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KR102489428B1 - 수동형 rfid 센서 태그 및 rfid 판독기 - Google Patents

수동형 rfid 센서 태그 및 rfid 판독기 Download PDF

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KR102489428B1
KR102489428B1 KR1020177008981A KR20177008981A KR102489428B1 KR 102489428 B1 KR102489428 B1 KR 102489428B1 KR 1020177008981 A KR1020177008981 A KR 1020177008981A KR 20177008981 A KR20177008981 A KR 20177008981A KR 102489428 B1 KR102489428 B1 KR 102489428B1
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rfid
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빌 비카리
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넬리스 핀란드 오와이
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Abstract

RFID 시스템은 무선 주파수 식별(RFID) 판독기(11) 및 적어도 하나의 수동형 RFID 센서 태그(10-1, 10-2, 10-3)를 포함한다. 수동형 RFID 태그(10-1, 10-2, 10-3)로부터 후방 산란된 라디오 주파수 신호는 감지 엘리먼트(32, P, T, H, Q)에 의해 감지된 양의 값에 의존하는 발진 주파수로 변조된다. RFID 판독기(11)는 수동형 RFID 센서 태그의 미리 결정된 센서 구성 정보에 기초하여 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 실제 감지된 값으로 변환한다. 센서 구성 정보는 수동형 RFID 센서 태그에서 이용 가능한 감지 엘리먼트 또는 감지 엘리먼트들의 정보, 특히 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 각 감지 엘리먼트에 의해 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 방법에 대한 정보를 포함한다.

Description

수동형 RFID 센서 태그 및 RFID 판독기{PASSIVE RFID SENSOR TAG AND RFID READER}
본 발명은 수동형 무선 센서에 관한 것으로서, 특히 수동형 무선 주파수 식별(radio frequency identification; RFID) 센서, RFID 센서 시스템 및 수동형 RFID 센서 태그용 RFID 판독기에 관한 것이다.
센서는 측정된 양(quantity)을 판독 가능한 포맷, 통상적으로 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 오늘날에는, 사실상의 모든 측정 목적을 위해 상업적으로 이용 가능한 센서들이 존재한다. 연결성에 따라, 센서는 무선 센서와 유선 센서로 분류될 수 있다. 유선 센서는 와이어링 하니스(wiring harnesses) 또는 케이블 어셈블리(cable assemblies)에 의해 판독기 디바이스에 연결된다. 무선 센서는 센서에 어떠한 물리적 연결 없이도 판독이 가능하며, 종종 센서에 라디오 트랜시버(radio transceiver)가 장착되어 구현된다. 송신된 라디오 신호는 무선 신호를 원하는 출력으로 변환하는 수신기에 의해 해독된다. 무선 동작은, (온도나 압력과 같은) 열악한 동작 조건, 회전 부분들 또는 배선의 비용 및 복잡성으로 인해 유선 연결이 어려운 많은 분야에서 유용할 수 있다. 그러나 무선 센서는 또한, 배터리로 인해 제한된 수명, 감쇠(attenuation)와 간섭(interference)에 의한 제한된 판독 거리, 신호의 제어 불가능한 전파로 인한 보안 문제 및 잠재적으로 낮은 통신 속도와 같은 여러 결점이 있다. 전력 소스 및 통신 원리를 기초로, 무선 센서는 능동형 센서, 반수동형 센서, 및 수동형 센서의 세 가지 범주로 분류할 수 있다.
능동형 무선 센서는 보통 라디오 트랜시버 및 트랜시버를 파워 업(power up)하는데 사용되는 온-보드(on-board) 배터리를 모두 가지고 있다. 자체적으로 전원이 있는 능동형 무선 센서는 강력한 송신기와 민감한 수신기를 사용할 수 있다. 그러나, 온-보드된 배터리는 수명을 제한하고, 크기와 무게도 증가시킨다. 보다 복잡한 회로로 인해, 능동형 센서의 가격은 수동형 센서보다 훨씬 높아질 수 있다.
반-수동형 무선 센서는 라디오 트랜시버를 포함하지는 않으나, 배터리가 장착되어 있다. 배터리는 집적회로(IC)의 전원을 켜고, 센서가 판독기와 독립적으로 작동하도록 하며, 센서의 메모리를 유지시키는 데 사용된다. 반-수동형 배터리-보조 센서는 통신을 하기 위하여 변조된 후방 산란 기술을 이용한다. 즉, 반-수동형 센서는 전송을 위해 온-보드 배터리로부터 어떠한 전력도 필요로 하지 않고, 오히려, 센서는 단지 판독 장치로부터 방출된 전력 중 일부를 다시 반사시킨다.
능동형 또는 반수동형 센서와는 다르게, 수동형 센서는 온-보드 배터리를 필요로 하지 않는다. 따라서 수동형 센서는 덜 복잡하고, 크기가 작고 저렴하며, 수명이 전원 공급 장치에 의해 제한되지도 않는다. 수동형 무선 센서의 일반적인 판독 거리는 10cm 내지 3m 사이이다. 수동형 무선 센서는 무선 주파수 식별(RFID) 태그, 전기 공진 회로 센서, 표면 탄성파(SAW), 고조파 센서 및 상호 변조 센서의 네 가지 주요 카테고리로 분류될 수 있다.
RFID는 태그와 판독기 사이에서 통신하기 위하여 라디오 파를 이용하는 식별 기술이며, 물품을 식별하는 데 사용된다. RFID는 판독기와 태그 사이에 가시선(line-of-sight)이 필요하지 않고, RFID 판독기가 한번에 수백 개의 태그를 판독할 수 있는 등 광학 바코드 식별에 비해 여러 이점이 있다. 수동형 RFID 태그는 도 1에 도시된 바와 같이 변조된 후방 산란 통신 원리를 이용한다. 태그(10)가 RFID 판독기(11)와 통신을 할 때, 수신된 신호(12)를 변조하고, 그 일부분(13)을 판독기로 다시 반사시킨다. 일반적인 수동형 태그는 애플리케이션 특정 마이크로칩에 연결된 안테나로 구성되어 있다. RFID 트랜시버 또는 판독기에 의해 무선상으로 질의될 때, RFID 태그 안테나는 RFID 판독기로부터 전력 및 RF 신호를 수신하여 이들을 칩에 제공한다. 칩은 신호를 처리하고 요청된 데이터를 다시 RFID 판독기로 보낸다. 후방 산란된 신호는 송신된 데이터에 따라 변조된다. RFID의 최고 동작 주파수와 판독 거리는 집적회로(IC)의 정류 전력에 의하여 제한되며, 이는 각각 수 GHz 및 5-10m이다.
RFID는 주로 식별을 위해 사용된다. RFID 태그는 RFID 태그의 재사용 기능을 가능하게 하는 재기록 가능(rewritable)한 메모리를 갖추고 있으나, 이는 외부 수량을 측정하는 데는 유용하지 않다. RFID는 또한, RFID 태그에 외부 센서 및 외부 센서를 판독하기 위한 디지털 로직을 장착함으로써 감지에 적합하다는 것이 입증되었다. 이러한 접근법의 장점은, 일반 감지 엘리먼트를 사용함에 따라 매우 광범위한 분야에 적합하다는 것이다. 그러나 이러한 접근법은 센서를 판독 가능하게 하기 위해 추가적으로 A/D 컨버터와 디지털 회로가 태그에 포함되어야 한다. 추가적인 전자기기에 의해 증가된 전력 소비는 판독 범위를 상당히 감소시킨다(예를 들어, 8 비트 A/D 컨버터에 있어서는 5m에서 0.3m로). 추가적인 감지 엘리먼트는 전력 소비를 더욱 증가시킨다. A/D 컨버터와 추가적인 디지털 회로의 구현시 고려사항은 [1]: Chapter 9 “Smart RFID Tags”, in the book “Development and Implementation of RFID Technology”, ISBN 978-3-902613-54-7, February 2009, I-Tech, Vienna, Austria. http://www.intechopen.com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology.에서 논의되었다.
US2013/0099897에는 RFID 판독기, RFID 칩, 및 RFID 칩에 전기적으로 커플링되고, RFID 판독기로부터 신호를 수신하고 RFID 판독기로 신호를 송신하도록 구성된 안테나가 개시되어 있다. RFID 칩에는 감지 물질(sensing material)에 대한 전기적 인터페이스가 제공된다. RFID 칩은 판독기로부터 수신된 신호를 변조하고 변조된 신호로 감지 물질을 구동하도록 구성된다. 감지 물질은 후방 산란된 변조 신호가 감지 물질의 상태에 따라 변화하는 것과 같은, 가변적인 전기 특성이 있다. 감지 물질의 성질과 관계 없이, 감지 물질은 RFID 칩으로부터의 변조된 신호와 상호작용하고 신호를 RFID 칩으로 되돌려준다. 반환된 신호는 후방 산란 변조기를 통해 RFID 칩에서 안테나로 전달된 다음, 다시 RFID 판독기로 송신된다. 대안적으로, 감지 물질에 의해 처리된 신호는 RFID 칩의 입력 임피던스를 변조시키는 데 사용되고, RFID 칩으로부터의 신호는 안테나에 의해 RFID 판독기로 후방 산란되어 감지 물질의 상태를 결정한다.
US 2011/0301903은 제조사에서의 여분의 교정 단계보다는 사용하는 동안에 트랜스폰더(transponder)의 센서, 예를 들어 RFID 내의 센서를 교정하여 관련 비용을 절감할 것을 제안한다. 센서에 의해 감시되는 많은 제품들의 초기 조건은 잘 정의되어 있으며, 제품의 제조업체에 알려져 있다. 이러한 초기 조건에 대한 예는 다음을 포함한다. 생산과 출하 사이에 제품이 저장되는 냉장 창고의 온도; 우유나 와인과 같은 액체의 pH 수치; 통제된 환경 조건 하에서 포장된 용기 내의 기체 조성. 이러한 잘 정의된 조건은 센서 교정을 위한 기준으로 사용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서, 센서는 그 자체로서 센서가 실가동되는 환경의 특성인 기준에 대하여 교정되고 있다.
Chen 등에 의한, Coupling Passive Sensors to UHF RFID Tags, Radio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE, 15-18 Jan. 2012, Santa Clara, 255 - 258는 새로운 태그 ASIC을 설계하지 않고도 수동형 센서 데이터를 기존의 UHF RFID 태그에 커플링 시키는 가능성을 모색하였다. 기존의 UHF RFID 시스템은 태그 안테나 위에 커플링 루프를 중첩시키고 벡터 후방 산란을 변조시킴으로써 추가 데이터를 전달하는 데 사용될 수 있다. 센서 데이터를 전달하는 수동형 센서의 임피던스는 후방 산란의 진폭 및 위상 값에 영향을 준다. 수동형 센서 데이터를 송신하기 위하여, 수동형 센서 커플링 모듈의 부하는 이러한 3개의 부하 사이에서 스위칭 되어, 2개의 기준 임피던스 중 하나 또는 수동형 센서에 대한 연결을 제공한다. 2개의 기준 임피던스에 의해, 수동형 센서의 임피던스가 결정된다.
