CN101051359A - 基于位置信息的射频识别标签及防冲突方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别标签防冲突技术领域，其特征在于，读卡器设定的初始通信速率低于标签与读卡器进行正常协议通信的速率，其值由从读卡器发送信号到接收到标签的返回信号之间的时间差决定。距离最近的标签在接收到读卡器发送信号后最快返回信号，所以决定了通信速率，其它标签在此通信速率下无法正常工作和返回信号，从而避免了标签间的冲突。为此提出了一种基于位置信息的射频识别标签，该标签包括：天线、距离转换返回信号延时电路、第二数字电路、调制和解调电路。其中距离转换返回信号延时电路使标签从接收到读卡器发送信号到标签返回信号的延时由标签和读卡器之间的距离决定。

Description

基于位置信息的射频识别标签及防冲突方法

技术领域

本发明属于射频识别标签技术领域，涉及标签防冲突问题。

背景技术

RFID在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间(约1940年)，其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与我方飞机。到了70年代末期，美国政府透过Los Alamos科学实验室将RFID技术转移到民间。RFID技术最先在商业上的应用是在牲畜身上。80年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产RFID标签。现在RFID技术已广泛应用于各个领域，例如物流、门禁控制、飞机安全、汽车防盗等等。许多国际公司如微软、IBM、TI、富士通都已经参与到RFID软硬件技术研发中，未来RFID将是一个巨大的市场，同时与国家和社会的发展密切相关。

在RFID系统中，出于成本的考虑，标签共享通讯信道，当它们同时向读卡器返回信号时会产生冲突，这大大影响了标签的读取速度。因此各种协议中都包含了防冲突机制，它也是各个协议中必不可少的一环。现行的协议主要采用ALOHA和二进制树的算法，许多的研究集中在算法的改进上。

发明内容

本发明在现行RFID协议防冲突算法的基础上提出采用标签物理信息增强系统防冲突能力的方法，即通过了解标签所处的位置信息来区分它们。同时可以兼容其它防冲突算法一起使用。

本发明所述的一种基于位置信息的射频识别标签，其特征在于，含有天线、距离转换返回信号延时电路、第二数字电路、调制电路及解调电路，其中：

距离转换返回信号延时电路，含有电荷泵、稳压电路、电流处理电路、第一数字电路、可控延时时钟提取电路、恒定延时时钟提取电路以及调制信号产生电路，其中：

电荷泵，将从天线接收到的标志射频识别标签相对于读卡器位置信息的射频能量转换为电压信号；

稳压电路，将电荷泵输出的电压稳定在设定范围以内，同时将此电压信号转换为电流信号；

电流处理电路，将稳压电路输出的电流信号进行开方处理后控制可控延时时钟提取电路的时钟延时；

可控延时时钟提取电路，在解调电路解调出读卡器的发送数据后设定延时产生时钟，其延时由电流处理电路输出的反映射频识别标签相对于读卡器位置信息的电流信号控制，使得时钟提取的延时T(d)和射频识别标签相对于读卡器的距离d成以下函数关系：

$T\left(d\right)=\frac{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{out}}}{k\sqrt{I_{\mathrm{VL}}}}=\frac{C4\mathrm{\πd}}{\mathrm{k\λ}}\sqrt{\frac{V_{\mathrm{out}}^3}{\mathrm{A\ηQ}}}$

其中 $Q=\frac{{4R}_{\mathrm{ant}}{R}_{\mathrm{tag}}}{{(R_{\mathrm{ant}}+R_{\mathrm{tag}})}^2},$ A＝P_readerG_readerG_tag；

R_ant和R_tag分别为天线辐射电阻和标签的等效输入电阻，P_reader为读卡器发射功率，G_reader为读卡器天线增益，G_tag为标签天线增益，λ为载波波长，V_out为电荷泵输出电压，η为电荷泵能量转换效率，C为充放电电容值，k为电流变换的比例关系，通过调整k和C将T(d)控制在需要的范围内；

