,读取器11可以将来?#36816;?#26377;传感器的先前询问的传感器值的N个值存储在
读取器11的读取范围之内。存储值的数量N可以是可选择的?#38382;?#24182;且对于不同传感器是不
同的,但是如果数量越多,则预测的准确度越高,优选存储至少10-20个最近询问的传感器
值。基于这些N个先前的传感器值,对于传感器,预测待询问的下一个或多个值的值范围50。
类?#39057;兀?#21487;以分别地为每个附近的传感器预测相应的值范围50。例如,可以通过预测下一个
或多个传感器值和传感器值的?#24066;?#20844;差来预测值范围50。每当接受并存储来自相应传感器
的新询问的传感器值时,可以更新特定传感器的预测50。可以通过存储值的推断、插值、线
性回归等执?#24615;?#27979;。可以通过方差或类?#39057;?#32479;计值来限定公差。

在询问I1中,从传感器获取下一个传感器值v1(图6中的步骤61)。读取器11可以检
查来自特定传感器的该下一个询问的传感器值v1是否落入该传感器的预测值50之内(图6
中的步骤63)。如果询问值v1在预测的值范围50之内,则接受并存储整合的值v1(图6中的步
骤64),并用新的传感器值v1更新传感器的预测的值范围50(图6中的步骤60)。传感器的询
问率R可以保持不变。另外,接下来的询问I2、I3、I4、I5提供落入预测的传感器值范围50之内
的询问值v2、v3、v4、v5,由此重复相同的程序(图6中的步骤60-64)。如图5所示,预测的传感
器值范围50适应逐渐下降的传感器值。

在询问I6中,来?#28304;?#24863;器的询问的传感器值v6不在传感器P的预测范围50之内。结
果是,询问的传感器值v6不容易被接受,但是可以做出传感器的即时询问I7以获得新询问的
传感器值v7用于比较(图6中的步骤65)。因此,传感器的询问率R暂时增大。由于该新询问的
值v7在预测范围50之内,所以可以接受并存储新询问的传感器值v7,并且可以去掉先前的范
围之外的询问传感器值v6(图6中的步骤67)。用新的传感器值v7更新预测的值范围50(图6中
的步骤60)。可以固定或动态调整预测的传感器值的公差或偏差。例如,公差可以是统计参
数,诸如N个最近存储的传感器值的方差。

另外,接下来的询问I8、I9、I10、I11、I12、I13提供落入预测的传感器值范围50之内的
询问值v8、v9、v10、v11、v12、v13,由此重复相同的程序(图6中的步骤60-64)。预测的传感器值
范围50适应逐渐增大的传感器值,但是传感器的询问率R可以保持不变。

在询问I14中,来?#28304;?#24863;器的询问的传感器值v14不在传感器的预测范围50之内(图
6中的步骤63)。结果是,询问的传感器值v14不容易被接受,但是可以做出传感器的即时询问
I15以获得新询问的传感器值v15用于比较(图6中的步骤65)。因此,传感器的询问率R暂时增
大。但是,现在甚至新的即时再询问的传感器值v15在预测的传感器值范围50之外(图6中的
步骤66)。另一方面,新询问的传感器值v15相对接近先前询问的范围之外的传感器值v15(例
如在公差范围内)(图6中的步骤68),读取器11可以设定在感测的压力值中存在真实的改
变。因此,可以接受并存储先前的范围之外的询问的传感器值v14和新的范围之外的询问的
传感器值v15(图6中的步骤69),预测的传感器值范围50逐步地适应传感器值的大的快速改
变(图6中的步骤60)。

