РАДИОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК H01Q1/00 G01W1/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике передачи данных и может быть применено в различных областях народного хозяйства.

Уровень техники

Радиочастотные (RFID) датчики различного назначения широко известны. Например, в патенте US 6720866 представлен RFID датчик, который сохраняет информацию с различного типа сенсоров (температурных, замыкания-размыкания и т.п.) в памяти микросхемы транспондера, а затем радиочастотный считыватель получает эти данные. Недостатком такого решения является необходимость сохранять данные в памяти микросхемы.

Сущность изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка такого радиочастотного датчика, с помощью которого можно удаленно беспроводным способом определить состояние сенсора (чувствительного элемента) без запоминания состояния сенсора в памяти радиочастотной микросхемы.

Для достижения указанного технического результата предлагается радиочастотный датчик, содержащий: радиочастотную микросхему; антенну; сенсор, состояние которого изменяет ответный сигнал радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем; отличающийся тем, что сенсор является фоточувствительным элементом, который изменяет свои электрические параметры или параметр под действием направленного на него электромагнитного излучения; и состояние сенсора влияет на электрические характеристики антенны или сенсор вырабатывает электропитание для упомянутой микросхемы.

Сенсор изменяет сопротивление антенны и может быть подключен к контуру антенны.

В другом случае изменение ответного сигнала может быть выражено в возможности считать или не считать идентификатор микросхемы или же изменением уровня ответного сигнала.

Сенсор датчика может быть фоторезистором, фотодиодом, фототранзистором или фототиристором.

В другом варианте радиочастотного датчика по настоящему изобретению предлагается радиочастотный датчик, содержащий радиочастотную микросхему; антенну; сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем; отличающийся тем, что содержит переключатель, являющийся магнитоуправляемым контактом, который включен в контур антенны или в контур электропитания микросхемы; а сенсор изменяет состояние переключателя в зависимости от значения параметра окружающей среды; и сенсор содержит постоянный магнит или электромагнит.

Кроме того, сенсор может содержать биметаллический элемент, или набухающий элемент, или жидкость, расширяющуюся в результате замерзания.

В третьем варианте радиочастотного датчика по настоящему изобретению предлагается радиочастотный датчик, содержащий радиочастотную микросхему; антенну; сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем; отличающийся тем, что сенсор параметра окружающей среды является сенсором температуры и содержит биметаллический переключатель электрического тока, который включен в контур антенны или в контур электропитания микросхемы.

При этом переключатель не изменяет свое состояние самостоятельно после замыкания/размыкания.

И в последнем варианте радиочастотного датчика по настоящему изобретению предлагается радиочастотный датчик, содержащий радиочастотную микросхему; антенну; сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем; отличающийся тем, что сенсор изменяет свою форму вследствие изменения температуры, и изменение ответного сигнала происходит вследствие приближения или удаления части сенсора, содержащего жидкость, расширяющуюся в результате замерзания, к антенне или же изменение ответного сигнала происходит вследствие разрушения сенсором антенны, микросхемы или соединения между ними.

В некоторых случаях изменение ответного сигнала происходит вследствие приближения или удаления металла, расположенного на сенсоре, к антенне.

В других случаях изменение ответного сигнала происходит вследствие изменения по крайней мере одной электротехнической характеристики антенны, вызванного электрическим контактом части сенсора и упомянутой антенны.

В некоторых случаях сенсор изменяет ответный сигнал после того, как одна из его частей увеличила свой размер, а затем его уменьшила.

Кроме того, сенсор может изменять внешний вид при изменении параметра окружающей среды.

Краткое описание чертежей

На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции относятся к одним и тем же или сходным элементам.

На фиг.1 изображена схема подключения сенсора в контур антенны датчика.

На фиг.2 приведена схема подключения сенсора в контур электропитания микросхемы датчика.

На фиг.3 приведен пример реализации сенсора с жидкостью, расширяющейся при замерзании.

На фиг.4 приведен пример реализации сенсора, когда он изменяет ответный сигнал после того, как одна из его частей увеличила свой размер, а затем его уменьшила.

