CN103201751A - 用于更新rfid阅读器上的参数和固件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于使用标签-阅读器空中接口将操作信息无线地传输到RFID阅读器的方法。RFID标签仿真器能够将RFID阅读器的操作信息格式化成标准RFID标签传输信号格式并传输它作为可由标准RFID阅读器阅读的标准RFID标签传输信号。RFID阅读器可以读以标准RFID标签传输信号格式而格式化的信息并提取操作信息以及将存储它用于在RFID阅读器的操作中使用。

Description

用于更新RFID阅读器上的参数和固件的系统和方法

背景

本发明涉及无线射频识别（RFID）系统，且更具体地涉及用于借助于阅读器-标签空中接口来无线地更新阅读器（也称为询问器）上的配置参数和固件的系统和方法，阅读器形成这样的系统的部分。

RFID系统是已知的，其中多个RFID阅读器被部署在单个读取点处或遍及整个系统的不同读取点处，其中一些读取点可以在远处。这样的系统的例子包括但不限于：

●运动测时系统，其使用以某种方式附到比赛者的RFID标签来在这样的比赛者越过起跑线、终点线或在沿着跑道的中间点时识别他们。与识别比赛者同时地，他们被识别的时间也被记录，以便产生事件结果或所关注的其它定时信息，例如分段时间。

●车辆过路费系统，其中车辆被识别并在沿着高速公路的点处被打时间戳，以便征收过路费或收集其它ITS（智能运输系统）相关的信息，例如行进速度和交通密度。

●供应链管理系统，其中阅读器部署在例如制造商或生产商、装运港、配销中心和零售商处，以便识别沿着供应链的货物、集装箱或可退回的运输物品并给它们打时间戳，用于跟踪这样的货物和用于收集关于沿着这样的供应链的到达和离开时间的信息的目的。

在这样的系统中使用的RFID标签（也称为应答器）和阅读器一般是ISO/IEC18000兼容的阅读器和无源或有源标签，但也可以是其它非标准标签例如IP-X DF标签和阅读器。阅读器和标签使用所谓的“空中接口”——阅读器和标签之间的射频通信协议——彼此无线地通信。在无源标签的情况下，阅读器将RF能量发送到标签，RF能量由标签修正并用于给标签供电。从阅读器到标签的通信（“前向链路”）一般通过调制RF能量来完成，而从标签到阅读器的通信（“返回链路”）通过后向散射调制来完成，即，标签通过调制其天线上的负载来修改其自己的反射系数。半有源或电池辅助的标签由电池供电，但以与无源标签相同的方式使用后向散射调制进行通信。有源标签是电池供电的，并包含用于与阅读器通信的有源RF发射机。标签一般向阅读器返回识别码（ID）或唯一物品标识符（UII，有时也称为EPC码）。阅读器也可利用读命令来从标签得到额外的信息。

在RFID阅读器的任何这样的分布式部署中，产生了很多问题：

1．很难使系统中的所有阅读器时间同步。这对运动测时系统尤其如此，其中在系统中的所有阅读器中需要10ms或更好的定时准确度，不管这些阅读器是在单个读取点例如终点线处的多个阅读器还是沿着跑道分布的阅读器。已知的解决方案是将所有阅读器连接到NTP服务器，然而，这需要网络被建立，且可能需要到中央NTP服务器的无线通信，特别是如果定时点例如沿着马拉松比赛的路线广泛分布。这个解决方案可能对较小的非职业比赛是不实际的，其中设定时间和可用基金可能被限制。该解决方案还需要在每个RFID阅读器中的强大和昂贵的控制器处理器，其一般能够以UNIX、Linux或Windows的形式运行。这个方法还引入定时不准确性的源，因为所接收的ID和EPC码在接收时是不带时间戳的，但更确切地在控制器中，此时，延迟可能通过所接收的ID和EPC码的缓存和传输引起。可选的解决方案是将GPS接收机安装在所有RFID阅读器中。然而，这可能极大地增加阅读器的成本，且可能对安装在室内的阅读器或在没有GPS接收的点处不是可行的。

2．很难确定并记录实际地理安装点，例如在沿着比赛路线的点处、在沿着高速公路的过路费点处或在阅读器被安装的供应链应用中的设施或读取点处。

3．很难设定并更新各种操作参数，例如操作频率、标签和通信波特率、管辖范围、调制技术等。这对新的安装或用新阅读器代替现有的（可能有缺陷的）阅读器尤其如此。在这两种情况下，可能需要在安装之后配置阅读器以在该读取点匹配系统的要求。虽然这样的配置可以且常常通过网络完成，一些配置可以是安装相关的并可能更容易和更有效地在安装时在现场实现。