在步骤68中,新的即时再询问的传感器值vn和最近的先前询问的传感器值vn-1都
在预测的传感器值范围之外并且相对彼此远离(例如不在公差范围之内),先前的范围之外
的询问传感器值vn和vn-1中的任一个都不被立即接受,而是可以做出传感器的进一步的即
时再询问以获得新询问的传感器值vn+1用于比较(图6中的步骤65)。可以进行新的再询问
(步骤65、66、68),直到实现稳定的情况,例如两个或更多连续的传感器值落入预测的传感
器值范围50之内(步骤66、67),或者是范围之外的足够互相接近的值以被接受为有效传感
器值(步骤68、69)。因此,传感器的询问率R可以保持增大直到发现好的情况,询问率可?#36816;?br />后减小到正常值(程序回到步骤60)。

图7示出的流程图示出用于一个特定传感器的另一示例性控制程序。可以对每个
附近的传感器执行类?#39057;?#25511;制程序。在该示例中,统计准则是询问传感器值的方差。

开始时,读取器11可以将来?#36816;?#26377;传感器的先前询问的传感器值的至少N个值存
储在读取器11的读取范围之内。基于这些N个先前的传感器值,对于传感器,计算询问的传
感器值的方差的长时间平均值(图7中的步骤70)。在控制程序中使用该长时间平均值作为
方差的参考值。类?#39057;兀?#21487;以对于每个附近的传感器分别地计算方差的相应的长时间平均
值。每当接受并存储来自相应的传感器的新询问的传感器值时,可以更新特定传感器的长
时间平均值,使得平均值可以适应逐渐改变的传感器值。

以询问率R?#28304;?#24863;器执行接下来的询问(图7中的步骤71)。每当接受并存储新询问
的传感器值时,可以计算传感器值的方差的短时间平均值(图7中的步骤72)。可以通过少量
的先前询问的传感器值计算短期方差。如果短时间平均值基本?#31995;?#20110;长时间参考方差(图7
中的步骤73),则保持传感器的当前询问率R(图7中的步骤74),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤
70。如果短时间平均值不基本?#31995;?#20110;长时间参考方差(图7中的步骤73),则可以检查短时间
平均值是小于还是大于长时间参考方差(图7中的步骤75)。如果短时间平均值小于长时间
参考方差,则可以增大传感器的询问率R(图7中的步骤76),?#39029;?#24207;可以返回至步骤70。如果
短时间平均值大于长时间参考方差,则可以减小传感器的询问率R(图7中的步骤77),?#39029;?br />序可以返回至步骤70。

以上示出的用于控制询问率的方法的示例性实施例基于接收传感器值的统计分
析,且方法工作良好,如果我们假设接收的反向散射信号的信噪比(SNR)是可接受的,即,不
存在因差的SNR引起的感测值的不精确。在图8A中示出接收信号fOSC的可接受的信噪比
(SNR)。频率fOSC时的信号功率远在噪声水平以上。当接收信号fOSC的信噪比(SNR)低(即,
不可接受)时,频率fOSC时的信号功率接近噪声水平,噪声会在检测的振荡频率fOSC中产生
一些偏移或误差,如图8B所示,例如会检测到频率f′osc而不是正确的频率fOSC。如图8C所
示,由不可接受的低SNR引起的频率偏移也会随时间改变。尽管在传感器标签10中通过感测
元件测量的实际传感器值中没有相应的改变,但是由低SNR引起的检测的振荡频率的这种
偏移会导致读取器11在检测的传感器值中解读出类?#39057;?#20559;移或改变。?#36865;猓?#30001;于差的SNR,
读取器11在统计操作中会采用不精确的传感器值执?#24615;?#27979;值范围的计算,这会导致不正确
的预测值范围。

假设在图5中示出的示例中,当SNR是不可接受的并且发生频率偏移?#24065;?#32463;接收了
传感器值v9-v13,如图9A所示。如图9A中的虚线圆圈所示,在可接受的SNR条件下,传感器值
v9-v13落入预测的传感器的值范围50之内。但是,在不可接受的SNR条件下,询问的传感器
值v9不落入预测的传感器的值范围50之内。另外,再询问的值v10落在预测的值范围50之
外,但是相对接近先前的范围之外的传感器值v10,尽管SNR是不可接受的,但这两个值都易
于接受。这种情况会导致读取器接受无效值作为有效传感器值并?#19968;够?#23548;致读取器计算错
误的预测值范围,从而遵循错误的路径。例如,在图9A中,由于接下来的询问传感器值v11-
v13偏移成接近先前的范围之外的值,所以形成了错误的预测值范围90。因此,将会系统地
接受错误的传感器值。由假的噪声和干扰引起的单个传感器值(例如v6)的偏移会通过统计
分析被滤掉。

