CN102831452A - 一种有源rfid系统的低功耗运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源RFID系统的低功耗运行方法，适用于包括读写器单元和有源标签单元的有源RFID系统，其特征在于，读写器单元由上位机通过数据接口发送来的命令启动对有源标签单元的操作，读写器单元在每一次启动后，读写器单元以T₁为周期连续向有源标签单元发送N次命令，在每个T₁周期内，读写器单元发送完数据后立即切换到接收状态，以等待标签返回的应答数据；直到T₁时间结束，读写器单元重新切换回发送模式重复发送一次数据并在发送完成后又切换到接收状态，如此循环直到N次结束。本发明的有益效果是：可做到大大降低有源标签平均功耗的目的，从而大大延长有源标签的使用寿命。

Description

一种有源RFID系统的低功耗运行方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，尤其涉及一种有源射频识别系统的能耗控制技术。

背景技术

射频识别（RFID）技术是通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的一种通信技术。其作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，已经被世界公认为重要技术之一，在生产、零售、物流、交通等各个行业中都有着广阔的应用前景。射频识别技术已经逐渐成为企业提高物流供应链管理水平，降低生产成本，实现企业管理信息化，增强企业竞争力，参与国际经济大循环不可缺少的技术工具和手段。同时，射频识别也是当今物联网的重要组成部分，其在人们生活中的地位日益凸显，以致我们随处可见，如第二代身份证、公交卡、门禁系统等等。

射频识别系统主要包括读写器和电子标签两种基本部件。其中根据电子标签供电方式的不同，又将射频识别系统分为两类：无源射频识别（无源RFID）系统和有源射频识别（有源RFID）系统。无源RFID系统的电子标签本身不带电池，其依靠读写器发送的电磁能量工作，因此通信距离较短。而有源RFID系统的电子标签内部装有电池，因此无需太大的发射功率，就可完成较远距离的数据传输。同时，有源RFID系统具有传输数据量大、可靠性高、兼容性好和无需像无源RFID系统一样瞄准读取等优点，具有在某些方面无源RFID系统无法去替代的优势。如企业固定资产的管理、仓库物件的监控、稀有保护动物的监控等。然而，有源RFID系统也具有其固有的一些缺陷，其中最显著的就是有源RFID系统中的电子标签（有源标签）的功耗，其直接影响该有源标签的使用时间。

通常，有源标签在接收状态和发送状态时一样，都需要消耗电流，甚至，在接收状态下消耗的电流更大。以NORDIC半导体公司生产的nRF24L01为例，在0dBm输出功率的发射状态下，其消耗的电流为11.3mA，而其在接收状态时的电流消耗为12.3mA。显然，若直接设置标签为接收状态，一直监听着读写器是否有数据发来，是一种极不科学的做法。这样，即使标签的电池容量非常大，那电池也会在很快的时间内消耗殆尽。

很多文献致力于降低有源RFID系统的功耗，即降低有源标签的功耗（因为读写器可由市电经过变换后供电），因而出现了很多新的技术。如通过无源唤醒方式实现超低待机功耗的有源RFID装置，其通过设计一个无源唤醒模块，用于接收并检测读写器的唤醒信号，从而控制有源标签电源的开启与关闭，达到实现低功耗的目的；然而，新增的无源唤醒模块不仅增加了有源标签的成本，也增加了电路的复杂度。又如一种具有唤醒功能的有源RFID系统，其将有源标签设定为在工作区域和非工作区域间循环，并用激励源来控制标签何时向读写器返回数据；与前一种方案类似，新增的激励源不仅增加了有源RFID系统的复杂度，也增加了成本。再如一种微波频段有源RFID系统的低功耗持续上传信息的方法，其利用划分时隙的方式使有源标签在指定的时隙上传数据，而在其他时隙则处于低功耗，从而实现低功耗的信息上传；然而其需要保持在电磁波唤醒状态，显然，在此状态下，能量的消耗也不可忽略的。

