CN101980253A - 一种微波频段有源rfid系统的低功耗持续上传信息的方法 - Google Patents

Abstract

一种微波频段有源RFID系统的低功耗持续上传信息的方法，涉及射频识别技术。基于ISO/IEC18000-4：2004(E)射频识别空气接口协议，利用协议的规定对有源电子标签进行识别，包括选择、碰撞检测、冲突仲裁和建立通信链路，对于需要跟踪采集的电子标签，读写器将为其分配时隙，并使之进入采集状态，电子标签按照读写器的命令在指定时隙上传信息；在其余时隙，电子标签处于休眠模式，并保持电磁波唤醒状态，以低功耗地监听读写器发布的命令。该方法利用划分时隙(Timeslot)的方式使有源电子标签能够低功耗地实现信息的上传。

Description

一种微波频段有源RFID系统的低功耗持续上传信息的方法

技术领域

本发明属于RFID技术应用领域，具体涉及一个有源RFID系统中多个电子标签低功耗持续上传信息的方法。

背景技术

射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是自动识别技术的一种，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。目前RFID作为一种先进的识别技术已被广泛应用于人们日常生活的众多领域，如工业、商业、交通运输控制管理、防伪、生产甚至军事等，随着RFID技术的进步，其应用领域将进一步拓展。RFID前端系统通常由一个典型的读写器和大量电子标签构成。读写器和电子标签通过射频信号进行非接触的双向数据通信：读写器控制两者之间的通信接入，并负责按照空气接口协议完成对电子标签的读写操作。电子标签按照供电方式可分为无源电子标签和有源电子标签。有源电子标签得益于自带电池供电，能够达到更远的传输距离和更高的传输速度，并可在无读写器控制的情况下自主工作，应用方式更加灵活，甚至可与传感器集成。例如，使用集成了传感器的有源电子标签对存储、运输中的货物及其环境(如温度)进行监视，或在医院对病人的身体状况进行监视等应用，对电子标签编号进行跟踪识别也可实现对物品的防丢失监视。这些应用都对有源RFID系统提出了对电子标签进行持续数据采集的要求。

由于有源电子标签的电池电量有限，如何延长电池的使用时间是以上功能得以应用的关键问题。一个有源电子标签的电量消耗主要集中于计算处理、信号传输。而在实际应用中，信号传输所消耗的能量远远超过计算处理的能量消耗。因此，尽量减少信号的传输才能够有效地降低电子标签的功耗。

空气接口协议是RFID读写器与电子标签通信的基础，国际标准化组织(ISO)为2.45GHz微波频段的RFID系统制定了ISO/IEC18000-4空气接口协议，对该频段有源电子标签的识别过程进行了定义，并得到了广泛的应用。但该协议并未涉及跟踪采集某一个或一批电子标签的方法，目前应用中读写器对工作范围内的有源电子标签信息的持续采集主要采用重新识别的方式。重新识别过程需完成电子标签的选择、通信碰撞检测、通信冲突仲裁和通信握手等繁琐过程，而该协议规定的电子标签应答无退避环节，多标签识别的碰撞概率理论上为100％，且仲裁过程是采用基于概率的方式，一次识别过程将经过多次碰撞和多轮仲裁，通信传输量很大，将耗费读写器和有源电子标签大量的资源和能量，对电量有限的有源电子标签很不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术通信传输量很大，将耗费读写器和有源电子标签大量的资源和能量的缺陷，本发明利用首次识别过程确定电子标签后续采集的顺序，结合电子标签芯片的休眠功能和电磁波唤醒功能，设计出一种有源电子标签低功耗信息持续上传的通信方法。本发明提出一种在现有RFID通信协议基础上对指定范围内电子标签信息进行跟踪采集的低功耗运行方法，该方法利用划分时隙(Timeslot)的方式使有源电子标签能够低功耗地实现信息的上传。电子标签所指对象包括：典型有源电子标签和集成了传感器的有源电子标签。

