馬 睿，徐廣偉，漆駿鋒，曾曉福

(成都三零瑞通移動通信有限公司，四川成都610005)

0 引言

RFID電子標(biāo)簽分為無源電子標(biāo)簽和有源電子標(biāo)簽，RFID無源電子標(biāo)簽是利用RFID閱讀器讀取電子標(biāo)簽信息時，由RFID閱讀器發(fā)送的載波信息向電子標(biāo)簽提供能量;而RFID有源電子標(biāo)簽是內(nèi)部自帶電池，由電池向電子標(biāo)簽提供能量。

RFID有源電子標(biāo)簽以主動式工作為主，即電子標(biāo)簽內(nèi)部電池提供向外發(fā)送射頻信息消耗能量。

在RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用中，電子標(biāo)簽通常需與管控對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，記錄管控對象屬性，作為管控對象的電子身份證。而電子標(biāo)簽的封裝通常設(shè)計為一次性標(biāo)簽，由于RFID有源電子標(biāo)簽自帶電池，因而RFID有源電子標(biāo)簽是有一定的使用壽命，即使標(biāo)簽改用可更換電池封裝，也十分不便。所以，對應(yīng)用而言，RFID有源電子標(biāo)簽低功耗設(shè)計的好壞，直接影響應(yīng)用的成敗。

1 常規(guī)節(jié)能技術(shù)分析

目前，RFID有源電子標(biāo)簽常規(guī)的低功耗設(shè)計，在硬件方面，通過對芯片選型、電路優(yōu)化減少能耗，達(dá)到低功耗目的［1］;在應(yīng)用方面，通常采用改變RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式［2］，即在休眠和工作兩種模式之間進(jìn)行切換，RFID有源電子標(biāo)簽在工作狀態(tài)下，開啟標(biāo)簽的射頻電路，可以向外發(fā)送標(biāo)簽射頻信息;在休眠狀態(tài)下，標(biāo)簽的射頻發(fā)送電路，不向外發(fā)送射頻信息以實現(xiàn)節(jié)能目的。

通過改變RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式來解決功耗問題，存在如下弊端:

1)需要借助于RFID閱讀器下發(fā)休眠/喚醒指令，RFID有源電子標(biāo)簽根據(jù)接收的指令，進(jìn)入休眠或工作模式。

2)RFID有源電子標(biāo)簽并沒有關(guān)閉射頻的接收電路，需要接收RFID閱讀器下發(fā)指令，同樣消耗標(biāo)簽電池能量。

3)對RFID有源電子標(biāo)簽需要具有半雙工/雙工通信能力，增加電路設(shè)計復(fù)雜度，違背低功耗設(shè)計原則。

4)在RFID有源電子標(biāo)簽的實際應(yīng)用中，比如庫房重要物品的管理，需要及時了解物品在管控區(qū)域［3］的當(dāng)前狀態(tài)，如果RFID有源電子標(biāo)簽進(jìn)入到休眠模式，一直不向外發(fā)送射頻信號，管理系統(tǒng)就無法獲得電子標(biāo)簽代表的物品信息;另外如果收到其他閱讀器的信息，RFID有源電子標(biāo)簽就進(jìn)入到工作狀態(tài)，給應(yīng)用部署帶來不便。

2 節(jié)能新技術(shù)

針對常規(guī)RFID有源電子標(biāo)簽的低功耗設(shè)計弊端，文中提出一種新的解決方法，其關(guān)鍵點是:

1)在不改變RFID有源電子標(biāo)簽低功耗硬件設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，對RFID有源電子標(biāo)簽增加一個低頻接收電路，可一直接收低頻信號(功耗非常低)，RFID有源電子標(biāo)簽變?yōu)殡p頻標(biāo)簽(低頻+標(biāo)簽射頻本身頻率)。

2)增加一個感應(yīng)器(低頻)，感應(yīng)器部署在應(yīng)用場景的出入口，可近距離向外發(fā)送低頻信號。RFID有源電子標(biāo)簽接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號后，可改變標(biāo)簽的工作模式，在休眠模式和工作模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3)對不同的應(yīng)用場景，對RFID有源電子標(biāo)簽設(shè)置不同的休眠策略(休眠時間)，如庫房中的重要物品的RFID有源電子標(biāo)簽，可采取延長發(fā)送射頻信號時間間隔休眠策略，減少發(fā)送射頻信號能量;比如辦公場所人員管理，可設(shè)置下班時間后一直不工作休眠策略，節(jié)省RFID有源電子標(biāo)簽的能耗。

新解決方法的優(yōu)點是:RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式轉(zhuǎn)換，與RFID閱讀器無關(guān)，標(biāo)簽也可設(shè)計為單向通信(向外發(fā)送射頻信息，無需接收電路)，在標(biāo)簽內(nèi)按應(yīng)用場景設(shè)置休眠策略。