发明内容

本发明的目的是为了在不增加有源RFID系统复杂度的前提下，进一步降低有源RFID系统的功耗，提出了一种有源RFID系统的低功耗运行方法。

本发明的技术方案是：一种有源RFID系统的低功耗运行方法，适用于包括读写器单元和有源标签单元的有源RFID系统，其特征在于，读写器单元由上位机（如PC机）通过数据接口发送来的命令启动对有源标签单元的操作，读写器单元在每一次启动后，读写器单元以T₁为周期连续向有源标签单元发送N次（N为读写器单元连续发送命令的次数）命令，在每个T₁周期内，读写器单元发送完数据后立即切换到接收状态，以等待标签返回的应答数据；

直到T₁时间结束，读写器单元重新切换回发送模式重复发送一次数据并在发送完成后又切换到接收状态，如此循环直到N次结束；

有源标签单元中由低功耗定时器来计时以产生周期信号；在每一个睡眠时间T₂中，有源标签单元关闭除定时器外的所有有源器件，此时间段内，有源标签单元不能接收任何数据，亦不能发送任何数据，其消耗的电流几乎为零；在T₂时间结束时，由定时器产生中断，触发并唤醒有源标签单元的控制器进入高功耗状态；控制器令无线收发模块上电并配置其为接收模式，同时让定时器开始T₃的计时；在T₃时间内，标签可以正确接收读写器发送来的数据与命令，并作出相应的应答；T₃时间结束时，控制器配置定时器开始T₂的定时，关闭除定时器外的所有有源器件并重新进入低功耗状态，如此反复循环使得有源RFID系统保持低功耗运行。

本发明的有益效果是：本发明的方法，采用与传统有源RFID系统相同的构架，无需外加载频解调接收电路，而仅仅调整读写器和有源标签的工作状态，让其满足适当的时序规则，即可做到大大降低有源标签平均功耗的目的，从而大大延长有源标签的使用寿命。

附图说明

图1为本发明有源RFID系统的读写器单元的电路结构示意图。

图1a为本发明有源RFID系统的读写器单元一个实施例的电路结构图。

图2为本发明有源RFID系统的有源标签单元的电路结构示意图。

图2a为本发明有源RFID系统的有源标签单元的一个实施例的电路结构图。

图3为本发明有源RFID系统的读写器单元的工作时序示意图。

图4为本发明有源RFID系统的有源标签单元的工作时序示意图。

图5为本发明有源RFID系统的一个实施例的的工作时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的方法所依赖的一个典型的有源RFID系统，该有源RFID系统主要由读写器单元和有源标签单元两部分组成。读写器由上位机（如PC机）通过数据接口发送来的命令启动对有源标签的操作，有源标签由电池供电，两单元通过天线进行无线通信。

如图1a、图2a所示为在图1和图2的原理下的一个有源RFID系统的具体实施例，该具体实施例中，有源RFID系统主要包括读写器单元和有源标签单元两部分组成。读写器单元的结构框图如图1a，主要由控制器MSP430F149和2.4GHz无线收发模块nRF24L01构成，并通过桥接器CP2012与电脑（PC）相连。用户通过电脑端的人机界面启动读写器发出读写有源标签的命令。有源标签单元的结构框图如图2a所示，主要由控制器MSP430F1232和nRF24L01构成。为了降低有源标签的功耗，控制器MSP430F1232由32768Hz的低频晶体振荡器作为定时器提供时钟信号。有源标签单元采用容量为550mAh的纽扣电池CR2450供电。

由于本发明并非对硬件系统的改进，所有符合图1和图2有源RFID系统架构的各种有源RFID系统，无论其具体实施例是否采用和图1a和图2a相同的器件和架构，均可以作为本发明的应用环境。