本发明基于2.45GHz频段ISO/IEC18000-4：2004(E)射频识别空气接口协议进行设计，首先利用ISO/IEC18000-4协议的规定对有源电子标签进行识别，包括选择、碰撞检测、冲突仲裁和建立通信链路，识别后根据预设条件判定电子标签是否需要进行跟踪采集；对于需要跟踪采集的电子标签，读写器将为其分配发言时隙，并使之进入采集状态，电子标签按照读写器的命令上传信息；读写器每发布一次采集命令，各电子标签便在指定时隙上传一次信息，直至读写器发布命令解除跟踪采集状态；在其余时隙，电子标签处于休眠模式，并保持电磁波唤醒状态，以低功耗地监听读写器发布的命令。

通过一套在有源RFID系统读写器和电子标签间传输数据的命令和协议参数实现低功耗信息持续上传。其中读写器向电子标签传送由命令代号、可选择的协议参数和校验数据组成的数据序列；电子标签向阅读器传送由电子标签ID、信息数据和对应校验数据组成的数据序列。有源RFID系统工作流程包括两个阶段：阶段一为识别阶段，阶段二为数据采集阶段。

识别阶段时，系统利用已有的ISO/IEC18000-4接口协议规定的识别机制对阅读器工作范围内的电子标签进行识别。一个电子标签被识别后，读写器根据电子标签编号或存储的标识参数决定是否为其分配数据采集阶段的时隙序号，被分配时隙序号的电子标签采集标识位将被置位，进入采集状态。数据采集阶段，读写器首先发布采集命令，电子标签在接收到采集命令后按照指定给自己的时隙序号在指定时隙发送自身信息，其间读写器不再发言。为实现低功耗的采集，电子标签接收到采集命令，设置完唤醒定时器后即进入休眠状态，并关闭电磁波唤醒功能；在指定时隙上传信息后电子标签进入休眠状态，对读写器的命令进行间歇性监听，直至读写器发出采集结束命令。

本发明的识别过程减少了现有技术电子标签发送信息时多次碰撞和多轮仲裁，通信传输量小，节约读写器和有源电子标签大量的资源和能量，采集周期为这些时隙长度的加和。其中，时隙的长度为一固定值，具体由用户自行设计(根据ISO/IEC18000-4协议定义的传输速率估算时隙长度应不小于10ms为宜)，时隙越小则一定时间内能够采集的标签数量越多。

附图说明

图1：本发明RFID系统协议参数分配示意图

图2：协议补充命令示意图

图3：本发明实施流程示意图

图4：通信实现方法示意图

具体实施方式

如图1所示为RFID系统示意图，包括，一个读写器和一系列电子标签。读写器端设置n个“时隙序号计数器”(n等于分组总数，根据分组需求设定)和1个“已采集标签计数器”：“时隙分配计数器”负责生成时隙序号，长度为8bit，参数名称为SlotCounterX；“已采集标签计数器”负责统计一个采集周期中完成数据采集过程的电子标签总数，长度为8bit，参数名称为ReceivedCounter。

电子标签中设置1个“时隙序号域”、1个“分组编号域”和1个“采集标识位”。“时隙序号域”长度为8bit，参数名为SlotNumber；“分组编号域”长度为8bit，参数名为GroupNumber；“跟踪采集标识位”用于标识电子标签进入跟踪采集状态，采用ISO/IEC18000-4协议规定的FLAGS中的FLAG8(具体参见协议相关内容)。

如图2所示为协议补充命令示意图，读写器在ISO/IEC18000-4协议的基础上增加设置如下命令，包括：“跟踪采集参数分配命令”、“跟踪采集开始命令”、“分组解除跟踪采集命令”和“单个解除跟踪采集命令”。读写器发送“跟踪采集参数分配命令”，识别指定编号/参数的电子标签后，为其指派跟踪采集的“时隙序号”和“分组编号”，发送“跟踪采集参数分配命令”后读写器时隙分配计数器加1，接收到“跟踪采集参数分配命令”的电子标签“跟踪采集标志位”置位，该命令参数包括：命令编号+标签ID号+时隙序号+分组编号。读写器发送“跟踪采集开始命令”，读写器宣布采集开始并与电子标签同步。电子标签将接收到的“跟踪采集参数分配命令”中分组编号与自身分组编号比较，如两者一致且跟踪采集标志位为“1”，将根据其“时隙序号”设置唤醒定时器，以便在分配时隙发送指定地址、指定长度的信息。该“跟踪采集开始命令”包括：命令编号+分组编号+指定地址+指定长度。当需要解除电子标签跟踪采集状态时，读写器发送“分组跟踪采集解除命令”，“分组跟踪采集解除命令”用于解除一组电子标签跟踪采集状态，接收到该命令的一组电子标签“跟踪采集标志位”被置“0”，恢复可被重新识别的状态。该命令参数包括：命令编号+分组编号。当需要解除单个电子标签的跟踪采集状态时，读写器发送“单个跟踪采集解除命令”，“单个跟踪采集解除命令”用于解除单个电子标签跟踪采集状态，接收到该命令的相应一组或单个电子标签“跟踪采集标志位”被置“0”，恢复可被识别的状态。该命令参数包括：命令编号+标签ID号。电子标签在跟踪采集状态下的发送内容包括：标签ID+附加信息。电子标签接收到一次“跟踪采集开始命令”后将在指定时隙发送一次信息。