Guerin 등에 의한, A temperature and gas sensor integrated on a 915MHz RFID UHF tag, Wireless Information Technology and Systems (IC-WITS), 2010 IEEE International Conference, Honolulu, Aug. 28 2010-Sept. 3 2010에는 변조된 후방 산란 원리를 이용하는 수동형 무선 센서가 개시되어 있다. 변조 신호는 제어 전압 및 이에 따른 출력 주파수가 센서 값의 함수로 변하도록 구성된 전압 제어 오실레이터에 의해 생성된다.
공동으로 계류 중인 PCT/FI2013/051214는 수동형 무선 센서의 판독 거리를 급진적으로 증가시킬 수 있게 하는 수동형 무선 센서 설계를 개시하고 있다. 변조 신호는 발진 회로의 일부로서 감지 엘리먼트를 포함하는 오실레이터에 의해 생성되며, 변조 주파수는 감지 엘리먼트의 감지 값에 의존한다. 따라서, 센서 값은 에너지를 소비하는 AD 변환 없이, 그리고 최소 수의 추가 컴포넌트로 생성될 수 있는 변조된 아날로그 신호의 주파수로 치환(translate)된다. 그 결과, 판독 거리는 수 미터, 룸 스케일(room scale)로 증가될 수 있다.
짧은 판독 거리로 인하여, 판독기의 범위 내에서 다중 수동형 무선 센서 태그를 관리할 필요가 없었다. 현재의 사용 가능한 모든 수동형 무선 센서는 전용 판독기와 함께 사용할 수 있는 단일 용도 센서이다.
UHF RFID 기술(예: 표준 Class-1 Gen-2 충돌 방지)은 다중 무선 태그의 판독에 관련된 해당 대부분을 다루었다. 그러나 원격 센서에 대하여 생각할 필요가 없었기 때문에, 모든 RFID 솔루션은, 예를 들어 센서 값 변환, 온도 보상 또는 교정의 문제들을 간과하였다.
따라서, 상이한 센서 특성을 갖는 다중 수동형 무선 센서를 관리하고 판독하기 위한 방법, 루틴 및 장치를 제공할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 RFID 센서 태그의 센서 값 변환, 온도 보상 또는 교정을 용이하게 하는 것이다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립항에 따른 방법, RFID 판독기, 및 네트워크 요소에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면은 무선 주파수 식별(RFID) 판독기 및 적어도 하나의 수동형 RFID 센서 태그를 갖는 시스템에서 센서 값을 질의(interrogating)하는 방법으로서, 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
오실레이터의 발진 주파수가 감지 엘리먼트에 의해 감지된 양(quantity)의 값에 의존하도록, 감지 엘리먼트에 의해 로드된 오실레이터를 갖는 수동형 RFID 센서 태그로 라디오 주파수 질의 신호를 전송하는 단계;
상기 수동형 RFID 태그로부터 상기 감지된 양의 값에 의존하는 발진 주파수로 변조된 후방 산란 라디오 주파수 신호를 수신하는 단계;
상기 수동형 RFID 태그를 식별하는 단계;
상기 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 미리 결정된 센서 구성 정보에 기초하여, 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 단계;
상기 센서 구성 정보는 상기 식별된 수동형 RFID 태그에서 이용 가능한 감지 엘리먼트 또는 감지 엘리먼트들, 특히 상기 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 상기 각 감지 엘리먼트에 의해 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 방법에 대한 각각의 이용 가능한 감지 엘리먼트 정보를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 수동형 RFID 센서 태그의 비-휘발성 메모리에 상기 센서 구성 정보를 저장하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 RFID 판독기에 상기 RFID 판독기에 의해 이전에 식별된 상기 수동형 RFID 태그에 대한 상기 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 저장하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디(identities)를 수신하는 단계;
새로운 수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
새로운 RFID 센서 태그의 판독된 센서 구성 정보를, 적어도 일시적으로 RFID 판독기, 그리고 선택적으로 적어도 하나의 네트워크 요소에 저장하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 RFID 센서 태그에 정보를 영구적으로 저장하는 것 이외에 또는 대신에, 적어도 하나의 네트워크 요소에 적어도 일시적으로 복수의 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보를 유지하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 네트워크 요소는 상기 판독기에 연결된 하나 이상의 로컬 호스트, 복수의 로컬 판독기를 사용할 수 있는 로컬 서버, 또는 복수의 판독기를 전역적으로(globally) 사용할 수 있는 원격 서버를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션아이디(identities)를 수신하는 단계;
적어도 하나의 네트워크 요소로부터 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 상기 센서 구성 정보를 쿼리(quering)하는 단계;
새로운 RFID 센서 태그의 상기 쿼리된 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 상기 판독기에 저장하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디(identities)를 수신하는 단계;
상기 적어도 하나의 네트워크 요소로부터 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보를 쿼리하는 것을 먼저 시도하고,
새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보가 상기 시스템의 상기 적어도 하나의 네트워크 요소에서 이용 가능하지 않다면, 수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 상기 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
새로운 RFID 센서 태그의 질의 또는 판독된 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 상기 판독기에 저장하고, 선택적으로 새로운 RFID 센서 태그의 판독된 상기 센서 구성 정보를 상기 적어도 하나의 네트워크 요소에 전송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디를 수신하는 단계;
수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 제 1(first piece) 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
제 1 정보에 기초하여, 상기 수동형 RFID 센서 태그의 제 2(second piece) 센서 구성 정보를 획득하는 단계를 포함하는 방법.
일 실시예에서, 상기 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보는 상기 수동형 RFID 센서 태그의 고유 식별자(unique identifier)와 연관된다.
일 실시예에서, 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 방법에 대한 정보는 하나 이상의 다음 정보를 포함한다: 값의 범위, 값의 스케일링, 측정 단위, 교정 정보, 온도 보상 정보.
일 실시예에서, 상기 센서 구성 정보는 하나 이상의 다음 정보를 더 포함한다: 디폴트(default) 감지 엘리먼트에 대한 정보, 감지 엘리먼트를 선택적으로 활성화하기 위한 정보, 수동형 RFID 센서 태그 내의 센서 선택기에 대한 센서 활성화 명령 파라미터, 감지 엘리먼트를 선택적으로 활성화시키기 위한 RFID 명령에 사용되는 미리 결정된 비트 또는 비트 패턴.
일 실시예에서, 온도 보상 정보는 각 감지 엘리먼트에 대한 발진 주파수 온도 보상 정보를 포함하여, 오실레이터가 각각의 감지 엘리먼트에 의해 로드될 때 후방 산란된 신호의 발진 주파수로부터 온도 변화의 효과를 상쇄한다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 수동형 RFID 센서 태그는 미리 결정된 기준에 따라 감지된 양의 값을 전처리(pre-process)하고, 상기 센서 구성 정보는 상기 미리 결정된 기준에 대한 정보, 바람직하게는 미리 결정된 한계 값 또는 감지된 양의 상태 변화를 포함한다.
본 발명의 일 측면은 제 1 측면에 따른 방법을 실행하는 RFID 판독기이다.
일 실시예에서, RFID 판독기는 RFID 판독기 디바이스 및 RFID 판독기 디바이스를 제어하도록 연결된 원격 또는 로컬 컴퓨팅 디바이스를 포함하는 장비이다.
본 발명의 일 측면은 제 1 측면의 방법에 따른 센서 구성 정보의 적어도 일부를 영구적으로 저장하는 수단을 포함하는 수동형 RFID 센서 태그이다.
본 발명의 일 측면은 제 1 측면의 방법에 따른 센서 구성 정보의 적어도 일부를 영구적으로 또는 일시적으로 저장하는 수단을 포함하는 네트워크 요소 시스템이다.
다음에서, 본 발명은 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 의해 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 RFID 시스템에서의 후방 산란 통신 원리를 나타낸다.
도 2a는 RFID 태그 구조의 예시를 나타내는 기능 블록 다이어그램이다.
도 2b는 수동형 무선 센서 태그의 예시적인 레이아웃을 나타낸다.
도 2c는 수동형 무선 센서 태그의 다른 예시적인 레이아웃을 나타낸다.
도 2d는 수동형 무선 센서 태그의 또 다른 예시적인 레이아웃을 나타낸다.
도 2e는 수동형 무선 센서 태그의 또 다른 예시적인 레이아웃을 나타낸다.
도 2f는 캐리어 기판 상에 결합된 RFID 칩 및 외부 공진기/센서를 갖는 수동형 무선 센서 태그의 예를 나타낸다.
도 3a는 RFID 센서의 통신 원리를 나타내는 스펙트럼 그래프이다.
도 3b와 도 3c는 각각 압력 센서 및 가스 센서의 변조 주파수 - 센서 값 상관 곡선의 예를 나타낸 그래프이다.
도 3d는 RFID 센서에 제공되거나 저장될 수 있는 예시적인 센서 구성 정보를 나타낸다.
도 4는 RFID 판독기 구조의 예를 나타내는 기능 블록 다이어그램이다.
도 5는 여러 상이한 위치에 주파수-센서-값 상관 테이블을 저장하는 예를 나타낸다.
도 6은 다중 센서 태그를 갖는 시스템의 예를 나타낸 시스템 다이어그램이다.
도 7은 인벤토리를 만들고, 태그로부터 주파수-센서-값 상관 데이터를 쿼리(query)하고, 감지된 값을 판독하는 절차의 예를 나타낸 시그널링(signalling) 다이어그램이다.
도 8a 및 도 8b는 능동 센서를 판독하고 태그 내의 능동 센서를 변경하기 위한 절차의 예를 나타낸 시그널링 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, RFID 시스템은 통상적으로 두 가지 기본 컴포넌트를 포함한다: 식별될 대상 또는 측정 지점에 위치한 RFID 트랜스폰더(transponder) 또는 태그(10); RFID 태그의 질의를 수행하는 RFID 인터로게이터(interrogator) 또는 판독기(11). 수동형 RFID 시스템에서, RFID 판독기(11)는 판독기의 질의 신호의 변조를 수행하기 위해 태그(10)에 필수 전력을 공급한다. RFID 센서 태그의 경우, 데이터 전송 및 작동을 위해 RFID 태그(10)에 전원 및 매체를 제공하는 것 외에도, RFID 판독기(11)는 대부분의 경우 캐리어(carrier) 신호의 변조로서 실행되는, 태그(10)를 향한 데이터 송신을 수행할 수 있다.
도 2a는 무선 주파수 식별(RFID) 태그 구조의 다른 예를 나타낸 기능 블록 다이어그램을 나타낸다. 도시된 예에서, RFID 태그(10)는 RFID 판독기(11)와 통신하기 위하여 태그의 프론트 엔드 임피던스(front end impedance)(매칭 회로는 미도시)와 직접 매칭되는 안테나(21); RF 전력을 직류(DC)로 변환하는 정류기 회로(22), 클락 발생기(clock generator) 또는 오실레이터(23), 후방 산란 변조기(24) 및 복조기(25)를 통상적으로 포함하는, 아날로그 RF 프론트 엔드를 포함할 수 있다. 클락 발생기(23)는 태그를 위한 구형파 클락 또는 클락들을 제공할 수도 있다. 태그 내에 오실레이터가 존재하지 않는 종래의 RFID 태그에서 클락 발생기(23)는, 예를 들어 분할 회로에 의하여, 수신된 RF 주파수로부터 클락을 생성할 수 있다. 또한, 질의 명령을 처리하고, 충돌 방지 프로토콜을 실행하며, 데이터 무결성 검사를 수행하고, 메모리 판독-기록 동작을 실행하고, 출력 제어 및 데이터 흐름을 수행하는 등 원하는 기능을 제공하도록 구성될 수 있는 로직 부분 또는 디지털 제어 모듈(26)이 있을 수 있다. 로직 구현은 일반적으로 정의된 표준 및 특정 관련 프로토콜을 따른다. 또한, 메모리 저장부(27)도 제공될 수 있다. 사용자의 요구 사항에 따라, 판독/기록 기능이 모두 구현된 경우에는 비휘발성 메모리 저장부가 필요할 수 있다.
