专利名称：用于rfid传感器的集成式询问的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及传感器，并且更具体而言，涉及用于询问射频识别(RFID)传感器的系统和方法。
背景技术：
一般而言，使用RFID阅读器来获得来自RFID标签的数字数据。数字数据可包括例如标签的数字识别，或者写在和/或存储在RFID标签的存储器芯片中的任何其它信息。RFID标签在不同的时间在不同的相对的发送功率级别下发送电磁信号。由RFID阅读器接收到的信号以及接收到的信号的发送相对功率级别共同用来定位RFID标签，以及读取来自RFID标签(例如，来自存储器芯片或RFID标签的背向反射器结构)的数字识别信息。当在RFID传感器中使用RFID标签时，使用单独阅读器来读取来自RFID传感器的模拟(例如感测参数)数据和数字(例如标签ID、存储的用户信息)数据。在从RFID传感器中获得数字数据以及模拟数据的情况下，需要采用两个不同的阅读器。使用两个不同的阅读器会增加系统的复杂性、大小和成本。因此，具有一种用于RFID传感器的、能读取来自RFID传感器的数字数据和模拟数据两者的集成式询问系统是合乎需要的。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于RFID传感器的集成式询问器。该集成式询问器包括与RFID传感器通信的数字阅读器、与RFID传感器通信的阻抗阅读器，以及协调数字阅读器和阻抗阅读器的动作的一个或多个控制器。在另一个实施例中，提供一种用于询问一个或多个RFID传感器的询问系统。该询问系统包括接收和发送来自RFID传感器的信号的阅读器天线(拾波线圈)，以及操作性地耦合到RFID传感器中的一个或多个上的集成式询问器。集成式询问器包括测量RFID传感器的阻抗谱的阻抗阅读器、读取来自RFID传感器的存储器芯片的数据的数字数据阅读器，以及协调传感器响应阅读器和数字阅读器的动作的控制器。在又一个实施例中，提供一种用于从设置在环境中的一个或多个RFID传感器中获取模拟数据和数字数据的方法。该方法包括至少部分地通过测量谐振天线结构的阻抗谱来感测环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个，以及获取与RFID传感器有关的数字信息或模拟信息，或者数字信息和模拟信息两者。在另一个实施例中，提供一种用于获取来自RFID传感器的数据以改进RFID传感器的准确度、精度或它们的组合的方法，该RFID传感器接收来自设置在环境中的至少两个模拟传感器的输入。方法包括监测与环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少一个有关的模拟传感器中的至少一个的电阻；监测与环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少一个有关的模拟传感器中的至少一个的电容；以及分析电阻和电容。
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，其中，相同符号在整个图中表示相同部件，其中
图1是用于RFID传感器的、包括本发明的集成式询问器的询问系统的示例的示意图； 图2是本发明的RFID传感器的实施例的测量的阻抗参数的图表；
图3-4是用于RFID传感器的、包括本发明的集成式询问器的询问系统的示例的示意
图5-8是用于使用集成式询问器来感测模拟数据和数字数据的相对频率范围的示例的图表；
图9-10是用于测量环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个的本发明的示例方法的步骤的流程 图11是使用RFID传感器和用于RFID传感器的集成式询问器的一次性生物过程构件的不意 图12是用于询问多个RFID传感器的本发明的询问系统的示例的示意 图13是使用中央计算中心的本发明的询问系统的示例的示意 图14是使用本发明的集成式询问而获取的模拟数据和数字数据的示例的图表。
具体实施例方式本文公开的实施例有利于RFID传感器的集成式询问。RFID传感器可用来测量多种物理、化学和生物参数。用于集成式询问的方法和系统可用来收集来自RFID传感器的数字信号和模拟信号两者，以获得对应于RFID传感器的RFID标签的数字数据或模拟数据(例如标签ID、终端用户存储的信息、感测信息、可从标签中得到的任何其它数字信息)，以及对应于RFID传感器的模拟数据(例如，感测测量、反射功率测量)。在某些实施例中，集成式询问器包括与RFID传感器通信的数字阅读器、与传感器通信的阻抗阅读器，以及协调数字阅读器和阻抗阅读器的动作的一个或多个控制器。在一个示例中，数字阅读器可与RFID传感器的存储器芯片通信。在一个示例中，数字阅读器可与RFID传感器的存储器芯片通信，其中，存储器芯片具有至少两个传感器输入。