CN101051356B - 一种有源射频识别系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的有源射频识别(RFID)系统及其运行方法，所述系统包括有源RFID标签(Tag)、有源RFID读写器(Reader)及其通信协议。系统工作于ISM频段的2.45GHz，标签部分包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)以及天线等，采用独特的低功耗设计，可使用纽扣电池工作3-5年。读写器抗干扰能力强，灵敏度高，主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)、液晶显示、外部接口模块，以及天线等，同时提供RS-232接口可实现与PC机的通讯，RS-485接口满足一些通用仪器仪表的要求。所述运行方法采用了独特的自适应分槽时间窗算法实现防碰撞，可同时处理多个标签，在高速运动的状态下可保证高识别率。

Description

一种有源射频识别系统及其运行方法

技术领域：

本发明涉及无线射频识别技术领域，特别涉及一种新型的有源射频识别系统及其运行方法。

背景技术：

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是自动识别技术的一种，即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别，具有快速、准确、可靠的特点，可广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。

目前，一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。电子标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的转换。发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型主要有电感耦合和电磁反向散射两种。电磁反向散射依据的是电磁波的空间传播规律，采取的是雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标消息。

就RFID标签而言，依据发送射频信号的方式不同，分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主动式电子标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源电子标签；被动式标签不带电池，又称为无源电子标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自读写器产生的电磁波。被动式标签在接收到读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量，所以其读写器的发射功率一般较大。与之相反，有源RFID的电子标签自身具备电池，可提供全部器件工作的电源，因而相应读写器的发射功率要求不高，而且有效读取距离也较前者有所增加，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。

从技术上来说，有源RFID系统具备发射功率低、通信距离长、传输数据量大、可靠性高和兼容性好等特点，与无源RFID相比，在技术上的优势非常明显。正因为如此，它被广泛地应用到公路收费、港口货运管理、人员定位等领域。

经过多年的发展，13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟，目前大家更关注位于中高频段以及微波频段的RFID技术。在国际通用的工业医疗专用频段(ISM频段)的2.45GHz频段，由于同时有蓝牙，无限局域网等多种产品，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。

如今，国内有源RFID市场处于市场启动期，并无比较成熟的产品和应用，还有更广泛的市场空间没有被开拓。RFID技术所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理速度，有效跟踪物流动态等，目前RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。国际咨询机构ABI估计，到2008年，RFID电子标签、阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至30亿美元，RFID技术市场在未来五年内将有数万亿美元的市场空间。任何一种RFID系统应用如果得到普及，都将会孕育一个庞大的市场，将成为中国未来一个新的经济增长点。可以预见，在不久的将来，RFID技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终RFID技术将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。

当然，本发明正是通过我们的技术创新所诞生的用来弥补RFID技术在该频段领域内的技术局限。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型的有源射频识别系统，该系统包括有源RFID标签(Tag)、有源RFID读写器(Reader)及其通信协议。系统工作于ISM频段的2.45GHz，标签部分包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)以及天线等，采用独特的低功耗设计，可使用纽扣电池工作3-5年。读写器抗干扰能力强，灵敏度高，主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)、液晶显示、外部接口模块，以及天线等，同时提供RS-232接口可实现与PC机的通讯，RS-485接口满足一些通用仪器仪表的要求。数据传输速率快，采用了独特的自适应分槽时间窗算法实现防碰撞，可同时处理多个标签，在高速运动的状态下可保证高识别率。

另外，本发明的另一个目的是提供一种根据上述系统的运行方法。

上述系统包含的具体技术方案如下：

一种新型的有源射频识别系统，包括由有源RFID标签和有源RFID读写器所组成的硬件；所述有源RFID标签包括工作电源、与微处理器分别电路连接的射频收发芯片、实时时钟(RTC)以及与射频收发芯片电路连接的信号天线；所述有源RFID读写器包括工作电源、与微处理器分别电路连接的射频收发芯片、实时时钟(RTC)、液晶显示装置、外部接口模块、数据传输接口模块以及与射频收发芯片电路连接的信号天线；其特征在于，

所述有源RFID标签和有源RFID读写器之间的通信采用主-从机制，以读写器作为主机先发起通信；

所述读写器首先监听串口，当从主机得到数据之后，判断数据为命令command还是数据data，然后产生一个新的数据包，最后加上16位的CRC-CCITT校验；读写器在发送数据之前，会首先发送唤醒wake-up信号，然后读写器等待来自标签的回复信息，并把接受到的信息传送给主机；同时判断是否有碰撞发生，若发生碰撞，则将时间窗口乘以2，继续接收，直到无碰撞发生；