作为另一个示例,图9B和图9C示出SNR随时间的逐渐改变和传感器值v1-v10的相
应逐渐改变。在可接受的SNR期间,检测准确的传感器值v1-v7并且正确地计算预测的值范
围50。但是,当SNR逐渐越来越低地改变时,传感器值v8-v12逐渐变得越来越不精确,并?#19968;?br />于不正确的值计算的预测值范围90逐渐地偏离在可接受的SNR条件期间已经基于正确的传
感器值计算的预测值范围50。

根据本发明的又一方面,基于询问的传感器值进行的询问率R的统计控制与询问
功率控制并行进行或者与询问功率控制结合,询问功率控制布置成减小可能由接收的反向
散射信号的信噪比(SNR)引起的询问传感器值的不精确性。

图10示出的流程图示出可以与询问率R的统计控制并行执行的询问功率Pint的统
计控制。示出对一个特定传感器的示例性功率控制程序。类?#39057;?#25511;制程序可以对每个附近
的传感器分别执行。在该示例性功率控制程序中,统计标准是在特定传感器的询问过程中
反向散射信号的信噪比(SNR)的长时间平均值,并且控制询问功率。可以通过读取器11的RF
前端60(例如通过RX水平检测单元405)测量瞬时SNR值,并且将其提供至数字控制41用于控
制程序。

开始时,读取器11可以将来自每个传感器的至少N个先前询问的SNR值存储在读取
器11的读取范围之内。基于这些N个先前的SNR值,对于传感器计算SNR的长时间平均值(图
10中的步骤100)。在控制程序中使用该长时间平均值作为SNR的参考值。类?#39057;兀?#21487;以对于
每个附近的传感器分别地计算SNR的相应的长时间平均值。每当接受并存储来自相应传感
器的新询问的传感器值时,可以更新特定传感器的长时间平均SNR,使得平均值可以适应逐
渐改变的无线电条件,例如改变的距离。

以发射的询问功率Pint?#28304;?#24863;器执行接下来的询问(图10中的步骤101)。每当接
受并存储新询问的传感器值时,可以计算传感器的SNR的短时间平均值(图10中的步骤
102)。可以通过少量的先前的询问计算短时间SNR。如果短时间平均SNR基本?#31995;?#20110;长时间
参考SNR(图10中的步骤103),则保持传感器当前询问功率Pint(图10中的步骤104),并?#39029;?br />序可以返回至步骤100。如果短时间平均SNR不基本?#31995;?#20110;长时间参考SNR(图10中的步骤
105),则可以检查短时间平均SNR是小于还是大于长时间参考SNR(图10中的步骤105)。如果
短时间平均SNR小于长时间参考SNR,则可以增大传感器的询问功率Pint(图10中的步骤
106),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤100。如果短时间平均SNR大于长时间参考SNR,则可以减小
传感器的询问功率Pint(图10中的步骤107),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤100。

根据本发明的又一方面,可以结合询问率R的统计控制和询问功率Pint的统计控
制。例如,可以结合这些控制,使得询问功率控制是首要控制,询问率控制是?#25105;?#25511;制。因
此,接收的传感器数据的质量可以首先尝试用询问功率控制进行改善,如果询问功率控制
是不可能的或者不是有效的(例如达到最大?#24066;?#30340;EIRP),则尝试询问率控制。这种方法可
以?#24066;?#20302;的询问率,由此?#24066;?#26356;多的询问传感器。作为另一示例,可以结合这些控制,使得
询问率控制是首要控制,询问功率控制是?#25105;?#25511;制。因此,接收的传感器数据的质量可以首
先尝试用询问率控制进行改善,如果询问率控制是不可能的或者是无效的(例如在不减少
询问传感器的数量的情况下不能增大询问率),则尝试询问功率控制。这种方法可以?#24066;?#36739;
低的询问功率和?#31995;?#30340;无线电干扰。