在这个示例中，至少一个传感器输入测量传感器电阻，并且至少一个输入测量传感器电容。在一个示例中，阻抗阅读器可与传感器谐振天线结构通信。可在接近集成式询问器的数字部分的运行的频率的频率下执行RFID传感器(谐振天线结构)的阻抗的感测测量。阻抗阅读器运行的数字部分以公认的通信标准为依据。RFID传感器可为无线传感器或有线传感器。无线RFID传感器可无线地耦合到集成式询问器上。有线传感器可使用导线来电耦合到集成式询问器或传感器系统的其它构件上。在其中传感器是无线传感器的实施例中，阻抗阅读器可与传感器谐振天线结构或传感器天线通信。在其中传感器是有线传感器的实施例中，阻抗阅读器可与传感器通信。在一个实施例中，RFID传感器的RFID标签可为无源标签。无源RFID标签不需要电池来进行其功能，并且包括耦合到传感器天线上的存储器芯片。在一个实施例中，集成式询问器可耦合到有限的电功率源上，电功率源自容纳在集成式询问器内(即，在其内部)，诸如为由一个或多个一次性干电池或可充电电池组成的较小的便携式电池。备选地，可使用硬接线到远程电功率源(诸如电网)上的功率供应来运行集成式询问器。备选地，集成式询问器可耦合到有限的电功率收集源上，诸如超级电容器或其它。在无源RFID标签和集成式询问器之间的距离由设计参数支配，设计参数包括传感器的类型(例如有线或无线)、工作频率、RF功率级别、集成式询问器的接收敏感性、传感器天线的大小、来自RFID传感器的数据速率、通信协议和存储器芯片的功率要求。集成式询问器可使用无线通信来将传感器信息提供给中央计算中心。集成式询问器可通过网络与中央计算中心通信，以处理数字数据和模拟数据。中央计算中心可直接或间接耦合到一个或多个传感器(或相邻传感器)上。照这样，集成式询问器可有利地访问由其它传感器提供的信息。相邻传感器可测量相同或不同的环境参数。中央计算中心的非限制性示例包括中央集线器或云计算集群。如本文所用，用语“云计算”是基于互联网的计算，借此将共享资源、软件和信息按请求提供给计算机和其它装置。中央处理器可用来生成详细的响应模型。云计算可降低成本和资本支出。另外，通过使得用户在无论他们的位置如何或者无论他们使用何种装置(例如，个人计算机或手机)的情况下都能够使用网页浏览器来访问系统，云计算可提供位置独立性。在一个示例中，云计算集群将允许用户或自动化系统基于例如变化的周围噪声参数而动态地发展模型。这样的周围噪声参数的非限制性示例包括温度、湿度或压力。在一些应用中，这些和其它环境参数可为感兴趣测量的参数。可使用一个或多个传感器来提供周围噪声参数的值。详细的响应模型可基于邻居传感器而发展，邻居传感器提供关于其它测量参数的类似的或不同的感测信息。如图1中示出的那样，集成式询问器10操作性地耦合到RFID传感器12上。集成式询问器10包括与RFID传感器12通信的数字阅读器/写入器14，以及阅读器天线(拾波线圈)18。用语“数字阅读器/写入器”和“数字阅读器”在本申请中可互换地使用。询问器10进一步包括与阅读器天线18通信的阻抗阅读器16，以及协调数字阅读器/写入器14和阻抗阅读器16的动作的一个或多个控制器。阅读器天线18可产生与RFID传感器12相互作用的场17。场17可为磁场或电场。数字阅读器/写入器14可执行读取和写入功能两者。数字阅读器/写入器14可从RFID传感器12的集成电路(IC)存储器芯片读取数据和/或对其写入数据。在一个实施例中，数字阅读器14可读取来自传感器12的RFID标签的数字部分的数字数据，以及将数字数据写入到RFID标签的可写存储器中。RFID传感器12的可写存储器可为IC存储器芯片。在另一个实施例中，数字阅读器可读取来自不具有可重写存储器的RFID传感器12的数字部分的数字数据。例如，在表面声波RFID标签的情况下，RFID标签的不可写存储器可为一组反射器。在一个实施例中，存储器芯片可为集成电路存储器芯片或基于诸如表面声波装置的只读存储器的存储器芯片。存储器芯片可耦合到传感器12上。数字阅读器/写入器14可为单频率、单协议阅读/写入装置，或者多频率、多协议阅读/写入装置。单频率装置的示例是仅在单个给定的ISM(工业科学医疗)频率范围处或者在低于400 kHz的频率下询问RFID标签的装置。非限制性示例包括120 kHz,125 kHzU28 kHz,135 kHz,6. 78 MHz、13.56 MHz,27. 125 MHz、40. 68 MHz,433. 92 MHz,869. 0 MHz,915. 0 MHz,2. 45 GHz、5. 8 GHz、24.125 GHz的频率。可针对多频率运行构建数字阅读器14，其中，阅读器能读取来自设计成在不同频率下运行的不同标签的数字信息。各个频率具有这样的频率范围，即，数字阅读器14在该频率范围附近运行，以确定RFID标签的存在，以及读取RFID标签的数字内容。在一个示例中，用于13. 56 MHz的数字阅读器使用13. 