一種超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)和方法
【專利摘要】超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)和方法，是一個低成本，超遠(yuǎn)距離，超低功耗和工作靈活可靠的物聯(lián)網(wǎng)底層信息采集傳輸系統(tǒng)和方法。通過采用對海量標(biāo)簽進(jìn)行信道分組，標(biāo)簽被喚醒后跳轉(zhuǎn)信道的方式，以及對標(biāo)簽進(jìn)行動態(tài)授時等最新技術(shù)，在實現(xiàn)了對海量標(biāo)簽的快速盤點的同時，還完成了對標(biāo)簽位置信息，與標(biāo)簽相連接的傳感器以及其它受控設(shè)備相關(guān)信息的采集。而所有這些都是在不增加任何硬件，采用超低占空比工作方式因而功耗超低的情況下實現(xiàn)的。它不僅可承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)底層有關(guān)物的身份識別及認(rèn)證，同時還可提供物的位置信息，以及通過傳感器反映出的物的狀態(tài)信息。本發(fā)明所提供的系統(tǒng)和方法將為物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用清除主要障礙。
【專利說明】一種超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線微功率通信，特別是低占空比無線微功率通信，本發(fā)明還涉及RFID及無線傳感網(wǎng)，以及物聯(lián)網(wǎng)底層包括物的身份信息，位置信息，傳感器信息以及控制指令信息在內(nèi)的各種物的基本信息的采集和傳輸；特別涉及在對海量有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，或者僅只需要對海量標(biāo)簽中的一部分進(jìn)行讀寫操作的情況下，如何降低標(biāo)簽功耗的問題。
技術(shù)背景
[0002]IS0-18000-7國際標(biāo)準(zhǔn)(以后簡稱美軍標(biāo))是一個公認(rèn)成熟和具有廣泛影響的433兆有源電子標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)，并已在美軍中廣泛使用；我國也剛剛公布了有源電子標(biāo)簽的試用國家標(biāo)準(zhǔn)。對海量標(biāo)簽的讀寫方法是這些標(biāo)準(zhǔn)所涉及的最重要的一個部分，因為無論物流倉儲，智能交通，超市智能化管理等各個領(lǐng)域都涉及對海量電子標(biāo)簽的讀寫問題。而標(biāo)準(zhǔn)中所采用的對海量有源電子標(biāo)簽的讀寫的技術(shù)方法無疑也反映了當(dāng)前國內(nèi)外的相關(guān)水平。其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題如下:
[0003]首先，由于環(huán)境電磁污染以及信號碰撞的考慮，這些標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定有源電子標(biāo)簽必須采用在需要時，通過讀寫器發(fā)射喚醒信號先將標(biāo)簽喚醒后再工作，并在工作完成后回到休眠狀態(tài)的工作方式。即“按需工作”的方式。這就涉及標(biāo)簽的睡眠喚醒技術(shù)。(由于采用低頻無源喚醒的方式距離非常近，普遍應(yīng)用的意義非常有限，因而我們在這里不加討論)。
[0004]其次，由于成本的考慮，現(xiàn)有的有源電子標(biāo)簽都是半雙工的，即發(fā)射信號和接收信號不能同時進(jìn)行。而由于標(biāo)簽采用的是間歇性工作方式，讀寫器必須在一段時間內(nèi)連續(xù)不間斷發(fā)射喚醒信號，這無疑給讀寫器和標(biāo)簽之間的通信帶來許多問題。如何處理這個問題，是有源電子標(biāo)簽系統(tǒng)，特別是對海量有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫所面臨的另一個關(guān)鍵問題。
[0005]另外，單一讀寫器對海量標(biāo)簽的讀寫必然涉及的另一個問題，則是如何有效解決讀寫過程中出現(xiàn)的，多個標(biāo)簽同時向一個讀寫器發(fā)射信號時所造成信號碰撞問題，這包括防碰撞處理速度和標(biāo)簽在整個過程中的能耗問題。
[0006]下面以現(xiàn)有有源電子標(biāo)簽主要標(biāo)準(zhǔn)，美軍標(biāo)和我國剛剛公布的有源電子標(biāo)簽國家標(biāo)準(zhǔn)來加以具體說明。
[0007]現(xiàn)有主要標(biāo)準(zhǔn)是這樣來實現(xiàn)對海量標(biāo)簽的讀寫的:讀寫器在一段時間內(nèi)通過廣播的方式，連續(xù)不間斷地向標(biāo)簽發(fā)射喚醒信號，先將所有在讀寫器信號覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽喚醒，使其進(jìn)入一種等待隨后接收來自讀寫器指令信號的狀態(tài)。先蘇醒的標(biāo)簽在接收到指令信號后將繼續(xù)保持這種接收狀態(tài)直到所有標(biāo)簽都被喚醒，并在接收到指令信號后繼續(xù)保持這種接收狀態(tài)至少30秒鐘，除非在這個期間標(biāo)簽完成了需要完成的各種任務(wù)，并接收到讀寫器進(jìn)入休眠狀態(tài)的命令。
[0008]當(dāng)所有的標(biāo)簽先后在這2.35 - 4.8秒期間內(nèi)被喚醒并全都進(jìn)入接收信號的等待狀態(tài)時，讀寫器將首先以廣播的方式向所有標(biāo)簽發(fā)射采集標(biāo)簽ID信息的指令，在這個指令中，包含有傳給標(biāo)簽的時間窗口信息，和初始時隙數(shù)量N (由于系統(tǒng)并不知道被喚醒的標(biāo)簽的總的數(shù)量，這里的N也是一個經(jīng)驗值)的信息。每個標(biāo)簽在收到這個指令信息后，都將產(chǎn)生一個=N的屬于自己的隨機(jī)整數(shù)I，同時進(jìn)行時間同步，并在讀寫器安排的N個通信時隙中的第I個時隙向讀寫器發(fā)射信息；由于I是隨機(jī)產(chǎn)生的，其不可能與讀寫器提供的N個時隙一一對應(yīng)，因而，在N個時隙中，可能出現(xiàn)多個標(biāo)簽在同一時隙中發(fā)射信息從而造成碰撞的情況，同時又有一些時隙輪空而沒有標(biāo)簽發(fā)射信號的狀況.讀寫器將根據(jù)每次窗口中發(fā)生碰撞和輪空的幾率，調(diào)整時隙窗口的數(shù)量。每個標(biāo)簽每次在接收到讀寫器采集信息的指令后，只發(fā)射一次信號。在該采集期末尾接收到讀寫器返回的發(fā)射ID成功的回執(zhí)信息后，將根據(jù)讀寫器的指令(取決于標(biāo)簽本身的類型和應(yīng)用需要)要么進(jìn)入睡眠狀態(tài)，要么繼續(xù)處于接收狀態(tài)等待讀寫器發(fā)射新的點對點信息讀寫指令。
[0009]對于那些在該輪信息采集過程中因為信號碰撞的原因沒有發(fā)射成功的標(biāo)簽，則需要等待讀寫器以廣播方式發(fā)布的新一輪標(biāo)簽ID信息采集指令，再次進(jìn)行時間同步并產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)，并在讀寫器新提供的M個時隙窗口中對應(yīng)的時隙位置發(fā)射，如此反復(fù)進(jìn)行，直到完成對所有被喚醒標(biāo)簽的ID信息采集為止。(參見美軍標(biāo))