所述RFID标签根据工作情况分为休眠、监听、半休眠和通信四个状态：其工作过程为：在休眠状态下当处在读写器读写范围之内的标签收到唤醒信号之后将由休眠状态转换到监听状态，同时查询可能的信道，并检测自身的ID检测标志，若ID检测标志为0，表示它还未曾被读取，则在相应的信道上与读写器通信；之后标签将在读写器的时间窗口中随机地选择一个时隙发送数据；若在规定的时间内收到回复则转入休眠状态；如果在一定的时间内没有收到读写器的回应，则认为与其他标签发生碰撞，在下一个时间窗口中随机选择一个时隙发送数据，直到收到读写器的回复；通信结束后，ID检测标志将被置起，然后标签进入休眠状态。

上述系统中，所述数据传输接口模块包括RS-232接口、RS-485接口等。

上述系统中，所述系统设有可以改变微处理器工作电压和频率的动态电源管理模块，使得系统中MCU在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新进入低功耗模式，如此循环往复，以此降低整个系统功耗。

另外，根据上述系统的运行方法，该方法涉及读写器和标签两部分的工作过程；其特征在于，

所述读写器的工作过程为：首先监听串口，当从主机得到数据之后，判断数据为命令(command)还是数据(data)，然后产生一个新的数据包，最后加上16位的CRC-CCITT校验；读写器在发送数据之前，会首先发送唤醒(wake-up)信号，然后读写器等待来自标签的回复信息，并把接受到的信息传送给主机；同时判断是否有碰撞发生，若发生碰撞，则将时间窗口乘以2，继续接收，直到无碰撞发生；

所述标签根据工作情况分为休眠、监听、半休眠和通信四个状态：其工作过程为：在休眠状态下当处在读写器读写范围之内的标签收到唤醒信号之后将由休眠状态转换到监听状态，同时查询可能的信道，并检测自身的ID检测标志(flag)，若ID检测标志为0，表示它还未曾被读取，则在相应的信道上与读写器通信；之后标签将在读写器的时间窗口中随机的选择一个时隙发送数据；若在规定的时间内收到回复则转入睡眠状态；如果在一定的时间内没有收到读写器的回应，则认为与其他标签发生碰撞，在下一个时间窗口中随机选择一个时隙发送数据，直到收到读写器的回复；通信结束后，ID检测标志将被置起，然后标签进入休眠状态。

上述方法中，所述系统在多标签通信模式下采用自适应调整分槽时间窗放置多标签碰撞的算法；该算法是在读写器设置一段时间窗口，时间窗口又可分为N个时隙(slot)，每个时隙都足够读写器接收数据；标签在N-1中随机选择一个时隙发送数据；当一个时隙只有一个数据时，读写器接收，并发送回复命令；标签收到回复命令后转入休眠状态；若一个时隙中有若干个标签数据时则发生碰撞发生，其标签在下一个时间窗口从(2N-1)中重新选择一个时隙发送。

上述方法中，读写器和标签之间的消息通过广播(broadcast)方式和点对点(P2P)方式进行发送；读写器到标签的广播方式用于收集标签ID、用户ID等信息；读写器到标签的P2P方式用于指定特定的标签进行操作。

上述方法中，标签和读写器之间的通信采用主-从机制，以读写器作为主机先发起通信。

上述方法中，读写器和标签之间的数据采用曼彻斯特编码(Manchester)，以数据包的格式进行传输，每个数据包包括前缀(prefix)、数据(data byte)和CRC校验三部分。

本发明系统工作于ISM频段的2.45GHz，标签采用独特的低功耗设计，可使用纽扣电池工作3-5年。读写器抗干扰能力强，灵敏度高，同时提供RS-232接口可以实现与PC机的通讯，RS-485接口满足一些通用仪器仪表的要求。数据传输速率快，另外，该系统采用了独特的自适应分槽时间窗算法实现防碰撞，可同时处理多个标签，在高速运动的状态下可保证高识别率。

本发明利用动态电源管理技术使得动态改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。由于射频芯片在接收状态时功耗比较大，工作电流为数十毫安，所以应尽量使射频芯片处于休眠状态。当读写器需要访问标签时，首先发送唤醒码，标签收到唤醒码则进入监听状态，从而降低整个系统的功耗。