图11示出的流程图示出用于一个特定传感器的另一示例性结合控制程序。可以对
每个附近的传感器分别地执行类?#39057;?#25511;制程序。在该示例中,统计标准是在特定传感器的
询问过程中反向散射信号的信噪比(SNR)的长时间平均值以及询问传感器值的方差的长时
间平均值,并且控制询问功率和询问率。可以通过读取器11的RF前端50(例如通过RX水平检
测单元405)测量瞬时SNR值,并且将其提供至数字控制41用于控制程序。

开始时,读取器11可以根据询问传感器值的方差将来自每个传感器的至少N个先
前询问的SNR值存储在读取器11的读取范围之内。换言之,对每个询问存储一对SNR和方差。
基于这些N个先前的SNR值,对于传感器计算作为询问传感器值的方差的函数的SNR的长时
间平均值(图11中的步骤110),并且例如以表格?#38382;?#36827;行存储。可?#28304;?#22312;方差值的许多二进
制文件(bin),每个二进制文件覆盖方差值的总范围的子范围。可以基于SNR值来计算特定
二进制文件的长时间平均SNR,其中SNR值的相应方差值落入该特定二进制文件之内。在控
制程序中使用这些长时间平均SNR作为SNR的参考值。类?#39057;兀?#21487;以对于每个附近的传感器
分别地计算SNR的相应的长时间平均值。每当接受并存储来自相应传感器的新询问的传感
器值时,可以更新特定传感器的长时间平均SNR,使得平均值可以适应逐渐改变的无线电条
件,例如改变的距离。

以发射的询问功率Pint并以询问率R?#28304;?#24863;器执行接下来的询问(图11中的步骤
111)。测量或计算SNR和询问的方差(图11中的步骤112)。如果询问的SNR基本?#31995;?#20110;与询问
的方差对应的长时间参考SNR(图11中的步骤113),则对于传感器,保?#20540;?#21069;询问功率Pint
(且可选地保?#20540;?#21069;询问率)(图10中的步骤114),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤110。如果询问
的SNR不基本?#31995;?#20110;与询问的方差对应的长时间参考SNR(图11中的步骤113),则可以检查
询问的SNR是小于还是大于与询问的方差对应的长时间参考SNR(图11中的步骤115)。如果
询问的SNR小于与询问的方差对应的长时间参考SNR,则可以减小传感器的询问功率Pint
(且可以可选地保?#20540;?#21069;询问率R)(图11中的步骤116),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤110。如果
询问的SNR大于与询问的方差对应的长时间参考SNR,并且如果询问功率Pint将不超过最大
?#24066;?#30340;EIRP(图11中的步骤117),则可以增大?#28304;?#24863;器的询问功率Pint(且可以可选地保持
当前询问率R)(图11中的步骤118),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤110。如果询问的SNR大于与询
问的方差对应的长时间参考SNR,并且如果询问功率Pint将超过最大?#24066;?#30340;EIRP(图11中的
步骤117),则?#28304;?#24863;器的询问功率Pint可以不变,但调整传感器的询问率R(图11中的步骤
119),并?#39029;?#24207;可以返回至步骤110。调整步骤119可以增大传感器的询问率R,以使读取器
适应低SNR。调整步骤119可以基于平均方差参考在两个方向上工作。当方差降到其参考值
以?#29575;保?#35835;取器可以减小询问率R,反之亦然,当方差升至其参考值以上时,读取器可以增大
询问率R。例如,如参考图9所示的,可以执?#26800;?#25972;步骤119。在调整询问率R(步骤119A)的实
施例中,也可以遵循保持询问功率Pint的步骤,从而可以将询问率控?#39057;?#20854;参考值。替代地
或额外地,调整询问率R(步骤119B)也可以遵循减小询问功率Pint的步骤(步骤116)和/或
增大询问功率Pint的步骤。