전술한 바와 같이, 수동형 RFID 태그는 통신을 위해 변조된 후방 산란 원리를 이용한다. 태그가 판독기로부터 송신된 RF CW 신호로 켜지면, 태그는 수신된 신호를 변조시키고 일부를 판독기로 다시 반사시킨다. RFID 센서는 판독기(11)로부터 송신된 무선 주파수(RF) 반송파(CW)를 사용하여 작동된다. 먼저, RF 신호는 정류기(22)에 의해 DC 전압으로 변환된다. 정류된 전압은 그 출력에서 저주파수 사인파 신호(fosc)를 생성하는 오실레이터(23)를 파워업한다. 마지막으로, 발진 신호(fosc)는 후방 산란 원리를 실현하기 위하여 후방 산란 변조기(24)에 공급된다. 변조기(24)는 신호를 변조시키고, 안테나(21)로 되돌아가는 신호는 안테나와 정류기(22)/변조기(24) 간의 매칭(matching)에 의존한다. 결과적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 센서로부터 후방 산란된 신호에는 측대역(sidebands) 또는 부반송파(subcarriers) fcw-fosc 및 fcw+fosc가 있고, fcw 및 fosc는 각각 캐리어 주파수 및 발진 주파수를 나타낸다. 측대역 또는 부반송파는 캐리어 fcw로부터 발진 주파수 fosc만큼 오프셋(offset)된다. 발진 주파수(fosc)는 또한 후방 산란 변조 주파수 또는 부반송파 주파수로 지칭될 수 있다.
클락 주파수 생성(23)은 주파수가 감지된 값에 의존하는 오실레이터로 구현될 수 있다. 이는 AD 변환 없이도 외부 수량을 측정하는 것과 RFID의 정교한 기능을 가능하게 한다. 예시적인 실시예에서, (예를 들어, 도 2a에서 감지 엘리먼트(32)로서 도시된) 감지 엘리먼트는 오실레이터로부터 출력된 변조 주파수가 감지된 값에 의존하도록, 즉 감지된 양의 값의 범위는 발진 주파수 범위에 매핑되도록 태그 오실레이터의 발진 회로의 기본 부분이 되도록 구성된다. 이는 전력을 소비하는 추가 컴포넌트 및 판독 거리의 감소 없이도 외부 수량을 측정하는 것을 가능하게 한다. 이러한 개념은 기존의 RFID 태그와 호환된다. 적용 가능한 오실레이터의 예시로는 RC 오실레이터, 링(ring) 오셀레이터, LC-오실레이터, RLC-오실레이터, 또는 MEMS(microelectromechanical systems) 기반 오실레이터, SAW(surface acoustic wave) 및 BAW(bulk acoustic wave) 공진기와 같은 임의의 다른 공진-기반 오실레이터를 포함할 수 있다. RC-오실레이터의 장점은, 예를 들어 LC-오실레이터 또는 RLC-오실레이터와 비교하여 더 높은 전력 소비를 갖고, 판독 거리가 감소될 수 있음에도 불구하고 통합(integrate)이 가능하다는 것이다.
본 발명은 센서 태그에 의해 후방 산란된 신호의 변조 주파수를 변화시키는 임의의 특정 방식 또는 임의의 특정 타입의 RFID 센서 태그로 제한되는 것이 아님을 이해해야 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 태그의 변조 주파수 오실레이터가 발진 주파수를 동조(tune)하는 감지 엘리먼트로 직접 로드되는 애플리케이션, 즉 감지 엘리먼트가 동작상으로(operationally) 오실레이터의 부분인 애플리케이션에 있어서 특히 유리하다.
도 2b는 본 발명의 제 1 측면에 따른 수동형 무선 센서 태그의 예시적인 레이아웃을 나타낸다. 무선 센서는 단일 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판) 또는 칩(36) 상에 형성될 수 있다. 디바이스의 생산 비용은 기판(36) 상의 디바이스 크기에 비례하므로, 크기를 최소화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 그 크기는 대략 1mm x 2.5mm이다. 무선 센서 태그는 다른 예시적인 실시예들에 나타난 바와 같이, 센서-로드된(sensor-loaded) 클락 발생기 또는 오실레이터(23) 뿐만 아니라 통상의 RFID 회로 및 기능(정류기/변조기/복조기(24/25), 로직(26) 및 메모리(27))을 포함할 수 있다. 수신된 RF 전원으로부터 회로에 적절한 동작 전압을 발생시키기 위한 전원 공급 장치(35)(예를 들어, 정류기(22))가 있을 수도 있다. 또한, 더욱 긴 기간 동안 수신된 RF 전력으로부터 보다 많은 양의 에너지를 수거하고 저장하기 위한 추가적인 에너지 저장부(35A)(예를 들어, 큰 커패시턴스를 갖는 커패시터)도 있을 수 있다. 더욱 큰 에너지 저장부(35A)는, 예를 들어 가스 센서와 같이, 높은 전력 소비를 갖는 감지 엘리먼트에 필요할 수 있다.
감지 엘리먼트(32)는 오실레이터(23)와 통합되거나 오실레이터의 일부로서 동작하기 위하여 연결된 별개의 요소일 수 있다. 도 2b에 도시된 예시적인 레이아웃에서, 감지 엘리먼트(32)는 무선 센서 태그(10)의 다른 컴포넌트가 생성되는 다이(die)(37)와는 다른 별개의 다이(38) 상에서 제조될 수 있다. 감지 엘리먼트(32)의 제조 기술은 감지 엘리먼트의 유형마다 다양할 수 있다. 감지 엘리먼트(32)는 모든 감지 엘리먼트의 유형에 대하여 실질적으로 동일할 수 있는 무선 센서 태그의 다른 컴포넌트의 제조 기술 및 요건으로 인한 제한 없이 설계 및 제조될 수 있다.
선택적으로, 별도의 공진기 소자가 필요한 경우에는, 점선으로 도시된 바와 같이 오실레이터(23)의 공진기 부분(31)이 있을 수도 있다. 공진기(31)는 해당 특정 감지 엘리먼트(32)와 동작하도록 조정 및 설계될 수 있다. 공진기(31) 및 감지 엘리먼트(32)가 각각의 쌍에 대해 별도의 다이를 갖는 것은 공진기와 감지 엘리먼트의 최적화된 크기뿐만 아니라 최적화된 감지 기능 및 정확도를 갖도록 한다. 상이한 측정량을 위한 수동형 무선 센서는 상이하게 튜닝된 공진기(31) 및 감지 엘리먼트(32)의 쌍들을 제조함으로써 용이하게 제공될 수 있다. 또한, (여분의 에너지를 필요로 하지 않는 센서 태그의 크기 및 가격을 절감하기 위하여 기본 컴포넌트 다이(37)로부터 생략될 수 있는) 더욱 큰 에너지 저장부(35A)와 같은 다른 감지 엘리먼트-특정 컴포넌트 또는 구조가 감지 엘리먼트(32)를 갖는 다이(38) 상에서 제조될 수 있다.
RFID 사양은 일반적으로 RFID 태그가 RFID 시스템의 전체 변조 주파수 범위를 지원할 것을 요구한다. 예를 들어, ISO 18000-6C 표준은 40-640kHz 변조 주파수 범위를 정의한다. 다시 말해, RFID 태그는 정의된 주파수 범위 내의 임의의 변조 주파수에서 판독 신호에 반응해야 한다. 그러나 오실레이터(23)가 이와 같은 넓은 주파수 범위를 지원하는 것과 감지 엘리먼트에 의해 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 변화시킴으로써 정확한 감지 데이터 송신을 제공하는 것은 어려운 일이다. 공진기(31) 및 로드 감지 엘리먼트(32)를 갖는 오실레이터(23)는 256kHz ±10% = 226-281kHz와 같은 특정 공진 주파수 또는 발진 주파수 범위의 좁은 주파수 범위 내에서 동작하도록 최적화될 수 있다. 따라서, 태그(10)의 오실레이터(23)는 모순되는 요건이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수동형 무선 센서 태그는 기준 오실레이터(23-ref)와 같은 기준 오실레이터, 또는 바람직하게는 다이(37) 상에서 형성될 수 있는 기준 센서(32-ref) 또는 공진기(31-ref)와 같은 기준 부하를 포함할 수도 있다. 오실레이터(23)는 기준 부하(31-ref/32-ref), 및 공진기나 공진기들(31), 또는 센서나 센서들(32)에 한 번에 하나씩 선택적으로 연결될 수 있다. 기준 부하(31-ref/32-ref)는, 오실레이터(32) 및 기준 부하(31-ref/32-ref)의 조합이 관련 RFID 사양에 필요한 넓은 발진 주파수 범위에서 n 동작의 요건을 충족시키는 RFID 태그 동작을 제공하도록 구현 및 구성될 수 있다. 오실레이터(23) 및 기준 부하(31-ref/32-ref)의 조합은 예를 들어, 통합 칩(integrated chip) 상에 용이하게 통합될 수 있는 RC-오실레이터 또는 링(ring) 오실레이터로서 구현될 수 있다. 기준 부하(31-ref/32-ref)는 기준 공진기(21-ref) 및 온도 센서와 같은 관련 센서를 모두 포함할 수 있다. 오실레이터(23)와 기준 부하(31-ref/32-ref)의 조합은, 예를 들어 판독기(11)가 판독 범위 내의 수동형 무선 센서 태그의 인벤토리를 생성하고 센서 태그-고유 정보를 수집하는 판독기(11)와의 초기 통신 동안, 또는 교정 과정 동안 사용될 수 있다. 오실레이터(23) 및 기준 부하(31-ref/32-ref)의 조합은 이러한 목적을 위해 최적화될 수 있으며, 태그가 판독기에 의해 사용되는 임의의 캐리어 발진 주파수(fosc)에서 판독기 명령과 적절히 반응하도록 할 수 있다. 실제 공진기 또는 공진기들(31), 및 센서 또는 센서들(32)은 감지를 위해 구성 및 최적화될 수 있고, 따라서 판독기(11)와의 초기 통신 또는 핸드셰이크(handshake)에는 덜 적합할 수 있다. 이는 센서-특정 공진기(31)에도 똑같이 적용된다. 따라서, 감지된 값만을 전달하기 위해서는, 예를 들어 수동형 무선 센서 태그(10)가 실제 감지 값들을 전송하도록 준비 및/또는 명령된 초기 통신 이후에, 실제 센서 또는 센서들(32), 또는 공진기 또는 공진기들(31)을 오실레이터(23)와 사용하는 것이 유리하다.