[0010]這里存在的問題是:
[0011]睡眠喚醒問題:
[0012]為了省電的目的，標(biāo)簽平常處于一種使用內(nèi)部時鐘進(jìn)行控制的周期性睡眠，蘇醒后監(jiān)聽喚醒信號一瞬間的狀態(tài)，由于內(nèi)部時鐘的誤差及其它各種原因，標(biāo)簽在一個睡眠周期中蘇醒的時間是隨機(jī)的。讀寫器通過向標(biāo)簽連續(xù)發(fā)射一定時間(美軍標(biāo)是2.35 - 4.8秒)的喚醒信號，抓住標(biāo)簽睡眠蘇醒的瞬間與之建立起通信聯(lián)系，向其傳達(dá)要求標(biāo)簽進(jìn)入等待接收讀寫器工作指令信號的指令。
[0013]在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，喚醒指令信號都是由幾個部分組成的一個完整信號。美軍標(biāo)是由兩組不同的方波信號組成，試用國標(biāo)則是由一個包括包頭，包身和效驗位等幾部分組成的一個完整數(shù)字信號包。因而，標(biāo)簽在睡眠蘇醒監(jiān)聽的瞬間，必須要有足夠長的監(jiān)聽時間時間，保證能夠監(jiān)聽到一個完整的喚醒信號，由于發(fā)射和監(jiān)聽信號的時間并不同步，因而監(jiān)聽時間需要至少兩倍于發(fā)射一個完整信號所需的時間(參見有源電子標(biāo)簽試行國家標(biāo)準(zhǔn))。美軍標(biāo)也需要至少監(jiān)聽若干個方波信號。這樣標(biāo)簽每次睡眠蘇醒后就需要花費相當(dāng)長的時間處于高耗電的監(jiān)聽狀態(tài)，而標(biāo)簽反復(fù)周期性蘇醒監(jiān)聽的耗電是決定有源電子標(biāo)簽電池壽命決定性的因素。為了減少標(biāo)簽的監(jiān)聽耗電，喚醒信號就需要越短越好，因而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的喚醒只能傳達(dá)一個要求標(biāo)簽進(jìn)入接收狀態(tài)的簡單喚醒信息。參見圖1，圖2
[0014]有源電子標(biāo)簽半雙工工作問題
[0015]在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，由于收發(fā)機(jī)采用的都是半雙功的工作方式，因而，當(dāng)讀寫器將標(biāo)簽喚醒后，標(biāo)簽并不能立即向讀寫器返還信號，而必須要等到讀寫器發(fā)送完信號，進(jìn)入接收狀態(tài)后才能與之建立起通信聯(lián)系。讀寫器向標(biāo)簽發(fā)射喚醒信號與標(biāo)簽進(jìn)行通信必須分分開進(jìn)行，因而標(biāo)簽往往必須要浪費大量的能量在等待與讀寫器建立通信的時間上。參見圖3
[0016]對快速移動標(biāo)簽進(jìn)行連續(xù)識別和讀寫的問題:
[0017]現(xiàn)有的有源電子標(biāo)簽系統(tǒng)，雖然可以有多個頻道可以選用，但一當(dāng)選定，整個系統(tǒng)就只能在選定的這個單一頻道上工作。而在許多實際應(yīng)用中，由于標(biāo)簽處于快速移動狀態(tài)，且不斷有新的標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的信號覆蓋范圍，同時還有標(biāo)簽不斷離開讀寫器的信號覆蓋范圍。例如進(jìn)出門禁的車輛和人員管理，以及對途經(jīng)十字路口所有車輛的識別。此時，采用單一頻道的工作方式將很難處理這種對動態(tài)標(biāo)簽的識別和讀寫。因為同一信道上的兩種信號(喚醒信號和讀寫信號)將造成相互干擾，因而讀寫器只能通過分時的方式，將兩種信號分開，這就無法實現(xiàn)讀寫器需要對標(biāo)簽進(jìn)行連續(xù)不間斷的喚醒和不間斷地識別讀寫的要求。
[0018]海量標(biāo)簽信號防碰撞問題。
[0019]在現(xiàn)有這些標(biāo)準(zhǔn)中，都采用了時隙Aloha的方式。這實際沿用于無源電子標(biāo)簽的防碰撞處理方式。然而，這種方式并不適用于有源電子標(biāo)簽。因為這種處理方式要求標(biāo)簽在不與讀寫器通信時，始終要處于可以接收讀寫器命令的待機(jī)狀態(tài)，因而需要消耗大量的電池能量。無源標(biāo)簽可以不考慮這個問題，因為它們可以從電磁場中獲取能量，但有源電子標(biāo)簽則不能。標(biāo)簽的數(shù)量越大，防碰撞處理的時間就越長，平均每個標(biāo)簽消耗在等待上的能量就越多。這必將大大影響有源電子標(biāo)簽的電池壽命。時隙Aloha的方式需要先將已經(jīng)處于隨機(jī)狀態(tài)(隨機(jī)蘇醒)的標(biāo)簽，喚醒后統(tǒng)一到一個同步狀態(tài)(共同等待接收讀寫器的盤點指令，然后再通過讓標(biāo)簽重新生成隨機(jī)數(shù)，使其重新進(jìn)入到一種隨機(jī)狀態(tài)以減少信號碰撞。這實際上是一個從“隨機(jī)”到“同步”再回到“隨機(jī)”的多余過程。這不僅浪費了時間，也增加了標(biāo)簽的耗電。另外，喚醒信號與工作指令信號是分開的兩個指令信號，標(biāo)簽被喚醒后并不能立即進(jìn)入工作狀態(tài)，還必須要等待接收到另外一個工作指令信號后才能開始工作。
[0020]時間同步問題:由于以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為代表的有源電子標(biāo)簽防碰撞處理過程(時隙Aloha)中，需要根據(jù)標(biāo)簽所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來分配時隙，這就需要所有標(biāo)簽的時間必須同步。在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，時間同步是通過所有標(biāo)簽同時接收同一個讀寫器指令來實現(xiàn)的。這就要求所有標(biāo)簽必須預(yù)先隨時處于等待接收信號的狀態(tài)。在整個防碰撞處理過程中，由于需要多次重新分配時隙，也就需要多次同步，因而，所有標(biāo)簽在沒完成自身工作任務(wù)前，只好始終處于等待接收信號的高耗電狀態(tài)。
[0021]如何區(qū)分工作標(biāo)簽與非工作標(biāo)簽的問題
[0022]在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所代表的技術(shù)中，當(dāng)我們只需要對海量標(biāo)簽中的一部分標(biāo)簽進(jìn)行讀寫時，讀寫器信號覆蓋范圍內(nèi)的所有其它標(biāo)簽仍將全部被喚醒而處于等待接收指令信號的高耗電狀態(tài)，直到接收到睡眠指令信號為止；另外當(dāng)我們依次處理這部分需要處理的標(biāo)簽時，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)采用了點對點指令信號，使用特定標(biāo)簽ID號作為地址碼來區(qū)別立即工作與暫時不工作的標(biāo)簽。但無論誰先工作，讀寫器每下發(fā)讀寫某一個標(biāo)簽的指令時，其它暫時不工作的標(biāo)簽都必須要接收這個指令，并打開信號包，通過比對標(biāo)簽ID號(地址碼)的方式，來決定讀寫器是否需要與自己立即通信。這就增加了其它標(biāo)簽的工作時間，因而也就需要消耗其它標(biāo)簽大量的耗電，特別是有大量標(biāo)簽需要讀寫數(shù)據(jù)時，問題更嚴(yán)重。