ISO/IEC18000-4：2004(E)协议将命令代号的“A0”-“DF”区间分配给用户自行定义使用。本发明补充命令的命令代号和命令功能可采用如下方式实现。“跟踪采集参数分配”命令代号“A1”。读写器发送“跟踪采集参数分配”命令，电子标签接收到该命令后，比较接收到的“跟踪采集参数分配”命令中ID号和其自身UID号(注：ID号和UID号由ISO18000-4协议规定)，仅当两者相等情况下，电子标签将“时隙序号域”和“分组编号域”按接收到的参数设置，且将“跟踪采集标志位”置1，电子标签进入跟踪采集状态。读写器发送上述命令后“时隙分配计数器”加1，其中，命令代号长度为8bit，UID长度为64bit，时隙序号长度为8bit，分组编号长度为8bit，CRC长度为16bit。正常执行该命令后电子标签返回“ACKNOWLEDGE”确认信息。否则，电子标签不响应。读写器接收到一个电子标签信息，“已采集标签计数器”自加1。

“跟踪采集开始”命令代号“A2”。命令参数包括分组编号、起始地址和指定长度。分组编号长度为8bit；起始地址(ADDRESS)长度为8bit；指定长度(LENGTH)长度为8bit，取值范围为1-8的自然数。起始地址的值与指定长度的值之和不能大于255，否则电子标签不予响应。接收到该命令后，电子标签比较接收到的“跟踪采集开始”命令中的分组编号和自身分组编号，仅当相等时按照其“时隙序号”设置“时隙唤醒定时器”的参数并进入休眠状态，电子标签在指定时隙被唤醒，并上传读写器所需信息，其间电子标签不监听读写器命令。电子标签上传信息包括：标签ID号+附加信息(长度由LENGTH决定)+CRC校验信息。其中ID号长度为64bit，附加信息长度为LEHGTH个字节，CRC校验信息长度为16bit。

“跟踪采集参数分配命令”响应程序由电子标签在接收到该命令并成功执行后发送给读写器，内容由确认信息+CRC编码构成，当编码确认信息长度为8bit，CRC校验信息长度为16bit。“跟踪采集开始命令”响应信息由电子标签在接收到该命令并成功执行后发送给读写器，内容由ID号+附加信息段(长度由LENGTH决定)+CRC构成，ID长度为64bit，附加信息段长度为LENGTH个字节，CRC校验信息长度为16bit。

“分组跟踪采集解除”命令代号“A3”。电子标签接收到该命令后，比较接收到的“分组跟踪采集解除”命令中包含的分组编号和其自身分组编号，仅在相等时将其“跟踪采集标志位”置0，电子标签解除跟踪采集状态。命令代号长度为8bit，分组编号长度为8bit，CRC长度为16bit。电子标签对该命令无需发送确认帧。

“单个跟踪采集解除命令”代号“A4”。电子标签接收到该命令后，比较接收到的“单个跟踪采集解除命令”中的ID编号和其自身UID编号，仅在相等情况下将该电子标签的“跟踪采集标志位”置0，电子标签解除跟踪采集状态。命令代号长度8bit，UID长度64bit，CRC长度16bit。正常执行该命令的电子标签返回“ACKNOWLEDGE”确认信息。否则，电子标签不响应。读写器接收到一个电子标签信息，“已采集标签计数器”自加1。