使用功率管理来改善SNR涉及的实际问题是,实际上,为了实现尽可能长的读出距
离,由RFID读取器采用的询问功?#36866;?#26368;大?#24066;?#21151;率EIRP(在?#20998;?#26159;2W,在美国是4W)。在这样
的情况下,不能再增加询问功率。

根据本发明的又一方面,基于询问的传感器值对询问率R的统计控制被布置成考
虑由接收的反向散射信号的SNR导致的询问传感器值的不精确性。当RFID读取器采用的询
问功?#36866;?#26368;大?#24066;鞥IRP,或者因为功率控制由于一些其他原因而不能进行或不使用时,这
种方法尤其有利。在不偏离本发明的范围的情况下,在传感器值的解读(或翻译)中可以以
各种方式考虑由SNR导致的不精确性。在实施例中,可以拒绝因低SNR引起的可能不精确的
传感器值。在实施例中,可以校正或补偿因低SNR导致的可能不精确的传感器值,以减小不
精确性。在实施例中,可?#28304;?#22312;预测下一个或多个值的值范围中采用的传感器值中排除因
低SNR引起的可能不精确的传感器值。在实施例中,虽然由于低SNR而不会立即做出动作,但
是传感器值可以与关于其精确性的信息一起存储。精确性信息可以包括SNR相关信息。上层
应用或用户可以利用精确性信息和可选的SNR信息进行进一步处理或分析。

图12的流程图示出示例性控制程序,基于询问传感器值的询问率R的统计控制被
布置成通过拒绝范围之外的值来考虑可能由信噪比(SNR)导致的询问传感器值的不精确
性。可以对每个附近的传感器分别地执行类?#39057;?#25511;制程序。在该示例中,统计标准是询问的
传感器值的方差。

开始时,读取器11可以将来自每个传感器的至少N个先前询问的SNR值存储在读取
器11的读取范围之内。基于这些N个先前的SNR值,?#28304;?#24863;器计算SNR的长时间平均值(图12
中的步骤120)。在控制程序中使用该长时间平均值作为SNR的参考值。类?#39057;兀?#21487;以对每个
附近的传感器分别地计算SNR的相应的长时间平均值。每当接受并存储来自相应传感器的
新询问的传感器值时,可以更新特定传感器的长时间平均SNR,使得平均值可以适应逐渐改
变的无线电条件,例如适应改变的距离。

读取器11也可以将来?#36816;?#26377;传感器的先前询问的传感器值的至少N个值存储在读
取器11的读取范围之内。存储值的数量N可以是可选择的?#38382;?#24182;且对于不同传感器是不同
的,但是如果数量越多,则预测的精确度越高,优选存储至少10-20个最近询问的传感器值。
基于这些N个先前的传感器值。?#28304;?#24863;器预测待询问的下一个或多个值的值范围50(图12中
的步骤121)。类?#39057;兀?#21487;以对每个附近的传感器分别地预测相应的值范围50。例如,可以通
过预测接下来的(多个)传感器值和传感器值的?#24066;?#20844;差来预测值范围50。每当接受并存储
来自相应传感器的新询问的传感器值时,可以更新特定传感器的预测50,从而预测可以适
应逐渐改变的传感器值。可以通过存储值的推断、插值、线性回归等执?#24615;?#27979;。可以通过方
差或类?#39057;?#32479;计值来限定公差。

?#28304;?#24863;器执行接下来的询问(图12中的步骤122)。每当获取新询问的传感器值时,
可以计算传感器的SNR的短时间平均值(图12中的步骤123)。可以通过少量的先前的询问来
计算短时间SNR。短时间SNR也可以是仅对新询问的传感器值测量或计算的瞬时SNR。