553 MHz的频率来询问RFID标签，并且检测来自RFID标签的、介于13. 11 MHz和13. 553 MHz之间以及介于13. 553 MHz和14. 01MHz之间的调制输出。可使用标准协议来从RFID传感器12读取数字数据。阻抗阅读器16测量RFID传感器12的谐振传感器电路的阻抗谱。除了测量阻抗谱之外，阻抗阅读器16还可执行测量的频谱的分析。备选地，阻抗谱可发送到远程位置或中央计算中心，并且可在中央计算中心中执行测量的频谱的分析。同时可使用用于分析的各种参数来分析阻抗谱，诸如，阻抗的实部的最大值的频率(Fp)、阻抗的实部的幅度(Zp)、阻抗的虚部的谐振频率(F1),以及阻抗的虚部的反谐振频率(F2)、在复阻抗的虚部的谐振频率(F1)处的信号幅度(Z1)、在复阻抗的虚部的反谐振频率(F2)处的信号幅度(Z2)，以及零电抗频率(Fz，阻抗的虚部在此处为零的频率)。可同时使用整个复阻抗谱来测量其它参数，例如，谐振的质量因子、阻抗的幅度和相位角。多变量响应参数在名称为“Methods andsystems for calibration of RFID sensors (用于校准RFID传感器的方法和系统)”的美国专利申请序列No. 12/118,950中有描述，该申请通过引用而结合在本文中。可使用控制器19来协调数字阅读器14和阻抗阅读器16的动作。例如，控制器19可用来控制其中数字阅读器14和阻抗阅读器16从RFID传感器12中测量/读取所采用的顺序/序列。在一个实施例中，控制器可配置成接收来自用户的输入，以确定数字阅读器14和阻抗阅读器16测量/读取来自RFID传感器12的数据的顺序。虽然未示出，但通信�？榭刹僮餍缘伛詈系窖势�10上。通信�？榭捎美从胪獠孔爸猛ㄐ牛钊绱砥�20或网络。通信模块的非限制性示例包括无线通信�？楹蚒SB通信�？�。在一个示例中，通信模块可为控制器19的构件。处理器20可处理接收自RFID传感器12的模拟数据和数字数据。处理器20或者可在集成式询问器10的外部，或者可在集成式询问器10的内部。也就是说，处理器20或者可为集成式询问器10的一部分，或者可与集成式询问器10分开地提供处理器20。在一个示例中，阻抗阅读器16可为内部处理器20的构件。处理器20可直接与集成式询问器10通信，或者通过网络与集成式询问器10通信。处理器20可位于集成式询问器10附近或远处。例如，位于远处的处理器20可存在于相对集成式询问器10位于远处的中央计算中心中。除了处理传感器数据(模拟数据和数字数据)之外，处理器20可配置成显示经处理的数据。处理器20可配置成接收用户输入，以及将接收到的输入发送给集成式询问器10。例如，处理器20可接收关于用于收集模拟数据和数字数据的序列的用户输入；然后处理器20可将该输入传送给控制器19 (或通信�？�)。传感器电路的构件的组合会导致产生由谐振电路参数(诸如FP、ZP、F1, F2以及从RFID传感器的RFID标签中产生的任何其它参数)所形成的阻抗响应。图2示出了传感器的阻抗响应频谱的实部和虚部的示例。如由曲线21示出的那样，阻抗的实部包括参数Fp 24和Zp 25。参数Fp 24表示阻抗的实部的最大值的频率，并且参数Zp 25表示阻抗的实部的幅度。类似地，如由曲线22示出的那样，阻抗的虚部包括F1 26,F2 28,Fz 2 、lx 29和Z2 31。参数F1 26表示阻抗的虚部的谐振频率,·并且参数F2 28表示阻抗的虚部的反谐振频率。参数F1和F2与等效电路的不同构件有关。参数Z1 31表示在复阻抗F1 26的虚部的谐振频率下的信号幅度。参数Z2 31表示在复阻抗F2 28的虚部的反谐振频率下的信号幅度。参数Fz 27表示零电抗频率。传感器参数的额外的非限制性示例包括能从RFID传感器的等效电路的响应、谐振的质量因子、RFID传感器的谐振电路响应的阻抗的相位角和幅度以及现有技术中已知的其它中提取的参数。F1 26和& 28之间的差异与峰值宽度有关。在这个示例中，由于F1 26和& 28与等效电路的不同构件有关，所以F1 26和& 28不相关联。峰值对称可受到阻抗变化的影响。使用整体阻抗谱，例如，使用谐振的质量因子、阻抗的相位角和幅度，能测量其它参数。传感器可感测化学参数、生物参数或物理参数中的至少两个。在一个实施例中，感测材料(诸如感测膜)可设置在传感器天线上。在这个实施例中，膜的任何变化都可影响传感器响应。在一个实施例中，天线部分地由对环境起反应的材料制成。在这个实施例中，天线对环境敏感。可使用两种不同的方法来进行感测。在一种方法中，感测材料可设置在传感器天线上，以更改传感器的阻抗响应。感测材料膜的任何变化都可影响传感器响应。在另一种方法中，互补传感器可附连跨过天线和可选的存储器芯片。互补传感器可用来更改传感器阻抗响应。附连到传感器天线上的互补传感器的任何变化都可影响传感器响应。