如果解调电路解调出的读卡器发送数据的间隔小于所述可控延时，电路不能产生时钟；

第一数字电路，设有：模式控制信号输出端、时钟信号输出端、与第二数字电路调制启动信号输出端相连的输入端、可控延时时钟输入端、恒定延时时钟输入端、解调信号输入端以及调制启动信号输出端；系统启动后，标签等待正常通信，当第一数字电路判断解调后的信号为设定的通信波形类型时，第一数字电路开始工作，调制启动信号输出端输出信号，时钟信号输出端输出可控延时时钟；当第一数字电路判断解调后的信号是事先约定的一组该类型通信数据后，输出模式控制信号，启动第二数字电路，改变调制信号产生电路的工作模式，第一数字电路调制启动信号输出端输出第二数字电路的调制启动信号，时钟信号输出端输出恒定延时时钟，此时第二数字电路执行正常的RFID协议通信命令，所述的恒定延时时钟输入端的信号频率高于可控延时时钟输入端信号可达的最大频率；所述的第一数字电路以可控延时时钟为工作时钟；当解调电路解调出的读卡器发送数据间隔小于可控延时时，可控延时时钟提取电路不产生时钟，第一数字电路因没有工作时钟将保持原来初始状态；

恒定延时时钟提取电路，在解调电路解调出的读卡器发送数据后固定延时产生时钟，如果解调电路解调出的读卡器发送数据间隔小于所述恒定延时，电路不能产生时钟；

调制信号产生电路，其有三个输入端，一个启动信号输入端，与第一数字电路的调制启动信号输出端相连以决定调制信号产生电路是否启动；一个时钟信号输入端，与第一数字电路的时钟信号输出端相连；还有一个模式控制信号输入端，与第一数字电路的模式控制信号输出端相连；所述电路还有一个与调制电路相连的调制信号输出端；所述电路在有时钟输入触发和启动信号输入端有效的情况下，在标签等待正常通信时，在输入时钟固定延时后输出设定的调制信号，在正常通信时，在输入时钟固定延时后输出RFID协议规定的调制信号；

调制电路，设有一个调制信号输入端，所述的调制信号是标签在正常通信时返回的恒定延时信号，或是标签在等待正常通信时返回的可控延时信号；所述电路还有一个输出端连接到天线，通过改变芯片的输入阻抗产生回波信号；

第二数字电路，设有：控制信号输入端，和第一数字电路的模式控制信号输出端相连；时钟信号输入端，与第一数字电路的时钟信号输出端相连；解调信号输入端，与解调电路输出端相连；调制启动信号输出端，与第一数字电路相连；所述的第二数字电路在标签等待正常通信阶段即使有时钟信号输入，但由于控制信号输入端无效所以不进入工作状态；当第一数字电路判断解调后的信号是事先约定的一组设定通信波形类型的数据后，第二数字电路的控制信号输入端有效，第一数字电路的提供的时钟为恒定延时时钟，第二数字电路执行正常的RFID协议通信命令；

解调电路，根据从天线端接收的射频信号的强弱判断读卡器发送的数据，并输出给第一数字电路、第二数字电路、恒定延时时钟提取电路以及可控延时时钟提取电路；

所述设定的通信波形是：读卡器发送三个空载波代表“1”，两个空载波代表“0”，一个空载波代表空值，为标签提取时钟使用，空载波持续时间为1μS，标签发出的回波信号在其恢复的时钟后1μS产生，读卡器在接收到标签回波后1μS再次发送数据，标签返回回波信号的宽度为1μS，区分标签的最小可控延时差为3μS。

本发明所述的一种基于位置信息的射频识别标签的防冲突方法，其特征在于包括以下步骤：

包括以下步骤：

(1)标签进入场区上电复位；

(2)读卡器按设定的通信波形向标签发送调制的载波信号，以供标签提取时钟；

(3)标签根据所处位置即所接收的射频能量大小等待不同的时间向读卡器返回信号；

(4)当读卡器检测到标签返回信号后，固定延时后再次发送数据；

(5)只有离读卡器最近的标签才能再次恢复出正确的时钟和返回信号，并经过正确接收一组事先约定的数据后，发送设定数据告知读卡器，同时进入正常的RFID协议通信状态；

(6)读卡器接收到距离最近的标签返回的设定数据后了解到标签已经准备好进入RFID协议通信状态，则按照RFID协议和标签进行通信；

(7)RFID协议通信结束后，读卡器使标签进入静默状态，同时寻找下一个最近的标签进行通信；

所述的读卡器中设定的通信波形是：读卡器发送三个空载波代表“1”，两个空载波代表“0”，一个空载波代表空值，为标签提取时钟使用，空载波持续时间为1μS，标签发出的回波信号在其恢复的时钟后1μS产生，读卡器在接收到标签回波后1μS再次发送数据，标签返回回波信号的宽度为1μS，区分标签的最小可控延时差为3μS。