如果短时间平均SNR小于长时间参考SNR(图12中的步骤124),则确定新询问的传
感器值?#36824;?#31934;确(即,是不精确的)(图12中的步骤125),?#39029;?#24207;进行至步骤127。如果短时间
平均SNR大于长时间参考SNR(图12中的步骤124),则确定新询问的传感器值足够精确(即,
是精确的)(图12中的步骤126),?#39029;?#24207;进行至步骤127。

读取器11可以首先检查来自特定传感器的该下一个新询问的传感器值是否落在
该传感器的预测的值范围50之内(图12中的步骤127)。如果新询问的值在预测的值范围50
之内,则接受并存储新询问的值(图12中的步骤128),?#39029;?#24207;可以返回步骤120。

如果来?#28304;?#24863;器的新询问的传感器值不在传感器的预测的值范围50之内(步骤
127),则可?#28304;?#27493;骤127进行到步骤131。

但是,在一些实施例中,可以有以虚线描绘的可选的步骤129和步骤130。如果来自
传感器的新询问的传感器值不在传感器的预测的范围50之内(步骤127),则读取器11检查
新询问的传感器值是否足够精确(步骤129)。如果确定新询问的传感器值?#36824;?#31934;确,则可以
将新询问的值作为不精确的范围之外的值而丢弃,?#39029;?#24207;可以返回至步骤120。如果确定新
询问的传感器值足够精确,则程序可以进行至步骤131。

在步骤131中,精确的范围之外的传感器值可能不易被接受,但是可以作出传感器
的即时再询问以获取新询问的传感器值用于比较。因此,暂时增大传感器的询问率R。然后,
读取器11可以首先检查来自特定传感器的该再询问的传感器值是否落在该传感器的预测
的值范围50之内(图12中的步骤132)。如果再询问的值在预测的范围50之内,则可以接受并
存储再询问的值,并可以去掉先前的范围之外的询问的传感器值(图12中的步骤133),?#39029;?br />序可以返回至步骤120。但是,如果甚至即时再询问的传感器值都在预测的传感器值范围50
之外(图12中的步骤132),则读取器11可以检查再询问的传感器值是否相对地接近先前询
问的范围之外的传感器值(例如在公差内)(图12中的步骤134)。如果询问的范围之外的值
不互相接近,则程序可以返回至步骤131以执?#24615;?#35810;问。如果询问的范围之外的值互相接
近,则可以接受并存储范围之外的值(步骤135),?#39029;?#24207;可以返回至步骤120。

在一些实施例中,根据步骤131的再询问可以包括以参考步骤123-126对新询问的
值描述的方式类?#39057;?#26041;式来处理再询问的传感器值。换言之,对于再询问的传感器值,可以
计算SNR的短时间平均值,可以基于SNR将再询问的传感器值确定为是精确的或不精确的。

本发明的实施例能够区分精确的或不精确的传感器值。可以立即或者在后续处理
中补偿或校正不精确的传感器值。基于?#31245;?#22823;的噪声引起的频率fOSC(由此感测值)漂?#39057;?br />?#29575;擔?#36825;可以基于SNR来实现。因此,存在的噪声越大,频率从精确值偏移越多。当读取器检
测到传感器值的大改变时,其可能是由于差的SNR(不精确的结果)。