일 실시예에서, 기준 오실레이터(23-ref)는 오실레이터(23)에 추가로 제공될 수 있다. 기준 오실레이터(23-ref)는, 오실레이터(23) 및 기준 부하(31-ref/32-ref)의 조합에 대해 전술한 것과 같은 방식으로 RFID 사양을 충족하기 위해, 오실레이터(23)를 대신하여 동작하도록 구성될 수 있다. 그러나, 기준 부하(31-ref/32-ref), 및 실제 공진기들(31) 또는 센서들(32)에 선택적으로 연결 가능한 하나의 오실레이터(23)의 사용은 RFID 칩의 크기 및 제조 비용을 더욱 낮추는 결과를 가져올 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 RFID 센서 태그는 (허용 오차 내에서) 고정된 발진 주파수 부반송파, 예를 들어 BPSK(binary phase shift keying) 또는 ASK(amplitude shift keying)로 변조된 디지털 값으로서 센서 측정 데이터를 전달한다. 따라서, 온도로 인한 발진 주파수의 가능한 드리프트(drift)는 송신된 감지 값에 영향을 주지 않는다. 예를 들어, US 2011/0301903에서 제안된 바와 같이, 압력 센서와 같은 감지 엘리먼트 자체만이 제조 또는 사용되는 동안 교정을 필요로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 발진 주파수(fosc)는 주파수가 압력과 같이 감지된 값에 따라 변화하는 오실레이터에 의해 생성된다. 압력 값과 같은 감지된 값의 변화는 발진 주파수(fosc)의 변화를 일으킨다. 오실레이터(23)의 온도 의존성으로 인해 발진 주파수가 드리프트되거나 변화하는 경우, 수신된 발진 주파수 및 이에 따라 판독기에 의해 검출된 감지 값에 오차가 생기게 된다. 따라서, 정확도의 관점에서 실제 감지된 양의 변화에 따른 발진 주파수 변화 및 오실레이터의 온도 의존성에 따라 야기되는 발진 주파수 변화를 구분하는 것이 중요할 수 있다. 변조 주파수(fosc)의 온도 의존성의 예시는 도 3b에 도시되어 있으며, 이하에서 설명될 것이다.
따라서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 기준 오실레이터(23-ref) 또는 기준 부하(31-ref/32-ref)는 다른 용도에 추가적으로 또는 대안적으로 온도 보상을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준 부하(31-ref/32-ref)와 함께 사용되는 오실레이터(23)의 발진 주파수(fosc)의 온도 의존성은 미리 정의되거나 공지될 수 있으며, 발진 주파수(fosc)는 오직 온도의 영향만 받으므로 수동형 무선 센서 태그의 온도는 r 오실레이터(23)의 발진 주파수(fosc)로부터 결정될 수 있다. 판독기(11)는 온도 보상 및/또는 태그의 교정을 위해 얻어진 온도 정보, 및 특히 실제 공진기(31), 실제 센서(32) 또는 한 쌍의 공진기(31) 및 감지 엘리먼트(32)와 함께 사용될 때의 오실레이터(23)의 발진 주파수를 이용할 수 있다. 그렇지 않으면, 감지된 양의 값에서 온도의 영향을 정확하게 상쇄시키는 것은 불가능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오실레이터(23)로부터 출력되는 변조 주파수가 감지 엘리먼트(32)의 미리 결정된 변수의 감지 값에 의존하도록 오실레이터(23)를 로드하기 위하여, 기준 부하(31-ref/32-ref), 센서(32) 또는 한 쌍의 공진기(31) 및 감지 엘리먼트(32)를 한 번에 하나씩 선택적으로 연결하기 위한 수단(39)이 있을 수 있다. 유사하게, 수단(39)은 오실레이터(23) 및 기준 오실레이터(23-ref)의 사용 사이에서 스위칭하도록 배열될 수 있다. 기준 오실레이터(23-ref) 또는 기준 부하(31-ref/32-ref)가 연결된 오실레이터 모드는 시작(startup) 시 센서 선택기(39)의 디폴트(default) 구성일 수 있다. 선택 수단(39) 및 이에 대한 제어의 예시는 이하에서 설명한다.
도 2c는 본 발명의 일 측면에 따른 수동형 무선 센서 태그의 또 다른 예시적인 레이아웃을 나타낸다. 이러한 예시적인 실시예에서는, 수동형 무선 센서 태그(10)에 하나 이상의 감지 엘리먼트(32-1, 32-2, 32-3), 및/또는 튜닝된 공진기(31-1, 31-2, 31-3) 및 감지 엘리먼트(32-1, 32-2, 32-3)의 하나 이상의 쌍들 각각이 제공될 수 있다. 또한, 공진기는 코일 및 커패시터와 같은 개별 컴포넌트와 결합될 수 있다. 이는 큰 인덕턴스 값이 요구되는 경우에 필요할 수 있다. 각 감지 엘리먼트 또는 튜닝된 공진기 및 감지 엘리먼트 각각의 쌍은 전술한 이점들을 제공하는 별도의 전용 다이(28) 상에서 생성될 수 있다. 또한, 해당 애플리케이션의 요구에 따라, 감지된 양의 상이한 수 및 상이한 조합을 갖는 수동형 무선 센서 태그를 용이하게 생성할 수 있다. 인-빌트형 감지 엘리먼트 또는 공진기 및 감지 엘리먼트의 쌍에 추가적으로 또는 대안적으로, 외부 감지 엘리먼트(미도시)는 접속 단자(40)를 통해 연결이 가능하다. 이러한 외부 감지 엘리먼트는, 예를 들어 밸브의 위치 센서일 수 있다. 외부 감지 엘리먼트를 위한 튜닝된 공진기(31-ext)가 있을 수도 있다. 오실레이터(23)로부터 출력되는 변조 주파수가 감지 엘리먼트(32)의 미리 결정된 변수의 감지 값에 의존하도록 오실레이터(23)를 로드하기 위해 감지 엘리먼트 및/또는 공진기 및 감지 소자의 쌍을 한 번에 하나씩 선택적으로 연결하는 수단이 있을 수 있다는 점을 제외하고는, 다이(37) 상의 컴포넌트는 도 2b를 참조하여 설명한 것들과 유사할 수 있다. 다시 말해, 한 번에 오실레이터를 로드하여 발진 주파수에 영향을 주기 위해 하나의 감지 엘리먼트 또는 한 쌍의 공진기 및 감지 엘리먼트가 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 센서는 개별적으로 판독될 수 있는 다중 감지 엘리먼트들을 구비할 수 있다. 예를 들어, 무선 센서 태그는 스위치 회로와 같은 감지 엘리먼트 선택기(39), 또는 감지 엘리먼트 및/또는 공진기-감지 엘리먼트의 쌍 중에 하나가 오실레이터(23)에 선택적으로 연결되고 나머지들과는 오실레이터(23)로부터 차단되도록 배열되는 아날로그 멀티플렉서(analog multiplexer)를 포함할 수 있다. 선택적인 활성화, 스위칭 또는 접속은 미리 결정된 시퀀스에 따라 수행될 수 있다. 대안적으로, 판독 장치는 어느 감지 엘리먼트(32-1, 32-2, 32-N)가 활성화되거나 스위치 온 되는지를 나타내는 명령을 무선 센서 태그로 전송할 수 있다. 예를 들어, 로직(26)은 판독기로부터 선택 또는 활성화 명령을 수신하고, 이에 따라 선택기(39)를 제어할 수 있다.
반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판) 또는 칩(36) 상에 형성되는 RFID 칩의 크기 및 이에 따른 제조 비용은, 도 2d에 도시된 수동형 무선 센서의 또 다른 예시적인 레이아웃에서 더욱 감소될 수 있다. 도 2d, 및 도 2a, 2b 및 2c에서의 동일한 참조 기호는 동일한 기능 및 구조를 나타낼 수 있다. 도 2d에 도시된 주 회로는 내부 센서들(온도 센서 또는 온도 보상 목적을 위한 공진기를 제외하고)이 집적된 RFID 태그 칩(36) 상에서 구현되지 않는다는 점에서 도 2a 및 2b에 도시된 회로들과는 다르다. 집적된 RFID 태그 칩(36)은 하나 이상의 외부 센서(32) 또는 외부 공진기(31-1) 및 센서(32-1)의 쌍이 접속될 수 있는 접속 단자(41A, 41B, 42A 및 42B)를 포함한다. 집적된 RFID 칩(36)은 본 발명의 측면들을 구현하기 위한 모든 감지 애플리케이션에 공통되는 기능 및 구조들만을 포함할 수 있는 범용 칩인 것이 바람직하다. 이러한 기능들 및 구조들은 적어도 그 주파수 출력이 감지된 값에 의존하는, 즉 감지된 양의 값의 범위가 태그의 발진 주파수 범위에 매핑되는 클락 생성기 또는 오실레이터(23), 기준 공진기(31-ref)와 같은 기준 부하, 오실레이터를 로드하기 위해 기준 부하(31-ref), 공진기, 센서(32) 또는 공진기 및 감지 엘리먼트의 쌍을 한 번에 하나씩 선택적으로 스위칭하는 수단, 및 주파수 상관 정보를 저장하는 메모리(27)를 포함한다.
집적된 RFID 태그 칩(36)은 또한 하나 이상의 내부 공진기(31)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공통 용량성 센서(common capacitive sensors)가 내부 칩 공진기(31)를 사용하도록 접속될 수 있다. 반면에, 외부 공진기(31-1)는 큰 커패시터 및/또는 외부 코일를 갖는 LC 공진기와 같은 큰 사이즈의 컴포넌트로 더욱 용이하게 구현될 수 있다. LC 공진기는 보다 정확한 센서와 더욱 긴 판독 범위를 가능하게 한다. 외부 공진기 및 센서는 서로 간에 매치될 수 있다.
도 2e는 본 발명의 일 측면에 따른 수동형 무선 센서 태그의 또 다른 예시적인 레이아웃을 나타낸다. 도 2e, 및 도 2a, 2b, 2c 및 2d에서의 동일한 참조 부호는 유사한 기능 및 구조를 나타낼 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 수동형 무선 센서 태그(10)에는 다중 오실레이터가 제공될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 관하여 논의된 것과 같이, 기준 오실레이터(23-ref)가 제공될 수 있다. 오실레이터 코어(23')는 접속 단자(41A 및 41B)에 접속된 외부 공진기(31-1) 및 센서(32-1) 쌍들의 외부 쌍을 동작시키는 데 적합한 오실레이터 구성을 포함한다. 기본적으로, 오실레이터 코어(23')는 여기서 도 2a, 2b, 2c 및 2d를 참조하여 논의된, 클락 생성기 블록(23)에 통합된 오실레이터(23) 또는 오실레이터(23)와 유사한 것이다. 오실레이터(23-1)는 접속 단자(42A 및 42B)에 접속되는 외부 센서(32)와 동작하기에 적합한 오실레이터 구성을 포함한다. 기본적으로, 오실레이터(23-1)는 여기서 도 2a, 2b, 2c 및 2d를 참조하여 논의된 클락 생성기 블록(23)에 통합된 오실레이터(23)와 조합되는 공진기(31) 또는 오실레이터(23) 및 공진기(31)의 조합과 유사한 것이다.
