專利名稱：一種有源rfid系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的能耗控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸的一種通信技術(shù)。其作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為重要技術(shù)之一，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)中都有著廣闊的應(yīng)用前景。射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸成為企業(yè)提高物流供應(yīng)鏈管理水平，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理信息化，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，參與國(guó)際經(jīng)濟(jì)大循環(huán)不可缺少的技術(shù)工具和手段。同時(shí)，射頻識(shí)別也是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其在人們生活中的地位日益凸顯，以致我們隨處可見，如第二代身份證、公交卡、門禁系統(tǒng)等
坐寸o射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括讀寫器和電子標(biāo)簽兩種基本部件。其中根據(jù)電子標(biāo)簽供電方式的不同，又將射頻識(shí)別系統(tǒng)分為兩類無(wú)源射頻識(shí)別(無(wú)源RFID)系統(tǒng)和有源射頻識(shí)別(有源RFID)系統(tǒng)。無(wú)源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽本身不帶電池，其依靠讀寫器發(fā)送的電磁能量工作，因此通信距離較短。而有源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽內(nèi)部裝有電池，因此無(wú)需太大的發(fā)射功率，就可完成較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，有源RFID系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性高、兼容性好和無(wú)需像無(wú)源RFID系統(tǒng)一樣瞄準(zhǔn)讀取等優(yōu)點(diǎn)，具有在某些方面無(wú)源RFID系統(tǒng)無(wú)法去替代的優(yōu)勢(shì)。如企業(yè)固定資產(chǎn)的管理、倉(cāng)庫(kù)物件的監(jiān)控、稀有保護(hù)動(dòng)物的監(jiān)控等。然而，有源RFID系統(tǒng)也具有其固有的一些缺陷，其中最顯著的就是有源RFID系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽(有源標(biāo)簽)的功耗，其直接影響該有源標(biāo)簽的使用時(shí)間。通常，有源標(biāo)簽在接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)時(shí)一樣，都需要消耗電流，甚至，在接收狀態(tài)下消耗的電流更大。以NORDIC半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的nRF24L01為例，在OdBm輸出功率的發(fā)射狀態(tài)下，其消耗的電流為11. 3mA，而其在接收狀態(tài)時(shí)的電流消耗為12. 3mA。顯然，若直接設(shè)置標(biāo)簽為接收狀態(tài)，一直監(jiān)聽著讀寫器是否有數(shù)據(jù)發(fā)來(lái)，是一種極不科學(xué)的做法。這樣，即使標(biāo)簽的電池容量非常大，那電池也會(huì)在很快的時(shí)間內(nèi)消耗殆盡。很多文獻(xiàn)致力于降低有源RFID系統(tǒng)的功耗，即降低有源標(biāo)簽的功耗(因?yàn)樽x寫器可由市電經(jīng)過(guò)變換后供電)，因而出現(xiàn)了很多新的技術(shù)。如通過(guò)無(wú)源喚醒方式實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗的有源RFID裝置，其通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)源喚醒模塊，用于接收并檢測(cè)讀寫器的喚醒信號(hào)，從而控制有源標(biāo)簽電源的開啟與關(guān)閉，達(dá)到實(shí)現(xiàn)低功耗的目的；然而，新增的無(wú)源喚醒模塊不僅增加了有源標(biāo)簽的成本，也增加了電路的復(fù)雜度。又如一種具有喚醒功能的有源RFID系統(tǒng)，其將有源標(biāo)簽設(shè)定為在工作區(qū)域和非工作區(qū)域間循環(huán)，并用激勵(lì)源來(lái)控制標(biāo)簽何時(shí)向讀寫器返回?cái)?shù)據(jù)；與前一種方案類似，新增的激勵(lì)源不僅增加了有源RFID系統(tǒng)的復(fù)雜度，也增加了成本。