本发明的有源RFID系统具有使用方便，可靠性强，读出距离远，多标签识别等优点，可广泛应用于门禁系统、车辆管理、物流跟踪、人员定位等领域。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明系统中有源RFID标签的结构示意图。

图2为本发明系统中有源RFID读写器的结构示意图。

图3为本发明系统采用的分槽时间窗防碰撞算法的示意图。

图4为本发明系统中有源RFID读写器工作的流程图。

图5为本发明系统中有源RFID标签工作的流程图。

图6为采用本发明系统的实施例的示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

根据以上发明内容所述，本发明提供的主体包括三部分：有源RFID标签、有源RFID读写器以及相应的通信协议。以下将具体介绍各部分的组成和实现。

如图1所示，有源RFID标签的硬件电路主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)以及天线等。其中，微处理器和射频收发芯片构成标签的核心，完成RF信号的产生、调制、解调和防碰撞等功能。

如图2所示，有源RFID读写器的硬件电路主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)、液晶显示、外部接口模块、RS-232接口、RS-485接口以及天线等。射频收发芯片根据微处理器的指示，完成无线信号的调制解调。主要的通信协议以及防冲突协议在微处理器中完成。系统还提供RS-232接口可以实现与PC机的通讯，RS-485接口满足一些通用仪器仪表的要求。根据不同的应用需求，可选择采用PCB天线或高增益的外置式天线以满足远距离的需求。

当然，通信协议也是本系统的组成部分之一，良好的通信机制是整个系统稳定工作的保证。在通信机制的设计中需要兼顾两个问题：高可靠性和短通信时间。前者是由其应用所决定的，因为RFID通常用于门禁、物流和交通收费等应用，其差错率要求在极小的范围内。后者主要是从功耗和检测速度上考虑的，通信时间短也能够提高单位时间内访问的标签数量，增强实用性，并减小功耗。下面从命令方式、工作状态、防碰撞等几个方面详细说明本发明中通信机制的设计。

读写器和标签之间的消息以两种方式进行发送：广播(broadcast)方式和点对点(P2P)方式。读写器到标签的广播方式用于收集标签ID、用户ID等信息，读写器到标签的P2P方式用于指定特定的标签进行操作。标签和读写器之间的通信采用主-从机制，读写器作为主机先发起通信。读写器和标签之间的数据采用曼彻斯特编码(Manchester)，以数据包的格式进行传输，每个数据包包括前缀(prefix)、数据(data byte)和CRC校验三部分。

系统中的命令分为以下几种：

Collection：收集标签ID(广播方式)

Collection with Data：收集标签ID及其特定存储器数据(广播方式)

Sleep：设置标签休眠状态(P2P方式)

Status：读取标签状态(P2P方式)

Read memory：读取存储区数据(P2P方式)

Write memory：写存储区数据(P2P方式)

Password：设置标签密码(P2P方式)

如图3所示，为解决在多标签通信模式下，标签相互间出现的碰撞问题，本发明系统设计了一种分槽时间窗防碰撞算法。即在读写器设置一段时间窗口，时间窗口又可分为N个时隙(slot)，每个时隙都足够读写器接收数据。标签在N-1中随机选择一个时隙发送数据。当一个时隙只有一个数据时，读写器接收，并发送回复命令。标签收到回复命令后转入休眠状态。若一个时隙中有若干个标签数据时则发生碰撞发生，其标签在下一个时间窗口从(2N-1)中重新选择一个时隙发送。

如图4所示，系统中读写器的工作流程为：读写器首先监听串口，当从主机得到数据之后，判断数据为命令(command)还是数据(data)，然后产生一个新的数据包，最后加上16位的CRC-CCITT校验。读写器在发送数据之前，会首先发送唤醒(wake-up)信号。然后读写器等待来自标签的回复信息，并把接受到的信息传送给主机。同时判断是否有碰撞发生，若发生碰撞，则将时间窗口乘以2，继续接收，直到无碰撞发生。