도 2f는 공통 캐리어 기판(45) 상에 제공되는 외부 공진기(31-1) 및/또는 외부 센서(32-1) 뿐만 아니라, 외부 안테나(21) 및 본 발명의 측면들에 따른 RFID 칩(36)을 포함할 수 있는 예시적인 수동형 RFID 태그를 나타낸다. 안테나(21) 및 외부 공진기/센서(31/32)는, 예를 들어 MEMS 기기 또는 전도성 와이어를 인쇄함으로써 기판 상에서 생성될 수 있다. RFID 칩(36)은 각각의 단자 또는 접속기(41 또는 42)에 의해 안테나(21) 및 공진기/센서(31/32)에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 제 1 측면에 따른 수동형 무선 센서는 특정 무선 센서 태그에 이용 가능한 센서 기능성에 대한 정보를 포함한다. 이러한 정보는, 예를 들어 센서 태그에서 이용 가능한 감지 엘리먼트(또는 센서 노드 프로파일(sensor node profile)), 감지 엘리먼트로부터 실제 감지 값을 얻을 수 있도록 하는데 필요한 계산 또는 절차, 각 감지 엘리먼트를 질의하는데 필요한 시간, 감지 엘리먼트 값의 범위, 감지 엘리먼트 값의 스케일링(scaling)에 대한 정보, 감지 엘리먼트 값의 단위, 교정 정보, 온도 보상 정보 등을 포함할 수 있다. 센서 노드 프로파일은 무선 센서 태그에서 감지 엘리먼트의 유형을 나타내도록 정의될 수 있고, 무선 센서 태그는 센서 노드 프로파일 식별자(sensor node profile identifier)를 메모리(26)에 저장할 수 있다. 따라서, 후방 산란된 센서 정보의 양은 감소될 수 있고, 판독기는 더욱 구체적인 정보를 얻기 위해 센서 노드 프로파일을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 본 발명의 다른 측면에 따른 수동형 무선 센서의 판독기에 관한 것이다. 일반적으로, RFID 판독기는 특화된 무선 송신기 또는 수신기이다. 이러한 모든 디바이스와 마찬가지로, 판독기는 캐리어 주파수(fcw)(예를 들어, 일반적인 UHF 기기의 경우 800-950 MHz)에서 신호를 생성해야 하고, 정보를 태그로 전달하기 위해 이러한 캐리어 신호를 변조해야 한다. 수동형 태그에 있어서, 판독기는 태그에 에너지를 공급하고 결과를 수신하며, 판독기가 한 번에 하나 이상의 태그를 판독하도록 하는 저레벨의 충돌 방지 알고리즘을 종종 처리할 수 있다. 간단한 RFID 시스템에서, 판독기의 RF 신호는 연속파(CW) 또는 펄스된 온-오프 신호이다. 더욱 정교한 시스템에서, 판독기의 RF 신호는 태그에 대한 명령 및 태그의 메모리를 판독하고 기록하는 명령을 포함할 수 있다. 판독기(11)는 태그로부터의 응답을 선택적으로 수신하고 증폭시키며, 신호를 캐리어 주파수에서 수신된 신호에 포함된 정보의 더욱 낮은 주파수 특성으로 변환할 수 있다.
예시적인 RFID 판독기의 일반적인 블록 다이어그램이 도 4에 도시된다. RFID 판독기(11)는 무선 주파수(RF) 프론트 엔드(40) 및 디지털 제어 섹션(41)의 두 가지 주요 섹션을 포함할 수 있다. 무선 주파수(RF) 프론트 엔드(40)는 RF 신호의 송신 및 수신에 사용된다. RF 프론트 엔드(40)는 RFID 센서(10)로부터, 및 RFID 센서(10)로의 2개 방향의 데이터 흐름에 대응하는 2개의 분리된 신호 경로를 포함할 수 있다. 변조기(401)는 디지털 제어 섹션(41)으로부터의 (명령과 같은) Tx 데이터를 갖는 로컬 오실레이터 신호(RF 캐리어 신호, 신호 fCW)를 변조할 수 있고, 변조된 신호는 전력 증폭기(402)에 의해 증폭되며, 증폭된 신호, 즉 RF 전력(유효 등방성 방사 전력, EIRP) 및 가능한 판독기 명령은 안테나(ANT)를 통해 판독 영역 또는 질의 영역 내에 위치한 센서(10)로 송신된다. 수신기는 안테나(ANT)를 통해 센서(10)로부터 아날로그 후방 산란 신호를 수신한다. 방향성 커플러(coupler) 또는 서큘레이터(circulator)(403)는 센서(10)로의 증폭된 송신 신호와 센서(10)로부터 수신되어 약하게 후방 산란된 신호(fcw± fosc)를 분리한다. 수신된 후방 산란 신호는 약하여, 저잡음 증폭기가 신호가 복조기(404)에서 복조되기 이전 및 이후에 수신된 신호의 진폭을 증가시키도록 제공될 수 있다. 복조기(404)는 복조된 수신 신호 RX 데이터를 디지털 제어 섹션(41)으로 전송할 수 있다. 트랜스폰더(transponder) 또는 태그(10)로부터 수신된 데이터를 복조시키는 경우에 상이한 복조 기술이 사용될 수 있다. RFID 시스템에서 사용되는 변조 및 복조 기술은 BPSK(binary phase shift) 및 ASK(amplitude shift keying)를 포함한다. 판독기 안테나(ANT)의 방사 강도는 질의(interrogation) 범위 및 영역을 결정한다. RFID 시스템의 애플리케이션에 따라, RFID 판독기는 안테나의 공진 주파수, 이득, 방향성 및 방사 패턴이 다른, 상이한 방식으로 설계될 수 있다.
RFID 판독기(11)의 제어 섹션(41)은 RFID 태그로부터 수신된 Rx 데이터에 대한 디지털 신호 처리 및 절차를 수행할 수 있다. 또한, 제어 섹션(41)은 변조, 충돌 방지 절차를 수행하고 RFID 태그(10)로부터 수신된 데이터를 디코딩함으로써 판독기가 RFID 태그와 무선으로 통신하도록 할 수 있다. 이러한 데이터는 일반적으로 태그에 대하여 질문하거나(판독), 태그를 재프로그래밍(기록)하는데 사용된다. 제어 섹션(41)(예를 들어, 마이크로 프로세서)은 일반적으로 디지털 신호 처리(DSP) 블록(410), 메모리 블록(412), 인코더 블록(414), 디코더 블록(413) 및 통신 인터페이스 블록(415)을 포함할 수 있다. 제어 섹션(41)은 RF 프론트 엔드(40)로부터 수신된 복조 신호를 수신하고, 이를 동등한 디지털 신호로 변환할 수 있다. 디코더(43)는 수신된 신호를 Rx 데이터로 디코딩하고, DSP(411)는 Rx 데이터에 대한 데이터 처리를 수행할 수 있다. 메모리 블록(412)은 질의된 Rx 데이터, 판독기의 구성 파라미터, 센서-특정 파라미터 등 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 제어 섹션(41)의 인코더(413)는, 제어 섹션(41)이 하나의 특정 태그 또는 질의 영역의 모든 태그(10)로 메시지 또는 명령을 전송하기 원할 때, 캐리어 신호를 변조하기 위해 Tx 데이터를 인코딩하고, 인코딩된 데이터를 RF 프론트 엔드(40)로 출력할 수 있다. 또한, 제어 섹션(41)는, 예를 들어 전력 증폭기(402)의 이득을 제어함으로써, RF 프론트 엔드(40)의 RF 송신 전력을 제어할 수 있다. 모든 표준 RFID 디지털 통신은 (적절한 변조 기술을 사용하여) 캐리어 주파수(fcw)에서 무선 RFID 센서 또는 태그(10)로부터 수신될 수 있고, 복조기(404) 및 디코더(413)로 처리될 수 있다. 모든 공통 RFID 기능은 ThingMagic의 Mercury6e(M6e)가 임베디드된 UHF RFID 판독기 모듈과 같은 상업용 RFID 판독기로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 측면에 따른 수동형 무선 센서에서 무선 센서의 발진 주파수(fosc)는 측정된 양에 의존하거나 민감하도록 될 수 있다. 다시 말해, fosc는 각 특정 순간에 감지된 양에 비례한다. 또한, 전술한 바와 같이, 수신된 후방 산란 신호는 fosc에 의해 변조된다. 즉, 수신된 후방 산란 신호는 fcw ± fosc의 주파수를 갖는다. 측대역은 도 3a에 나타난 바와 같이, 캐리어 fcw로부터 발진 주파수 fosc 만큼 오프셋된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 판독기(11)는 순간 발진 주파수(fosc)에 기초하여 감지된 양의 값을 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 실제 센서 값을 판독하기 위해 엑세스 명령 또는 태그 메모리의 판독이 필요하지 않다. 예를 들어, 주파수 fosc 획득 엔티티(acquisition entity)(405)는 수신된 후방 산란 신호로부터 fosc 또는 그것을 나타내는 파라미터를 도출하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 정보는 신호(416)에 의해 나타난 바와 같이, 제어 섹션(41)에 추가적으로 제공될 수 있다. 엔티티(405)는 수신된 신호 레벨, 수신된 신호의 신호 대 잡음비(SNR) 등과 같은 수신된 후방 산란 신호에 대한 정보를 선택적으로 도출하고 추가적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, fosc 엔티티는 수신된 신호 fcw ± fosc가 캐리어 fcw와 혼합되어 발진 주파수 신호(fosc)가 얻어지는 다운-믹서(down-mixer)를 포함할 수 있다. 주파수 foffset은 예를 들어, 주파수 카운팅 방법과 같은 적절한 방식으로 측정될 수 있다. fosc는 또한, 예를 들어 fcw와 fcw ± fosc 사이에서 주파수 시프트를 결정함으로써 수신된 신호로부터 직접 검출될 수 있고, 주파수 시프트는 fosc 사이의 발진 주파수에 비례한다. 수신된 신호 레벨은 임의의 적절한 신호 레벨 검출기로 결정될 수 있다. 신호 레벨 정보는 이미 많은 상용 RFID 판독기에서 사용이 가능하다.
예시적인 실시예에서, 판독기에는, 이하의 예시에서 설명되는 바와 같이, 수신된 감지 값의 온도 보상에 사용되는 온도 감지 엘리먼트(417)가 제공될 수 있다.
통신 인터페이스는 OPC(OLE (object linking and embedding) for Process Control)와 같은 적절한 연결 및 프로토콜을 사용하여, 판독기(11)가 호스트 컴퓨터 또는 소프트웨어 애플리케이션(43)과 같은 상위 레벨 시스템과 통신할 수 있게 한다. 예를 들어, 판독기는 RS-228 또는 USB 직렬 연결과 같은 직렬 연결을 사용하여 호스트 컴퓨터에 물리적으로 연결될 수 있다. 또 다른 예에서는, 판독기는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 호스트 컴퓨터(43) 또는 로컬 서버에 연결될 수 있으며, 판독기는 표준 네트워크 장치처럼 동작하고 하드웨어 및 시스템 구성에 대한 특별한 지식을 필요로 하지 않는다. RFID 판독기는 Ethernet, TCP/IP, UDP/IP, HTTP, LAN, WLAN 및 기타 등의 다중 네트워크 프로토콜을 지원할 수 있다. 호스트(43) 또는 서버는 일반적으로 두 가지 주요 기능을 제공한다. 첫째로, 판독기로부터 데이터를 수신하고, 필터링 및 데이터 정렬(collation)과 같은 데이터 처리를 수행한다. 둘째로, 장치 모니터로서 기능하여 판독기가 적절하고 안전하게, 그리고 최신 지침에 따라 기능하는지 확인한다. RFID 판독기는 전원(44)을 더 포함할 수 있다. 전원(44)은, 예를 들어 전력 네트워크에 연결된 적절한 AC/DC 어댑터 또는 배터리 전원일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 판독기(11)는 센서 태그 응답의 센서 변조 주파수를 측정 값으로 변환하도록 구성된다. 수신된 fosc 또는 이를 나타내는 파라미터의 정보는 일반적으로 그만큼 충분하지 않으나, 제어 섹션(11)은 해당 RFID 센서에 대한 추가적인 정보를 요구할 수 있음을 알아야 한다. 일반적으로, 판독기는 변조 주파수 및 센서 값 사이의 상관관계를 인지해야 한다. 제어 섹션(41)은 감지된 양의 실제 값을 도출하기 위하여 변조 주파수 - 센서 값 상관 정보를 사용할 수 있다. 판독기는, 예를 들어 필요한 교정 동작, 필요한 계산, 센서 태그에서 이용가능한 감지 엘리먼트, 각각의 감지 엘리먼트들에 질의하는데 필요한 시간 등에 대한 정보를 추가로 요구할 수 있다. 센서 주파수 변조 응답을 측정 값으로 변환하기 위한 정보는, 예를 들어 센서 범위, 스케일링에 대한 정보, 측정 단위, 교정 정보, 온도 보상 정보 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 임의의 조합의 이러한 모든 정보는 주파수-센서 값 상관 정보로 지칭된다.