本发明提出的一种有源RFID系统的低功耗运行方法，适用于包括读写器单元和有源标签单元的有源RFID系统，图3为本发明有源RFID系统的读写器单元的工作时序示意图。图中每一个方向向上的箭头代表一次读写器单元向有源标签单元的数据发射，其特征在于，读写器单元由上位机（如PC机）通过数据接口发送来的命令启动对有源标签单元的操作，读写器单元在每一次启动后，读写器单元以T₁为周期连续向有源标签单元发送N次（N为读写器单元连续发送命令的次数，N为大于1的自然数）命令，在每个T₁周期内，读写器发送完数据后立即切换到接收状态，以等待标签返回的应答数据，直到T₁时间结束，单元重新切换回发送模式重复发送一次数据并在发送完成后又切换到接收状态，如此循环直到N次结束。

每相邻两次数据发射的时间间隔为T₁，即为读写器单元的操作周期。由于每次数据发射的时间相对于等待接收时间T₁来说，显得极为短暂，且其恒为定值，故用一个图中为方向向上的箭头表示突发脉冲。

有源标签单元中由低功耗定时器来计时以产生周期信号；在每一个睡眠时间T₂中，有源标签单元关闭除定时器外的所有有源器件（如控制器和无线收发模块），此时间段内，有源标签单元不能接收任何数据，亦不能发送任何数据，其消耗的电流几乎为零；在T₂时间结束时，由定时器产生中断，触发并唤醒有源标签单元的控制器（即低功耗MCU）进入高功耗状态（接收模式）。控制器令无线收发模块上电并配置其为接收模式，同时让定时器开始T₃的计时；在T₃时间内，标签可以正确接收读写器发送来的数据与命令，并作出相应的应答；T₃时间结束时，控制器配置定时器开始T₂的定时，关闭除定时器外的所有有源器件并重新进入低功耗状态（睡眠模式），如此反复循环使得有源RFID系统保持低功耗运行。

图4为本发明有源RFID系统的有源标签单元的工作时序示意图，图中每一个矩形阴影代表一次睡眠-接收周期中的接收时间T₃，而其余部分代表睡眠-接收周期中的睡眠时间T₂，总的睡眠-接收周期为（T₂+T₃）。在T₃中，有源标签消耗的电流大小等于标签处于正常等待接收时的电流；而在T₂中，由于标签的接收机部分和发射机部分完全关闭，只有低功耗MCU的定时计数器部分处于激活状态，其消耗的电流为微安级别，基本上可忽略不计。则整个睡眠-接收周期（T₂+T₃）内的电流消耗为标签一直处于等待接收状态的

若令T₂>>T₃，则标签的使用时间可大大延长，为标签一直处于等待接收状态的

倍。

只要满足T₁<T₃，和(N-1)·T₁>(T₂+T₃)（N为读写器连续发送命令的次数），则理论上无论什么情况下，标签都能接收到读写器的命令并应答。即在满足上述的情况下，读写器总能正确地对标签进行操作。

如图5所示，下面结合一个具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明：一种有源RFID系统的低功耗运行方法，主要包括如下步骤：

步骤1：在t₁时刻之前，读写器单元处于静默状态，等待用户发出读写有源标签单元的命令。

同时，有源标签单元处于睡眠状态，睡眠时间为T2（10s）。睡眠状态即有源标签内部的无线收发模块nRF24L01处于掉电状态，关闭了发射和接收功能，电流消耗为900nA；控制器MSP430F1232关闭了除了振荡器和定时器之外的所有片内外设（有源器件如控制器和无线收发模块），从而降低功耗，振荡器的震荡频率为32768Hz，经过8分频后得到的4096Hz信号作为定时器的时钟，定时器的定时时间为10s。在睡眠状态下，有源标签的整体功耗为15uA。

步骤2：在t₁时刻，读写器单元接收到了用户从上位机发出的启动读写的命令，然后开始以周期T1为15ms的间隔发出对有源标签单元的读写命令，循环发射1000次，直到t₆时刻结束，则总时间为15s。读写器单元和有源标签单元的nRF24L01的数据速率均为2Mbps，数据包长度为15bytes，则发送一包数据的时间为60us，基本上忽略不计，因此在图5中，读写器单元发出的读写命令以脉冲表示。在此时刻，有源标签单元仍处于睡眠状态。