通过使用系统的标签-阅读器空中接口协议来提供对时间同步、地理定位或其它参数更新——可能包括部署在系统中的多个RFID阅读器的固件和软件更新——的上述问题的有效和成本有效的解决方案将是合乎需要的。本专利提出了标签仿真器，其可包含GPS接收机并可能能够仿真IP-XDF标签或任何ISO/IEC18000标签，但仿真的标签响应（ID或UII码）被特别格式化以包含时间和/或地理位置信息（可能从车载GPS单元得到）或其它设定参数或固件。当阅读器探测到这个特别格式化的标签消息时，它能够更新其自己的实时时钟（RTC），记录其自己的地理位置或从包含在日志消息中的信息更新其设定参数或固件。系统中的多个阅读器可通过仅仅人工地将标签仿真器带到阅读器的每个读取场地中而被更新。这可以用任何方式完成，即，没有特定的顺序或时间要求需要被满足。

发明概述

根据本发明，提供了射频识别系统的标签仿真器，仿真器包括适当的天线（LF、HF、VHF或微波）和电子电路，电子电路包括：

a.用于仿真相关的标签-阅读器空中接口的控制器；

b.用于产生标签响应的发射机或天线调制器；

c.电源（一般是电池）；

d.可能GPS接收机；

e.可能实时时钟（RTC）；

f.用于存储参数或固件更新的存储装置。

标签仿真器能够执行所需的空中接口，不管它是在ISO/IEC18000中规定的空中接口、IP-X DF或VHF空中接口之一还是可能被需要的任何其它外围空中接口。然而，不是使用ID、UII码或其它标签数据作出响应，仿真器使用像标签数据一样被格式化的参数信息作出响应，但具有区别特征例如特殊的包头以将它与正常标签响应区分开。发射机或天线仿真器能够主动地或借助于调制的反向散射产生标签响应。

还提供了RFID阅读器，其能够执行所需的空中接口（ISO/IEC18000或任何专有协议），但能够识别如上所述特别格式化的标签响应，并能够从嵌入仿真标签响应中的信息更新其配置参数。