这样的互补传感器的不例在名称为“Methods and systems for calibration of RFID sensors (用于校准RFID传感器的方法和系统)”的美国专利申请序列No. 12/118，950中有描述，该申请通过引用而结合在本文中。参照图3，在集成式询问器30中提供用于在模拟数据获取和数字数据获取之间切换的开关32。例如，集成式询问器30使用开关32来以快速序列读取数字数据(例如，来自IC存储器芯片)，以及模拟数据(例如，谐振传感器电路的阻抗谱)。在一个实施例中，可使用控制器19来控制开关32。开关32可为控制器19的构件。备选地，开关32在物理上可在控制器19的外部，而开关的功能仍然由控制器19控制。图4示出了测量耦合到RFID传感器37上的至少两个传感器的响应的集成式询问器34。集成式询问器34包括读取来自RFID传感器37的存储器芯片的数字数据的数字数据阅读器36。存储器芯片包括至少两个感测输入，该至少两个感测输入由集成式询问器34读�。匝蔙FID传感器37。模拟传感器33和35连接到RFID传感器37的输入上。在一个示例中，模拟传感器33可为电阻传感器，而模拟传感器35可为电容传感器。备选地，虽然未示出，但可产生电阻可测响应和电容可测响应两者的单个传感器可耦合到RFID传感器37的输入上。如所示出的那样，在集成式询问器34中，阅读器40监测模拟传感器33的电阻，并且阅读器42监测连接的模拟传感器35的电容。传感器33和35两者耦合到存储器芯片39上。测量的感测参数(电阻和电容)的组合为数字RFID传感器37提供增强的能力，以在存在高水平干扰的情况下作为用于检测和量化所关注的环境参数(例如蒸气浓度、温度、压力等)的选择性传感器而运行。集成式询问器34包括接收和发送来自RFID传感器37的信号的阅读器天线41，并且集成式询问器34操作性地耦合到RFID传感器37上。在一个实施例中，虽然未不出，但三个模拟传感器可稱合到存储器芯片39上,其中，第一传感器测量电阻，第二传感器测量电容，并且第三传感器测量放置在传感器上的感测材料(诸如感测膜)的电感。放置在三个传感器上的感测膜的类型可为相同或不同的。来自这些传感器的感测膜的可测介电属性的变化可与环境的物理特性、化学特性或生物特性相关联。备选地，可存在连接到存储器芯片39上的一个模拟传感器，其中，单个传感器测量放置在传感器上的感测膜的电阻、电容和电感。处理传感器阻抗谱，以提取若干频谱参数，诸如FpZpF1或F2以及其它。传感器阻抗谱可发送到中央计算中心进行处理。在一个示例中，中央计算中心可使用来自阻抗阅读器的稳态响应或动态响应来分析阻抗谱或频谱特征的至少一部分。稳态传感器响应是在确定的一段时间上来自传感器的响应，其中，该响应不会随测量时间有相当大的变化。因而，随时间的推移稳态传感器响应的测量会产生类似的值。动态传感器响应是在测量的环境参数(温度、压力、化学浓度、生物浓度等)突然有变化时来自传感器的响应。因而，动态传感器响应随测量时间有显著地改变。因而，随时间的推移动态传感器响应的测量会产生响应的动态特征图(signature)。响应的动态特征图的非限制性示例包括平均响应斜率、平均响应幅度、信号响应的最大正斜率、信号响应的最大负斜率、信号响应的平均变化、信号响应的最大正变化和信号响应的最大负变化。在一个示例中，中央计算中心可使用多变量分析来分析全阻抗谱。如本文所用，“多变量分析”指的是在一个或多个传感器产生可与彼此基本相关联或不相关联的多个响应信号的情况下分析信号。可使用多变量分析工具构建暴露于不同的环境条件(诸如，压力、温度、液体、生物种类和气体)的响应型式，来分析来自传感器的多个响应信号。多变量分析的非限制性示例包括规范关联分析、回归分析、非线性回归分析、主成分分析、功能分析、多维缩放、线性判别分析、逻辑回归或神经网络分析。在另一个示例中，中央计算中心可使用来自RFID传感器及其相邻传感器的响应来分析全阻抗谱或频谱特征。在一个实施例中，中央计算中心可相对于集成式询问器位于远处。在这个实施例中，可在远离RFID传感器的位置的远程位置处分析阻抗谱或传感器参数。这样的多变量分析的非限制性示例在名称为 “Methods and systems for calibration of RFID sensors (用于校准 RFID 传感器的方法和系统)”的美国专利申请序列No. 12/118,950中有描述，该申请通过引用而结合在本文中。集成式询问器对系统提供柔性，因为集成式询问器能使用阅读数字数据的多个标准来运行。标准的非限制性示例包括ISO 7816、ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000、ISO11784、IS0 11785。ISO 7816是关于接触芯片卡的标准。ISO 7816-1描述电气和机械问题；ISO 7816-2描述卡的接触区域的大小、顺序以及功能性和磁条(如果配备了的话)的位置。ISO 14443是关于在13. 