[0023]現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所代表的技術(shù)無法將標(biāo)簽的實時定位和數(shù)據(jù)讀取結(jié)合在一起同步進(jìn)行。
[0024]由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所代表的技術(shù)，無法實現(xiàn)對動態(tài)標(biāo)簽的識別讀寫(單一工作頻道的限制)，更無法實現(xiàn)對他們的頻繁讀寫(每次讀寫標(biāo)簽都要消耗大量的能量)，因而，也就無法實現(xiàn)實時定位的功能。而大多數(shù)實際應(yīng)用中，在對資產(chǎn)進(jìn)行盤點的同時，往往還需要知道資產(chǎn)的具體位置。這些缺陷無疑大大限制了這些技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]本發(fā)明針對以上問題，提出了一種簡單有效的，基于超低功耗睡眠喚醒技術(shù)，非對稱多信道協(xié)同工作技術(shù)，動態(tài)授時技術(shù)的解決方案。我們這里所定義頻道主要是指通過頻率的不同來區(qū)分的無線通信通道；而這里所指的信道則是指通過頻分，碼分，或頻分加碼分等方式分開來的無線通信通道。
[0026]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0027]1.本發(fā)明系統(tǒng)的硬件部分涉及讀寫器，計算機(jī)和一般有源電子標(biāo)簽:
[0028]這里的讀寫器由兩個工作在不同信道上的半雙功無線收發(fā)單元組成，其中一個稱之為協(xié)調(diào)單元，另一個稱之為讀寫單元，在需要標(biāo)簽工作時，協(xié)調(diào)單元將在協(xié)調(diào)信道上向標(biāo)簽連續(xù)不間斷地重復(fù)廣播協(xié)調(diào)指令信息，而讀寫單元則可在讀寫信道上與標(biāo)簽進(jìn)行半雙工雙向通信；在一些應(yīng)用中，協(xié)調(diào)單元和讀寫單元可以分開獨立工作。
[0029]這里的計算機(jī)與讀寫器相連接，并根據(jù)用戶應(yīng)用的具體要求指揮讀寫器工作，這里的計算機(jī)也可以是讀寫器中具有相同功能的單片機(jī)；這里的標(biāo)簽就是一般有源電子標(biāo)簽，既可以是安裝在移動目標(biāo)身上的移動標(biāo)簽，也可以是安裝在已知固定位置處的位置標(biāo)簽。位置標(biāo)簽的ID與計算機(jī)數(shù)據(jù)庫定位區(qū)域中的一個具體位置相對應(yīng)。位置標(biāo)簽只在接收到來自讀寫器帶有精準(zhǔn)時鐘信息的定位協(xié)調(diào)指令信息時，才會按照預(yù)先設(shè)定的工作方式向附近的移動標(biāo)簽廣播自身ID，包括相鄰位置標(biāo)簽在廣播自身ID時所使用的信道，發(fā)射功率以及時間先后次序。(參見圖12及發(fā)明專利文件《一種簡單精確的射頻定位系統(tǒng)和方法》專利申請?zhí)?201110192032.3)
[0030]這里的標(biāo)簽，協(xié)調(diào)單元和讀寫單元都可以在多個不同信道上工作。標(biāo)簽平常處于周期性睡眠蘇醒后在協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號一瞬間的超低功耗方式，即先檢查其在有限監(jiān)聽時間內(nèi)所監(jiān)聽到信號的射頻特征，只有當(dāng)這些射頻特征符合通信要求時，標(biāo)簽才會延長監(jiān)聽時間，接收完一個完整的數(shù)字信號包，并對其進(jìn)行解析，并根據(jù)解析結(jié)果采取相應(yīng)的動作。標(biāo)簽通過時分和快速跳轉(zhuǎn)信道的方式，可分別工作在協(xié)調(diào)信道和讀寫寫信道兩個不同信道上。另外:
[0031]1，讀寫器只在需要標(biāo)簽工作時，在協(xié)調(diào)信道上，通過在一段時間內(nèi)，(這段時間的長度至少應(yīng)大于標(biāo)簽睡眠蘇醒周期，并在門禁管理等應(yīng)用時，應(yīng)大于門禁管理讀寫器的工作期，以保證所有需要喚醒的標(biāo)簽，和新進(jìn)入門禁管理讀寫器信號覆蓋范圍的標(biāo)簽都能收到這個喚醒信號而被喚醒)以廣播的方式，連續(xù)背靠背無間隙地向標(biāo)簽發(fā)射的相同的協(xié)調(diào)指令信號。協(xié)調(diào)單元只在協(xié)調(diào)信道上單一發(fā)射信號而不接收來自標(biāo)簽的信號；而讀寫單元則可以在讀寫工作信道上與標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信。
[0032]2，標(biāo)簽，讀寫器中的協(xié)調(diào)單元和讀寫單元都是由高度集成的微功率單芯片無線收發(fā)機(jī)和單片機(jī)制成。每個單芯片收發(fā)機(jī)都有一個全世界獨一無二的廠家編號(燒錄在芯片中)，為了降低功耗，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾的能力和系統(tǒng)工作的可靠性，穩(wěn)定性和安全性，系統(tǒng)所使用的單芯片微功率無線收發(fā)機(jī)，最好采用直序頻通信技術(shù)。為了世界通用，建議系統(tǒng)使用國際通用的ISM免費頻段。
[0033]3，協(xié)調(diào)信道和讀寫信道應(yīng)該盡可能分開以減少可能的信號干擾。
[0034]系統(tǒng)工作原理
[0035]在對海量標(biāo)簽進(jìn)行讀寫時，讀寫器將先在原始協(xié)調(diào)信道Π上，通過廣播分組協(xié)調(diào)指令信號的方式將海量標(biāo)簽分成若干組，分在不同組中的標(biāo)簽將分別進(jìn)入分配給該組標(biāo)簽的監(jiān)聽信道上監(jiān)聽讀寫器發(fā)來的協(xié)調(diào)信號。讀寫器將逐一針對每個分組中使用該分組的協(xié)調(diào)信道，向該分組內(nèi)的所有標(biāo)簽廣播ID采集的協(xié)調(diào)指令信號，要求標(biāo)簽采用隨機(jī)蘇醒隨即工作和CSMA的防碰撞方式，完成對該組中所有標(biāo)簽的ID采集。參見附圖4.[0036]在采集ID的同時，通過將采集到的每一個標(biāo)簽ID，與預(yù)先儲存在計算機(jī)中那些需要與讀寫器進(jìn)行更多會話通信的標(biāo)簽ID清單進(jìn)行比對?！扒鍐紊嫌忻钡臉?biāo)簽將按被采集到的先后次序，被賦予一個在下一階段與讀寫器在第2信道(讀寫信道)上，分時隙會話通信時的時隙序列號。清單上無名的標(biāo)簽將自動進(jìn)入在原始監(jiān)聽信道(第I信道)上，周期性蘇醒監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號的超低功耗狀態(tài)。在完成該組所有標(biāo)簽的ID采集后，讀寫器將在分配給該組的協(xié)調(diào)信道上，向“清單上有名”的標(biāo)簽廣播帶有精準(zhǔn)時鐘信息的新的協(xié)調(diào)指令信號，向這些標(biāo)簽授時，同時告訴這些標(biāo)簽安排的會話時隙長度，時隙數(shù)量以及第一個時隙的起始位置的信息。這里，讀寫器應(yīng)根據(jù)標(biāo)簽執(zhí)行具體任務(wù)需要的時間，例如標(biāo)簽為獲取位置信息或傳感器信息等所需的時間，來決定第一個時隙的起始位置。清單上有名的標(biāo)簽，將根據(jù)自己的會話時隙序列編號，進(jìn)入對應(yīng)的時隙與讀寫器進(jìn)行會話。如果在安排的時隙內(nèi)成功完成會話的標(biāo)簽將進(jìn)入原始監(jiān)聽信道(I信道)監(jiān)聽新的協(xié)調(diào)指令信號；對于在分配的時隙內(nèi)會話失敗的標(biāo)簽，讀寫器將在原來分配的最后一個時隙之后安排新的時隙，重新與讀寫器進(jìn)行會話，標(biāo)簽在成功完成會話后將進(jìn)入第一監(jiān)聽信道，直到該清單上的所有標(biāo)簽都完成該輪對話后，讀寫器將進(jìn)入第二分組重復(fù)前述的工作過程。參見附圖5.[0037]相關(guān)技術(shù)問題的處理