还提供了包括下列项的RFID阅读器：

a.能够接收以标准RFID标签传输信号格式而格式化的信号的接收机；

b.能够提取包含在以标准RFID标签传输信号格式的所接收的信号中的操作信息的处理器；以及

c.用于存储所提取的操作信息以用在RFID阅读器的操作中的存储器。

还提供了用于使用标签-阅读器空中接口来将操作信息无线地传输到RFID阅读器的方法；该方法包括：

a.发送以仿真来自RFID标签的响应的格式的操作信息；以及

b.在RFID阅读器接收所发送的操作信息并通过RFID阅读器利用它。

还提供了用于使用标签-阅读器空中接口来将操作信息无线地传输到RFID阅读器的系统；该系统包括：

c.如权利要求1到17中所述的一个或多个RFID标签仿真器；以及

d.如权利要求18到30中所述的一个或多个RFID阅读器。

附图的简要描述

现在将参考附图仅作为例子描述本发明，其中：

图1是显示多个部署的RFID阅读器的一般跑道的布局的基本方框图；

图2是如在运动测时应用中使用的一般IP-X DF标签的基本方框图；

图3示出IP-X DF标签的响应波形；

图4示出IP-X DF标签的ID结构；

图5是根据本发明的标签仿真器的基本方框图；

图6示出IP-X DF标签仿真器的时间参数结构；以及

图7示出IP-X DF标签仿真器的坐标参数结构。

本发明的优选实施方式的描述

本发明的一个优选实施方式是在运动测时——例如但不限于公路跑步或骑自行车——的领域中。在起跑线（4）、终点线（6）处和沿着跑道（5）部署多个IP-X DF阅读器，用于记录比赛者的开始、分段和完成时间。图1示出这样的系统的图示。如可从图中看到的，多个阅读器（1）可部署在单个读取点处，以便覆盖宽跑道（3）。阅读器天线是以横穿跑道布置的垫子（2）的形式。标签附到比赛者（在他们的踝周围或嵌入他们的比赛号码中）或他们的自行车。当这些标签越过垫子时，64位ID号码使用IP-X防冲突空中协议被发送到阅读器。64位ID号码与比赛者的比赛号码相关。当每个比赛者由阅读器识别时，带时间戳的记录在数据库中被创建，比赛结果可从该数据库产生。从阅读器内部的准确的实时时钟（RTC）得到时间戳。使用具有4ppm的规范的RTC，大约15ms的误差可在一个小时内积累，且大约0.1s的误差在七个小时内积累。这可能对群众性马拉松公路比赛足够好，其中对于较慢的比赛者来说0.1s的准确度就足够了。然而，在比赛之间，RTC中的误差可能累积到每星期大约2.5s，这不再是可接受的。在部署之后更新所有阅读器的RTC并在跑步开始之前关闭因此变得必要。这在多个阅读器部署在一个读取点处时尤其如此。在这样的情况下，比赛者可能将被多于一个阅读器探测到，且除非被正确地同步，可能阅读器可为同一比赛者产生冲突的时间记录。

图2示出IP-X DF标签（7）的方框图。标签通过天线（8）接收能量，天线（8）被调谐成借助于电容器（9）以125kHz共振。修正能量存储在电容器（10）中以用于给集成电路（13）供电并供应能量用于响应。集成电路修正所接收的能量，执行IP-X空中协议并经由天线（11）作出响应，天线（11）借助于电容器（12）被调谐成以6.78MHz鸣响。

IP-X DF标签响应波形在图3中示出。该响应使用脉冲位置编码（PPE），“1”在位周期的第一四分之一期间由6.78MHz脉冲流（14）表示，而“0”在位周期的第三四分之一期间由6.78MHz脉冲流（14）表示。该响应以八个“0”开始位（15）开始，后面是由跟随有“1”的两个空白位周期的同步（16）组成。在同步之后，ID（17）的64位被传输。位速率名义上是128kbit/s，所以完整的传输在名义上花费586μs。

图4示出IP-X DF空中协议的ID结构。它由两个扩展位（18）、4位制造商代码（19）、10位消费者代码（20）、32位唯一ID（21）和最后16位CRC（22）组成。扩展位具有下面的含义：

“00”-只读IP-X ID

“01”-读/写IP-X ID

“11”-ISO结构数据

“10”-未来扩展

因此可能通过使用扩展位的值“10”来区分预期用于来自正常ID的阅读器的参数数据。

在这个第一优选实施方式中，电池驱动的手持IP-X DF标签仿真器用于在比赛开始之前对所有部署的阅读器进行时间同步和地理定位。图5示出这样的标签仿真器的方框图。仿真器包括控制器（23）、发射机（24）、6.8MHz天线（25）、GPS接收机（26）和4ppm或更好的RTC（27）。控制器执行如上所述的IP-X DX空中接口，但不是发送ID，它发送如下所述被格式化的时间值或坐标值。当GPS信号存在时，仿真器的RTC从GPS接收机时间得到维持。当GPS信号不存在时，RTC足够准确以根据所需的准确度在某个时间段内用作时间的备份源，例如，如果好于10ms的准确度被需要，则RTC时间在最近GPS定位之后在大约20s内将在要求内。控制器还具有保持最近已知的GPS坐标的存储装置。仿真器可借助于位开关或所存储的配置值（未示出）配置成发送时间、地理坐标或两者。

GPS接收机提供所谓的“1PPS”信号——在每秒的秒上脉冲。时间值是最近的秒并在下一1PPS脉冲上是有效的。仿真器名义上在下一1PPS脉冲之前的586μs（或在前一1PPS脉冲之后的999.414ms）开始时间消息传输。该消息将因此在秒上终止，允许阅读器将其自己的RTC校正更新到该秒。阅读器接着使用内部计数器或软件定时循环（也称为“毫秒计数器”）来以所需的准确度——一般最近的1ms或10ms——产生加入的时间戳。

仿真器在它被开启时每秒发送时间消息和/或坐标消息。标签仿真器可被人工地带到每个阅读器的波束中，例如只通过带着仿真器越过系统中的所有部署的定时垫子行走。额外的标签仿真器可在地理上远离的读取点处使用，即，其中在比赛开始之前在合理的时间内到达所有阅读器可能是成问题的。这导致在单个读取点处的所有阅读器被时间同步到同一仿真器时间（GPS或估计的GPS）以及沿着比赛路线的所有阅读器被时间同步到GPS时间。