仿真结果说明只有具有最快时钟的标签才能与读卡器进行通信，其可区分标签相差的最小延时为4μS(留1μS的冗余)。

附图说明

图1系统示意图；

图2系统通信波形；

图3防冲突方法步骤图，3.1标签状态转换，3.2读卡器状态转换；

图4距离和回波延时关系图；

图5标签在不同距离的区分精度；

图6标签结构示意图；

图7电荷泵电路图；

图8解调电路模块示意图；

具体实施方式

图1是系统示意图，由读卡器和标签组成，标签连接的天线等效为一个电压源和辐射电阻。当对标签进行并联电感匹配后，标签接收到的能量为：

$P_{\mathrm{tag}}=\mathrm{AQ}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2---\left(1\right)$

其中 $Q=\frac{{4R}_{\mathrm{ant}}{R}_{\mathrm{tag}}}{{(R_{\mathrm{ant}}+R_{\mathrm{tag}})}^2},$ A＝P_readerG_readerG_tag。

R_ant和R_tag分别为天线辐射电阻和标签的等效输入电阻，P_reader为读卡器发射功率，G_reader为读卡器天线增益，G_tag为标签天线增益，λ为载波波长，d为标签和读卡器间的距离。

电荷泵输出功耗为：

P_out＝P_tagη                                    (2)

其中η为电荷泵能量转换效率。由于稳压电路消耗了电荷泵输出的主要功耗，其值为

P_VL＝V_outI_VL≈P_out         (3)

V_out为电荷泵的输出电压，I_VL为流过稳压电路的电流，将(1)和(2)代入(3)，我们可以得出I_VL和距离d之间的关系：

$I_{\mathrm{VL}}=\frac{\mathrm{\ηAQ}}{V_{\mathrm{out}}}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2---\left(4\right)$

因此稳压电路中流过的电流携带了距离信息，电流处理模块将I_VL开方处理后控制可控延时时钟提取电路的时钟输出延时T(d)，可用电容充放电实现：

$T\left(d\right)=\frac{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{out}}}{k\sqrt{I_{\mathrm{VL}}}}=\frac{C4\mathrm{\πd}}{\mathrm{k\λ}}\sqrt{\frac{V_{\mathrm{out}}^3}{\mathrm{A\ηQ}}}---\left(5\right)$

其中C为充放电电容值，k为电流变换的比例关系，通过调整k和C将T(d)控制在需要的范围内。

随着标签和读卡器之间距离d的减小，V_out和η变化很小，电荷泵负载加大，R_tag下降逐渐接近R_ont，从而导致Q缓慢增大，T(d)必然减小，因此T(d)和d成单调趋近线性关系。

图2即一种可行的通信波形，读卡器发送的三个空载波代表“1”，两个空载波代表“0”，一个空载波代表空值，空值为标签提取时钟使用。标签在接收到最后一个空载波后延时和距离相关的一段时间，恢复时钟，并在此时钟后1μS产生回波信号。读卡器在接收到标签回波后1μS再次发送数据。空载波持续时间为1μS。从图中可以看出可区分标签相差的最小延时为3μS，即如果另一标签的时钟延时大于图2中恢复时钟3μS，它的时钟在还未到来前会被读卡器发送的空载波重新置0。这样只有拥有最快时钟的标签才能与读卡器进行通信。

图4展示了仿真的距离和回波延时的关系。图5则显示了在不同距离上的可区分标签的最小间距。这里设定标签在时钟延时相差4μS的情况下可区分。仿真是在读卡器发射功率为915MHz 4W EIRP，标签天线等效辐射电阻为200Ω，增益为0dB，并在标签芯片输入端并联上电感进行匹配的条件下得到的。仿真采用了SMIC EEPROM 0.18μm工艺的晶体管模型。

具体的通信步骤如图3，标签分为两种模式：模式1，标签按本发明的防冲突方法和读卡器进行通信，等待正常的RFID协议通信；模式2，标签按现行的RFID协议和读卡器进行通信。

首先，读卡器发射功率，等待标签的返回信号。此例子中的设计为无源标签，所以标签必须等电容上电压达到工作电压时才复位芯片电路，进入模式1等待读卡器的信号，一旦接收到读卡器发送的信号后根据自身位置等待不同的延时产生时钟，返回信号。离读卡器最近的标签有优先权，此标签接收到事先约定的一组正确数据后，采用另一个恒定的更高时钟，进入模式2，与读卡器按照现行各种RFID协议进行通信，当标签相距太近时，它们都将进入模式2并采用RFID协议中的防冲突算法进行区分。

