有源RFID標(biāo)簽省電機(jī)制的研究

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(lái)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(méi)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(wú)線鏈路以“變壓器”模型來(lái)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(lái)自低頻電路的中斷信號(hào)。

當(dāng)?shù)皖l激勵(lì)電路接收到來(lái)自激勵(lì)器的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，甚高頻電路進(jìn)入工作狀態(tài)，等待讀寫(xiě)器對(duì)它的操作，超時(shí)后回到“休眠狀態(tài)”。這樣，射頻標(biāo)簽在沒(méi)有激勵(lì)器的場(chǎng)合，不會(huì)蘇醒，白白浪費(fèi)電能。

當(dāng)?shù)皖l記錄電路沒(méi)有接收到激勵(lì)信號(hào)，甚高頻電路不會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，不會(huì)對(duì)來(lái)自外界的讀寫(xiě)器信號(hào)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(guò)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(tīng)”；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(tīng)”，“休眠”狀態(tài)須通過(guò)激勵(lì)器激勵(lì)后進(jìn)入待命狀態(tài)，再接受讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)器命令。工作于“偵聽(tīng)”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(tīng)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)指令。標(biāo)簽的省電常態(tài)可以根據(jù)需要由讀寫(xiě)器通過(guò)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(tīng)”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(lái)配合完成，不僅具有傳統(tǒng)的標(biāo)簽識(shí)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(tái)激勵(lì)器，6條車道共用一臺(tái)讀寫(xiě)器。當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的C06號(hào)汽車經(jīng)過(guò)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包聯(lián)絡(luò)附近的讀寫(xiě)器，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費(fèi)過(guò)程。這時(shí)，讀寫(xiě)器通過(guò)標(biāo)簽發(fā)來(lái)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(guò)了收費(fèi)口，還能通過(guò)發(fā)來(lái)的激勵(lì)器ID號(hào)知道經(jīng)過(guò)了哪個(gè)車道，具有車道定位功能。

簡(jiǎn)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(kāi)銷。

于是，有人逆著這條思路，將有源射頻標(biāo)簽的功能簡(jiǎn)約化，將甚高頻射頻電路芯片換為簡(jiǎn)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(jiǎn)單存儲(chǔ)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(jiǎn)單，單片機(jī)只是一個(gè)簡(jiǎn)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(méi)有復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，不監(jiān)聽(tīng)外部的讀寫(xiě)信號(hào)，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(lái)進(jìn)行匹配。但是電壓在轉(zhuǎn)換的過(guò)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(lái)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(lái)越大。例如Microchip公司的PIC系統(tǒng)，Texas Instruments公司的MSP430系統(tǒng)以及臺(tái)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(duì)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(yáng)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(chǔ)空間都很有限，過(guò)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(huì)增加標(biāo)簽和讀寫(xiě)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(méi)有絕對(duì)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(shí)別技術(shù)在我國(guó)的興起，有源射頻標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越寬，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(wèn)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(méi)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。