再如一種微波頻段有源RFID系統(tǒng)的低功耗持續(xù)上傳信息的方法，其利用劃分時(shí)隙的方式使有源標(biāo)簽在指定的時(shí)隙上傳數(shù)據(jù)，而在其他時(shí)隙則處于低功耗，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的信息上傳；然而其需要保持在電磁波喚醒狀態(tài)，顯然，在此狀態(tài)下，能量的消耗也不可忽略的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了在不增加有源RFID系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，進(jìn)一步降低有源RFID系統(tǒng)的功耗，提出了一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法，適用于包括讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元的有源RFID系統(tǒng)，其特征在于，讀寫器單元由上位機(jī)(如PC機(jī))通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送來(lái)的命令啟動(dòng)對(duì)有源標(biāo)簽單元的操作，讀寫器單元在每一次啟動(dòng)后，讀寫器單元以T1為周期連續(xù)向有源標(biāo)簽單元發(fā)送N次(N為讀寫器單元連續(xù)發(fā)送命令的次數(shù))命令，在每個(gè)T1周期內(nèi)，讀寫器單元發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即切換到接收狀態(tài)，以等待標(biāo)簽返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)；直到T1時(shí)間結(jié)束，讀寫器單元重新切換回發(fā)送模式重復(fù)發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在發(fā)送完 成后又切換到接收狀態(tài)，如此循環(huán)直到N次結(jié)束；有源標(biāo)簽單元中由低功耗定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)以產(chǎn)生周期信號(hào)；在每一個(gè)睡眠時(shí)間T2中，有源標(biāo)簽單元關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件，此時(shí)間段內(nèi)，有源標(biāo)簽單元不能接收任何數(shù)據(jù)，亦不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)，其消耗的電流幾乎為零；在T2時(shí)間結(jié)束時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生中斷，觸發(fā)并喚醒有源標(biāo)簽單元的控制器進(jìn)入高功耗狀態(tài)；控制器令無(wú)線收發(fā)模塊上電并配置其為接收模式，同時(shí)讓定時(shí)器開始T3的計(jì)時(shí)；在T3時(shí)間內(nèi)，標(biāo)簽可以正確接收讀寫器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)與命令，并作出相應(yīng)的應(yīng)答J3時(shí)間結(jié)束時(shí)，控制器配置定時(shí)器開始T2的定時(shí)，關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件并重新進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如此反復(fù)循環(huán)使得有源RFID系統(tǒng)保持低功耗運(yùn)行。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的方法，采用與傳統(tǒng)有源RFID系統(tǒng)相同的構(gòu)架，無(wú)需外加載頻解調(diào)接收電路，而僅僅調(diào)整讀寫器和有源標(biāo)簽的工作狀態(tài)，讓其滿足適當(dāng)?shù)臅r(shí)序規(guī)則，即可做到大大降低有源標(biāo)簽平均功耗的目的，從而大大延長(zhǎng)有源標(biāo)簽的使用壽命。


圖I為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的讀寫器單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ia為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的讀寫器單元一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的有源標(biāo)簽單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的有源標(biāo)簽單元的一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的讀寫器單元的工作時(shí)序示意圖。圖4為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的有源標(biāo)簽單元的工作時(shí)序示意圖。