有源RFID標(biāo)簽省電機(jī)制的研究

一般來說，完整的射頻識別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、射頻讀寫設(shè)備及天線和后臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。根據(jù)射頻標(biāo)簽內(nèi)部是否有電池供電，可將射頻標(biāo)簽分為有源射頻標(biāo)簽和無源射頻標(biāo)簽。

    無源射頻標(biāo)簽內(nèi)部沒有電池供電，依靠讀寫器發(fā)來的電磁波來工作，因此傳輸距離較
近、抗干擾能力較差、存儲空間小、功能單一，但是無源射頻標(biāo)簽不需要維護(hù)，使用簡便；有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部有電池供電，能夠依靠自身的能量發(fā)射信號，因此傳輸距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力較強(qiáng)、存儲空間較大，還可以與傳感器結(jié)合起來，組成功能復(fù)雜的傳感器射頻標(biāo)簽。但是隨著標(biāo)簽內(nèi)部電池電量的消耗，需要定期地更換電池或者充電，這給有源射頻標(biāo)簽的使用帶來了新的課題，即如何延長有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部電池的單次放電壽命。

    傳統(tǒng)的有源標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽主要由3部分構(gòu)成，分別是甚高頻射頻電路、單片機(jī)系統(tǒng)和電池。單片機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)的電流一般為微安級，甚高頻射頻電路工作時(shí)的電流一般為毫安級。為了降低有源射頻標(biāo)簽的平均功耗，有源射頻標(biāo)簽中的甚高頻電路并不一直工作，而是間隔的。如圖２所示。

    一段時(shí)間自動“蘇醒”，然后監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)包接收到。如果沒有接收到數(shù)據(jù)包，則進(jìn)入省電的“睡眠”狀態(tài)；如果接收到數(shù)據(jù)包，則進(jìn)入數(shù)據(jù)包處理環(huán)節(jié)，相應(yīng)接收到的數(shù)據(jù)包，提取出命令，發(fā)送響應(yīng)的命令回應(yīng)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包處理結(jié)束后進(jìn)入省電的“睡眠”狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的標(biāo)簽再間隔一段時(shí)間又自動“蘇醒”，重復(fù)上面的工作，如此周而復(fù)始的循環(huán)，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

    采用這種省電機(jī)制的有源射頻標(biāo)簽，電路設(shè)計(jì)簡單，程序穩(wěn)定，但應(yīng)用不太靈活。我們把有源射頻標(biāo)簽從一次“蘇醒”的結(jié)束到下次“蘇醒”開始的時(shí)間間隔叫做“睡眠周期”，將一次“睡眠”的結(jié)束到下次“睡眠”開始的時(shí)間間隔叫做“蘇醒周期”。因此，可以看做這種有源射頻標(biāo)簽的狀態(tài)是處于“睡眠周期”和“蘇醒周期”周而復(fù)始的循環(huán)。“睡眠周期”和“蘇醒周期”的長度是標(biāo)簽出廠時(shí)，單片機(jī)中程序設(shè)定好的。

    如果睡眠深度過小，射頻標(biāo)簽將頻繁地“蘇醒”，而大多數(shù)的“蘇醒”周期并沒有接收到數(shù)據(jù)包，這些“蘇醒”過程中使用的能量做了無用功，標(biāo)簽功耗將增大，不利于標(biāo)簽的長壽命設(shè)計(jì)；如果睡眠深度過大，標(biāo)簽的響應(yīng)時(shí)間以及多標(biāo)簽識別能力將大大折扣，標(biāo)簽不能應(yīng)用在需要快速響應(yīng)的場合，例如車輛標(biāo)簽快速經(jīng)過讀寫器的場合。因此，傳統(tǒng)有源射頻標(biāo)簽省電機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，在特定應(yīng)用場合中應(yīng)該尋找到一個(gè)適當(dāng)?shù)乃呱疃取?/p>

    雙頻有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)