3 新技術(shù)應(yīng)用

采用文中提出的RFID有源電子標(biāo)簽節(jié)能新技術(shù)，可應(yīng)用于重要物品管控系統(tǒng)。利用安裝在管控區(qū)域出入口的低頻感應(yīng)器來切換RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式，其技術(shù)關(guān)鍵點是能精確判定RFID有源電子標(biāo)簽進(jìn)出管控區(qū)域出入口的方向和利用設(shè)置不同的休眠時間策略來控制RFID電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射。下面就以庫房管理為例，說明進(jìn)出庫房的判定和休眠時間策略設(shè)置方法。

(1)進(jìn)出管控區(qū)出入口的方向判定

圖1中假設(shè)為某一庫房的應(yīng)用場景，在庫房大門內(nèi)、外分別安裝感應(yīng)器(庫房外感應(yīng)器內(nèi)部存放ID=1，庫房外感應(yīng)器內(nèi)部存放ID=2)，感應(yīng)器可向外近距離發(fā)送低頻信號(包含ID號信息)。

圖1 進(jìn)出庫房門口的方向判定部署示意Fig.1 Import warehouse door direction determining deployment diagram

第一種情況是:RFID有源電子標(biāo)進(jìn)入庫房:

首先:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過庫房外感應(yīng)器時，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號，獲得感應(yīng)器的ID號(ID=1);

其次:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過庫房內(nèi)感應(yīng)器時，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號，獲得感應(yīng)器的ID號(ID=2);

其三:RFID有源電子標(biāo)簽對兩次分別讀取到的庫房外、庫房內(nèi)感應(yīng)器的ID進(jìn)行比較后，判定RFID有源電子標(biāo)簽是進(jìn)入庫房;

其四:根據(jù)RFID有源電子標(biāo)簽存儲的進(jìn)入庫房的休眠策略，喚醒 RFID有源電子標(biāo)簽，開啟RFID有源電子標(biāo)簽內(nèi)自身射頻發(fā)射電路，向外發(fā)送信息;

第二種情況是:RFID有源電子標(biāo)離開庫房:

首先:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過庫房內(nèi)感應(yīng)器時，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號，獲得感應(yīng)器ID號(ID=2);

其次:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過庫房外感應(yīng)器時，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號，獲得感應(yīng)器ID號(ID=1);

其三:RFID有源電子標(biāo)簽對兩次讀取到的庫房內(nèi)、庫房外感應(yīng)器的ID進(jìn)行比較后，判定RFID有源電子標(biāo)簽是離開庫房;

其四:根據(jù)RFID有源電子標(biāo)簽存儲的離開庫房休眠策略，催眠RFID有源電子標(biāo)簽進(jìn)入休眠，關(guān)閉RFID有源電子標(biāo)簽內(nèi)自身射頻發(fā)射電路，停止向外發(fā)送信息。

(2)休眠時間策略設(shè)置

根據(jù)新的節(jié)能技術(shù)原理，當(dāng)物品停留在庫房外(不含使用物品的區(qū)域)，可設(shè)置物品上附著的RFID有源電子標(biāo)簽保持休眠狀態(tài);當(dāng)物品在使用期間(工作場所等部位)，可設(shè)置RFID有源電子標(biāo)簽保持正常工作狀態(tài)(一定時間間隔連續(xù)向外發(fā)送射頻信號);當(dāng)物品進(jìn)入庫房后(物品的大部分時間是閑置于庫房)，如果物品保持RFID有源電子標(biāo)簽一直處于工作狀態(tài)，耗電很大，影響電池使用壽命，因而就可以設(shè)置電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射時間間隔增長的休眠策略，也可更為精細(xì)設(shè)置休眠時間間隔，比如剛進(jìn)入庫房的開始一段時間內(nèi)，電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射時間間隔設(shè)置較小，隨著擱置時間的推移，逐步延長發(fā)射的時間間隔，直到達(dá)到一定的間隔時間;也可設(shè)置成白天、夜晚不同的時間間隔。

在不同的應(yīng)用中，可根據(jù)場景部署和應(yīng)用特點的不同，設(shè)置RFID有源電子標(biāo)簽不同的休眠時間策略，控制電子標(biāo)簽射頻電路的工作時間，從而達(dá)到節(jié)能目的。

4 技術(shù)實現(xiàn)

在重要物品管控系統(tǒng)中，與新節(jié)能技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品主要是感應(yīng)器和RFID有源電子標(biāo)簽。

4.1 感應(yīng)器

主要功能:可配置感應(yīng)器自身ID號，通過低頻信號，近距離(1～2 m)向外發(fā)送ID號。

組成框圖:組成框圖如圖2所示。

圖2 感應(yīng)器組成框Fig.2 Sensor composition diagram

軟件架構(gòu):軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)框架Fig.3 Software system framework