圖5為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的的工作時(shí)序示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I、圖2所示，本發(fā)明的方法所依賴的一個(gè)典型的有源RFID系統(tǒng)，該有源RFID系統(tǒng)主要由讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元兩部分組成。讀寫器由上位機(jī)(如PC機(jī))通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送來(lái)的命令啟動(dòng)對(duì)有源標(biāo)簽的操作，有源標(biāo)簽由電池供電，兩單元通過(guò)天線進(jìn)行無(wú)線通信。如圖la、圖2a所示為在圖I和圖2的原理下的一個(gè)有源RFID系統(tǒng)的具體實(shí)施例，該具體實(shí)施例中，有源RFID系統(tǒng)主要包括讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元兩部分組成。讀寫器單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖la，主要由控制器MSP430F149和2. 4GHz無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01構(gòu)成，并通過(guò)橋接器CP2012與電腦(PC)相連。用戶通過(guò)電腦端的人機(jī)界面啟動(dòng)讀寫器發(fā)出讀寫有源標(biāo)簽的命令。有源標(biāo)簽單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖2a所示，主要由控制器MSP430F1232和nRF24L01構(gòu)成。為了降低有源標(biāo)簽的功耗，控制器MSP430F1232由32768Hz的低頻晶體振蕩器作為定時(shí)器提供時(shí)鐘信號(hào)。有源標(biāo)簽單元采用容量為550mAh的紐扣電池CR2450供電。由于本發(fā)明并非對(duì)硬件系統(tǒng)的改進(jìn)，所有符合圖I和圖2有源RFID系統(tǒng)架構(gòu)的各種有源RFID系統(tǒng)，無(wú)論其具體實(shí)施例是否采用和圖Ia和圖2a相同的器件和架構(gòu)，均可以作為本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境。 本發(fā)明提出的一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法，適用于包括讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元的有源RFID系統(tǒng)，圖3為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的讀寫器單元的工作時(shí)序示意圖。圖中每一個(gè)方向向上的箭頭代表一次讀寫器單元向有源標(biāo)簽單元的數(shù)據(jù)發(fā)射，其特征在于，讀寫器單元由上位機(jī)(如PC機(jī))通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送來(lái)的命令啟動(dòng)對(duì)有源標(biāo)簽單元的操作，讀寫器單元在每一次啟動(dòng)后，讀寫器單元以T1為周期連續(xù)向有源標(biāo)簽單元發(fā)送N次(N為讀寫器單元連續(xù)發(fā)送命令的次數(shù)，N為大于I的自然數(shù))命令，在每個(gè)T1周期內(nèi)，讀寫器發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即切換到接收狀態(tài)，以等待標(biāo)簽返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)，直到T1時(shí)間結(jié)束，單元重新切換回發(fā)送模式重復(fù)發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在發(fā)送完成后又切換到接收狀態(tài)，如此循環(huán)直到N次結(jié)束。每相鄰兩次數(shù)據(jù)發(fā)射的時(shí)間間隔為T1，即為讀寫器單元的操作周期。由于每次數(shù)據(jù)發(fā)射的時(shí)間相對(duì)于等待接收時(shí)間T1來(lái)說(shuō)，顯得極為短暫，且其恒為定值，故用一個(gè)圖中為方向向上的箭頭表示突發(fā)脈沖。有源標(biāo)簽單元中由低功耗定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)以產(chǎn)生周期信號(hào)；在每一個(gè)睡眠時(shí)間T2中，有源標(biāo)簽單元關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件(如控制器和無(wú)線收發(fā)模塊)，此時(shí)間段內(nèi)，有源標(biāo)簽單元不能接收任何數(shù)據(jù)，亦不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)，其消耗的電流幾乎為零；在T2時(shí)間結(jié)束時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生中斷，觸發(fā)并喚醒有源標(biāo)簽單元的控制器(即低功耗MCU)進(jìn)入高功耗狀態(tài)(接收模式)?？