此时处于模式1的标签不会对处于模式2的标签造成影响。如果协议采用是原来如图2的通信方式，此时系统采用更高的时钟，因此模式1标签不能产生时钟，不会有回波信号。如果协议不采用图2的通信方式，可对标签电路做修改，使其对RFID协议标准和图2的通信波形具备区分能力，当读卡器发送RFID协议标准信号波形时，处于模式1的标签不会在此时产生回波，使处于模式2工作的标签通信不受影响。

当读卡器与最近区域的标签通信完毕后，它发送静默命令，同时开始下一轮操作，寻找下一个最接近的标签。

图6是芯片的模块示意图，包括距离转换返回信号延时电路、第二数字电路、调制和解调电路。

解调电路如图8。包络检波电路的输入端和天线相连接，将射频信号转化为幅度变化的电压信号，峰值检测电路输出的电压波动很小，当读卡器发送的空载波来临时，包络检波电路的输出改变，当其小于分压后的电压值时，迟滞比较器输出信号。在这里采用迟滞比较器起到抗噪声的作用。

调制电路模块主要是通过改变天线的输入阻抗产生返回信号。第二数字电路执行模式2的正常RFID协议命令。

距离转换返回信号延时模块包括7个子电路。图7是能量转换和恢复的电荷泵电路，采用Dickson电路结构实现。电路采用二级管连接方式的PMOS晶体管来替代肖特基二级管，可以在普通CMOS工艺上实现，降低了成本，最后一级的电容较大，主要用来储存能量和减少电源波纹。稳压电路在标签过于接近读卡器时起到保护电路的作用，电流处理模块从稳压电路提取电流，开方处理后控制可控延时时钟提取电路的输出时钟延时。第一数字电路判断是否接收到一组事先约定的正确数据，如果是，将输出的时钟从可控延时时钟切换到恒定延时时钟，并启动第二数字电路，将调制信号产生电路的输出从模式1转变为模式2，同时将输出到调制信号产生电路的调制启动信号通路切换到第二数字电路的调制启动信号输出，进行模式2的通信。恒定延时时钟提取电路如果沿用模式1通信物理接口，则无需改变调制信号产生电路的输出模式。恒定延时时钟提取电路也可用片上时钟替代。

顺便指出，应当在所有方面上将上述实施示例视为示例性而非限制性的，因此将落在权利要求的同等物的内涵和范围内的所有修改都包含在本发明中，可以在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下按其它具体形式实现本发明。

Claims (2)

1.基于位置信息的射频识别标签，其特征在于，

含有天线、距离转换返回信号延时电路、第二数字电路、调制电路及解调电路，其中：

距离转换返回信号延时电路，含有电荷泵、稳压电路、电流处理电路、第一数字电路、可控延时时钟提取电路、恒定延时时钟提取电路以及调制信号产生电路，其中：

电荷泵，将从天线接收到的标志射频识别标签相对于读卡器位置信息的射频能量转换为电压信号；

稳压电路，将电荷泵输出的电压稳定在设定范围以内，同时将此电压信号转换为电流信号；

电流处理电路，将稳压电路输出的电流信号进行开方处理后控制可控延时时钟提取电路的时钟延时；

可控延时时钟提取电路，在解调电路解调出读卡器的发送数据后设定延时产生时钟，其延时由电流处理电路输出的反映射频识别标签相对于读卡器位置信息的电流信号控制，使得时钟提取的延时T(d)和射频识别标签相对于读卡器的距离d成以下函数关系：

$T\left(d\right)=\frac{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{out}}}{k\sqrt{I_{\mathrm{VL}}}}=\frac{C4\mathrm{\πd}}{\mathrm{k\λ}}\sqrt{\frac{V_{\mathrm{out}}^3}{\mathrm{A\ηQ}}}$

其中 $Q=\frac{4R_{\mathrm{ant}}{R}_{\mathrm{tag}}}{{(R_{\mathrm{ant}}+R_{\mathrm{tag}})}^2},A=P_{\mathrm{reader}}{G}_{\mathrm{reader}}{G}_{\mathrm{tag}};$

R_ant和R_tag分别为天线辐射电阻和标签的等效输入电阻，P_reader为读卡器发射功率，G_reader为读卡器天线增益，G_tag为标签天线增益，λ为载波波长，V_out为电荷泵输出电压，η为电荷泵能量转换效率，C为充放电电容值，k为电流变换的比例关系，通过调整k和C将T(d)控制在需要的范围内；