Подробное описание изобретения

Датчик по настоящему изобретению может быть реализован в нескольких вариантах, которые, тем не менее, осуществляются сходным образом. В первом варианте по настоящему изобретению включают сенсор (в данном варианте оптический) в контур антенны радиочастотной метки (это удобно, когда метка является пассивной). Пример такого датчика показан на фиг.1. Оптический сенсор 1 включен последовательно в антенну ближнего поля 2 (одно- или многовитковый контур), подсоединенную к микросхеме 3 пассивной радиочастотной метки. Оптический сенсор может быть фоторезистором, фотодиодом, фототранзистором или фототиристором, который имеет высокое сопротивление, пока его не облучают. Например, такой датчик можно установить на разъем соединительного шнура коммутационной панели, как описано в патенте RU 74482. При этом порт коммутационной панели оснащают светоизлучателем (светодиодом) видимого или невидимого спектра. До тех пор пока разъем не подключен в порт панели, фоторезистор 1 имеет высокое сопротивление, добротность контура маленькая, и радиочастотный считыватель не способен прочитать идентификатор радиочастотной метки. Как только разъем соединительного шнура подключен в порт панели, светодиод облучает фоторезистор, его сопротивление значительно падает, ток в антенне вырастает и идентификатор может быть прочитан.

В другом случае идентификатор может быть прочитан всегда (например, вследствие мощного сигнала от считывателя), а изменение сопротивления фоторезистора будет сказываться на уровне ответного сигнала (RSSI), воспринимаемого считывателем. Если же применять антенну дальнего поля (например, четвертьволновой вибратор), то фоторезистор можно поставить параллельно микросхеме. В этом случае ответный сигнал будет сильнее, когда фоторезистор не облучают. При облучении фоторезистор «закоротит» антенну и уровень ответного сигнала уменьшиться. Четвертьволновая антенна приведена только в качестве примера. Очевидно, что антенна может быть и полуволновым штырем, в том числе спиральным, а в качестве «земли» - использовать лист фольги достаточной площади. Штырь можно «закорачивать» переключателем на «землю» или подсоединять к антенному выводу микросхемы.

Возможен еще вариант, когда сенсор 1, в данном случае оптический, включен в контур питания радиочастотной микросхемы 3, как показано на фиг.2. В этом случае радиочастотная метка является активной. Если фоточувствительный элемент 2 является фотодиодом в вентильном режиме или фотоэлементом, который сам вырабатывает электроэнергию под действием света, фотодиод выполняет роль источника питания. При этом в контур питания может быть включен дополнительный источник питания 4, ЭДС которого недостаточна для запуска микросхемы 3, когда ЭДС на фотоэлементе 2 отсутствует. В других случаях элемент 4 может исключен. Такой датчик может быть использован как охранный. Если лазером удаленно освещать фотодиод (блок фотодиодов), то фотодиод будет вырабатывать энергию достаточную, чтобы радиочастотный датчик передавал сигнал. Как только что-либо пересечет лазерный луч, фотодиод перестанет вырабатывать ЭДС, а радиочастотная метка становится недоступной для считывания. При этом, чтобы злоумышленник не подсвечивал фотодиод своим лазером, сигнал лазера можно модулировать.

Другой вариант датчика по настоящему изобретению предназначен для измерения какого-либо параметра окружающей среды, например температуры, влажности или задымленности. В этом случае датчик содержит магнитоуправляемый переключатель в контуре антенны (как на фиг.1, если оптический сенсор заменить переключателем) или в контуре питания микросхемы (как на фиг.2, если оптический сенсор заменить переключателем). Переключатель может герконом, работающим как на замыкание, так и на размыкание. В зависимости от его состояния RFID датчик будет изменять свой ответный сигнал - RSSI или доступность/не доступность для считывания.

В принципе конструкция сенсора может быть достаточно сложной. Например, это может быть электронный термометр со своим источником питания, который управляет переключателем-герконом с помощью электромагнита, подавая на него электропитание импульсами, модулированными в зависимости от значения температуры.

В датчике задымленности переключатель-геркон может управляться электромагнитом, на который электропитание подается от фотоэлемента. Фотоэлемент может подсвечиваться лазерным лучом, интенсивность которого изменится в случае задымленности, а значит магнитного поля электромагнита не будет хватать для замыкания геркона. При этом сам геркон может перекидным, в этом случае в отсутствие дыма считываться будет идентификатор одной микросхемы, а при задымлении - другой.