[0038]針對前述的睡眠喚醒問題:本發(fā)明利用先比對標(biāo)簽監(jiān)聽到的信號射頻特征的方式，解決了超遠(yuǎn)距離超低功耗睡眠喚醒問題。本發(fā)明利用了無線數(shù)據(jù)通信中，無線數(shù)據(jù)信號本身所具有的區(qū)別于其它無線信號的射頻特征，及其可以通過射頻收發(fā)機(jī)本身進(jìn)行快速識別的特點，只需在標(biāo)簽睡眠蘇醒后的瞬間監(jiān)聽非常有限的時間(足以對所接收到信號的射頻特征進(jìn)行判斷)，就可以做出判斷是否需要延長信號接收時間。如果判斷的結(jié)果是無關(guān)信號(頻率，調(diào)制或編碼方式不同的射頻信號)，則立即停止接收并回到周期性睡眠監(jiān)聽的狀態(tài)；如果信號的射頻特征滿足通信要求時，則標(biāo)簽將延長接收時間，并接收一個完整的指令信號包，并根據(jù)指令信號的具體要求，執(zhí)行指令信號要求的動作。這就極大地縮短了標(biāo)簽每次睡眠蘇醒后的固定監(jiān)聽時間，并在被喚醒后通過動態(tài)延長接收時間的方式，保證了能接收到一個正確信號的時間，與此同時，在接收到喚醒信號的同時，也得到具體的工作指令。這就大大延長了標(biāo)簽電池使用壽命，提高了工作的可靠性，同時也加快了系統(tǒng)讀寫速度，并給標(biāo)簽的工作方式帶來更大的靈活性。參見附圖7
[0039]本發(fā)明利用信道跳轉(zhuǎn)方法解決了電子標(biāo)簽半雙工工作問題:
[0040]針對有源電子標(biāo)簽半雙工工作問題:本發(fā)明中的標(biāo)簽平常處于周期性睡眠，蘇醒后協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽協(xié)調(diào)信號一瞬間的低功耗狀態(tài)。當(dāng)需要標(biāo)簽工作時，讀寫器將在協(xié)調(diào)信道(第I信道)上根據(jù)標(biāo)簽的睡眠蘇醒周期的長短，連續(xù)不間斷地在一段短的時間內(nèi)，或繼續(xù)不停地以廣播的方式，向標(biāo)簽發(fā)射協(xié)調(diào)指令信號，當(dāng)標(biāo)簽接收到協(xié)調(diào)信號后，將立即跳轉(zhuǎn)到讀寫信道上(第2信道)與讀寫器進(jìn)行通信，或執(zhí)行協(xié)調(diào)指令所定義的其它動作。這就避免了標(biāo)簽采用半雙工方式所帶來的等待問題。參見附圖8
[0041]針對對快速移動標(biāo)簽進(jìn)行連續(xù)識別和讀寫的問題:本發(fā)明使用多信道協(xié)同工作方式實現(xiàn)了對快速移動標(biāo)簽的連續(xù)不間斷地識別和讀寫。
[0042]在對處于流動狀態(tài)的動態(tài)標(biāo)簽進(jìn)行識別讀寫時，由于協(xié)調(diào)信號和讀寫信號是在互不干擾的兩個信道上，因而可以同時存在，因而，讀寫器可實現(xiàn)不間斷地對處于快速移動中的標(biāo)簽進(jìn)行動態(tài)喚醒和讀與。
[0043]海量標(biāo)簽信號防碰撞問題:本發(fā)明使用信道跳轉(zhuǎn)，多信道協(xié)同以及CSMA的工作方式，在加快了海量標(biāo)簽的盤點速度的同時，大大降低了標(biāo)簽的工作占空比，從而降低了標(biāo)簽的耗電，延長了電池的使用壽命。
[0044]CSMA (Carrier Sense Multi Access)工作方式指標(biāo)簽發(fā)射信號前先監(jiān)聽信道是否占用，沒有占用立即發(fā)射，否則隨機(jī)延時后再監(jiān)聽再發(fā)射或延時再監(jiān)聽的方式。參見附圖9。
[0045]在本發(fā)明系統(tǒng)中，隨機(jī)蘇醒監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號的標(biāo)簽，在接收到協(xié)調(diào)指令信號的瞬間，通過跳轉(zhuǎn)信道的方式，不需等待即可立即在讀寫信道上向讀寫器發(fā)射自身的ID號，如果信道被占用，即可采用隨機(jī)延時后再發(fā)射信號的隨機(jī)方式。這不僅免去了標(biāo)簽在被喚醒后需要等待接收讀寫器工作指令信號的漫長時間，而且還維持了標(biāo)簽原有隨機(jī)蘇醒隨即工作的自然隨機(jī)過程。這就意味著本發(fā)明系統(tǒng)在整個防碰撞處理過程中不需要額外增加一個“從隨機(jī)到同步，再回到隨機(jī)”的一個多余過程，從而提高了整個防碰撞處理的效率。參見附圖10
[0046]時間同步問題:本發(fā)明通過在每一個連續(xù)發(fā)射的協(xié)調(diào)指令信號包中都攜帶一個精準(zhǔn)時鐘信息，而每個標(biāo)簽也都有一個精準(zhǔn)計時器。因而，當(dāng)每個標(biāo)簽隨機(jī)蘇醒并接收到協(xié)調(diào)指令信號的瞬間，也就獲得同步的時鐘信息，而不需要改變標(biāo)簽原有隨機(jī)蘇醒的分布狀態(tài)。通過這種動態(tài)授時的方式，避免了標(biāo)簽為了時間同步(在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的每個ID采集期開始，標(biāo)簽都需要同步一次)而必須進(jìn)入一種長期的隨時等待接收讀寫器統(tǒng)一授時信號的高耗電狀態(tài)。
[0047]如何區(qū)分工作標(biāo)簽與非工作標(biāo)簽的問題。
[0048]現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所代表的技術(shù)，由于采用單一信道和單一喚醒指令信號的工作方式，因而，即使讀寫器僅只向I萬個標(biāo)簽中的某一個標(biāo)簽下達(dá)點對點工作指令，所有其它9999個標(biāo)簽都必須要先接收這個指令，然后再通過比對地址碼的方式，將自己暫時排除在行動之夕卜。在這I萬個標(biāo)簽中，如果我們需要點對點地讀寫其中的1000個標(biāo)簽，則其余9000個標(biāo)簽就需要接收解析1000個與自己無關(guān)的點對點指令信號。這對標(biāo)簽的電池壽命顯然會帶來較大的影響。特別是當(dāng)這個過程需要頻繁進(jìn)行時更是如此，例如超市電子價格標(biāo)簽就是這樣的情況。
[0049]首先，本發(fā)明利用每個標(biāo)簽ID低端位數(shù)字的差異，將海量標(biāo)簽分成若干個組。這個ID差異是按照標(biāo)簽ID最末一個字節(jié)，從低端位開始計算的；當(dāng)考慮的低端位數(shù)為零時，標(biāo)簽只有一組2°=1，(標(biāo)簽不分組)，當(dāng)只考慮最低端的一個比特位差異時，此時標(biāo)簽被分為2J=2組，當(dāng)只考慮最低端2位時，標(biāo)簽被分為22=4組，當(dāng)只考慮最低端3位時，標(biāo)簽被分為23=8組，以此類推。與此同時，那些需要與讀寫器進(jìn)行更多交流的標(biāo)簽清單在也將按照同樣的方式進(jìn)行了分組，讀寫器在每個分組中采集標(biāo)簽ID，并與需要與讀寫器進(jìn)行更多交流的標(biāo)簽清單比對時，所使用的清單也是按照以上方式劃分后的屬于該小組的子清單。