56 MHz处在高达5英寸距离中运行的非接触性邻近卡的标准。ISO15693是关于非接触性近距卡的标准，近距卡诸如为能从比邻近卡更大的距离读的卡。ISO15693系统在13. 56 MHz频率下运行，并且提供1-1. 5米的最大读取距离。ISO 18000是用于项目管理空中接口的标准，包括用于全局接口的空中接口的一般参数的ISO 18000-1 ；用于在小于大约135KHz处运行的空中接口的参数的ISO 18000-2 ;用于在13. 56 MHz处的空中接口的参数的ISO 18000-3 ;用于在2. 45 GHz处的空中接口的参数的ISO 18000-4 ;用于在5.8 GHz处的空中接口的参数的ISO 18000-5 ;用于在860-930 MHz处的空中接口的参数的ISO 18000-6 ;以及用于在433 MHz处的空中接口的参数的ISO 18000-7。ISO 11784和ISO 11785是用于动物的射频识别的标准。ISO 11784描述存储在转发器中的代码的代码结构和信息内容。ISO 11785描述动物的射频识别的技术概念，诸如转发器和收发器之间的发送协议的特性。也能使用从RFID标签读取数字数据的任何其它协议。方法和系统使得在确定传感器参数的同时保持低的噪声水平成为可能。在通过以恒定的预定分辨率扫描频率范围来最小化进一步的多变量分析的不确定性的情况下，确定频谱参数。波形的数量可在I至10000的范围中，并且扫描的数量可在I至10000的范围中。如果波形的数量超过2，可对波形取平均。如果扫描的数量超过2，可对扫描取平均。可应用函数，诸如数学函数，以拟合扫描的谐振部分。在一个实施例中，可应用数学函数来拟合包括扫描中的总数据点的35%或更少的扫描的谐振部分。在一个实施例中，可应用函数来拟合包括Lorentzian线形拟合或基线修正Lorentzian线形拟合的扫描的谐振部分。可使用数学函数来提取峰值位置和峰值的幅度。可以频率范围中的恒定或可变的扫描速率测量阻抗谱。在频率范围中的可变扫描速率可用来在谐振频率范围中扫描时减小测量噪声。可用恒定或可变的扫描频率分辨率在频率范围中测量阻抗谱。频率范围中的可变的频率分辨率可用来在谐振频率范围中扫描时减小测量噪声。在某些实施例中，集成式询问器可使得低功率消耗运行成为可能。在一个示例中，集成式询问器的构件能够使用电池源或能量收集源来运行。能量收集源的非限制性示例包括超级电容器、基于环境光的源、基于人类运动的源、基于工业振动的源、基于热能(人类和工业)的源或者基于来自手机的射频能的源。在某些实施例中，阻抗阅读器是无线系统的一部分，诸如个人计算机、个人数字助理(PDA)或手机。阻抗阅读器可提供近场通信能力。如本文所用，用语“近场通信(NFC) ”表示在3 MHz至大约30 MHz的频率范围中的近程无线通信技术(称为高频率通信)的意思，近程无线通信技术使得在装置之间交换数据成为可能，装置或者可进行接触，或者可在高达大约I m的距离处。图5-8示出了可用于RFID传感器的集成式询问的相对频率范围的示例。在一些实施例中，可在接近阅读器的数字部分的运行频率的频率下执行阻抗谱的感测测量，其中阅读器的数字部分根据通信标准来运行。在其它实施例中，通过扫描比用于从RFID传感器读取数字信息的频带更低或更高的频率来执行感测测量。根据频带中的规章限制(例如FCC限制)所容许的功率级别，可在不同的射频(RF)功率级别下执行频率扫描。对于容许较高的RF功率级别的频带，可减少频率扫描时间，同时在整个频率范围中对阻抗测量保持相同的信号噪声比。可在期望频带上以恒定的速率，或者在RF功率级别调节成匹配特定的频率范围中的规章限制的情况下以可变的扫描速率，执行用于测量感测响应的频率扫描。如图5中示出的那样，横坐标46表示频率，而纵坐标48表示RF功率级别。可通过扫描在用于从RFID传感器读取数字信息的频带52上的频率50来执行感测或模拟测量。在图6中示出的示例中，可通过扫描比用于从RFID传感器读取数字信息的频带56更低的频率54来执行感测测量。在图7中示出的示例中，可通过扫描比用于从RFID传感器读取数字信息的频带60更高的频率58来执行感测测量。在图7中示出的示例中，可在两个不同的RF功率级别62和64处执行扫描。根据分别在对应的频带66和68中的规章限制容许的功率级别来选择功率级别62和64。频带70在这个示例中用于从RFID传感器读取数字信息。通过使用图8的示例，对于容许较高的RF功率级别的频带，可减少频率扫描时间，同时在整个频率范围中对阻抗测量保持相同的信号噪声比。感测和获取数字信息的步骤的相对频率范围可如图5-8中示出的那样改变。在一个实施例中，在数字阅读器的频带的10 GHz内的扫描频率下执行感测步骤。传感器响应阅读器(阻抗阅读器)的扫描频率范围可在大约100 kHz至25 kHz的范围中。在一个示例中，可在数字阅读器的频带的10 MHz内的扫描频率下执行感测。