    如何使有源射頻標(biāo)簽在標(biāo)簽使用頻度高的時(shí)候自動降低睡眠深度，而在使用頻度低的時(shí)候自動提高睡眠深度，以達(dá)到電能消耗絕無浪費(fèi)呢？為了使射頻標(biāo)簽的睡眠深度能夠根據(jù)使用頻度的變化而自動變化，當(dāng)不需要蘇醒時(shí)絕不蘇醒，當(dāng)需要蘇醒時(shí)快速蘇醒，需要在傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽的硬件電路上作以改動，加上低頻激勵(lì)電路。與此同時(shí)，在雙頻有源射頻識別系統(tǒng)中，引入了另一個(gè)射頻讀寫設(shè)備—激勵(lì)器，如圖３。

 １、雙頻有源標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)

    雙頻有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部由甚高頻射頻電路、低頻激勵(lì)電路、單片機(jī)系統(tǒng)以及電池組成，與傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽相比，增加了低頻激勵(lì)電路，帶來的好處是有源射頻標(biāo)簽可以“深度睡眠”，不用頻繁的“蘇醒”，白白消耗電能。平時(shí)沒有外界操作時(shí)，射頻標(biāo)簽處于“休眠狀態(tài)”，甚高頻射頻電路全部關(guān)閉，基本上不消耗電能；低頻激勵(lì)電路處于接收狀態(tài)，無線鏈路以“變壓器”模型來工作，僅需要少量能量消耗；單片機(jī)處于低功耗工作狀態(tài)，僅接收來自低頻電路的中斷信號。

    當(dāng)?shù)皖l激勵(lì)電路接收到來自激勵(lì)器的激勵(lì)信號時(shí)，甚高頻電路進(jìn)入工作狀態(tài)，等待讀寫器對它的操作，超時(shí)后回到“休眠狀態(tài)”。這樣，射頻標(biāo)簽在沒有激勵(lì)器的場合，不會蘇醒，白白浪費(fèi)電能。

    當(dāng)?shù)皖l記錄電路沒有接收到激勵(lì)信號，甚高頻電路不會進(jìn)入工作狀態(tài)，不會對來自外界的讀寫器信號進(jìn)行響應(yīng)，這種標(biāo)簽具有比較復(fù)雜的使用機(jī)制。

    ２、雙頻有源射頻標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)

    為了更加清楚地描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的工作過程，在有源標(biāo)簽狀態(tài)圖中，有源標(biāo)簽具有兩種省電狀態(tài)，分別是“休眠”和“偵聽”；具有兩種工作狀態(tài)，分別是“待命”和“收發(fā)”。

    標(biāo)簽所處的省電常態(tài)為“休眠”或“偵聽”，“休眠”狀態(tài)須通過激勵(lì)器激勵(lì)后進(jìn)入待命狀態(tài)，再接受讀寫器的讀寫器命令。工作于“偵聽”狀態(tài)下的有源標(biāo)簽，類似于傳統(tǒng)意義上的有源標(biāo)簽，甚高頻射頻電路周期性的“蘇醒”，監(jiān)聽讀寫器的讀寫指令。標(biāo)簽的省電常態(tài)可以根據(jù)需要由讀寫器通過標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行設(shè)置。

    ３、雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用模式

    雙頻有源射頻標(biāo)簽有兩種不同的使用模式，一是“偵聽”模式。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制低頻激勵(lì)電路關(guān)閉時(shí)，雙頻有源射頻標(biāo)簽就變成了傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽，不需要激勵(lì)器配合，可直接工作，這種使用模式與傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽類似。另外一種工作模式是“休眠”模式，這種工作模式需要激勵(lì)器來配合完成，不僅具有傳統(tǒng)的標(biāo)簽識讀功能，還具有激勵(lì)器定位功能。下面以高速公路收費(fèi)系統(tǒng)為例，描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用模式。

    如圖所示，共有6條高速公路收費(fèi)車道，每個(gè)收費(fèi)口布置一臺激勵(lì)器，6條車道共用一臺讀寫器。當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的C06號汽車經(jīng)過車道2收費(fèi)口時(shí)，車上的射頻標(biāo)簽被車道2上的激勵(lì)器所激活，主動發(fā)送數(shù)據(jù)包聯(lián)絡(luò)附近的讀寫器，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費(fèi)過程。這時(shí)，讀寫器通過標(biāo)簽發(fā)來的數(shù)據(jù)包以及射頻標(biāo)簽與車輛的綁定關(guān)系，不僅能知道哪輛車經(jīng)過了收費(fèi)口，還能通過發(fā)來的激勵(lì)器ID號知道經(jīng)過了哪個(gè)車道，具有車道定位功能。