軟件架構(gòu)分為:硬件驅(qū)動層和控制層。

硬件驅(qū)動層:負(fù)責(zé)對硬件的控制，包括低頻模塊驅(qū)動和MCU配置。

控制層:根據(jù)接收到的消息，調(diào)用驅(qū)動層，實現(xiàn)軟件功能，包括I/O控制、電量管理、ID設(shè)置和低頻控制。

4.2 有源電子標(biāo)簽

主要功能:近距離接收感應(yīng)器低頻信號，獲得感應(yīng)器ID;通過感應(yīng)器(ID)位置，結(jié)合休眠時間策略，轉(zhuǎn)換電子標(biāo)簽工作模式;可配置標(biāo)簽自身ID號;通過電子標(biāo)簽的射頻信號，遠(yuǎn)距離(50 m以外)向外發(fā)送電子標(biāo)簽ID號。

組成框圖:組成框圖如圖4所示。

圖4 有源電子標(biāo)簽組成框Fig.4 Block diagram of active RFID tag

RFID有源電子標(biāo)簽的組成主要由MCU控制芯片(MCU)、射頻模塊、低頻模塊、匹配網(wǎng)絡(luò)和電池等組成，元器件選擇低功耗控制芯片及射頻芯片［4－5］。

軟件架構(gòu):軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 RFID有源電子標(biāo)簽軟件架構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of active RFID tag software architecture

軟件架構(gòu)分為:硬件驅(qū)動層和控制層。

硬件驅(qū)動層:負(fù)責(zé)對硬件的控制，包括射頻模塊驅(qū)動、低頻模塊驅(qū)動和MCU配置三部分。

控制層:根據(jù)接收到的消息，調(diào)用驅(qū)動層，實現(xiàn)軟件功能，包括射頻控制、休眠策略、功耗管理、ID設(shè)置和低頻控制五部分。

5 節(jié)能分析

有源電子標(biāo)簽通過射頻電路向外發(fā)射信號的工作示意圖如圖6所示。

圖6 有源電子標(biāo)簽工作示意Fig.6 Schematic diagram of active electronic tags

從圖6可以看出，有源電子標(biāo)簽工作一個周期由射頻電路工作時間和射頻電路不工作時間兩部分組成。

在技術(shù)實現(xiàn)過程中，有源電子標(biāo)簽設(shè)計采用的MCU芯片為 PIC18LF24K22，射頻芯片為NRF24L01P，低頻接收芯片為AS3932。根據(jù)實測有源電子標(biāo)簽在射頻電路不工作時的電流為7 μs，射頻電路開始工作時的電流為3 mA，射頻電路工作最大電流為15 mA。從而可以看出，有源電子標(biāo)簽電能消耗主要集中在射頻電路工作期間，發(fā)射時間越長，消耗能量越大。因而在硬件電路確定的情況下，通常采用壓縮發(fā)射時間，達(dá)到節(jié)能目的，實現(xiàn)電池使用壽命。而文中介紹的新節(jié)能技術(shù)，是在以上基礎(chǔ)上，通過感應(yīng)器控制減少有源電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射電路的工作次數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能目的。

假如有源電子標(biāo)簽的正常工作時間內(nèi)，發(fā)射頻率為1次/秒，可計算出每天電子標(biāo)簽發(fā)射次數(shù)為:24×60×60=86 400次。

在采用新節(jié)能技術(shù)的重要物品管控系統(tǒng)中，當(dāng)物品進(jìn)入庫房后，設(shè)置的休眠策略是發(fā)射頻率為0.1 次/秒。

如果物品的有源電子標(biāo)簽按在上班期間發(fā)射頻率為1次/秒，下班后存放庫房期間發(fā)射頻率為0.1次/秒計算，其有源電子標(biāo)簽發(fā)射次數(shù)為:

8×60×60+16×60×60/10=34 560次，減少發(fā)射次數(shù)為51 840次，可節(jié)約60%的電能。

同理按以上辦法計算，如果物品一直存放在庫房，一天可節(jié)約90%的電能。

通過以上計算分析得出，有源電子標(biāo)簽的使用壽命與在采用新節(jié)能技術(shù)后，與使用場景和休眠策略密切相關(guān)。但可以明確的是，減少有源電子標(biāo)簽向外發(fā)射次數(shù)，是可以延長電子標(biāo)簽的使用壽命。

6 結(jié)語

RFID有源電子標(biāo)簽可采取不同的封裝形式，廣泛應(yīng)用于物品、人員、車輛等管控系統(tǒng)，但RFID有源電子標(biāo)簽的電池使用壽命在應(yīng)用中起到重要作用，文中介紹了一種新的RFID有源電子標(biāo)簽節(jié)能技術(shù)的解決辦法，并通過了相關(guān)產(chǎn)品研制驗證新技術(shù)實現(xiàn)的可行性和可應(yīng)用于實際的RFID應(yīng)用中。由于本節(jié)能技術(shù)產(chǎn)生的節(jié)能效果與應(yīng)用場景和RFID有源電子標(biāo)簽的休眠策略有關(guān)，雖然沒能得出有源電子標(biāo)簽采用新技術(shù)后，延長電池使用壽命的具體數(shù)據(jù)，但通過節(jié)能分析可得出，本新技術(shù)應(yīng)用于RFID有源電子標(biāo)簽的節(jié)能設(shè)計，可行之有效的延長電子標(biāo)簽使用壽命。

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