在一个示例中，扫描频率的感兴趣范围为大约13 MHz，扫描范围为大约10 MHz0例如，传感器响应阅读器或阻抗阅读器的扫描频率范围从大约3至25 MHz0为了实现可如图6和7中示出的那样改变的感测和获取数字信息的步骤的频率范围，传感器RFID标签的感测部分具有在一个频率范围中运行的天线，并且RFID标签的数字部分具有在另一个频率范围中运行的另一个天线。图9示出了用于在给定的环境中获取来自RFID传感器的模拟数据和数字数据的方法。在框72处，至少部分地通过测量RFID传感器的谐振天线结构的阻抗谱来同时感测环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个。在框74处，获取与RFID传感器的标签有关的模拟信息和/或数字信息。可从RFID传感器的存储器芯片中获取数字信息。框72和74的顺序可反过来。也就是说，可首先获取与RFID传感器有关的模拟信息和/或数字信息，以及然后可获取与被感测的环境的特性有关的模拟信息。在一个实施例中，可至少定期地由集成式询问器执行与RFID标签(诸如标签ID)有关的感测和信息收集。在另一个实施例中，可同时、定期地或按顺序执行感测环境的特性以及获取数字信息的步骤。可在远程位置处，诸如在定位于远处的中央计算中心处，分析获得的阻抗谱。图10示出了用于获取来自设置在环境中的RFID传感器的传感器数据的方法，其中，提供了接收来自至少两个模拟传感器的输入的RFID传感器。该方法包括测量耦合到RFID传感器的RFID标签上的至少两个模拟传感器的响应。接收来自两个模拟传感器的输入会改进RFID传感器的准确度、精度或两者。在框76处，通过测量连接到RFID标签的存储器芯片上的至少一个传感器结构的电阻和电容来确定环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个。方法包括监测与环境特性有关的模拟传感器中的至少一个的电阻，以及监测与环境特性有关的模拟传感器中的至少一个的电容。在存储器芯片中，电阻和电容的模拟信号转换成与电阻和电容有关的数字信息。在框78处，从RFID传感器的存储器芯片中获取与RFID传感器中的至少一个有关的这个数字信息。分析电阻和电容，以测量物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个。可同时执行分析电阻和电容的步骤，以减少或消除来自传感器数据的干扰效应。在一个实施例中，描述一种用于测量来自连接到RFID标签上的传感器或一个或多个传感器的至少三个响应的方法。通过测量耦合到RFID标签的存储器芯片上的至少一个传感器结构的电阻、电感和电容来确定环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个。在存储器芯片中，电阻、电感和电容的模拟信号转换成与电阻、电感和电容有关的数字信息。从RFID传感器的存储器芯片中获取与RFID传感器中的至少一个有关的这个数字信息。可分析电阻、电感和电容，以测量物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个。可同时执行分析电阻、电感和电容的步骤，以抵制来自测量的传感器响应的干扰。在图11中示出集成式询问器80的应用的示例。在这个实施例中，RFID传感器82设置在一次性生物过程构件84中，或设置在其上。
如由箭头86表示的那样，RFID传感器82与阅读器天线88进行无线通信。阅读器天线88又操作性地与集成式询问器80相关联。阅读器天线88和集成式询问器80可通过使用物理接触件(有线连接)而操作性地相关联。阅读器天线88和传感器82可通过使用有线连接在物理上耦合。备选地，阅读器天线88和传感器82可以无线的方式通信。在一个示例中，可针对一次性生物过程，诸如制药、生物制药加工和其它过程，来加工一次性构件84。例如，一次性构件84可用于制药生产过程，并且可包括诸如(但不限于)生物反应器、混合器、产品输送线、连接器、过滤器、色谱分析柱和离心机的构件。在一个示例中，RFID传感器82与集成式询问器80共同在线上(in-line)加工、监测和控制生物过程成为可能。图12是用于使用集成式询问器90来询问两个或更多个RFID传感器的本发明的询问系统的示例的示意图。在一个实施例中，集成式询问器90可询问来自多个传感器的数字信号和模拟信号，大体由参考标号92和94表不。虚线96表不存在于传感器92和94之间的多个传感器。多个传感器96和传感器92和94可具有相似或不同的结构，这取决于这些传感器设计来感测的特定的环境参数。在一个示例中，可结合来自不同的传感器92、94和96的信息，以提供对应于不同的环境参数的传感器响应。在另一个不例中，一些传感器可设计成测量诸如温度或压力的环境参数，而其它传感器则可设计成用于其它应用，诸如分析物检测。虽然未示出，但这种集成式询问器90可包括例如或者开关或多路复用器。