刂破髁顭o(wú)線收發(fā)模塊上電并配置其為接收模式，同時(shí)讓定時(shí)器開始T3的計(jì)時(shí)；在T3時(shí)間內(nèi)，標(biāo)簽可以正確接收讀寫器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)與命令，并作出相應(yīng)的應(yīng)答；T3時(shí)間結(jié)束時(shí)，控制器配置定時(shí)器開始T2的定時(shí)，關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件并重新進(jìn)入低功耗狀態(tài)(睡眠模式)，如此反復(fù)循環(huán)使得有源RFID系統(tǒng)保持低功耗運(yùn)行。圖4為本發(fā)明有源RFID系統(tǒng)的有源標(biāo)簽單元的工作時(shí)序示意圖，圖中每一個(gè)矩形陰影代表一次睡眠-接收周期中的接收時(shí)間T3,而其余部分代表睡眠-接收周期中的睡眠時(shí)間T2,總的睡眠-接收周期為(T2+T3)。在T3中，有源標(biāo)簽消耗的電流大小等于標(biāo)簽處于正常等待接收時(shí)的電流；而在T2中，由于標(biāo)簽的接收機(jī)部分和發(fā)射機(jī)部分完全關(guān)閉，只有低功耗MCU的定時(shí)計(jì)數(shù)器部分處于激活狀態(tài)，其消耗的電流為微安級(jí)別，基本上可忽略不計(jì)。則整個(gè)睡眠-接收周期(T2+T3)內(nèi)的電流消耗為標(biāo)簽一直處于等待接收狀態(tài)的
權(quán)利要求
1.一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法，適用于包括讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元的有源RFID系統(tǒng)，其特征在于，讀寫器單元由上位機(jī)(如PC機(jī))通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送來(lái)的命令啟動(dòng)對(duì)有源標(biāo)簽單元的操作，讀寫器單元在每一次啟動(dòng)后，讀寫器單元以T1為周期連續(xù)向有源標(biāo)簽單元發(fā)送N次(N為讀寫器單元連續(xù)發(fā)送命令的次數(shù))命令，在每個(gè)T1周期內(nèi)，讀寫器單元發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即切換到接收狀態(tài)，以等待標(biāo)簽返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)； 直到T1時(shí)間結(jié)束，讀寫器單元重新切換回發(fā)送模式重復(fù)發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在發(fā)送完成后又切換到接收狀態(tài)，如此循環(huán)直到N次結(jié)束； 有源標(biāo)簽單元中由低功耗定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)以產(chǎn)生周期信號(hào)；在每一個(gè)睡眠時(shí)間T2中，有源標(biāo)簽單元關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件，此時(shí)間段內(nèi)，有源標(biāo)簽單元不能接收任何數(shù)據(jù)，亦不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)，其消耗的電流幾乎為零；在1~2時(shí)間結(jié)束時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生中斷，觸發(fā)并喚醒有源標(biāo)簽單元的控制器進(jìn)入高功耗狀態(tài)；控制器令無(wú)線收發(fā)模塊上電并配置其為接收模式，同時(shí)讓定時(shí)器開始T3的計(jì)時(shí)；在T3時(shí)間內(nèi)，標(biāo)簽可以正確接收讀寫器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)與命令，并作出相應(yīng)的應(yīng)答；T3時(shí)間結(jié)束時(shí)，控制器配置定時(shí)器開始T2的定時(shí)，關(guān)閉除定時(shí)器外的所有有源器件并重新進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如此反復(fù)循環(huán)使得有源RFID系統(tǒng)保持低功耗運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法，其特征在于，所述讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元的一個(gè)具體運(yùn)行過(guò)程為 步驟I :在h時(shí)刻之前，讀寫器單元處于靜默狀態(tài)，等待用戶發(fā)出讀寫有源標(biāo)簽單元的命令； 