如图4所示，系统中的标签具有四种工作状态：休眠态，监听态，半休眠态和通信态。休眠态中除定时器外，标签的所有部件均停止工作。监听态是指标签被某事件唤醒后，查询信道上的有效读写器信号。如果与其他标签发生碰撞，暂时休眠一段时间，称为半休眠态。通信态建立了与读写器有效的连接，实现数据的传输。大多数情况下，标签处在休眠状态。当处在读写器读写范围之内的标签收到唤醒信号之后将由休眠状态转换到监听状态。处在监听状态的标签，查询可能的信道，并检测自身的ID检测标志(flag)，若ID检测标志为0，表示它还未曾被读取，则在相应的信道上与读写器通信。标签将在读写器的时间窗口中随机的选择一个时隙发送数据。若在规定的时间内收到回复，则转入睡眠状态；如果在一定的时间内没有收到读写器的回应，则认为与其他标签发生碰撞，在下一个时间窗口中随机选择一个时隙发送数据，直到收到读写器的回复。通信结束后，ID检测标志将被置起，然后标签进入休眠态。标签按照上述机制，便能够实现一次完整的通信。

如果读写器信号存在，且ID检测标志为1，表示它已经被读取，则返回休眠态。如果检测不到读写器信号，则认为在读写器有效范围之外，立即进入休眠态。检测后，再进入休眠态的标签相应的ID检测标志是为1的，这将阻止它与读写器之间通信。这种措施，主要是为了减少一个读写器对于同一个标签的多次访问，但如果该标志一直不变，将影响其他读写器对该标签的访问。因此，在休眠一定时间后，ID检测标志将被强行清除。

另外，本发明的另一个关键是低功耗设计。在有源RFID系统中，如何降低标签的功耗是一个关键技术。本发明除了在标签设计中采用低功耗硬件外，通过动态电源管理(Dynamic Power Management，DPM)技术使系统各个部分都运行在节能模式下，节约了大量的能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，标签电路的部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。系统中MCU在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新进入低功耗模式，如此循环往复，可以最大限度地降低功耗。

当然，动态电源管理的一个核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征，而且状态切换也有能量和时间开销。在活跃状态下，采取动态电压调整技术来节约能量。标签的计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器在任何时刻都保持峰值性能。

因此本发明动态改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。由于射频芯片在接收状态时功耗比较大，工作电流为数十毫安，所以应尽量使射频芯片处于休眠状态。当读写器需要访问标签时，首先发送唤醒码，标签收到唤醒码则进入监听状态，从而降低整个系统的功耗。

在实际应用中，有源RFID标签可直接安装在车辆等需要识别的物体上，在离车辆等需要识别的区域一定距离(0～80米)安装有源RFID读写器，后台信息中心就可以通过该RFID读写器识别工作范围内存在的有源RFID标签。

这里以不停车收费系统(ETC)为本发明的具体实施例子：

如图6所示，不停车收费系统利用有源RFID和计算机技术实现收费功能，每辆车都在汽车前挡风玻璃上安装有源RFID标签，在高速公路的收费口设有ETC专用通道，通道上方安装有源RFID读写器天线，有源RFID读写器和PC机的后台控制系统相连，可实现标签的识别、计费等操作。当安装有有源RFID标签的车辆驶过时，将自动扣除费用，不需停车交款，大大提高了收费口的通车能力。具体的实施过程如下：

1.有源RFID标签安装在车辆的挡风玻璃后面；

2.在ETC专用通道的上方架设有读写器天线；

3.当车辆通过第一个装有收发器的门架时，检测天线激活RFID标签，并完成收发器与RFID标签的双向确认；

4.收发器首先验证RFID标签的有效性及余额；

5.如果该标签无法被识别(包括无效)或余额不足，门架前方的拦杆不会升起(不放行)，同时系统指示灯发出警告，提示司机转入人工收费车道交费；

6.如果一切正常，门架前方的拦杆自动升起(放行)，车辆在通过第二个装有收发器的门架时RFID标签内的信息被修改，完成收费过程，指示灯及蜂鸣器会告诉司机收费是否完成。

上述实施例为本系统的一个应用示范，本系统在其他的车辆管理，人员监控方面都有广泛的应用前景。

以上是本发明的实施方式之一，对于本领域内的一般技术人员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上可以做多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种有源射频识别系统，包括由有源RFID标签和有源RFID读写器所组成的硬件；所述有源RFID标签包括工作电源、与微处理器分别电路连接的射频收发芯片、实时时钟RTC以及与射频收发芯片电路连接的信号天线；所述有源RFID读写器包括工作电源、与微处理器分别电路连接的射频收发芯片、实时时钟RTC、液晶显示装置、外部接口模块、数据传输接口模块以及与射频收发芯片电路连接的信号天线；其特征在于，