[0050]分配在各個組中的標(biāo)簽，將在各自的協(xié)調(diào)信道上周期性蘇醒后監(jiān)聽該信道上的協(xié)調(diào)指令信號。這樣當(dāng)讀寫器使用不同的協(xié)調(diào)信道發(fā)射協(xié)調(diào)工作指令信號時，不會影響分在其它組中標(biāo)簽的低功耗狀態(tài)。[0051]其次，本發(fā)明還將海量標(biāo)簽的識別，以及隨后的與標(biāo)簽相關(guān)的其他數(shù)據(jù)的讀取，包括對與之相關(guān)傳感器及受控設(shè)備的控制管理(參見圖11)以及數(shù)據(jù)采集分成兩個階段來進(jìn)行。前一階段為身份識別(ID采集)階段。在這一階段中，由于預(yù)先不知道有多少標(biāo)簽和有哪些標(biāo)簽在讀寫器的控制管理范圍內(nèi)，因此，首先需要確定讀寫器信號范圍內(nèi)標(biāo)簽的數(shù)量和具體ID號。本發(fā)明在這個階段采用的是CSMA的方式。當(dāng)在讀寫器控制管理范圍內(nèi)的標(biāo)簽具體ID已經(jīng)確定之后，我們便可以通過精準(zhǔn)動態(tài)授時和按照已經(jīng)確定的，需要執(zhí)行ID采集任務(wù)外其它工作任務(wù)的標(biāo)簽數(shù)量，它們的ID以及具體工作任務(wù)所需的時間，來安排和分配它們的工作時隙。這樣，凡是與讀寫器眼前工作無關(guān)的標(biāo)簽，通過ID采集前的信道分組和ID采集后的分時隙方式，都將不受讀寫器所發(fā)射的點對點信號的影響，從而做到了標(biāo)簽在需要工作的時候工作，而在不需要工作的時候既不向外發(fā)射信號，也不處于等待接收信號，或解析信號包的高耗電的狀態(tài)。這就從根本上解決了有源電子標(biāo)簽或者說無線智能終端的電池壽命問題。
[0052]關(guān)于實時定位問題:由于前面所闡述的原因，現(xiàn)有一般技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都無法實現(xiàn)身份識別與實時定位同步進(jìn)行。本發(fā)明利用超低功耗標(biāo)簽盤點技術(shù)和位置標(biāo)簽定位技術(shù)，通過動態(tài)授時方法，在廣播帶有精準(zhǔn)時鐘信息的定位協(xié)調(diào)指令時(新任務(wù))，順序安排相鄰的4個位置標(biāo)簽在一個專門指定的定位信道上，和一個專門的定位時隙序列內(nèi)(〈0.2S)，按照預(yù)先設(shè)定的方式，(參見《一種簡單精確的射頻定位系統(tǒng)和方法》專利申請?zhí)?201110192032.3)依次向其附近的移動標(biāo)簽發(fā)送自身ID(位置信息)，并將這個位置信息采集所需的時間，計算在標(biāo)簽進(jìn)入與讀寫器進(jìn)行點對點通信的時隙前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間內(nèi)。(參見圖6和圖12)。這樣，我們在進(jìn)行資產(chǎn)盤點時，同時也就獲得了資產(chǎn)的位置信息。
[0053]同樣的道理，我們可以在向標(biāo)簽廣播傳感器數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)指令時，我們可以在標(biāo)簽數(shù)據(jù)準(zhǔn)備期中，通過安排標(biāo)簽啟動傳感器，并在采集到可靠的傳感器數(shù)據(jù)之后關(guān)閉傳感器，同時將所采集到的傳感器數(shù)據(jù)，在預(yù)先安排的與讀寫器點對點通信的時隙內(nèi)傳給讀寫器?；蛘咄ㄟ^安排標(biāo)簽預(yù)先定時啟動傳感器(例如每隔2秒)定時采集傳感器的數(shù)據(jù)，并對已經(jīng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，等到標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)來的傳感器信息采集指令時，再在安排的時隙內(nèi)傳給讀寫器。
[0054]本發(fā)明采用的技術(shù)方案
[0055]一，確定具體的專用協(xié)調(diào)指令信號
[0056]二，確定專用協(xié)調(diào)指令信號所定義的動作或動作組
[0057]三，確定標(biāo)簽在發(fā)射信號后，在給定等待時間內(nèi)沒能接收到回執(zhí)信號時，所采取的延時發(fā)射方法，以及重復(fù)發(fā)射的次數(shù)和時間限制。
[0058]四，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，確定標(biāo)簽的睡眠蘇醒監(jiān)聽周期T
[0059]五，將上述第一，第二，第三和第四條中所確定的內(nèi)容及相應(yīng)的程序?qū)懭霕?biāo)簽之中。
[0060]六，標(biāo)簽在完成要求的工作后，將回到在協(xié)調(diào)信道上周期性監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號的低功耗狀態(tài)。
[0061]本發(fā)明的有益效果是，
[0062]本發(fā)明將RFID的身份識別，認(rèn)證和定位，無線傳感網(wǎng)的傳感器信息采集傳輸，以及無線遠(yuǎn)程智能遙控功能全部實現(xiàn)了。這些功能就是物聯(lián)網(wǎng)底層信息采集傳輸所需的基本功能。最重要的是，這些功能的實現(xiàn)是在標(biāo)簽成本沒有增加，并且采用非常低的工作占空比(超低功耗)工作模式下實現(xiàn)的。這就是說本發(fā)明解決了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題，如何低成本，低功耗，遠(yuǎn)距離和靈活多樣地實現(xiàn)物的各種基本信息的自動采集和傳輸(聯(lián)網(wǎng))。
[0063]圖示說明
[0064]圖1:現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽喚醒方式
[0065]圖2 JS0-18000-7標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽喚醒方式
[0066]圖3:現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)采用半雙工工作方式帶來的問題
[0067]圖4:將海量標(biāo)簽按照各自ID低字節(jié)位差異進(jìn)行分組
[0068]圖5:在每一分組中使用不同信道進(jìn)行ID采集和執(zhí)行新任務(wù)
[0069]圖6:在每一分組中標(biāo)簽如何工作的示意圖
[0070]圖7:本發(fā)明所采用的遠(yuǎn)距離超低功耗睡眠喚醒技術(shù)
[0071]圖8:本發(fā)明所采用的信道跳轉(zhuǎn)技術(shù)
[0072]圖9:本發(fā)明ID采集期中所采用的CSMA技術(shù)
[0073]圖10:現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有一個多余的人為隨機(jī)過程
[0074]圖11:通過標(biāo)簽實現(xiàn)對傳感器及受控設(shè)備的管理
[0075]圖12:移動標(biāo)簽進(jìn)入點對點通信前位置信息的準(zhǔn)備過程
【具體實施方式】