同時(shí)，有源標(biāo)簽單元處于睡眠狀態(tài)，睡眠時(shí)間為T2，睡眠狀態(tài)即有源標(biāo)簽內(nèi)部的無(wú)線收發(fā)模塊處于掉電狀態(tài)，關(guān)閉了發(fā)射和接收功能；控制器關(guān)閉了除了振蕩器和定時(shí)器之外的所有片內(nèi)外設(shè)，從而降低功耗，振蕩器經(jīng)過(guò)8分頻后得到的信號(hào)作為定時(shí)器的時(shí)鐘，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為IOs ； 步驟2 :在h時(shí)刻，讀寫器單元接收到了用戶從上位機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)讀寫的命令，然后開始以周期Tl為間隔發(fā)出對(duì)有源標(biāo)簽單元的讀寫命令，循環(huán)發(fā)射N次，直到t6時(shí)刻結(jié)束；步驟3 :在t2時(shí)刻，有源標(biāo)簽單元的定時(shí)器的IOs定時(shí)時(shí)間結(jié)束，產(chǎn)生定時(shí)器中斷，控制器在中斷服務(wù)程序中退出低功耗模式，接著配置控制器內(nèi)部的數(shù)字控制振蕩器為8MHz，并使其作為控制器的CPU時(shí)鐘，然后，控制器配置為接收模式，即有源標(biāo)簽單元切換到接收狀態(tài)，接收狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為T3，T3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于睡眠時(shí)間T2 ;在此狀態(tài)下，有源標(biāo)簽單元具有最大的電流消耗；在切換到接收狀態(tài)后，控制器重新配置定時(shí)器以開啟20ms的定時(shí)； 步驟4 :在t2與t3時(shí)刻間，有源標(biāo)簽單元保持為接收狀態(tài)，由于t2與t3時(shí)刻的間隔為20ms，而讀寫器發(fā)出的命令循環(huán)周期為15ms，因此，在此20ms的時(shí)間段內(nèi)，有源標(biāo)簽總單元能接收到讀寫器單元的命令，并根據(jù)讀寫器單元的命令做出對(duì)應(yīng)的應(yīng)答； 步驟5 :在t3時(shí)刻，有源標(biāo)簽單元的20ms定時(shí)時(shí)間結(jié)束，產(chǎn)生定時(shí)器中斷，控制器在中斷服務(wù)程序中設(shè)置無(wú)線收發(fā)模塊為掉電狀態(tài)，同時(shí)，控制器單元切換到低頻時(shí)鐘，開啟IOs的定時(shí)時(shí)間，然后關(guān)閉除了振蕩器和定時(shí)器之外的所有片內(nèi)外設(shè)，并進(jìn)入低功耗模式，即有源標(biāo)簽單元回到睡眠狀態(tài)； 步驟6 :在t4時(shí)刻，有源標(biāo)簽單元的IOs定時(shí)時(shí)間結(jié)束，與步驟3相同，有源標(biāo)簽單元又從睡眠狀態(tài)切換到接收狀態(tài)，接收并應(yīng)答讀寫器單元的命令；步驟7 :在t4與t5時(shí)刻間，有源標(biāo)簽單元保持為接收狀態(tài)，具體過(guò)程與步驟4相同。
步驟8 :在t5時(shí)刻，有源標(biāo)簽單元從接收狀態(tài)切換到睡眠狀態(tài)，與步驟5相同； 步驟9 :在t6時(shí)刻，讀寫器完成1000次的循環(huán)命令發(fā)射，回到靜默狀態(tài)并繼續(xù)等待用戶發(fā)出讀寫有源標(biāo)簽的命令。而有源標(biāo)簽單元?jiǎng)t繼續(xù)在T2的睡眠狀態(tài)和T3的接收狀態(tài)間循環(huán)； 如此循環(huán)進(jìn)行步驟I到步驟9使得有源RFID系統(tǒng)保持低功耗運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有源RFID系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行方法，適用于包括讀寫器單元和有源標(biāo)簽單元的有源RFID系統(tǒng)，其特征在于，讀寫器單元由上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送來(lái)的命令啟動(dòng)對(duì)有源標(biāo)簽單元的操作，讀寫器單元在每一次啟動(dòng)后，讀寫器單元以T1為周期連續(xù)向有源標(biāo)簽單元發(fā)送N次命令，在每個(gè)T1周期內(nèi)，讀寫器單元發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即切換到接收狀態(tài)，以等待標(biāo)簽返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)；直到T1時(shí)間結(jié)束，讀寫器單元重新切換回發(fā)送模式重復(fù)發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在發(fā)送完成后又切換到接收狀態(tài)，如此循環(huán)直到N次結(jié)束。本發(fā)明的有益效果是可做到大大降低有源標(biāo)簽平均功耗的目的，從而大大延長(zhǎng)有源標(biāo)簽的使用壽命。
文檔編號(hào)G06K17/00GK102831452SQ201210317039
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者周華, 王魯豫, 呂洪光, 龔光珍, 吳君, 常偉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)