본 발명의 실시예에 따른 적응형 판독기는, 본 명세서의 예시적인 실시예들에서 나타난 바와 같이, 충분한 연산 능력을 갖는 RFID 판독기로 구현될 수 있거나, 필요한 연산의 적어도 일부를 수행하는 원격 또는 로컬 연산 장치(예를 들어, PC)와 연결된 RFID 판독기로 구현될 수 있음을 알아야 한다. RFID는 연산 장치가 호출할 수 있는 특수 기능 인터페이스를 연산 장치에 제공할 수 있다. 예를 들어, 판독기는 “dumb” 장치일 수 있는데, 이는 RFID 트랜시버 기능을 제공하고, 감지 값으로의 변환을 수행하는 다른 연산 장치로 변조 주파수 정보를 전송한다. 태그에 대한 모든 명령 및 태그로부터의 응답 처리는 다른 연산 장치에 의해 처리될 수 있다.
변조 주파수-센서 값 상관관계의 예시들은 도 3b 및 3c에 도시되어 있다. 도 3b에 나타난 예에서, 상관 곡선 +20°C는 공칭(nominal) 변조 주파수(fosc)가 256kHz인 경우에 +20°C 의 온도(태그의 동작 온도)에서의 변조 주파수(fosc)의 함수로 압력 센서의 압력 값(mBar)을 나타낸다. 주파수의 가능한 온도 의존성을 나타내기 위하여, 유사한 상관 곡선이 온도 -40°C, -20°C, +40°C 및 +65°C에 대하여 도시되어 있다. 도시된 예에서, 감지된 압력 값들은 공칭 fsoc 256kHz에 +2…+25 kHz인 주파수 범위, 즉 258 - 281 kHz의 범위에 매핑된다. 감지된 주요 동작 레벨(압력)은 990mBar와 1010mBar의 사이에서 정의된다. 도 3c에 도시된 예시에서, 상관 곡선은 공칭 변조 주파수 fosc가 640kHz일 때, 가스 센서의 압력 값(mBar)을 변조 주파수 fosc의 함수로 나타낸다. 도시된 예에서, 감지된 압력 값은 공칭 fosc 640kHz에 +22…+64 kHz인 주파수 범위, 즉 663 - 704 kHz의 주파수 범위에 매핑된다. 감지된 주요 동작 레벨(압력)은 또한 약 300mBar로 정의된다. 2개의 센서 1 및 2를 갖는 RFID 센서 태그에 제공되거나 저장될 수 있는 예시적인 센서 구성 정보 또는 주파수-센서값 상관 정보가 도 3d에 도시되어 있다. 센서 1은 도 3b에 도시된 상관 데이터를 갖는 센서와 유사할 수 있고, 센서 2는 도 3c에 도시된 상관 정보를 갖는 센서와 유사할 수 있다. 도시된 데이터 구조뿐 아니라 센서 파라미터 및 데이터는 예시에만 제한되는 것이 아님을 알아야 한다.
본 발명의 측면들에 따른 수동형 무선 센서 및 선택적으로 판독기를 사용하여, 수동형 무선 센서의 판독 거리는 룸 스케일인 수 미터로 증가될 수 있다. 증가된 판독거리는 하나의 동일한 판독기로 (증가한 판독 거리 내에 위치하는) 다중 수동형 무선 센서를 판독하는 것을 가능하게 한다. 다중 무선 센서는 다양한 유형의 감지 엘리먼트, 다양한 판독 주기, 다양한 센서 값 포맷/범위, 다양한 온도 보상 장치, 다양한 교정 장치 또는 다른 센서-특정 파라미터, 특징 또는 구성을 가질 수 있다. 단일 수동형 무선 센서와 상이한 구성 및 파라미터를 갖는 여러 감지 엘리먼트가 있을 수 있다. UHF RFID 기술(예를 들어, 표준 Class-1 Gen-2 충돌 방지)은, 예를 들어 다중 무선 태그의 판독에 관한 대부분의 문제를 다루었으나, 상이한 센서 특성을 갖는 다중 수동형 무선 센서를 관리 및 판독하는 방법, 루틴, 장치를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 측면은 상이한 센서 특성을 갖는 다중 수동형 무선 센서를 관리하고 질의하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수-센서 값 상관 정보는 RFID 센서 태그(10)의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. 예를 들어, 주파수-센서 값 상관 정보는 ISO 18000-6C에서 정의된 “제조업체 레코드 블록”과 같은 RFID 센서 태그 메모리의 제조 독점 데이터에 할당된 메모리 위치에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수-센서 값 상관 정보는 RFID 센서 태그에 정보를 저장하는 것 대신에 또는 추가적으로, RFID 센서 태그 이외의 위치에 저장될 수 있다. 도 5는 여러 상이한 위치 상의 주파수-센서 값 상관 테이블을 저장하는 예를 나타낸다. 예를 들어, 주파수-센서 값 상관 정보는 판독기(11), 호스트(43), 많은 판독기를 사용할 수 있는 로컬 서버 및/또는 원격 서버, 전역적으로 복수의 판독기를 사용할 수 있는 인터넷 또는 클라우드에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, RFID 센서 태그 이외의 위치에 저장된 상관 정보는 각각의 개별 RFID 센서 태그가 구분될 수 있도록, EPC와 같은 RFID 태그의 고유 식별자와 연관될 수 있다. 일 실시예에서, RFID 센서 태그 이외의 위치에 저장된 상관 정보는 센서 유형과 연관될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수-센서 값 상관 정보는 판독기가 설치 및 구성되는 동안 판독기에 저장될 수 있다. 주파수-센서 값 상관 정보는 태그 또는 센서의 유형이 식별되기 전, 예를 들어 태그 EPC가 판독되기 전에는 RFID 센서 태그에 사용이 불가할 수 있다. 판독기는 태그 또는 센서의 유형을 식별하기 전에는 특정 RFID 센서 태그에 대한 주파수-센서 값 상관관계에 대한 정보나 정확한 정보가 없을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수-센서 값 상관 정보의 사본은 RFID 센서 태그로부터의 상관 정보를 판독하는 중에 판독기에 저장될 수 있다. 주파수-센서 값 상관 정보는 태그가 식별된 후, 예를 들어 태그 EPC가 식별된 후에 RFID 센서 태그의 메모리로부터 판독될 수 있다. 판독기는 태그로부터의 상관 정보를 판독하기 전에는 특정 RFID 센서 태그에 대한 주파수-센서 값 상관에 대한 정보나 정확한 정보가 없을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 판독기(11)는 RFID 센서 태그 외의 위치, 예를 들어 서버, 클라우드 또는 인터넷으로부터 주파수-센서 값 상관 정보의 사본을 검색할 수 있다. 판독기는 태그 EPC와 같은 태그의 고유 식별자에 기초하여 특정 RFID 센서 태그의 주파수-센서 값 상관 정보의 사본을 검색할 수 있다. 일 실시예에서, 판독기는 판독 범위 내의 RFID 태그의 감지 엘리먼트 유형에 대한 지식에 기초한 주파수-센서 값 상관 정보의 사본을 검색할 수 있다. 주파수-센서 값 상관 정보는 태그 또는 센서 유형이 식별되기 전, 예를 들어 태그 EPC가 판독되기 전에는 특정한 RFID 센서 태그에 대해 사용 가능하거나 검색 가능하지 않을 수 있다. 판독기는 태그 또는 센서 유형을 판독하기 전에는 특정 RFID 센서 태그의 주파수-센서 값 상관에 대한 정보 또는 정확한 정보가 없을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, RFID 센서 태그에 영구적으로 저장되는 주파수-센서 값 상관 정보는 태그로부터 판독기, 호스트(43) 또는 서버로 수집(복사)되어, 특정 RFID 센서 태그가 다시 인벤토리될 때 태그로부터의 상관 정보를 재판독할 필요가 없도록 할 수도 있다. 태그가 로컬에서 또는 글로벌하게 시스템에서 처음 인벤토리된 경우에, 상관 정보는 한 차례만 태그로부터 판독되고, 시스템에 저장될 수 있다. 그 후에, 인벤토리 내의 특정 태그를 찾는 판독기는 시스템의 다른 위치로부터 상관 정보를 검색할 수 있다. 이로 인해, 시그널링(signalling), 및 무선 인터페이스를 통해 전송되는 데이터는 감소되어, 더욱 빠른 동작과 전력의 절감을 가져온다. 또한, 시스템 내 태그의 운영 및 관리가 자동화될 것이다.
본 발명의 일 측면은 상이한 센서 특성을 갖는 다중 수동형 무선 센서를 제어하고 질의하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 측면에 따른 SRFID 판독기(11)와 수동형 무선 센서(10)의 용이한 핸드 셰이크를 제공하도록 일반적인 레벨에서, SRFID 판독기 핸드셰이크 방법이 설계된다. 각각의 수동형 무선 SRFID 센서(10)는, 예를 들어 전술한 다중 감지 엘리먼트(32)를 가질 수 있다. 기본적으로, 수동형 SRFID 센서 노드(10)는 단순히 감지 엘리먼트가 부착된 RFID 태그이다. 이들은 일단 어떤 정보가 핸드셰이크에 첨부되면, “clever” 장치가 된다. 단순히 수동형 RFID 센서를 질의하거나 “dumb” 센서 값을 판독하는 것 대신에, 우리는 장치에 많은 정보를 저장할 수 있다. 이러한 정보는 실제 측정값을 얻는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 우리는 측정값으로부터 온도 문제를 보상하는 다양한 방법을 사용할 수 있다.
판독기(11) 및 3개의 수동형 무선 센서(10-1, 10-2 및 10-3)의 예시적인 셋업(setup)이 도 6에 도시되어 있다. 각각의 수동형 무선 센서(10-1, 10-2 및 10-3)는 하나의 또는 다중 감지 엘리먼트(32)를 갖는다. 예시적인 셋업에서, 제 1 수동형 무선 센서(10-1)는 압력 감지 엘리먼트(P) 및 온도 감지 엘리먼트(T)를 포함한다. 제 2 수동형 무선 센서(10-2)는 습도 감지 엘리먼트(H) 및 온도 감지 엘리먼트(T)를 포함한다. 제 3 수동형 무선 센서(10-3)는 단일 감지 엘리먼트인 품질 소자(Q)만을 포함한다. 일반적으로, 온도 센서(T)는 각 무선 센서(10)의 다른 감지 엘리먼트 또는 공진기의 온도 의존성을 보상하기 위해 사용될 수 있고, 그렇지 않으면, 온도 의존성은 측정을 조작하게 될 것이다.