图6示出用于时间值的传输格式。关于正常ID，传输在长度上是64位并以两个扩展位（28）开始，但值“10”指示传输不是正常ID。扩展位后面是指示参数有效载荷的位（29）（“0”表示参数有效载荷，“1”被保留用于未来的扩展）和指示时间是GPS时间还是估计时间（从RTC）的位（30）。接下来的四个位（31）指示参数的类型（“0000”表示时间）。接下来的40个位（32）允许格式“MMDDHHMMSS”的10个字符时间值。最后16个位（33）是只对于正常ID的CRC-16。GPS时间消息将因此以0x90开始，且RC时间消息将以0x80开始。

图7示出用于坐标值的传输格式。关于正常ID，传输在长度上是64位并以两个扩展位（34）开始，但值“10”指示传输不是正常ID。扩展位后面是指示参数有效载荷的位（35）（“0”表示参数有效载荷，“1”被保留用于未来的扩展）和指示坐标是有效GPS坐标还是估计坐标的位（36），即，没有可用的GPS信号。接下来的四个位（37）指示参数的类型（“0001”表示纬度，而“0010”表示经度）。接下来的40个位（38）允许格式“SDDDdddddd”的十进制度数中的10个字符坐标值。“S”是符号位（“0”=“+”且“1”=“-”）。最后16个位（39）是只对于正常ID的CRC-16。GPS纬度消息将因此以0x91开始，且GPS经度消息将以0x92开始。估计纬度消息将因此以0x81开始，且估计经度消息将以0x82开始。

下面在表1中总结各种参数消息起始部。

消息起始部	含义
		0x80	估计时间
0x81	估计纬度
		0x82	估计经度
0x90	GPS时间
		0x91	GPS纬度
0x92	GPS经度

表1：仿真器消息起始部

应注意，IP-X和ISO/IEC18000-6D是“标签先发言”（TTF）协议，与例如是“阅读器先发言”（RTF）协议的SO/IEC18000-6C相反。实际上，这意味着IP-X标签仿真器可在任何时间——例如在如在优选实施方式中所述的秒上——发送时间参数消息。时间参数消息因此只必须对最近的秒是特定的。然而在RTF协议中，标签响应是对阅读器命令的答复。响应的定时因此由阅读器确定，且时间参数消息将必须在响应时间时包括秒的分数（到最近的10ms或1ms，如可能需要的）。接收这样的消息的阅读器必须将其自己的RTC设定到整数秒，但也必须将其毫秒计数器初始化到秒的分数。

在IP-X和ISO/IEC18000-6D空中协议中，基本ID响应是仅仅64位长，所以在优选实施方式中提出的消息格式被约束为64位长。然而，IP-X和ISO/IEC18000-6D都允许多个64位分组被发送。这个特征可用于发送参数集或甚至对阅读器的固件更新。在ISO/18000-6C和相关的空中协议中，UII在长度上被限制到496位（对于控制协议的细节请参考ISO/IEC18000-6标准）。这将允许多个参数在单个响应消息中被发送到阅读器，例如时间、纬度和经度参数可包括在单个消息中。然而，496位将通常不足以发送固件更新。在这种情况下，固件更新可保存在标签仿真器的USER（用户）存储器中。参数消息只需要指定USER存储器中的起始地址和长度，且阅读器可接着使用如在空中协议中提供的READ（读）命令以取回固件更新。

将进一步认识到，存在关于根据本发明的仿真器电子电路和消息格式以及方法的很多在细节上的变化，而不偏离本公开的范围和精神。

Claims (32)

1.一种RFID标签仿真器，包括：

a.处理器，其能够仿真RFID标签空中接口并能够将用于RFID阅读器的操作信息格式化成能够由标准RFID阅读器阅读的标准RFID标签传输信号格式；以及

b.发射机，其能够仿真RFID标签响应信号并作为能够由标准RFID阅读器阅读的标准RFID标签传输信号发送格式化的操作信息。

2.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器能够仿真IP-X DF标签或ISO/IEC18000标签。

3.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述发射机是有源发射机。

4.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述发射机是能够产生无源反向散射的天线调制器。

5.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述操作信息包括将用于设定或更新所述阅读器中的实时时钟（RTC）的时间信息。

6.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述操作信息包括地理位置信息，以便给阅读器提供其自己的地理位置。

