Jste zde

Struktura pasivního RFID tagu se senzorem teploty a osvětlení

Antonín Vojáček, 10. Říjen 2010 - 19:26

Bezdrátové senzory nemusí být jen aktivní, ale v případě využití technologie RFID také pasivní. Tedy podobně jako dnes již běžné různé identifikační RFID tagy bez vlastního zdroje elektřiny. Jenže senzor ke svojí funkci elektřinu nutně potřebuje. Jak to tedy lze udělat ? Dozvíte se v následujícím článku...

Zvýšená integrace jednotlivých elektronických bloků i senzorů umožňuje stále více snižovat jejich spotřebu. Tu lze dnes již u integrovaných senzorů srazit na úroveň jednotek mikrowattů. To pak má za následek možnost vytvořit i tzv. pasivní snímací RFID tagy, tedy bezdrátový senzor bez vlastního zdroje elektrické energie v podobě vlastní baterie, solárního článku či jiného zdroje. K napájení totiž stačí jen energie signálu obdrženého ze RFID čtečky. Příkladem může být například následující pasivní RFID snímací tag se senzorem teploty a intenzity osvětlení. Podobně je však dnes možné vytvořit i RFID senzor vlhkosti či pohybu.

Vhodné aplikace pro pasivní RFID senzor

Základním předpokladem funkce pasivního RFID senzoru je být ve většině času v dosahu RFID čtečky, která dává systému životadárnou energii. Jinak prostě senzor nemůže fungovat. Nelze tedy pasivní snímač využít například pro umístění do bedny pro monitorování podmínek zboží během přepravy. To stále umí jen tzv. aktivní senzor obsahující baterii, aby celou tu dlouhou dobu mohl pořizovat a ukládat informace, která následně při dosahu čtečky jí hromadně předá. Pokud však je potřeba, aby senzor byl bezdrátový, ale přitom je většinu času v radiovém dosahu čtečky, je možné použít koncepci pasivního RFID tagu i pro senzory. V tomto případě pak jdou pro pasivní senzory proti jen informačním pasivním RFID tagům, důležité následující vlastnosti:

Zajistit dočasné uložení získané energie z radiové vlny.
Dálkové ovládání spuštění měření či aktivace/deaktivace senzoru.
Malá spotřeba celého senzoru, který může být pokryta jen energií radiového signálu.
Zajistit co největší komunikační dosah mezi čtečkou a senzorem a vhodný systém přenosu naměřených hodnot.

Formát použití pasivních RFID senzorů - senzory by měli být převážnou dobu v dosahu čtečky.

Princip pasivního RFID senzoru

Jak takový pasivní RFID senzor může vypadat, je krásně patrné z pdf dokumentu „A 5.1-µW UHF RFID Tag Chip integrated with Sensors for Wireless Environmental Monitoring“, kde pak zájemci vybaveni angličtinou najdou i bližší podrobnosti realizace jednotlivých zapojení bloků senzoru – viz odkaz http://ssl.kaist.ac.kr/bio/papers/conference/NJCHO_ESSCIRC2005.pdf.

Zde je popisována možná strukturu, funkce a provedení pasivního RFID multisenzoru obsahující polovodičový integrovaný senzor teploty a světla v podobě fotosenzoru realizovaného fotodiodu pro monitorování teploty a úrovně světla v místě senzoru. Radiová komunikace pracuje v UHF ISM pásmu 860 – 960MHz . Celý RFID systém se skládá z následujících bloků:

Generátor napájecího napětí
Teplotně kompenzovaný oscilátor
Převzorkovávací synchronizér
Demodulátor a dekodér
Modulátor
Malá ROM paměť
PTAT teplotní senzor
Pulsní fotosenzor

Takto navržený senzor integrovaný RFID senzor o velikosti 0,4 mm2 vyrobený 0,25 mikronovou CMOS technologií pracuje s interní hodinovou frekvencí s chybou menší než 7% při interním napájecím napětí 1,5 V a spotřebou v aktivním režimu max. 5,14 mikroW. Pracovní a zároveň měřící rozsah teploty je 0 až 90 °C, což pro běžné monitorovací aplikace bez problémů stačí.

Příklad blokového schéma pasivního RFID senzoru se snímači teploty a osvětlení.