태그(10)와 판독기(11)(인터로게이터라고도 한다) 사이의 모든 통신은 때로 무선 인터페이스라고도 하는 무선 링크를 통하여 완전히 발생한다. 두 장치 사이에서 송신 및 수신되는 명령의 시퀀스(인벤토리 라운드라고도 한다)를 통해, RFID 판독기(11)는 전자 제품 코드(EPC)와 같은 RFID 태그의 식별자 코드를 식별할 수 있다. 수동형 태그에 있어서, 기본적인 아이디어는 판독기가 쿼리(query) 명령으로 인벤토리 라운드를 시작한다는 것이다. 쿼리 명령은 필수적으로 태그를 “wake up”하며, 적절한 정보로 응답한다. ISO 18000-6C 표준(EPC global protocol Generation 2)에 따르면, 도 6에 일반적으로 도시된 바와 같이, RFID 태그는 핸드셰이크 방식에 따라 미리 정의된 명령에 대해 미리 정의된 응답으로 반응하도록 설계된다. RFID Q 프로토콜(표준 Class-1 Gen-2 충돌방지)은 태그 경합 제어, 예를 들어 얼마나 빨리, 얼마나 자주 태그가 판독기(11)에 응답하는지 정의된다.
태그(10)가 판독기(11)의 RF 필드로 들어가자마자, 준비 상태(Ready state)로 변경되고, 선택 명령(Select command)을 수신한다. 선택 명령은 모든 태그로 전송되어 따라오는 인벤토리 프로세스에 참여할지 여부를 각각에 통지한다. 다중 선택 명령이 어떤 태그가 응답할지를 정확하게 정의하기 위해 사용될 수 있다. 판독기(11)와 태그(10) 사이의 모든 교환은 하나 이상의 선택 명령에서 시작한다. 태그는 선택 명령에 응답하지 않는다. 이제 명령의 인벤토리 그룹은 각각의 개별 태그가 식별 및 프로세스되는 단일화 프로세스를 시작하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 인벤토리 라운드는 브로드캐스팅되는 쿼리(query) 명령에서 시작하며, 이러한 명령은 각각의 태그(10)가 범위(0, 2Q-1)에서 슬롯 카운터 번호를 생성하는 것으로부터 Q 값(0에서 15)을 전달한다. 대부분의 판독기는 필드에서 태그의 수에 따라 Q값을 역동적으로 조절하여, 잠재적 판독 속도를 증가시킨다. 태그가 영(0)의 슬롯 카운터 값을 생성하면, 16-비트 난수(RN 16)를 전송하고 동시에 응답 상태(Reply state)로 전이하는 것을 허용한다. 다른 태그는 상태를 대기(Arbitrate)로 변경하고 기다린다. 태그로부터의 RN16 응답이 성공적으로 수신되면, 판독기는 동일한 16-비트 난수와 함께 ACK 명령을 보냄으로써, 응답한다. 이제 이러한 응답은 태그(10)가 일부 프로토콜 제어 비트 PC 데이터와 함께 태그 ID, 전자 제품 코드(EPC), 16-비트 에러 체크(CRC16)를 되돌려 보내고, 상태를 승인(Acknowledged)으로 변경하도록 한다. PC 비트는 넘버링 시스템 및 선택적으로 태그가 부착된 객체의 유형(the application family identifier(AFI))과 관련된 일부 정보뿐만 아니라 태그에 저장된 EPC의 길이를 제공한다.
태그(10)에 대해 추가적인 동작이 수행될 필요가 있고, 태그(10)는 EPC 번호를 반환하고 승인(Acknowledged) 상태에 있다면, 판독기(11)는 읽기(Read), 쓰기(Write), 잠금(Lock) 및 킬(KILL)과 같은 동작을 하도록 태그(10)를 개방(또는 보안) 상태로 전이시키기 위한 엑세스 명령을 전송한다. 읽기 동작은 태그(10)의 메모리로부터 단일 또는 다중 데이터 블록을 판독하는데 사용된다. 쓰기 동작은 태그(10)의 메모리에 단일 및 다중 데이터 블록을 기록하는데 사용된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수 상관 정보가 태그(10)에 저장되고, 주파수 상관 정보가 태그(10)로부터 이미 수집되어 있지 않고/또는, 판독기(10) 또는 네트워크의 다른 위치(도 6 참조)에 이미 저장되어 있지 않으면, 판독기(11)는 (도 7의 A지점에서) 상관 정보를 엑세스 명령으로 쿼리할 수 있다. 이러한 추가적인 엑세스는 다중 센서 태그의 어느 센서가 태그에 의해 현재 사용되는지를 확인하기 위해서도 이루어진다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수 상관 정보가 태그(10)에 저장되지 않고 판독기 또는 네트워크의 다른 위치에 저장되거나, 주파수 상관 정보가 태그(10)로부터 이미 수집되고, 판독기(10) 또는 네트워크의 다른 위치(도 6 참조)에 이미 저장되어 있는 경우, 일단 (PC, EPC, CRC16) 응답을 수신하면 (도 7의 B지점에서) 판독기(11)는 EPC를 사용하여 태그(10)의 올바른 상관 정보를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 목적을 위해서는 엑세스 명령 또는 태그 메모리의 판독이 요구되지 않을 수 있다.
ISO 18000-6C 표준은 RFID 태그가 40-640kHz의 변조 주파수 범위를 지원한다고 정의한다. 이러한 주파수는 후방산란 중에 ±2.5%의 허용 오차를 갖는다. 변조 주파수 fosc의 허용된 ±2.5%의 변동은 센서 값의 전송 목적을 위해서는 너무 작은 주파수 범위일 수 있다. 센서 값 범위는, 예를 들어 센서 판독이 250kHz±2.5 % = 241.75-256.25kHz로 변조되는 것처럼 허용된 주파수 오차 범위 내에서 변조 주파수에 매핑되어야 한다. 판독기(11)는 주파수를 검출하지 못할 수 있고, 이에 따라 센서 값을 충분한 해상도로 정확히 검출할 수 없다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 예시적인 변조 주파수-센서 값 상관관계는 허용된 주파수 오차 범위 내에 있지 않을 것이다.
그러나 후방 산란 이전에 허용되는 기본 주파수 허용 오차는 훨씬 더 높다. 선택된 링크 주파수, 즉 선택된 공칭 변조 주파수에 따라 허용 오차는 640kHz에서 ±15%, 320kHz에서 ±10%, 256kHz에서 ±10%, 40kHz에서 ±4%가 될 수 있다. 다시 말해, 태그(10)는 RN16을 높은 허용 오차의 변조 주파수로 응답하도록 허용되고, 판독기(11)는 이러한 변조 주파수에 고정되며, 태그 변조 주파수는 나머지 섹션 동안 고정된 변조 주파수로부터 단지 ±2.5%만 달라지는 것이 허용된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 센서 태그(11)와의 하나의 세션 동안 변조 주파수에 대한 오직 하나의 값 및 이에 따른 태그의 현재 센서 값이 얻어질 수 있다. 태그와의 세션은 동일한 감지 엘리먼트 또는 다른 감지 엘리먼트의 새로운 값을 판독하기 전에 해제되므로, 변조 주파수가 새로운 감지 값과 일치하도록 변할 수 있다.
예를 들어, 변조 주파수 및 이에 따른 태그의 현재 센서 값은 RFID 판독기의 고정 상태(locking phase), 예를 들어 RN16 응답(도 7의 C 지점) 또는 수신된 응답(PC, EPC, CRC 16)으로부터의 주파수 고정 이후(도 7의 B 지점)에서 이미 판독될 수 있다. 변조 주파수 및 이에 따른 태그의 현재 값은 또한 같은 세션 동안, 예를 들어 도 7에서 A의 액세스 지점에서 생성될 수 있으나, 변조 주파수 및 감지된 값은 변경되지 않아야 한다. 센서 값의 범위는, 허용된 주파수 오차 범위 내에서 변조 주파수에 매핑된다. 예를 들어 센서 판독값은 250kHz ±10% = 225-275kHz로 변조된다. 또한, 도 3b에 도시된 예시적인 변조 주파수 센서 값 상관 관계는 허용된 주파수 오차 범위 내에 속할 것이다.
태그(10)는 둘 이상의 센서를 포함하는 다중-센서 태그일 수 있다. 하나의 태그(10)의 다중 센서는 추가적인 동작을 필요로 한다. 판독기(11)가 다중-센서 태그(10)에 쿼리할 때, 다중 센서 중 어느 것이 태그의 후방 산란된 신호를 변조시키는지 알 수 없다. 추가적인 엑세스(도 7의 A 지점)는 다중-센서 태그의 어느 센서가 현재 태그에 의해 사용되는지를 확인하기 위해 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 온도 보상 센서 또는 기준 센서와 같은 센서의 특정 유형이 항상 응답하는 최초의 센서라는 것이 디폴트(default)일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 판독기(11)는 다중 센서 태그(10)의 특정 센서를 활성화시키는 명령을 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 판독기(11)는 다중 센서 태그(10)의 특정 센서를 활성화 시키는 쿼리(Query) 명령을 사용할 수 있다. 예를 들어, ISO 18000-6C 표준은 센서가 있는 태그를 활성화 시키기 위한 쿼리 명령에 추가적인 비트를 제공한다. 이러한 비트는 태그(10) 내의 특정 센서를 활성화하는 이 경우에 사용될 수 있다. 오직 2비트만이 사용 가능하므로, 이러한 접근 방식을 사용하여 태그(10) 내의 최대 3개의 상이한 센서를 활성화할 수 있다. 이러한 종류의 접근 방식은 어느 센서가 어느 비트에 의해 활성화될 것인지에 관한 사전의 지식을 필요로 한다. 예를 들어 미리 결정된 2-비트 패턴이 각 센서에 할당된다. 이러한 정보는 판독기 또는 모든 사용 가능한 센서 태그에 대한 네트워크의 일부 다른 위치에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 미리 결정된 비트 패턴은 온도 보상 센서 또는 기준 센서와 같은 특정 유형의 디폴트 센서에 대해 예약될 수 있다. 또 다른 예시에서, ISO 18000-6C 표준은, 예를 들어 센서를 포함하는 태그를 활성화 시키기 위한 어떠한 사용자 명령을 포함할 수 있는 핸들 센서(HandleSensor)를 제공한다.
감지된 값의 전송은 태그-인터로게이터 변조 주파수를 기반으로 하기 때문에, 변조를 위해 허용된 최대 ±2.5%의 변동으로 인해 정상 세션 동안 변조 주파수를 변화시킬 수 없다. 결과적으로, 동일한 세션 동안 태그(10)의 센서를 변경하고 태그의 다중 센서를 판독하는 것은 허용된 것보다 변조 주파수의 더욱 큰 변동을 야기시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 센서 태그(10)의 센서는 이전의 판독 주기 동안 바뀌고, 따라서 새로운 센서에 의존하는 새로운 변조 주파수 fosc로 재발견 되는 순간을 위해 태그가 해제(세션이 종료)된다. 다시 말해, 도 8a 및 8b에 도시된 예시에 나타난 바와 같이, 새로운 인벤토리 라운드 또는 쿼리를 위한 새로운 센서는 현재의 인벤토리 라운드 또는 현재 활성화된 센서와 수행되는 쿼리(query) 동안 사전 선택될 수 있다.
