RFID有源電子標(biāo)簽節(jié)能技術(shù)研究*

馬 睿，徐廣偉，漆駿鋒，曾曉福

(成都三零瑞通移動(dòng)通信有限公司，四川成都610005)

0 引言

RFID電子標(biāo)簽分為無(wú)源電子標(biāo)簽和有源電子標(biāo)簽，RFID無(wú)源電子標(biāo)簽是利用RFID閱讀器讀取電子標(biāo)簽信息時(shí)，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(dòng)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(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，記錄管控對(duì)象屬性，作為管控對(duì)象的電子身份證。而電子標(biāo)簽的封裝通常設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)用而言，RFID有源電子標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)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(jì)，在硬件方面，通過(guò)對(duì)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(kāi)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(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

通過(guò)改變RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式來(lái)解決功耗問(wèn)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(méi)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(duì)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(jì)復(fù)雜度，違背低功耗設(shè)計(jì)原則。

4)在RFID有源電子標(biāo)簽的實(shí)際應(yīng)用中，比如庫(kù)房重要物品的管理，需要及時(shí)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(hào)，管理系統(tǒng)就無(wú)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(lái)不便。

2 節(jié)能新技術(shù)

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

1)在不改變RFID有源電子標(biāo)簽低功耗硬件設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，對(duì)RFID有源電子標(biāo)簽增加一個(gè)低頻接收電路，可一直接收低頻信號(hào)(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(gè)感應(yīng)器(低頻)，感應(yīng)器部署在應(yīng)用場(chǎng)景的出入口，可近距離向外發(fā)送低頻信號(hào)。RFID有源電子標(biāo)簽接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號(hào)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)RFID有源電子標(biāo)簽設(shè)置不同的休眠策略(休眠時(shí)間)，如庫(kù)房中的重要物品的RFID有源電子標(biāo)簽，可采取延長(zhǎng)發(fā)送射頻信號(hào)時(shí)間間隔休眠策略，減少發(fā)送射頻信號(hào)能量;比如辦公場(chǎng)所人員管理，可設(shè)置下班時(shí)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(diǎn)是:RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式轉(zhuǎn)換，與RFID閱讀器無(wú)關(guān)，標(biāo)簽也可設(shè)計(jì)為單向通信(向外發(fā)送射頻信息，無(wú)需接收電路)，在標(biāo)簽內(nèi)按應(yīng)用場(chǎng)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(lái)切換RFID有源電子標(biāo)簽的工作模式，其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)間策略來(lái)控制RFID電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射。下面就以庫(kù)房管理為例，說(shuō)明進(jìn)出庫(kù)房的判定和休眠時(shí)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(kù)房的應(yīng)用場(chǎng)景，在庫(kù)房大門(mén)內(nèi)、外分別安裝感應(yīng)器(庫(kù)房外感應(yīng)器內(nèi)部存放ID=1，庫(kù)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(hào)(包含ID號(hào)信息)。

圖1 進(jìn)出庫(kù)房門(mén)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(kù)房:

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

其次:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)庫(kù)房?jī)?nèi)感應(yīng)器時(shí)，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號(hào)，獲得感應(yīng)器的ID號(hào)(ID=2);

其三:RFID有源電子標(biāo)簽對(duì)兩次分別讀取到的庫(kù)房外、庫(kù)房?jī)?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(kù)房;

其四:根據(jù)RFID有源電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的進(jìn)入庫(kù)房的休眠策略，喚醒 RFID有源電子標(biāo)簽，開(kāi)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(kāi)庫(kù)房:

首先:當(dāng)RFID有源電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)庫(kù)房?jī)?nèi)感應(yīng)器時(shí)，接收到感應(yīng)器發(fā)送的低頻信號(hào)，獲得感應(yīng)器ID號(hào)(ID=2);

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

其三:RFID有源電子標(biāo)簽對(duì)兩次讀取到的庫(kù)房?jī)?nèi)、庫(kù)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(kāi)庫(kù)房;

其四:根據(jù)RFID有源電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的離開(kāi)庫(kù)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(shí)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(kù)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(chǎng)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(shí)間間隔連續(xù)向外發(fā)送射頻信號(hào));當(dāng)物品進(jìn)入庫(kù)房后(物品的大部分時(shí)間是閑置于庫(kù)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(shí)間間隔增長(zhǎng)的休眠策略，也可更為精細(xì)設(shè)置休眠時(shí)間間隔，比如剛進(jìn)入庫(kù)房的開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)，電子標(biāo)簽的射頻發(fā)射時(shí)間間隔設(shè)置較小，隨著擱置時(shí)間的推移，逐步延長(zhǎng)發(fā)射的時(shí)間間隔，直到達(dá)到一定的間隔時(shí)間;也可設(shè)置成白天、夜晚不同的時(shí)間間隔。

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

4 技術(shù)實(shí)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(hào)，通過(guò)低頻信號(hào)，近距離(1～2 m)向外發(fā)送ID號(hào)。

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(dòng)層和控制層。

硬件驅(qū)動(dòng)層:負(fù)責(zé)對(duì)硬件的控制，包括低頻模塊驅(qū)動(dòng)和MCU配置。

控制層:根據(jù)接收到的消息，調(diào)用驅(qū)動(dòng)層，實(shí)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(hào)，獲得感應(yīng)器ID;通過(guò)感應(yīng)器(ID)位置，結(jié)合休眠時(shí)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(hào);通過(guò)電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)，遠(yuǎn)距離(50 m以外)向外發(fā)送電子標(biāo)簽ID號(hào)。

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(dòng)層和控制層。

硬件驅(qū)動(dòng)層:負(fù)責(zé)對(duì)硬件的控制，包括射頻模塊驅(qū)動(dòng)、低頻模塊驅(qū)動(dòng)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(dòng)層，實(shí)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(guò)射頻電路向外發(fā)射信號(hào)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(gè)周期由射頻電路工作時(shí)間和射頻電路不工作時(shí)間兩部分組成。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)有源電子標(biāo)簽在射頻電路不工作時(shí)的電流為7 μs，射頻電路開(kāi)始工作時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間，達(dá)到節(jié)能目的，實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

假如有源電子標(biāo)簽的正常工作時(shí)間內(nèi)，發(fā)射頻率為1次/秒，可計(jì)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(kù)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(kù)房期間發(fā)射頻率為0.1次/秒計(jì)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(jì)算，如果物品一直存放在庫(kù)房，一天可節(jié)約90%的電能。

通過(guò)以上計(jì)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(chǎng)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(zhǎng)電子標(biāo)簽的使用壽命。

6 結(jié)語(yǔ)

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(chē)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(guò)了相關(guān)產(chǎn)品研制驗(yàn)證新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性和可應(yīng)用于實(shí)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(chǎng)景和RFID有源電子標(biāo)簽的休眠策略有關(guān)，雖然沒(méi)能得出有源電子標(biāo)簽采用新技術(shù)后，延長(zhǎng)電池使用壽命的具體數(shù)據(jù)，但通過(guò)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(jì)，可行之有效的延長(zhǎng)電子標(biāo)簽使用壽命。

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