[0076]下面將以超市電子價格標(biāo)簽系統(tǒng)實施方案為例加以說明以
[0077]我們這里以超市食品部的價格管理為例加以說明。我們假設(shè)超市食品部有5000個左右的價格標(biāo)簽需要管理，而且這5000個左右的價格標(biāo)簽的ID還可能是變化的(由于商品移動更改的原因)。這5000個左右的標(biāo)簽平常處于在個信道上每隔2秒(我們也可以將其改為8秒蘇醒一次)蘇醒監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號100-200US。我們在食品部頂部中央安裝一個讀寫器，我們將其信號覆蓋范圍設(shè)置在50米半徑。我們又假定每隔2小時需要對其中2%的標(biāo)簽更改價格(每次更改價格前，需要更改價格的具體標(biāo)簽ID號都預(yù)先有一個清單儲存在計算機(jī)中)。我們同時還假定價格標(biāo)簽采用點陣式顯示方式，即每個價格標(biāo)簽的更改一次價格需要傳輸1.5k字節(jié)的數(shù)據(jù)量，需要時間15ms。
[0078]我們先通過讀寫器在協(xié)調(diào)信道上向所有標(biāo)簽廣播分組信息(包括分組數(shù)目Q=3，以及所使用的8個通過“碼分+頻分”方式選定的信道)，將5000個左右的標(biāo)簽按照它們ID低端3個比特位的差異分成8組，每組大約有620個價格標(biāo)簽。標(biāo)簽接收到這個協(xié)調(diào)指令信號后，將分別進(jìn)入這8個協(xié)調(diào)信道，每隔2秒鐘蘇醒一次監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號。(參見圖4)
[0079]與此同時，被分在第一組的標(biāo)簽(ID低端3個比特位都為零)，在收到協(xié)調(diào)信號的同時，將跳轉(zhuǎn)到讀寫器的讀寫信道f2上監(jiān)聽RSSI信號，如果信道可用則立即發(fā)射自身ID，并監(jiān)聽回執(zhí)，否則將隨機(jī)延時后再監(jiān)聽，再發(fā)射，(參見圖9)。讀寫器在接收到標(biāo)簽發(fā)來的ID后，將與計算機(jī)中需要更改價格的標(biāo)簽清單進(jìn)行比對，(這里還需要說明的是，這里比對的清單是從前述總清單中根據(jù)標(biāo)簽ID的3個低端位劃分出來的子清單(這里子清單的劃分與整個標(biāo)簽分組是一致的)。如果清單中有名，則讀寫器將按照接收的先后次序給予標(biāo)簽一個編號(下一階段更改價格時的時隙序列號)，同時這些標(biāo)簽將跳轉(zhuǎn)到&信道上，以0.5秒的睡眠蘇醒監(jiān)聽周期，等待接收更改價格的具體安排。如果清單中沒名，則讀寫器將給標(biāo)簽一個休眠的指令，并回到在信道上周期性蘇醒監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號的狀態(tài)。
[0080]盤點完這620個標(biāo)簽大約需要不到十秒鐘的時間。此時，我們假定已經(jīng)篩選出12個價格標(biāo)簽需要更改價格，并且已經(jīng)被分別給予了 1-12的時隙編號。
[0081]讀寫器將在&信道上連續(xù)廣播I秒鐘的更改價格的協(xié)調(diào)指令(參見圖5，圖6)。這個協(xié)調(diào)指令信號包括精準(zhǔn)時鐘信息(誤差〈1ms)，計劃時隙總數(shù)12個，每個時隙的時間長度50ms (雖然傳輸1.5k字節(jié)只需要15ms，但這里我們考慮了可能的時鐘誤差，誤碼重傳，以及雙向通信等需要，增加了 35ms)，我們將第一個時隙的起始時間定在讀寫器開始廣播更改價格指令信號后1.1秒。12個時隙總計需時600ms。即使出現(xiàn)個別時隙由于各種原因通信不成功，額外在增加300ms的時隙，更改這12個標(biāo)簽價格所需的總時間為2秒。
[0082]完成第一組標(biāo)簽的價格更改后，讀寫器將逐一完成其它7組標(biāo)簽的價格更改任務(wù)。這樣我們盤點完這5000個左右的價格標(biāo)簽，并將更改其中2%的標(biāo)簽價格，總共所需要的時間不到2分鐘。
[0083]這里必須要強(qiáng)調(diào)的是，在整個盤點和更改標(biāo)簽價格的過程中，每個標(biāo)簽都只在需要它工作的時候才工作，沒有一個標(biāo)簽處于長期等待接收讀寫器指令信號的高耗電狀態(tài)。因而，每個標(biāo)簽的工作占空比都非常小，耗電就非常低，電池壽命也就很長。
[0084]本發(fā)明無疑為促進(jìn)我國超市采用低成本的電子價格標(biāo)簽管理系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支撐。
[0085]我們這里以城市交通智能化管理方案為例來加以說明
[0086]城市交通智能化管理，是提升城市交通管理效率的關(guān)鍵。而城市交通智能化管理的關(guān)鍵問題又在于如何以一種經(jīng)濟(jì)有效和可靠的方式，實現(xiàn)城市車輛和道路車流信息的實時采集和傳輸。下面則是我們的具體實施方案:
[0087](I)在每一輛車上的固定位置，安裝一個防拆卸的有源電子標(biāo)簽，它們具有世界上獨一無二的ID編號(當(dāng)然也可根據(jù)需要由用戶自己重新編號)。
[0088]該有源電子標(biāo)簽平常并不向外發(fā)射任何信號，而是根據(jù)需要每隔2s周期性地在協(xié)調(diào)信道上，監(jiān)聽接收并記錄讀寫器以廣播方式發(fā)來的協(xié)調(diào)信號(該路口位置信息和時間信息)，接收并記錄下協(xié)調(diào)信號后，立即跳轉(zhuǎn)到讀寫信道道上，向該路口的讀寫器發(fā)回自己的ID號以及上一個路口讀寫器的ID號(用于判別車輛行駛方向)，并在接收到讀寫器發(fā)回的回執(zhí)信號后，停止發(fā)射，并在休眠一定時間后跳轉(zhuǎn)回到協(xié)調(diào)信道上，監(jiān)聽下一個路口的協(xié)調(diào)信號。。
[0089]有源電子標(biāo)簽具有防拆卸的功能，使用一只5號鋰電池驅(qū)動，一般情況下可以使用六年不需更換電池。其與路口固定讀寫器的雙向通信距離分別為5?300m (上行)/5?700m (下行)可調(diào)，其與手持讀寫器的通信距離為I?IOOm可調(diào)。
[0090](2)在每一個需要進(jìn)行車輛和流量監(jiān)控的道路口，安裝一個讀寫器，每個讀寫器使用220V市電供電，功耗〈1W，每個讀寫器的信息處理能力為30輛/秒=108000輛/小時。
[0091]每個路口可供讀寫器使用的獨立頻道有83個，獨立信道多達(dá)3822個(使用Cypress公司W(wǎng)ireless USB系列無線收發(fā)機(jī)芯片)，以避開與現(xiàn)場可能存在的其它各種
2.4G通信設(shè)備的相互干擾。讀寫器通過連續(xù)不間斷重復(fù)廣播協(xié)調(diào)指令信號的方式，向進(jìn)入該道路口的所有車輛，寫入該路口的位置編號和經(jīng)過該路口的時間。車載標(biāo)簽在接收并記錄下接收到的信息后，立即返還自己的ID號及其剛剛經(jīng)過的前一路口讀寫器的ID號。讀寫器接收到車載1-RFID標(biāo)簽發(fā)來的信息后，將連同標(biāo)簽的ID，讀寫器自身的ID以及時間信息，一并通過與之相連接的網(wǎng)絡(luò)傳給系統(tǒng)服務(wù)器。讀寫器中的讀寫模塊和協(xié)調(diào)模塊工作在不同信道上，使用220V AC或其它直流電源供電，最大功耗〈1W。
[0092](3)每個讀寫器都通過有線或無線的方式(光纖接口，ADSL或GPRS等)，與管理控制中心數(shù)據(jù)庫相連接。