В другом варианте можно воздействовать на переключатель, приближая к нему постоянный магнит. Например, как в утюге, биметаллическая пластина под действием температуры может поднести к геркону постоянный магнит. Для такого же действия можно использовать волос для гигрометра, набухающий пластик (как в известных игрушках) или дерево для фиксации протечек. А качестве температурного датчика можно также использовать расширяющуюся емкость с водой или водными растворами солей (для измерения температуры замерзания). При этом в зависимости от значения параметра окружающей среды сенсор (например, биметаллическая спираль) может приближать магнит к разным герконам, которые замыкают цепи микросхем с разными идентификаторами. В результате для разных диапазонов, например температур, радиочастотный считыватель будет получать разный идентификатор.

В третьем варианте датчика в качестве переключателя можно использовать биметаллический электрический переключатель, который который является одновременно и сенсором, и переключателем. Он непосредственно замыкает или размыкает контур антенны или электропитания. Чтобы переключатель самостоятельно не возвращался в исходное положение, его можно оснастить пружинящим клиновидным стопором, как в дверных замках, который не позволит переключателю вернуться в исходное положение после срабатывания.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения можно применять стандартные радиочастотные (RFID) метки (inlay). Их толщина измеряется микронами. Опять же рабочим элементом сенсора может быть биметаллическая пластина, набухающее вещество или водный раствор соли. Вот несколько примеров осуществления.

В другом случае можно использовать в качестве сенсора расширяющуюся емкость с водой. Емкость можно установить так, чтобы при расширении воды в результате замерзания между проводящей пластиной и антенной метки возникал электрический контакт. Так как в момент касания изменятся характеристики антенны, то изменится RSSI или же метка станет недоступной для считывания.

В последнем варианте датчика к метке можно прикрепить конструкцию, показанную на фиг.3. Этот сенсор представляет собой жесткий пластиковый цилиндр 5, большая часть которого наполнена расширяющейся при замерзании жидкостью 6: водой и солевым водным раствором. Цилиндр имеет поршень 7 или гибкую мембрану, к которому прикреплена металлическая игла 8. Когда вода 6 замерзнет, она расшириться и сдвинет поршень 7 вниз. Если перед этим расположить иглу 8 напротив микросхемы стандартной RFTD метки, то микросхема будет разрушена, и метка не сможет быть прочитана. Если вместо иглы 8 установить лезвие, то оно сможет перерезать фольгу антенны метки, с тем же конечным результатом. Очевидно, что вместо воды можно использовать набухающее вещество или биметаллический элемент.

В некоторых случаях удобно применение сенсора, представленного на фиг.4. Его корпус 5 изготовлен так же из жестокого пластика, а поршень 7 удерживается скошенными выступами 9, разделяя сенсор на две секции. Поршень 7 соединен несжатой пружиной 10 с пластиной 11, на которой находится игла 8 или лезвие. Когда вода 6 замерзнет и увеличит свой объем, то верхняя на рисунке вода вытолкнет поршень 7 через скошенные выступы 9. Пружина 10 сожмется, так как нижняя вода 6 тоже замерзнет и не даст сдвинуться пластине 11. После того как вода 6 растает, пружина разожмется и игла 8 разрушит, например, место соединения антенны и микросхемы. Можно сделать сенсор иначе, где уже сжатая пружина удерживается мягкой нерасширяемой емкостью с водой. В момент замерзания вода разорвет емкость, но будет удерживать пружину. Когда она растает, она вытечет из емкости и освободит пружину.

Кроме того, в жидкость 6 можно добавить крахмал и герметичные хрупкие шарики с йодом. После замерзания шарики треснут и жидкость поменяет внешний вид - цвет.

Таким образом с помощью предложенных радиочастотных датчиков удаленно беспроводным способом можно определить состояние сенсора без запоминания состояния сенсора в памяти радиочастотной микросхемы.