所述有源RFID标签和有源RFID读写器之间的通信采用主-从机制，以读写器作为主机先发起通信；

所述读写器首先监听串口，当从主机得到数据之后，判断数据为命令command还是数据data，然后产生一个新的数据包，最后加上16位的CRC-CCITT校验；读写器在发送数据之前，会首先发送唤醒wake-up信号，然后读写器等待来自标签的回复信息，并把接受到的信息传送给主机；同时判断是否有碰撞发生，若发生碰撞，则将时间窗口乘以2，继续接收，直到无碰撞发生；

所述RFID标签根据工作情况分为休眠、监听、半休眠和通信四个状态：其工作过程为：在休眠状态下当处在读写器读写范围之内的标签收到唤醒信号之后将由休眠状态转换到监听状态，同时查询可能的信道，并检测自身的ID检测标志，若ID检测标志为0，表示它还未曾被读取，则在相应的信道上与读写器通信；之后标签将在读写器的时间窗口中随机地选择一个时隙发送数据；若在规定的时间内收到回复则转入休眠状态；如果在一定的时间内没有收到读写器的回应，则认为与其他标签发生碰撞，在下一个时间窗口中随机选择一个时隙发送数据，直到收到读写器的回复；通信结束后，ID检测标志将被置起，然后标签进入休眠状态。

2.根据权利要求1的有源射频识别系统，其特征在于，所述数据传输接口模块包括RS-232接口、RS-485接口。

3.根据权利要求1的有源射频识别系统，其特征在于，所述系统设有可以改变微处理器工作电压和频率的动态电源管理模块，使得系统中微处理器在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新进入低功耗模式，如此循环往复，以此降低整个系统功耗。

4.一种有源射频识别系统的运行方法，该方法涉及读写器和标签两部分的工作过程；其特征在于，

所述读写器的工作过程为：首先监听串口，当从主机得到数据之后，判断数据为命令command还是数据data，然后产生一个新的数据包，最后加上16位的CRC-CCITT校验；读写器在发送数据之前，会首先发送唤醒wake-up信号，然后读写器等待来自标签的回复信息，并把接受到的信息传送给主机；同时判断是否有碰撞发生，若发生碰撞，则将时间窗口乘以2，继续接收，直到无碰撞发生；

所述标签根据工作情况分为休眠、监听、半休眠和通信四个状态：其工作过程为：在休眠状态下当处在读写器读写范围之内的标签收到唤醒信号之后将由休眠状态转换到监听状态，同时查询可能的信道，并检测自身的ID检测标志，若ID检测标志为0，表示它还未曾被读取，则在相应的信道上与读写器通信；之后标签将在读写器的时间窗口中随机地选择一个时隙发送数据；若在规定的时间内收到回复则转入休眠状态；如果在一定的时间内没有收到读写器的回应，则认为与其他标签发生碰撞，在下一个时间窗口中随机选择一个时隙发送数据，直到收到读写器的回复；通信结束后，ID检测标志将被置起，然后标签进入休眠状态。

5.根据权利要求4的有源射频识别系统的运行方法，其特征在于，所述系统在多标签通信模式下采用自适应调整分槽时间窗防止多标签碰撞的算法；该算法是在读写器设置一段时间窗口，时间窗口又分为N个时隙，每个时隙都足够读写器接收数据；标签在N-1中随机选择一个时隙发送数据；当一个时隙只有一个数据时，读写器接收，并发送回复命令；标签收到回复命令后转入休眠状态；若一个时隙中有若干个标签数据时则发生碰撞发生，其标签在下一个时间窗口从2N-1中重新选择一个时隙发送。

6.根据权利要求4的有源射频识别系统的运行方法，其特征在于，读写器和标签之间的消息通过广播broadcast方式和点对点P2P方式进行发送；读写器到标签的广播方式用于收集标签ID、用户ID信息；读写器到标签的P2P方式用于指定特定的标签进行操作。

7.根据权利要求4的有源射频识别系统的运行方法，其特征在于，标签和读写器之间的通信采用主-从机制，以读写器作为主机先发起通信。

8.根据权利要求4的有源射频识别系统的运行方法，其特征在于，读写器和标签之间的数据采用曼彻斯特编码，以数据包的格式进行传输，每个数据包包括前缀prefix、数据data byte和CRC校验三部分。

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