多路复用器可从确定数量的传感器中选择一个或多个模拟和/或数字输入信号，并且将选择的输入转送到中央计算中心98。备选地，集成式询问器90可配置成分析来自不同的传感器92、94和96的各种模拟输入和数字输入，并且可不需要中央计算中心98。图13示出了具有多个询问系统100的布置。询问系统100中的各个可包括一个或多个RFID传感器，以及集成式询问器。多个询问系统100中的一些可共用公共集成式询问器。询问系统100通过中央计算中心102操作性地与彼此相关联。照这样，多个询问系统100的集成式询问器可有利地访问由其它传感器提供的信息。询问系统100可使用它们的集成式询问器中的通信�？槔从胫醒爰扑阒行�102通信。在一个实施例中，中央计算中心102可相对于询问系统100位于远处。在这个实施例中，可在远离RFID传感器的位置的远程位置处分析阻抗谱或传感器参数。可在期望频带中以恒定速率，或者在RF功率级别调节成匹配特定的频率范围中的规章限制的情况下以可变的扫描速率，执行用于测量感测响应的频率扫描。示例 I
使用网络分析器(Agilent Technologies, Inc. Santa Clara, CA (加利福尼亚圣塔克莱拉的安捷伦科技公司))，在使用LabVIEW的计算机控制下执行RFID传感器的阻抗的测量。分析器用来扫描在感兴趣范围(典型地以13 MHz为中心，扫描范围为 10 MHz)中的频率，以及收集来自RFID传感器的阻抗响应。多通道电子信号多路复用器建设成与分析器一起运行，以一次测量两个或更多个RFID传感器。使用Excel (Microsoft Inc.Seattle, WA (华盛顿西雅图的微软公司))或 KaleidaGraph (Synergy Software>Reading,PA)和以 Matlab (Mathworks Inc. Natick, MA)运行的 PLS_Toolbox (EigenvectorResearch Inc. , Natrick, MA)来分析收集到的阻抗谱。用若干RFID阅读器执行从RFID传感器的存储器芯片中读取的数字ID，RFID阅读器包括手持式SkyeTek阅读器(型号M-1, Westminster, Co),以及SkyeTek计算机控制的(使用LabVIEW)阅读器(型号M-1,SkyeTek, Westminster, Co),以及计算机控制的多标准RFID阅读器/写入器评估模块(型号 TRF796O 评估�？椋琓exas Instruments (德州仪器))。为了验证这个方法，使用德州仪器RFID标签。该标签涂有聚苯胺感测膜，以制造PH传感器。如图14中示出的那样，用写入器/阅读器读取标签的数字ID，如上面限定成E007 000 02BE960C那样。然后，使用写入器/阅读器来将额外的数字数据写入到存储器芯片中。在示出的示例中，写入的数据为GE GRC RFID传感器#323。在另一个示例中，写入的数据为 AO=O. 256 ；A1=33. 89 ；A2=0. 00421 ；A3=0. 0115，其中，AO、Al、A2 和 A3 是传感器响应的校准系数。写入器/阅读器进一步用于阅读模式中，以读取来自传感器的数字部分和模拟部分(阻抗)。虽然已经在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，要理解的是，所附权利要求意于涵盖落在本发明的范围之内的所有这样的修改和变化。
权利要求
1.一种用于射频识别(RFID)传感器的集成式询问器，包括与所述RFID传感器通信的数字阅读器；与所述RFID传感器通信的阻抗阅读器；以及协调所述数字阅读器和所述阻抗阅读器的动作的一个或多个控制器。
2.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述阻抗阅读器的扫描频率的范围在所述数字阅读器的频带内。
3.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述阻抗阅读器的扫描频率的范围相对所述数字阅读器的频带更高或更低，以及其中，扫描频率的范围在所述数字阅读器的频带的10 MHz内。
4.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述阻抗阅读器在两个或更多个功率级别下运行。
5.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述数字阅读器包括单频率单协议阅读装置，或者多频率多协议阅读装置。
6.根据权利要求1所述的集成式询问器，所述集成式询问器进一步包括与在所述 RFID传感器外部的一个或多个装置通信的通信�？椤�
7.根据权利要求1所述的集成式询问器，所述集成式询问器进一步包括相对于所述集成式询问器位于远处的中央计算中心。