7.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述操作信息包括一个或多个阅读器设定参数，所述阅读器设定参数可能选自但不限于：空中接口、通信波特率、IP地址、操作频率、操作模式、管辖范围和调制技术。

8.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述操作信息包括固件更新或关于所述固件更新能够如何从所述标签仿真器取回的参数。

9.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器包含用于提供将被发送到所述阅读器的时间信息的RTC。

10.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器时间包含GPS接收机。

11.如权利要求10所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器包含备份RTC，所述备份RTC在GPS信号是可用时由GPS时间维持，并在GPS信号不是可用的时能够提供待发送的时间信息。

12.如权利要求9、10或11所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器所发送的时间消息被偏移以补偿可能出现在所述消息被发送的时间和所述RTC被更新的时间之间的任何时间延迟。

13.如权利要求10所述的RFID标签仿真器，其中所述标签仿真器包含用于存储GPS所提供的最后已知的地理位置的存储装置，用于当GPS信号不存在时发送到阅读器。

14.如权利要求10所述的RFID标签仿真器，其中GPS信号是否存在的指示被发送到所述阅读器。

15.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中所仿真的标签消息被掩码或加密以防止未授权的操作信息传输到阅读器。

16.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中多个标签消息用于发送多个操作信息而不是将所述多个操作信息装入单个标签消息中。

17.如权利要求1所述的RFID标签仿真器，其中对于大量操作信息到阅读器的传输，存储地址和长度或存储地址的范围在到所述阅读器的初始消息中被指定，然后所述阅读器能够使用空中接口命令访问来自所述标签仿真器的信息。

18.一种RFID阅读器，包括：

a.接收机，其能够接收以标准RFID标签传输信号格式而格式化的信号；

b.处理器，其能够提取包含在以标准RFID标签传输信号格式的所接收的信号中的操作信息；以及

c.存储器，其用于存储所提取的操作信息供在所述RFID阅读器的操作中使用。

19.如权利要求18所述的RFID阅读器，其中所述操作信息包括将被用来设定或更新所述阅读器的实时时钟（RTC）的时间信息。

20.如权利要求18所述的RFID阅读器，其中所述操作信息包括地理位置信息。

21.如权利要求18所述的RFID阅读器，其中所述操作信息包括一个或多个阅读器设定参数，所述阅读器设定参数可能选自但不限于：空中接口配置、通信波特率、IP地址、操作频率、操作模式、管辖范围和调制技术。

22.如权利要求18所述的RFID阅读器，其中所述操作信息包括固件更新或关于所述固件更新能够如何从所述标签仿真器取回的参数。

23.如权利要求19所述的RFID阅读器，其中所述阅读器具有内置RTC。

24.如权利要求23所述的RFID阅读器，其中所述RTC具有好于4ppm的准确度。

25.如权利要求23或24所述的RFID阅读器，其中所述阅读器借助于软件循环或硬件计数器来在所述RTC的一秒分辨率之间进行插值，以实现比一秒更高的分辨率。

26.如权利要求23或24所述的RFID阅读器，其中所述阅读器RTC时间只在所述RTC时间和所接收的时间之间的差异大时被更新，通常在所述差异多于1秒时更新。

27.如权利要求23或24所述的RFID阅读器，其中所述RTC时间和所接收的时间之间的差异用于计算修整值以提高所述RTC的准确度。

28.如权利要求18所述的RFID阅读器，其能够对如权利要求15中所述的掩码的仿真标签消息解码或对如权利要求15中所述的加密的仿真标签消息解密。

29.如权利要求18所述的RFID阅读器，其能够组合多个标签消息以提取比具有将装入单个标签消息的大的长度的操作信息。

30.如权利要求18所述的RFID阅读器，其能够使用存储地址和长度或存储地址的范围使用空中接口命令访问标签仿真器中的操作信息。

31.一种用于使用标签阅读器空中接口将操作信息无线地传输到RFID阅读器的方法；所述方法包括：

a.发送以仿真来自RFID标签的响应的格式的操作信息；以及

b.在所述RFID阅读器接收所发送的操作信息并通过所述RFID阅读器利用它。

32.一种用于使用标签-阅读器空中接口来将操作信息无线地传输到RFID阅读器的系统；该系统包括：

a.一个或多个如权利要求1到17中所述的RFID标签仿真器；以及

b.一个或多个如权利要求18到30中所述的RFID阅读器。

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