步骤3：在t₂时刻，有源标签单元的定时器的10s定时时间结束，产生定时器中断，控制器在中断服务程序中退出低功耗模式，接着配置控制器内部的数字控制振荡器（DCO）为8MHz，并使其作为控制器的CPU时钟，然后，控制器配置nRF24L01为接收模式，即有源标签单元切换到接收状态，接收状态的持续时间为T3（20ms），T3远远小于睡眠时间T2。在此状态下，有源标签单元具有最大的电流消耗。其中，nRF24L01的电流为12.3mA，控制器的电流为2.4mA，总电流为14.7mA。在切换到接收状态后，控制器重新配置定时器以开启20ms的定时。

步骤4：在t₂与t₃时刻间，有源标签单元保持为接收状态，电流消耗为14.7mA。由于t₂与t₃时刻的间隔为20ms，而读写器发出的命令循环周期为15ms，因此，在此20ms的时间段内，有源标签总单元能接收到读写器单元的命令，并根据读写器单元的命令做出对应的应答。

步骤5：在t₃时刻，有源标签单元的20ms定时时间结束，产生定时器中断，控制器在中断服务程序中设置nRF24L01为掉电状态，电流消耗为900nA，同时，控制器单元切换到32768Hz的低频时钟，开启10s的定时时间，然后关闭除了振荡器和定时器之外的所有片内外设，并进入低功耗模式。即有源标签单元回到睡眠状态，睡眠时间为T2（10s），此状态下的电流消耗为15uA。

步骤6：在t₄时刻，有源标签单元的10s定时时间结束，与步骤3相同，有源标签单元又从睡眠状态切换到接收状态，接收并应答读写器单元的命令。

步骤7：在t₄与t₅时刻间，有源标签单元保持为接收状态，具体过程与步骤4相同。

步骤8：在t₅时刻，有源标签单元从接收状态切换到睡眠状态，与步骤5相同。

步骤9：在t₆时刻，读写器完成1000次的循环命令发射，回到静默状态并继续等待用户发出读写有源标签的命令。而有源标签单元则继续在T2（10s）的睡眠状态和T3（20ms）的接收状态间循环。

如此循环进行步骤1到步骤9使得有源RFID系统保持低功耗运行。

由于有源标签单元在10s的睡眠状态和20ms的接收状态间循环，则其平均电流消耗为0.0443mA，采用容量为550mAh的CR2450纽扣电池供电，则该有源标签的使用寿命为517天。若进一步缩短有源标签接收状态的时间，设置为15ms，对应着读写器的命令循环周期设为10ms以保证能正确读写有源标签，则有源标签的平均电流消耗为0.037mA，仍采用容量为550mAh的CR2450纽扣电池供电，则有源标签的使用寿命为619天。从而实现了有源RFID系统低功耗运行的目的。

有源标签的睡眠状态时间和接收状态时间的总和决定了读写器能够正确读写有源标签的周期，在睡眠状态时间为10s、接收状态时间为20ms时，读写器能读写有源标签的周期为10.02s。若要提高读写器读写有源标签的速率，则减小睡眠状态的时间即可，但是，其带来的结果是有源标签的功耗会略微的升高。

从上述发明原理和具体实施例可知，通过对读写器单元和有源标签单元在时域上（如T1、T2和T3）适当设置，即可减小有源标签的平均功耗，延长有源标签的使用时间，上述对个时间量（如T1、T2和T3）的具体时间的设定并不局限与上述具体实施例所公开的数值。

在本发明中，读写器单元内数据到空中已调载波的转换时间，空中已调载波到有源标签单元接收数据的转换时间，有源标签单元应答时间，有源标签单元数据到空中已调载波的转换时间，以及读写器单元接收数据的转换时间，这些时间单独看来很短暂，相比于T₁、T₂或T₃可以忽略，但是其时间之和却不能不计，并不影响本发明的实施，但是为了更精确的实施本发明，因此实际的工业化生产过程中读写器单元和有源标签单元的状态转换中需计入这些时间的影响。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种有源RFID系统的低功耗运行方法，适用于包括读写器单元和有源标签单元的有源RFID系统，其特征在于，读写器单元由上位机（如PC机）通过数据接口发送来的命令启动对有源标签单元的操作，读写器单元在每一次启动后，读写器单元以T₁为周期连续向有源标签单元发送N次（N为读写器单元连续发送命令的次数）命令，在每个T₁周期内，读写器单元发送完数据后立即切换到接收状态，以等待标签返回的应答数据；