[0093](4)管理控制中心的數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)，將利用各個路口采集到的車輛實時信息，計算出整個城市車輛的實時流動狀況和每個車輛任何時間的具體位置和行駛方向。
[0094]利用以上資料，再結(jié)合無線紅綠燈控制專利技術(shù)(專利申請?zhí)?2007100488725)，我們就可以輕而易舉的實現(xiàn)城市交通智能化管理的功能:
[0095]?對交通 信號燈進(jìn)行實時有效的調(diào)度指揮，包括對國賓車，急救車等實現(xiàn)自動綠燈放行；
[0096]?對城市的道路規(guī)劃提供最真實可靠的寶貴資料；
[0097]?根據(jù)車輛在城市中不同區(qū)域位置停留的時間，不需任何其它硬件的投入，就可以實現(xiàn)中心城區(qū)交通擁堵費的征收；
[0098].向城市各種車輛的擁有單位提供車輛考勤和調(diào)度管理的有償服務(wù)服務(wù)。(例如公交車，出租車，救護(hù)車，送貨車，維修服務(wù)車，政府機(jī)關(guān)公用車輛等);
[0099]?根據(jù)整個城市各路口的通行情況，對車輛進(jìn)行有效的自動疏導(dǎo)；
[0100]?對失竊車輛和違法車輛，欠費車輛，克隆出租車進(jìn)行定位跟蹤；
[0101]?由于我們的數(shù)據(jù)采集是24小時全天候的，因此，當(dāng)交通事故或可能的涉及車輛的刑事犯罪發(fā)生后，我們可以很容易根據(jù)時間和地點查處相關(guān)車輛。
[0102]由于在每輛車上安裝了有源電子標(biāo)簽車牌，這將帶來其它許多車輛管理上的好處。它可以輕易解決許多交通管理的難題，例如克隆牌照問題，逃費問題，不停車收費問題等。有源電子標(biāo)簽車牌是一種智能型電子車牌，它不僅可以提供ID號，而且可以根據(jù)協(xié)調(diào)指令信號，直接提供管理所需的有關(guān)車輛本身的任何信息。
[0103]需要說明的是，雖然本發(fā)明主要針對與現(xiàn)有IS0-18000-7有源電子標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)，以及我國剛剛公布的有源電子標(biāo)簽國家標(biāo)準(zhǔn)所采用技術(shù)的比較來進(jìn)行說明的。但本發(fā)明系統(tǒng)及所采用的技術(shù)方法完全可以用到各種其它無線工作頻段，以及各種其它低功耗的無線收發(fā)系統(tǒng)。
[0104]這里的的實施案例僅只代表本發(fā)明部分技術(shù)和方法的一個具體應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)，是由讀寫器，計算機(jī)和一般有源電子標(biāo)簽所組成； 這里的讀寫器由兩個工作在不同信道上的半雙功無線收發(fā)單元組成，其中一個稱之為協(xié)調(diào)單元，另一個稱之為讀寫單元，在需要標(biāo)簽工作時，協(xié)調(diào)單元將在協(xié)調(diào)信道上向標(biāo)簽連續(xù)不間斷地重復(fù)廣播協(xié)調(diào)指令信息，而讀寫單元則可在讀寫信道上與標(biāo)簽進(jìn)行半雙工雙向通信； 這里的計算機(jī)與讀寫器相連接，并根據(jù)用戶應(yīng)用的具體要求指揮讀寫器工作，這里的計算機(jī)也可以是讀寫器中具有相同功能的單片機(jī)；這里的標(biāo)簽就是一般有源電子標(biāo)簽； 這里的標(biāo)簽和讀寫器都可以在多個不同信道上工作，這里的信道是指使用頻分，碼分，或頻分加碼分區(qū)別開來的不同無線通信通道，標(biāo)簽平常處于周期性睡眠蘇醒后在協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號一瞬間的超低功耗方式，即先檢查其在有限監(jiān)聽時間內(nèi)所監(jiān)聽到信號的射頻特征，只有當(dāng)這些射頻特征符合通信要求時，標(biāo)簽才會延長監(jiān)聽時間，接收完一個完整的數(shù)字信號包，并對其進(jìn)行解析，并根據(jù)解析結(jié)果采取相應(yīng)的動作； 針對海量標(biāo)簽的讀寫，超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)首先將通過使用多個協(xié)調(diào)信道的方式，按照每個標(biāo)簽ID的差異，將海量標(biāo)簽分成若干個在不同協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽指令信號的小組，并通過讀寫器逐一在每小組分配的不同信道上廣播協(xié)調(diào)指令信號的方式，逐一對每個小組中的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，從而首先將工作標(biāo)簽組與非工作標(biāo)簽組區(qū)分開來，避免了讀寫器對非工作小組中標(biāo)簽的干擾；其次，超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)在對每一個小組中的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫時，又將標(biāo)簽的ID采集和標(biāo)簽ID采集完成后需要執(zhí)行的其它任務(wù)分成兩步來執(zhí)行；在ID采集期，系統(tǒng)保留了標(biāo)簽睡眠蘇醒時間原有的隨機(jī)分布的特點，采用了隨機(jī)蘇醒后立即跳轉(zhuǎn)頻道隨即開始工作的CSMA的方式，避免了額外人為的隨機(jī)過程；而在完成ID采集后，系統(tǒng)通過在協(xié)調(diào)信道上，向那些需要與讀寫器進(jìn)行更多信息交流的標(biāo)簽，廣播帶有精準(zhǔn)時鐘信息的新協(xié)調(diào)指令信號，將這些標(biāo)簽安排在不同的時隙中與讀寫器進(jìn)行更多的信息交流；而這些`標(biāo)簽在沒有進(jìn)入分配給自己的時隙與讀寫器進(jìn)行信息交流之前，都處于射頻收發(fā)機(jī)關(guān)閉只有內(nèi)部時鐘運行的超低功耗狀態(tài)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)，其特征在于，針對海量標(biāo)簽的讀寫，系統(tǒng)在使用多個協(xié)調(diào)信道的方式，按照每個標(biāo)簽ID的差異，將海量標(biāo)簽分成若干個在不同協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽指令信號的小組時，這個ID差異是按照標(biāo)簽ID最末一個字節(jié)，從低端位開始計算的；當(dāng)考慮的低端位數(shù)為零時，標(biāo)簽只有一組2°=1，標(biāo)簽不分組，當(dāng)只考慮最低端的一個比特位差異時，此時標(biāo)簽被分為21=〗組，當(dāng)只考慮最低端2位時，標(biāo)簽被分為22=4組，當(dāng)只考慮最低端3位時，標(biāo)簽被分為23=8組，以此類推；與此同時，那些需要與讀寫器進(jìn)行更多交流的標(biāo)簽清單在也將按照同樣的方式進(jìn)行了分組，讀寫器在每個分組中采集標(biāo)簽ID，并與需要與讀寫器進(jìn)行更多交流的標(biāo)簽清單比對時，所使用的清單也是按照以上方式劃分后的屬于該小組的子清單。