8.根据权利要求7所述的集成式询问器，其中，所述中央计算中心使用多变量分析、 稳态响应或动态响应来分析所述阻抗谱的至少一部分。
9.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述阻抗阅读器与传感器天线通信。
10.根据权利要求1所述的集成式询问器，其中，所述RFID传感器包括至少两个模拟感测输入。
11.一种用于询问一个或多个RFID传感器的询问系统，包括接收和发送来自所述RFID传感器的信号的传感器天线；操作性地耦合到所述RFID传感器中的一个或多个的集成式询问器，其包括测量所述RFID传感器的阻抗谱的阻抗阅读器；从所述RFID传感器的存储器芯片中读取数据的数字数据阅读器；以及协调所述阻抗阅读器和所述数字阅读器的动作的控制器。
12.根据权利要求11所述的询问系统，其中，所述传感器响应阅读器的扫描频率范围为大约3至25 MHz0
13.根据权利要求11所述的询问系统，所述询问系统进一步包括与所述阻抗阅读器和所述数字数据阅读器中的一个或两者通信的通信�？椤�
14.根据权利要求11所述的询问系统，其中，所述控制器包括在分别从所述阻抗阅读器和所述数字数据阅读器进行模拟数据获取和数字数据获取之间切换的电子开关。
15.根据权利要求11所述的询问系统，其中，所述RFID传感器中的至少一个包括响应于环境参数变化的感测膜。
16.根据权利要求11所述的询问系统，所述询问系统进一步包括与所述集成式询问器通信的中央计算中心。
17.根据权利要求16所述的询问系统，其中，所述中央计算中心相对于所述RFID传感器位于远处。
18.根据权利要求11所述的询问系统，其中，两个或更多个RFID传感器操作性地耦合到公共集成式询问器上。
19.一种用于从设置在环境中的一个或多个RFID传感器中获取模拟数据和数字数据的方法，包括至少部分地通过测量谐振天线结构的阻抗谱来感测所述环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少两个；以及获取与所述RFID传感器有关的数字信息或模拟信息，或者数字信息和模拟信息两者。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，同时、定期地或按顺序执行感测所述环境的特性以及获取所述数字信息的步骤。
21.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括在远程位置处分析所述阻抗谱或传感器参数。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，在用于获取数字信息的频率的大约OHz至10 MHz的范围内的频率下执行感测步骤。
23.一种方法，用于获取来自RFID传感器的传感器数据以改进所述RFID传感器的准确度、精度或它们的组合，所述RFID传感器接收来自设置在环境中的至少两个模拟传感器的输入，所述方法包括监测与所述环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少一个有关的所述模拟传感器中的至少一个的电阻；监测与所述环境的所述物理特性、所述化学特性或所述生物特性中的至少一个有关的所述模拟传感器中的至少一个的电容；以及分析所述电阻和所述电容。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，基本同时执行对电阻和电容的分析，以减少或消除来自所述传感器数据的干扰效应。
25.一种方法，用于获取来自RFID传感器的传感器数据以改进所述RFID传感器的准确度、精度或其组合，所述RFID传感器接收来自设置在环境中的至少三个模拟传感器的输入，所述方法包括监测与所述环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少一个有关的所述模拟传感器中的至少一个的电阻；监测与所述环境的物理特性、化学特性或生物特性中的至少一个有关的所述模拟传感器中的至少一个的电感；监测与所述环境的所述物理特性、所述化学特性或所述生物特性中的至少一个有关的所述模拟传感器中的至少一个的电容；以及分析所述电阻、所述电感和所述电容。
全文摘要
提供一种用于RFID传感器的集成式询问器。该集成式询问器包括与RFID传感器通信的数字阅读器、与RFID传感器通信的阻抗阅读器，以及协调数字阅读器和阻抗阅读器的动作的一个或多个控制器。
文档编号G01N27/22GK103026369SQ201180032851
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年6月30日
发明者R.波蒂拉洛, H.W.汤姆林森, W.G.莫里斯 申请人:通用电气公司
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