如果解调电路解调出的读卡器发送数据的间隔小于所述可控延时，电路不能产生时钟；

第一数字电路，设有：模式控制信号输出端、时钟信号输出端、与第二数字电路调制启动信号输出端相连的输入端、可控延时时钟输入端、恒定延时时钟输入端、解调信号输入端以及调制启动信号输出端；系统启动后，标签等待正常通信，当第一数字电路判断解调后的信号为设定的通信波形类型时，第一数字电路开始工作，调制启动信号输出端输出信号，时钟信号输出端输出可控延时时钟；当第一数字电路判断解调后的信号是事先约定的一组该类型通信数据后，输出模式控制信号，启动第二数字电路，改变调制信号产生电路的工作模式，第一数字电路调制启动信号输出端输出第二数字电路的调制启动信号，时钟信号输出端输出恒定延时时钟，此时第二数字电路执行正常的RFID协议通信命令，所述的恒定延时时钟输入端的信号频率高于可控延时时钟输入端信号可达的最大频率；所述的第一数字电路以可控延时时钟为工作时钟；当解调电路解调出的读卡器发送数据间隔小于可控延时时，可控延时时钟提取电路不产生时钟，第一数字电路因没有工作时钟将保持原来初始状态；

恒定延时时钟提取电路，在解调电路解调出的读卡器发送数据后固定延时产生时钟，如果解调电路解调出的读卡器发送数据间隔小于所述恒定延时，电路不能产生时钟；

调制信号产生电路，其有三个输入端，一个启动信号输入端，与第一数字电路的调制启动信号输出端相连以决定调制信号产生电路是否启动；一个时钟信号输入端，与第一数字电路的时钟信号输出端相连；还有一个模式控制信号输入端，与第一数字电路的模式控制信号输出端相连；所述电路还有一个与调制电路相连的调制信号输出端；所述电路在有时钟输入触发和启动信号输入端有效的情况下，在标签等待正常通信时，在输入时钟固定延时后输出设定的调制信号，在正常通信时，在输入时钟固定延时后输出RFID协议规定的调制信号；

调制电路，设有一个调制信号输入端，所述的调制信号是标签在正常通信时返回的恒定延时信号，或是标签在等待正常通信时返回的可控延时信号；所述电路还有一个输出端连接到天线，通过改变芯片的输入阻抗产生回波信号；

第二数字电路，设有：控制信号输入端，和第一数字电路的模式控制信号输出端相连；时钟信号输入端，与第一数字电路的时钟信号输出端相连；解调信号输入端，与解调电路输出端相连；调制启动信号输出端，与第一数字电路相连；所述的第二数字电路在标签等待正常通信阶段即使有时钟信号输入，但由于控制信号输入端无效所以不进入工作状态；当第一数字电路判断解调后的信号是事先约定的一组设定通信波形类型的数据后，第二数字电路的控制信号输入端有效，第一数字电路的提供的时钟为恒定延时时钟，第二数字电路执行正常的RFID协议通信命令；

解调电路，根据从天线端接收的射频信号的强弱判断读卡器发送的数据，并输出给第一数字电路、第二数字电路、恒定延时时钟提取电路以及可控延时时钟提取电路；

所述设定的通信波形是：读卡器发送三个空载波代表“1”，两个空载波代表“0”，一个空载波代表空值，为标签提取时钟使用，空载波持续时间为1μS，标签发出的回波信号在其恢复的时钟后1μS产生，读卡器在接收到标签回波后1μS再次发送数据，标签返回回波信号的宽度为1μS，区分标签的最小可控延时差为3μS。

2.基于位置信息的射频识别标签防冲突方法，其特征在于，

包括以下步骤：

(1)标签进入场区上电复位；

(2)读卡器按设定的通信波形向标签发送调制的载波信号，以供标签提取时钟；

(3)标签根据所处位置即所接收的射频能量大小等待不同的时间向读卡器返回信号；

(4)当读卡器检测到标签返回信号后，固定延时后再次发送数据；

(5)只有离读卡器最近的标签才能再次恢复出正确的时钟和返回信号，并经过正确接收一组事先约定的数据后，发送设定数据告知读卡器，同时进入正常的RFID协议通信状态；

(6)读卡器接收到距离最近的标签返回的设定数据后了解到标签已经准备好进入RFID协议通信状态，则按照RFID协议和标签进行通信；

(7)RFID协议通信结束后，读卡器使标签进入静默状态，同时寻找下一个最近的标签进行通信；

所述的读卡器中设定的通信波形是：读卡器发送三个空载波代表“1”，两个空载波代表“0”，一个空载波代表空值，为标签提取时钟使用，空载波持续时间为1μS，标签发出的回波信号在其恢复的时钟后1μS产生，读卡器在接收到标签回波后1μS再次发送数据，标签返回回波信号的宽度为1μS，区分标签的最小可控延时差为3μS。

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