直到T₁时间结束，读写器单元重新切换回发送模式重复发送一次数据并在发送完成后又切换到接收状态，如此循环直到N次结束；

有源标签单元中由低功耗定时器来计时以产生周期信号；在每一个睡眠时间T₂中，有源标签单元关闭除定时器外的所有有源器件，此时间段内，有源标签单元不能接收任何数据，亦不能发送任何数据，其消耗的电流几乎为零；在T₂时间结束时，由定时器产生中断，触发并唤醒有源标签单元的控制器进入高功耗状态；控制器令无线收发模块上电并配置其为接收模式，同时让定时器开始T₃的计时；在T₃时间内，标签可以正确接收读写器发送来的数据与命令，并作出相应的应答；T₃时间结束时，控制器配置定时器开始T₂的定时，关闭除定时器外的所有有源器件并重新进入低功耗状态，如此反复循环使得有源RFID系统保持低功耗运行。

2.根据权利要求1所述的一种有源RFID系统的低功耗运行方法，其特征在于，所述读写器单元和有源标签单元的一个具体运行过程为：

步骤1：在t₁时刻之前，读写器单元处于静默状态，等待用户发出读写有源标签单元的命令；

同时，有源标签单元处于睡眠状态，睡眠时间为T2，睡眠状态即有源标签内部的无线收发模块处于掉电状态，关闭了发射和接收功能；控制器关闭了除了振荡器和定时器之外的所有片内外设，从而降低功耗，振荡器经过8分频后得到的信号作为定时器的时钟，定时器的定时时间为10s；

步骤2：在t₁时刻，读写器单元接收到了用户从上位机发出的启动读写的命令，然后开始以周期T1为间隔发出对有源标签单元的读写命令，循环发射N次，直到t₆时刻结束；

步骤3：在t₂时刻，有源标签单元的定时器的10s定时时间结束，产生定时器中断，控制器在中断服务程序中退出低功耗模式，接着配置控制器内部的数字控制振荡器为8MHz，并使其作为控制器的CPU时钟，然后，控制器配置为接收模式，即有源标签单元切换到接收状态，接收状态的持续时间为T3，T3远远小于睡眠时间T2；在此状态下，有源标签单元具有最大的电流消耗；在切换到接收状态后，控制器重新配置定时器以开启20ms的定时；

步骤4：在t₂与t₃时刻间，有源标签单元保持为接收状态，由于t₂与t₃时刻的间隔为20ms，而读写器发出的命令循环周期为15ms，因此，在此20ms的时间段内，有源标签总单元能接收到读写器单元的命令，并根据读写器单元的命令做出对应的应答；

步骤5：在t₃时刻，有源标签单元的20ms定时时间结束，产生定时器中断，控制器在中断服务程序中设置无线收发模块为掉电状态，同时，控制器单元切换到低频时钟，开启10s的定时时间，然后关闭除了振荡器和定时器之外的所有片内外设，并进入低功耗模式，即有源标签单元回到睡眠状态；

步骤6：在t₄时刻，有源标签单元的10s定时时间结束，与步骤3相同，有源标签单元又从睡眠状态切换到接收状态，接收并应答读写器单元的命令；

步骤7：在t₄与t₅时刻间，有源标签单元保持为接收状态，具体过程与步骤4相同。

步骤8：在t₅时刻，有源标签单元从接收状态切换到睡眠状态，与步骤5相同；

步骤9：在t₆时刻，读写器完成1000次的循环命令发射，回到静默状态并继续等待用户发出读写有源标签的命令。而有源标签单元则继续在T2的睡眠状态和T3的接收状态间循环；

如此循环进行步骤1到步骤9使得有源RFID系统保持低功耗运行。

Images