如图3所示为本发明信息采集流程图，电子标签进入读写器工作范围，读写器先发言，进入识别阶段。读写器按照ISO/IEC 18000-4空气接口协议对工作范围内的有源电子标签进行识别，当识别出符合协议的某个电子标签后，根据电子标签的ID编号判断是否对该标签进行跟踪采集。若需要跟踪采集，读写器发送“跟踪采集参数分配命令”为需要跟踪采集的电子标签分配“时隙序号”和“分组编号”，并将电子标签采集标识位置“1”，在此状态下电子标签仅接受跟踪采集参数分配、跟踪采集开始和跟踪采集解除命令。接着，进入跟踪采集阶段，读写器先发布“跟踪采集开始命令”，接收到该命令的电子标签按照“时隙序号”完成时隙唤醒定时器设置后进入休眠状态，启动休眠计时器开始计时，当休眠计时器溢出，到达指定时隙时激活电子标签上传信息，上传结束后电子标签进入可由电磁波唤醒的休眠模式，等待读写器下一个命令。读写器统计一个周期内接收的信息总数，确定是否还需对该电子标签进行跟踪采集。若读写器需对新电子标签进行跟踪采集，读写器继续对待跟踪采集的读写器分配时隙和分组编号即可，若需结束跟踪采集，则由读写器发送“分组跟踪采集解除命令”或“单个跟踪采集解除命令”可使电子标签恢复待识别状态。被分配时隙的电子标签的跟踪采集标识位置0。

命令和响应的起始符、分隔符与ISO18000-4协议规定保持一致。本发明在通信流程上，利用初次识别实现的序列编排，避免了多次采集的冲突仲裁过程，且在跟踪采集过程中采用电子标签按时按序发言、读写器保持静默的方式进行通信，减少了有源电子标签的信息收发次数和监听时间；工作方式上，利用电子标签的休眠功能和电磁波唤醒功能，使电子标签在绝大多数时间处于微功耗状态。从而与通信流程相结合，实现由电子标签向读写器低功耗地持续上传信息。时隙的划分和实现：一个采集周期时隙总数根据RFID空气接口协议性能和实际应用需求可设计为256个，一个“时隙序号计数器”长度为8bit，读写器可根据需要定义n个“时隙序号计数器”，以满足多任务分组需求，n的值由应用需要的分组总数决定。

如图4所示，首先在“识别阶段”，由读写器为识别出的电子标签参照ID编号特征，通过跟踪采集命令为相应电子标签分配“采集阶段”发言时隙。此后，被标识的电子标签进入睡眠监听状态，当监听到读写器发出“跟踪采集开始”命令后，电子标签根据命令参数完成自身设定后进入定时器唤醒状态，并在指定时隙被唤醒后上传信息，随即进入休眠监听状态，直至读写器发布“采集解除”命令。

Claims (4)

1.一种微波频段RFID有源电子标签低功耗持续上传信息的方法，其特征在于，该方法包括：在识别阶段系统根据ISO/IEC18000-4接口协议规定的识别机制对读写器工作范围内的电子标签进行识别；发送跟踪采集参数分配命令为电子标签指派跟踪采集的时隙序号和分组编号，置位被分配时隙序号的电子标签采集标识位；进入数据采集阶段，读写器发送跟踪采集命令，并与分组编号对应的电子标签同步，电子标签接收到跟踪采集命令后按照为自己指派的时隙序号在指定时隙发送自身信息，设置唤醒定时器并进入休眠状态，对读写器的命令进行间歇性监听，直至读写器发出采集结束命令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪采集参数分配命令格式为：命令编号+标签ID号+时隙序号+分组编号，读写器发送跟踪采集参数分配命令后读写器时隙分配计数器加1，接收到“跟踪采集参数分配命令”的电子标签“跟踪采集标志位”置位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当需要解除电子标签跟踪采集状态时，读写器发送分组跟踪采集解除命令，接收到该命令的一组电子标签跟踪采集标志位置0，恢复被重新识别的状态；当需要解除单个电子标签的跟踪采集状态时，读写器发送单个跟踪采集解除命令，接收到该命令的电子标签跟踪采集标志位置0，恢复被识别的状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电子标签接受到分组跟踪采集解除命令后，比较接收到的ID编号和其自身UID编号，当两者相等时跟踪采集标志位置0，电子标签解除跟踪采集状态。

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