Изобретение относится преимущественно к технике передачи данных. Его использование позволяет беспроводным радиочастотным способом определить состояние сенсора без запоминания состояния сенсора в памяти радиочастотной микросхемы. Для достижения этого технического результата в контур антенны или контур электропитания радиочастотной метки включают элемент (фоточувствительный элемент, переключатель), электрический параметр которого зависит от значения параметра окружающей среды (температуры, влажности, освещенности), воспринимаемого сенсором. В результате уровень ответного сигнала радиочастотной метки определяется значением параметра окружающей среды. В другом варианте уровень ответного сигнала RFID метки изменяется вследствие приближения части сенсора, изменяющего свой размер при изменении параметра окружающей среды, к стандартной RFID метке. При приближении сенсора метка разрушается или изменяются характеристики ее антенны. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Радиочастотный датчик, содержащий:
- радиочастотную микросхему;
- антенну;
- сенсор, состояние которого изменяет ответный сигнал упомянутой радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем;
отличающийся тем, что:
- упомянутый сенсор является фоточувствительным элементом, который изменяет свои электрические параметры или параметр под действием направленного на него электромагнитного излучения;
- состояние упомянутого сенсора влияет на электрические характеристики упомянутой антенны или упомянутый сенсор вырабатывает электропитание для упомянутой микросхемы.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутый сенсор изменяет сопротивление упомянутой антенны.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутый сенсор подключен к контуру упомянутой антенны.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутое изменение ответного сигнала выражено в возможности считать или не считать идентификатор упомянутой микросхемы.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутое изменение ответного сигнала выражено уровнем ответного сигнала.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутый сенсор является фоторезистором, фотодиодом, фототранзистором или фототиристором.

7. Радиочастотный датчик, содержащий:
- радиочастотную микросхему;
- антенну;
- сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал упомянутой радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем,
отличающийся тем, что:
- содержит переключатель, являющийся магнитоуправляемым контактом, который включен в контур упомянутой антенны или в контур электропитания упомянутой микросхемы;
- упомянутый сенсор изменяет состояние упомянутого переключателя в зависимости от значения упомянутого параметра окружающей среды;
- упомянутый сенсор содержит постоянный или электромагнит.

8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что упомянутый сенсор содержит биметаллический элемент, набухающий элемент или жидкость, расширяющуюся в результате замерзания.

9. Датчик по п.7, отличающийся тем, что упомянутый переключатель не изменяет свое состояние самостоятельно после воздействия упомянутого сенсора.

10. Радиочастотный датчик, содержащий:
- радиочастотную микросхему;
- антенну;
- сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал упомянутой радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем;
отличающийся тем, что:
- упомянутый сенсор является сенсором температуры окружающей среды;
- содержит биметаллический переключатель электрического тока, который включен в контур упомянутой антенны или в контур электропитания упомянутой микросхемы;
- упомянутый переключатель не изменяет свое состояние самостоятельно после замыкания/размыкания.

11. Радиочастотный датчик, содержащий:
- радиочастотную микросхему;
- антенну;
- сенсор параметра окружающей среды, состояние которого изменяет ответный сигнал упомянутой радиочастотной микросхемы, воспринимаемый радиочастотным считывателем,
отличающийся тем, что:
- упомянутый сенсор изменяет свою форму вследствие изменения температуры;
- упомянутое изменение ответного сигнала происходит вследствие приближения или удаления части упомянутого сенсора, содержащего жидкость, расширяющуюся в результате замерзания, к упомянутой антенне или вследствие разрушения упомянутым сенсором упомянутой антенны, упомянутой микросхемы или соединения между ними.

12. Датчик по п.11, отличающийся тем, что упомянутое изменение ответного сигнала происходит вследствие приближения или удаления металла, расположенного на упомянутом сенсоре, к антенне.

13. Датчик по п.11, отличающийся тем, что упомянутое изменение ответного сигнала происходит вследствие изменения по крайней мере одной электротехнической характеристики упомянутой антенны, вызванного электрическим контактом части упомянутого сенсора и упомянутой антенны.

14. Датчик по п.11, отличающийся тем, что упомянутый сенсор изменяет упомянутый ответный сигнал после того, как одна из его частей увеличила свой размер, а затем его уменьшила.

15. Датчик по п.11, отличающийся тем, что упомянутый сенсор изменяет внешний вид при изменении упомянутого параметра окружающей среды.