센서 또는 오실레이터를 변경시키는 실제 절차는 중요하지 않다. 판독기(11)로부터의 활성화 또는 질의 명령은 메모리 위치 또는 원하는 감지 엘리먼트의 선택 및 활성화를 제어하는 레지스터, 예를 들어 도 2b 및 2c에 도시된 센서 선택기(39)의 제어 레지스터(예를 들어, 쓰기 명령과 함께)에 직접 엑세스 될 수 있다. 다른 예시에 따르면, 판독기로부터의 명령은 RFID 로직(26)이 필요한 활성화 동작을 하도록 명령할 수 있다. 예를 들어, 핸들 센서 명령은 태그(10)를 명령하기 위해 사용될 수 있다. 태그(10)는 다음에 새로운 인벤토리가 발생하면 새로운 센서가 오실레이터의 일부가 되는 동작을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 오실레이터의 변경은 즉각적일 수 있으며, 이는 아마도 변조 주파수의 ±2.5% 이상의 변화를 유발하고, 이에 따라 판독기가 세션을 중단시키도록 한다. 또 다른 예에서는, 센서의 변경이 센서가 준비 또는 대기 상태로 변경된 후에 발생하도록 연기된다.
본 발명의 일 측면은 감지된 양의 값에서 온도의 영향을 상쇄시키기 위한 센서 측정의 온도 보상에 관한 것이다. 도 7의 예시에서, 센서 태그(10-1 및 10-2)에는 온도 보상 목적을 갖는 온도 센서(T)가 제공된다. 온도 감지 성능은 도 2c 및 2d에 도시된 기준 공진기(31-ref)와 같은 기준 공진기 및/또는 이와 연관된 온도 센서에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 통합 온도 감지 성능을 갖는 센서 태그의 경우, 태그에는 오실레이터의 온도 의존성을 보상하는 내부 온도 보상도 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (압력 센서와 같은 실제 감지 엘리먼트에 추가로) 통합 온도 감지 성능을 갖는 센서 태그의 경우, 온도 값은 판독기(11)에서 실제 센서 값의 변환에 사용되기 때문에, 먼저 질의될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 판독기(11)는 도 4에 도시된 온도 센서(417)와 같은 온도 보상 목적을 위한 온도 감지 엘리먼트를 포함할 수 있다. 센서 태그의 온도 감지 실행을 대신한 판독기(11)의 온도 감지는, 센서 태그의 크기 및 비용의 절감을 가져올 것이다. 이는 또한 센서 태그의 모든 유형에 대해 온도 보상을 가능하게 한다. 센서 태그가 통합 온도 감지 성능을 갖는다면, 판독기(11)는 자체의 온도 측정치를 무시하거나, 온도 값은 센서 태그로부터 질의된 온도 값과 비교되어, 예를 들어 질의된 온도 값의 유효성을 검증할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 판독기(11)에 의한 센서 태그의 교정이다. 판독기(11)는, 예를 들어, 기준 측정에 따라 실제 정확한 값이 알려져 있더라도 센서 태그(10) 내 감지 엘리먼트(32)의 측정 값을 여러 번 질의할 수 있다. 실제 측정된 양은 교정 중에 변경되어, 측정 값이 여러 다른 측정치로 저장될 수 있다. 질의된 값과 알려진 실제 값의 상관 관계 또는 오차가 결정될 수 있고, 교정 파라미터가 질의된 값을 보정하기 위해 정의될 수 있다. 교정 파라미터는 판독기(11)에 저장 및/또는 여러 호스트(43)나 서버로 전송될 수 있다. 센서 태그(11)의 교정은 항상 판독기(11)의 도움을 필요로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 교정 정보는 또한, 센서 태그에 저장된다. 이는 센서 태그를 하나의 판독기(11)의 범위로부터 다른 판독기의 범위까지 로밍할 수 있게 한다. 새로운 판독기(11)에 의한 핸드셰이크 동안 교정 정보가 질의될 수 있고, 새로운 판독기는 이전의 판독기에서 이미 수행된 교정 절차를 반복할 필요가 없을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 센서 태그(10)는 미리 처리된 값을 센서 값으로서 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서 태그(10)는 특정 기준이 측정된 양에서 충족되는지 여부에 대한 표시를 센서 값으로서 제공할 수 있다. 예를 들어, 가스 누출 감지 엘리먼트를 갖는 센서 태그는 모니터링된 주위 가스의 온/오프 표시만을 제공할 수 있다. 이러한 종류의 온/오프 신호는 정확한 측정 값을 갖는 신호보다 더욱 먼 거리에 도달할 수 있다. 판독기(11)는 핸드셰이크 동안 쿼리하거나 트리거(trigger) 기준 또는 한계 값을 설정할 수 있다.
본 발명의 개념이 통상의 기술자에게 여러 가지 명백한 대안적 방법으로 실현될 수 있음은 자명하다. 본 발명 및 그 실시예들은 전술한 예시들에 한정되지 않고, 청구항의 범위 안에서 변동될 수 있다.

Claims (18)

  1. 후방 산란 원리로 통신하기 위한 무선 주파수 식별(RFID) 판독기 및 적어도 하나의 수동형 RFID 센서 태그를 갖는 시스템에서 센서 값을 질의(interrogating)하는 방법으로서,
    디지털 응답을 전달하는 변조된 후방 산란 신호는 변조 신호에 의해 질의 주파수로부터 오프셋(offset)된 측대역(sideband)을 포함하고,
    상기 방법은 상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
    오실레이터로부터 출력되는 변조 주파수가 감지 엘리먼트에 의해 감지된 양(quantity)의 값에 의존하도록, 상기 감지 엘리먼트에 의해 로드된 상기 오실레이터를 갖는 상기 수동형 RFID 센서 태그로 라디오 주파수 질의 신호를 전송하는 단계;
    상기 수동형 RFID 태그로부터 발진 주파수로 변조된 후방 산란 라디오 주파수 신호를 수신하고, 상기 디지털 응답을 전달하는 변조된 후방산란 신호의 측대역의 오프셋은 상기 감지된 양의 값에 의존하고, 또한 그 값을 전달하도록 구성되는, 단계;
    상기 수동형 RFID 태그를 식별하는 단계; 및
    상기 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 미리 결정된 센서 구성 정보에 기초하여, 상기 후방 산란된 신호의 변조 주파수를 상기 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 센서 구성 정보는 상기 식별된 수동형 RFID 태그에서 이용 가능한 감지 엘리먼트 또는 감지 엘리먼트들에 대한 정보를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수동형 RFID 센서 태그의 비-휘발성 메모리에 상기 센서 구성 정보를 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 RFID 판독기에 의해 이전에 식별된 상기 수동형 RFID 태그에 대한 상기 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 상기 RFID 판독기에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
    상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
    상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디(identities)를 수신하는 단계;
    새로운 수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
    상기 새로운 수동형 RFID 센서 태그의 판독된 센서 구성 정보를, 적어도 일시적으로 상기 RFID 판독기, 그리고 선택적으로 적어도 하나의 네트워크 요소에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 RFID 센서 태그에 정보를 영구적으로 저장하는 것 이외에 또는 대신에, 적어도 하나의 네트워크 요소에 적어도 일시적으로 복수의 RFID 센서 태그의 상기 센서 구성 정보를 유지하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 적어도 하나의 네트워크 요소는 상기 판독기에 연결된 하나 이상의 로컬 호스트, 복수의 로컬 판독기를 사용할 수 있는 로컬 서버, 또는 복수의 판독기를 전역적으로(globally) 사용할 수 있는 원격 서버를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
    상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
    상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디(identities)를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 네트워크 요소로부터 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 상기 센서 구성 정보를 쿼리(quering)하는 단계;
    상기 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 상기 쿼리된 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 상기 판독기에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
    상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
    상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디(identities)를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 네트워크 요소로부터 상기 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보를 쿼리하는 것을 먼저 시도하고, 상기 새로 식별된 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보가 상기 시스템의 상기 적어도 하나의 네트워크 요소에서 이용 가능하지 않다면, 수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 상기 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
    상기 새로운 RFID 센서 태그의 쿼리 또는 판독된 센서 구성 정보를 적어도 일시적으로 상기 판독기에 저장하고, 선택적으로 상기 새로운 RFID 센서 태그의 상기 판독된 센서 구성 정보를 상기 적어도 하나의 네트워크 요소에 전송하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 시스템의 RFID 판독기 측 상에,
    상기 RFID 판독기의 판독 범위 내의 수동형 RFID 센서 태그의 인벤토리를 생성하는 단계;
    상기 RFID 판독기의 상기 판독 범위 내의 상기 수동형 RFID 센서 태그의 세션 아이디를 수신하는 단계;
    상기 수동형 RFID 센서 태그의 메모리에 엑세스하여, RFID 판독 동작으로 상기 수동형 RFID 센서 태그의 제 1(first piece) 센서 구성 정보를 판독하는 단계; 및
    제 1 정보에 기초하여, 상기 수동형 RFID 센서 태그의 제 2(second piece) 센서 구성 정보를 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 수동형 RFID 센서 태그의 센서 구성 정보는 상기 수동형 RFID 센서 태그의 고유 식별자(unique identifier)와 연관되는, 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 후방 산란된 신호의 발진 주파수를 상기 감지된 양의 실제 값으로 변환하는 방법에 대한 정보는 값의 범위, 값의 스케일링, 측정 단위, 교정 정보, 온도 보상 정보 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 구성 정보는 디폴트(default) 감지 엘리먼트에 대한 정보, 감지 엘리먼트를 선택적으로 활성화하기 위한 정보, 상기 수동형 RFID 센서 태그 내의 센서 선택기에 대한 센서 활성화 명령 파라미터, 및 감지 엘리먼트를 선택적으로 활성화시키기 위한 RFID 명령에 사용되는 미리 결정된 비트 또는 비트 패턴 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 온도 보상 정보는, 오실레이터가 각각의 감지 엘리먼트에 의해 로드될 때 후방 산란된 신호의 발진 주파수로부터 온도 변화의 효과를 상쇄하는 각 감지 엘리먼트의 발진 주파수 온도 보상 정보를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수동형 RFID 센서 태그는 미리 결정된 기준에 따라 상기 감지된 양의 값을 전처리(pre-process)하고, 센서 구성 정보는 상기 미리 결정된 기준에 대한 정보를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는 RFID 판독기.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 RFID 판독기는 RFID 판독기 디바이스 및 상기 RFID 판독기 디바이스를 제어하도록 연결된 원격 또는 로컬 컴퓨팅 디바이스를 포함하는 장비인, RFID 판독기.
  17. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항의 방법에 따른 센서 구성 정보의 적어도 일부를 영구적으로 저장하는 수단을 포함하는 수동형 RFID 센서 태그.
  18. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항의 방법에 따른 센서 구성 정보의 적어도 일부를 영구적으로 또는 일시적으로 저장하는 수단을 포함하는 네트워크 요소 시스템.
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