Princip funkce RFID senzoru je pak následující:

Od čtečky přicházející radiový (RF) signál je v generátoru napájecího napětí konvertován na stejnosměrné napětí, které je následně uskladněno v interním integrovaném superkondezátoru. Generátor napětí pak má za úkol z amplitudy RF signálu cca 500 mV vytvořit pomocí účinného vícestupňového zvyšujícího měniče vytvořeného ze Schottkyho diod napětí cca 2 V a uložit do kondenzátoru energii o velikosti cca 6 mikroW. Pouze tato energie pak následně slouží pro napájení celého měřícího a komunikačního systému. U běžných pasivních RFID tagů (informačních tagů) je systémová hodinová (řádící) taktovací frekvence extrahována přímo z frekvence přicházejícího RF signálu. Protože však tato frekvence je výrazně vyšší než je pro řízení senzorů potřeba a její snížení by bylo velmi energeticky náročné, je zde o tohoto principu upuštěno. Také provoz v UHF pásmu, které je výhodné z hlediska dlouhého komunikačního dosahu a možnosti použití malých rozměrů antény se na druhou stranu se zde vyznačuje problematickým získáváním el. energie.

Vnitřní struktura čipu popisovaného RFID senzoru

Proto ze popisovaný navržený RFID systém obsahuje plně integrovaný vlastní generátor hodin (oscilátor) frekvence 330 kHz +/- 7%, který je plně nezávislý na frekvenci RF signálu, a ve výsledku paradoxně minimalizuje spotřebu systému proti jinému řešení. Jeho konstrukce je pak navržena jako teplotně kompenzovaný kruhový oscilátor bez potřeby realizace velkých kondenzátor a odporů, které v integrované elektronice zabírají strašně moc místa, je s pomocí jinak parazitních vlastností CMOS tranzistorů. Zároveň je to vhodná konstrukce s ohledem na dost nestabilní napájecí napětí a malou spotřebu energie. Ke svému plnému provozu totiž potřebuje jen 1.2 mikroA.

I když je výstupní signál oscilátoru docela stabilní, stále do nestačí pro demodulací toku bitů kvůli nepřesnosti frekvence a možné nepřesné synchronizaci. Pro odstranění těchto problému je za něj ještě zařazen převzorkovací synchronizátor.

Dále systém pak obsahuje, stejně jako běžný informační RFID tag, základní ROM paměť (zde o velikosti 128 bitů) obsahující mimo jiné identifikační kód (ID), ASK modulátor a dekodér i následně ASK modulátor. Protože je to senzor pak dále také samozřejmě výše zmíněný senzor teploty a osvětlení. Kvůli ušetření spotřeby jsou však ROM i oba senzory k modulátoru připojeny přes multiplexer a při každém navázání komunikace se čtečkou může být aktivní jen jeden z nich, konkrétně ten blok, od něhož jsou data vyžádána čtečkou. Ostatní jsou pak „umrtveny“, aby aktivnímu prvku „nežrali“ energii a neomazovali tak jeho činnost. Požadavek na funkci je samozřejmě dekódován z přijatého radiového signálu prostřednictvím komunikačního rozhraní založeného na standardizovaném „EPC
RFID generation2“ protokolu.

Provozní funkční posloupnost se skládá, ze tří provozních stavů:

připraven (ready)
dotazování (interrogating)
aktivní (active)

Když RFID senzor přijme energii příchozího radiového signálu, přejde jeho vnitřní stavový automat do stavu „ready“, kdy je aktivní jen jeho generátor hodin. Na požadavek čtečky přejde RFID senzor do stavu „interrogating“, kdy je nejprve aktivován demodulátor a dekodér a následně na základě dekódované informace se aktivuje obvykle ROM paměť (pro potřeby zjištění ID kódu) a jeden ze dvou uvedených senzorů. Nemodulována data jsou zakódována prostřednictvím kódu Manchester.

Následně jsou řídící data vyslána prostřednictvím 30 % hloubky ASK modulace. ASK modulace odebírá dost energie v „interrogating“ stavu. Pro zabezpečení správné provozní funkce je příkaz vždy následován sekvencí preambule pro možné vypnutí aktivovaných bloků. Tato preambule formátu specifikovaný EPC RFID protokolem pro 2. generaci identifikačních tag pak následuje všechny příkazy a je také klíčová pro synchronizaci interních hodin se vstupními daty. Následně se přechází do stavu „active“, kde jsou aktivovány vybrané funkční bloky a žádány o vyslání požadovaných dat pomocí zpětnorozptylové modulace (backscattering modulation).

Funkce senzorů

Výstup teplotního i fotosenzoru je podobě sekvence pulsů. V případě teploty je čítána 10bitovým binárním čítačem, kde počet pulsů je úměrná hodnotě naměřené teploty. U fotosenzoru, který je realizovaný jako měření doby vybíjení kondenzátoru, pak délka generovaných pulsů odpovídá intenzitě dopadajícího světla. Optický přijímač je jednoduchá fotodioda tvořená NMOS přechodem.