    簡約功能低功耗設(shè)計(jì)

    為了降低有源射頻標(biāo)簽的功耗，需要精確地知道射頻標(biāo)簽什么時(shí)候應(yīng)該“蘇醒”，什么時(shí)候不應(yīng)該“蘇醒”，為了精確地把握這個(gè)蘇醒的時(shí)機(jī)，就需要增加額外的硬件電路和復(fù)雜算法，從而額外的增加了電能開銷。

    于是，有人逆著這條思路，將有源射頻標(biāo)簽的功能簡約化，將甚高頻射頻電路芯片換為簡單的“只發(fā)不收”的芯片，將功能較強(qiáng)大的單片機(jī)芯片換為功能最簡單存儲空間最小的單片機(jī)，這樣就形成了小容量只讀有源射頻標(biāo)簽。這種有源射頻標(biāo)簽功能非常簡單，單片機(jī)只是一個(gè)簡單的定時(shí)電路，每間隔幾百毫秒控制射頻芯片向外發(fā)送一次自身的ID數(shù)據(jù)包，沒有復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，不監(jiān)聽外部的讀寫信號，平均功耗也可以得到控制。

    芯片選擇及電路設(shè)計(jì)

    在電路設(shè)計(jì)中，如果芯片的工作電壓與電池的放電電壓不一致，就需要電壓轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行匹配。但是電壓在轉(zhuǎn)換的過程中都要損失一部分電能，為了省電，宜選擇標(biāo)稱電壓與電池的標(biāo)稱電壓一致的芯片，這樣可以省掉電壓轉(zhuǎn)換電路自身的電能消耗。

    在單片機(jī)的選擇上，隨著越來越多的芯片廠家推出了超低功耗的產(chǎn)品，單片機(jī)的選擇度也越來越大。例如Microchip公司的PIC系統(tǒng)，Texas Instruments公司的MSP430系統(tǒng)以及臺灣一些廠家的產(chǎn)品。

    電路設(shè)計(jì)中，盡量設(shè)計(jì)可由單片機(jī)控制的關(guān)斷電路，當(dāng)部分電路不需要工作時(shí)，可停止對其供電，消除待機(jī)電能消耗。

    在有些條件允許的情況下，可以考慮給安裝在露天的有源射頻標(biāo)簽加裝太陽能電池板，以及時(shí)給有源射頻標(biāo)簽補(bǔ)充能量。

    軟件設(shè)計(jì)

    有源射頻標(biāo)簽中，電能和存儲空間都很有限，過度的信息壓縮算法，需要處理器執(zhí)行更多的壓縮解壓指令，而不進(jìn)行壓縮又會增加標(biāo)簽和讀寫器空中通信的數(shù)據(jù)量。因此，在軟件的設(shè)計(jì)上，盡量減少空中通信次數(shù)，盡量協(xié)議編碼技術(shù)，減少通信信息流量，這些都沒有絕對的，需要取實(shí)驗(yàn)折中優(yōu)選方案。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)及射頻識別技術(shù)在我國的興起，有源射頻標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄?，不可避免地要解決有源射頻標(biāo)簽的功能和功耗之間的矛盾問題。有源射頻標(biāo)簽的省電機(jī)制滲透到標(biāo)簽的器件選擇、電池選擇、工作模式設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝等諸多方面。設(shè)計(jì)有源標(biāo)簽時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)出最適合的方案。在有源射頻標(biāo)簽省電機(jī)制的設(shè)計(jì)上，大都是功能與功耗的矛盾，只有最適合的方案，沒有最優(yōu)的方案，這就需要設(shè)計(jì)者在充分分析應(yīng)用需求的前提下，給出一種最優(yōu)選的方案。