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)，其特征在于，除了對所有標(biāo)簽都需要進(jìn)行ID采集外，針對其中只有一部分標(biāo)簽需要與讀寫器進(jìn)行更多信息交流的情況，讀寫器在標(biāo)簽ID采集期中成功地接收到某個標(biāo)簽ID信息的同時，還需要將所接收到的標(biāo)簽ID與計算機(jī)中需要與讀寫器進(jìn)行更多信息交流的標(biāo)簽ID清單進(jìn)行比較，如果所接收到的標(biāo)簽ID不在清單中，讀寫器就會在返回給標(biāo)簽的回執(zhí)中，要求標(biāo)簽立即或先睡眠一段時間后再進(jìn)入周期性睡眠，蘇醒后在fi信道上監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號一瞬間的超低功耗狀態(tài)；如果所成功地接收到的標(biāo)簽ID與清單中的某個ID匹配，則讀寫器在返還給標(biāo)簽的回執(zhí)信號中，將會按照成功采集到標(biāo)簽ID的時間先后順序，安排一個時隙序列號給該標(biāo)簽，同時要求標(biāo)簽進(jìn)入在該分組的協(xié)調(diào)信道上周期性睡眠蘇醒后監(jiān)聽新的協(xié)調(diào)指令信號一瞬間的超低功耗狀態(tài)；而該標(biāo)簽在接收到新的協(xié)調(diào)指令信號時，便將根據(jù)這個時隙序列號，進(jìn)入對應(yīng)的時隙與讀寫器進(jìn)行更多的信息交流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)，其特征在于，這里所述的與讀寫器進(jìn)行更多信息交流可以是標(biāo)簽向讀寫器提供自身的位置信息，或與之相連接傳感器相關(guān)的信息，或者與標(biāo)簽相連接的受控設(shè)備的相關(guān)信息；這里所述的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間，就是標(biāo)簽可以向讀寫器提供位置信息，傳感器信息等相關(guān)信息前所需要的準(zhǔn)備時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)這里所述的與讀寫器進(jìn)行更多信息交流是移動標(biāo)簽向讀寫器提供自身的位置信息時，讀寫器將向標(biāo)簽廣播定位協(xié)調(diào)指令，位置標(biāo)簽在接收到定位協(xié)調(diào)指令后，將按照指令的要求以及預(yù)先設(shè)定的方式，向其附近的移動標(biāo)簽廣播自身ID，而移動標(biāo)簽在接收到定位協(xié)調(diào)指令后，也將立即在專用的定位信道上接收位置標(biāo)簽的位置信號，并在完成位置信息采集后，進(jìn)入安排給自己的時隙，在讀寫工作信道f2上向讀寫器發(fā)送自身的位置信息。
6.超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫方法，利用了讀寫器具有兩個可以同時工作在不同信道上的收發(fā)單元，以及標(biāo)簽可以工作在不同信道上的特點，在標(biāo)簽周期性睡眠蘇醒后監(jiān)聽信號的瞬間一接收到協(xié)調(diào)指令信號后，立即通過跳轉(zhuǎn)工作信道的方式，在讀寫器的讀寫信道上與讀寫器進(jìn)行通信，從而解決了半雙工通信有源電子標(biāo)簽系統(tǒng)中，標(biāo)簽在被讀寫器喚醒后必須等待標(biāo)簽結(jié)束發(fā)射喚醒信號后才能與標(biāo)簽進(jìn)行通信的矛盾，與此同時還保留了標(biāo)簽原有的周期性睡眠隨機(jī)蘇醒瞬間，在接收到協(xié)調(diào)指令信號時隨即進(jìn)入工作，在時間上的隨機(jī)分布狀態(tài)；該方法在對海量標(biāo)簽進(jìn)行讀寫時，還通過信道分組的方式將標(biāo)簽分成若干個在不同協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽協(xié)調(diào)指令信號，以在減少讀寫器每次需要同時讀寫標(biāo)簽的數(shù)量的同時，還避免了工作中的小組所產(chǎn)生的射頻信號對其它非工作小組中標(biāo)簽的影響。
7.根據(jù)權(quán)力要求6，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫方法，其特征在于，針對海量標(biāo)簽的讀寫，該方法在使用多個協(xié)調(diào)信道的方式，按照每個標(biāo)簽ID的差異，將海量標(biāo)簽分成若干個在不同協(xié)調(diào)信道上監(jiān)聽指令信號的小組時，這個ID差異是按照標(biāo)簽ID最末一個字節(jié)，從低端位開始計算的；這樣的分組方式在保留標(biāo)簽分組的隨機(jī)性的同時，也為其后清單中的標(biāo)簽分組保留了相互匹配的一致性。
8.根據(jù)權(quán)力要求6或7，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫方法，其特征在于，在分組完成后具體讀寫每小組中的標(biāo)簽時，該方法還將整個讀寫過程分成兩部分:首先采集小組內(nèi)所有標(biāo)簽的ID，其次，再將那些在ID采集之外還需要與讀寫器進(jìn)行更多信息交流的標(biāo)簽，通過在ID采集期內(nèi)的清單比對方法，以及讓向標(biāo)簽廣播新協(xié)調(diào)指令信號時讓每一個指令信號包都攜帶精準(zhǔn)時鐘信息的動態(tài)授時方法，從小組內(nèi)所有標(biāo)簽中完全篩選出來，并將它們安排進(jìn)入各自的時隙內(nèi)，進(jìn)行單獨一對一的讀寫處理；這里在進(jìn)行一對一處理時，其余標(biāo)簽或者處于睡眠狀態(tài)，或者在不同的信道上監(jiān)聽信號，因而不會對一對一通信中的射頻信號做出任何反應(yīng)，包括接收解析讀寫器發(fā)出的各種指令信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫方法，其特征在于，該方法中所述的與讀寫器進(jìn)行更多信息交流可以是標(biāo)簽向讀寫器提供自身的位置信息，或與之相連接傳感器相關(guān)的信息，或者與標(biāo)簽相連接的受控設(shè)備的相關(guān)信息；這里所述的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間，就是標(biāo)簽可以向讀寫器提供位置信息，傳感器信息等相關(guān)信息前所需要的準(zhǔn)備時間；該方法利用讀寫器與標(biāo)簽進(jìn)行更多信息交流的機(jī)會，在低功耗的情況下，實現(xiàn)對移動標(biāo)簽位置信息的采集；以及通過移動標(biāo)簽實現(xiàn)與移動標(biāo)簽相連接的傳感器和受控設(shè)備的控制管理和相關(guān)信息的采集。
10.根據(jù)權(quán)利要求9，所述的超低功耗有源電子標(biāo)簽讀寫方法，其特征在于，該方法利用讀寫器向所有標(biāo)簽廣播帶有精準(zhǔn)時鐘信息的定位協(xié)調(diào)指令時，實現(xiàn)了位置標(biāo)簽與移動標(biāo)簽的時間同步，并利用兩者之間在給定時隙內(nèi)的通信，在低功耗的情況下向移動標(biāo)簽提供了參考位置信 息，并讓移動標(biāo)簽連同自身的位置信息，在分配給標(biāo)簽與讀寫器通信的時隙中傳給讀寫器。
【文檔編號】G06K17/00GK103729661SQ201210389714
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月15日
【發(fā)明者】廖應(yīng)成 申請人:成都西谷曙光數(shù)字技術(shù)有限公司