在图13A和图13B中示出该现象。假设如图13A中的曲线136描绘的SNR改变,并且在
传感器处的感测量的实际值在示出的时间段期间不显著改变。因此,精确的预测值范围应
该由图13B中的虚线137表示。然而,由于在读取器处接收的反向散射信号的SNR的短时间平
均值低,所以其检测到偏?#39057;?#19981;精确的值并且计算不正确的预测值范围,如图13B中的虚线
137所示。基于SNR的短时间平均值如何影响传感器值v1-v12的认识,对不精确的询问的传
感器值v5-v11应用补偿。得到的补偿后的传感器值由虚线圆圈v5-v11示出,并?#19968;?#20110;这些
补偿后的传感器值计算的预测值范围由实线139示出。可以看出,补偿后的传感器值更接近
实际感测值。在图15中示出示例性补偿程序。获取询问的传感器值和相关的短时间平常值
SNR作为询问的结果(步骤150)。读取器基于短时间平均SNR例如通过预存的补偿值或者用
SNR补偿函数进行计算来确定补偿值(步骤151)。然后,读取器基于补偿值或通过用SNR补偿
函数进行计算来计算SNR补偿的询问传感器值(步骤152)。

实验已经显示出可以预先确定或近似估计SNR对询问传感器值的影响。如图16中
的步骤160-161所示,例如,可以通过在实际传感器值保持不变的同时询问传感器标签?#24065;?br />入干扰或噪声来确定SNR对询问传感器值的影响。因此,根据SNR的传感器值的误差可以通
过将询问传感器值和实际传感器值进行比较来确定(步骤162)。根据SNR的该误差可以用于
导出并且存储根据SNR水平的补偿值(步骤163)。补偿的量可以由制造商或者当安装传感器
和读取器?#27604;?#23450;为校准程序。也可以导出或限定补偿函数,该补偿函数近似估计RFID传感
器标签所需的补偿,并且相应地配置读取器或者其他应用。

图14示出的流程图示出示例性控制程序,其中基于询问的传感器值的询问率R的
统计控制被布置成通过基于SNR补偿不精确的值来考虑可能由SNR导致的询问传感器值的
不精确性。可以对于每个附近的传感器分别地执行类?#39057;?#25511;制程序。在该示例中,统计标准
是询问的传感器值的方差。

在图12和图13中的相同附图标记表示相同或类?#39057;?#27493;骤。在图13中示出的示例性
方法中,可以以与参考图12描述的方式类?#39057;?#26041;式执行步骤123-126。从步骤126,一旦确定
出新询问的传感器值足够精确,程序可以进行到步骤127。对于精确的询问的传感器值,下
面的步骤127-135可以按图12中的对应步骤执行。

从步骤125,一旦确定出新询问的传感器值?#36824;?#31934;确(即,其是不精确的)(图12中
的步骤125),读取器可以基于SNR执行新询问的传感器的补偿(步骤140),然后程序可以进
行到步骤127。可以以与最初精确的询问值类?#39057;?#26041;式,对SNR补偿的询问传感器值执行下
面的步骤127-135。例如,在步骤127中,可以检查SNR补偿的询问传感器值是否落入该传感
器P的预测的值范围50之内。如果SNR补偿的询问传感器值在预测的值范围50之内,则接受
并存储SNR补偿的询问值(图12中的步骤128),且处理可以返回到步骤120。如果来?#28304;?#24863;器
的SNR补偿的询问传感器值不在传感器的预测的值范围50之内(步骤127),则可?#28304;?#27493;骤
127进行到步骤131。

在一些实施例中,根据步骤131的再询问可以包括以与参考步骤123-125和140对
新询问的值描述的方式类?#39057;?#26041;式来处理再询问的传感器值。换言之,对于再询问的传感
器值可以计算SNR的短时间平均值,可以基于SNR将再询问的传感器值确定为是精确的或不
精确的,并可以基于SNR来补偿不精确的再询问的传感器值。

例如,SNR补偿步骤140可以如在图15中所示来实施。

应该理解的是,根据本发明的实施例的适应性读取器可以用具有足够的计算能力
的RFID读取器或者连接到执行所需计算的至少一部分的计算装置的RFID读取器来实现。

对于本领域?#38469;?#20154;员而言将明显的是,可以以各种明显的替代方式实施本发明构
思。本发明及其实施例不限于上述的示例,而是可以在权利要求的范围内改变。

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本文标题:适应性射频识别读取器.pdf
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