CN103646230B - 基于双频电子标签的射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双频电子标签的射频识别系统，包括天线激活源、双频射频电子标签和读卡器；天线激活源，包括：存储器，用于存放每个低频天线ID编码及天线激活源ID编码；低频射频电路和若干个与低频射频电路相连的低频天线；位于低频射频电路和主控电路之间功率控制电路，该功率控制电路用于调节低频天线发射功率；第一薄码开关，该第一薄码开关一端连接到所述主控电路，另一端连接到用于设置工作模式的第二薄码开关、RS485通讯电路和高频无线模块；主控电路；所述双频射频电子标签，包括：低频接收天线，低频电路，高频电路，高频天线。本发明增大了低频信号的覆盖范围，提高低频信号的稳定性，解决各个天线之间的干扰问题，可以实现精确定位、识别距离可调。

Description

基于双频电子标签的射频识别系统

技术领域

本发明涉及无线射频识别领域，尤其涉及一种基于双频电子标签的射频识别系统。

背景技术

近年来，物联网是人们普遍关注的一项新技术，射频识别技术作为物联网的一个关键技术得到了迅速的发展。小区、矿区、公路等复杂环境的管理一直受到国家有关部门的高度重视，但是由于管理疏忽而导致的纷争甚至事故还是屡有发生，造成很多个人和国家的利益的不必要损失。如何加强管理措施，如何准确、实时、快速的掌握居民小区内非本小区人员状态、矿区人员分布及流动情况、公路收费效率以及突发事故救援的高效运作是国家有关部门迫切需要解决的问题。改变落后的管理模式，实现管理的现代化、信息化是从根本上解决这些问题的重要途径。

目前，在实际中使用的低频激活源都是单天线的，激活源的发射距离通常在5米左右，信号范围较小，容易激活不到标签，并且低频天线具有一定的方向性，它所发射的低频信号场不是正圆形而是椭圆形的，这就导致了在不同方向上标签的信号强度不一致，甚至没有信号，因此也就不能准确定位，给管理带来很多不便和麻烦。同时，也正由于现有低频激活源为单天线，人们必须来布置更多的设备来覆盖相同的区域，并且在安装施工的时候必须要保证他们的信号不能有交叉，否则就会相互干扰而产生信号盲区，这样一来，既增加了设备成本，也增加了施工难度，在多天线低频激活源问世之后，竞争力就表现得非常低下。

发明内容

本发明提供一种基于双频电子标签的射频识别系统，此射频识别系统增大了低频信号的覆盖范围，提高低频信号的稳定性，解决各个天线之间的干扰问题，可以实现精确定位、识别距离可调、解决单天线激活源的信号覆盖范围小、多个读卡器同时读到同一个电子标签且不稳定的困扰，并降低了功耗，延长了电池的使用寿命，能长期无故障运作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于双频电子标签的射频识别系统，包括天线激活源、双频射频电子标签和读卡器，天线激活源根据设定的工作模式向外发射低频激活信号，所述双频射频电子标签接收低频激活信号并将低频激活信号解析后加上强度标识信号、电子标签ID号信息调制成高频编码信号，所述读卡器接收此高频编码信号；

所述天线激活源，包括：存储器，用于存放每个低频天线ID编码及天线激活源ID编码；

低频射频电路和若干个与低频射频电路相连的低频天线，所述低频射频电路包括串联的与门和功率MOS管驱动模块，所述与门用于将来自主控电路的数据信号调制到125KHz载波信号形成低频激活信号，所述功率MOS管驱动模块将低频激活信号进行功率放大生成低频射频信号；

位于低频射频电路和主控电路之间功率控制电路，该功率控制电路用于调节低频天线发射功率；

第一薄码开关，该第一薄码开关一端连接到所述主控电路，另一端连接到用于设置工作模式的第二薄码开关、RS485通讯电路和高频无线模块，所述工作模式包括有效的天线数目、每个天线的工作次序、每个天线的发射功率、每个天线的工作时长；所述第二薄码开关、RS485通讯电路和高频无线模块各自另一端均连接到所述主控电路，所述RS485通讯电路通过来自网络的信号实现对主控电路工作模式的配置，所述高频无线模块通过来无线实现对主控电路工作模式的配置；

主控电路，根据所设定的工作模式将来自存储器的低频天线ID编码、天线激活源ID编码通过低频射频电路生成含有低频天线ID编码、天线激活源ID编码和工作模式信息的低频激活信号；

所述双频射频电子标签，包括：

低频接收天线，用于接收来自天线激活源的低频射频信号，并生成含有信号源编码的感应信号；

低频电路，根据来自低频接收天线的感应信号生成低频信息信号；

高频电路，用于将来自微控制器的强度标识信号、信号源编码和电子标签ID号调制成编码信号；

高频天线，用于将编码信号通过高频载波发射到空间中；

存储有电子标签ID号的所述微控制器，根据所述低频信息信号来实现休眠和启动状态的切换，此微控制器被编程为：

步骤一、读取所述低频信息信号并根据其强度生成强度标识信号，

步骤二、分析并提取所述低频信息信号并根据其产生信号源编码，

步骤三、在一时间间隔内启动定时器中断，在中断状态下，依次执行：开启所述高频电路、关闭所述高频电路和开启低频电路，

步骤四、当持续时间达到所述时间间隔，则退出所述定时器中断。

上述技术方案进一步改进的技术方案如下：

1. 上述方案中，所述天线激活源还包括一连接到所述主控电路的信号指示灯，其用于显示天线激活源的工作状态。

2. 上述方案中，所述天线激活源还包括一电源转换电路，用于给天线激活源提供电能。

3. 上述方案中，还包括一连接到双频射频电子标签的锂电池，其用于提供电源；位于所述锂电池和微控制器之间的电压检测单元，将来自电源的电压与阈值电压比较判读所述锂电池的电量大小。

4. 上述方案中，还包括一指示灯，连接到所述微控制器，用于指示双频射频电子标签的工作状态。

5. 上述方案中，所述低频信号的频率为125KHz。

6. 上述方案中，所述高频载波的频率为2.45GHz。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明射频识别系统增大了低频信号的覆盖范围，提高低频信号的稳定性，解决各个天线之间的干扰问题，可以实现精确定位、识别距离可调、解决单天线激活源的信号覆盖范围小、多个读卡器同时读到同一个电子标签且不稳定的困扰，并降低了功耗，延长了电池的使用寿命，能长期无故障运作。

2、本发明射频识别系统由于采用了多天线电路设计，信号覆盖范围比较广、信号稳定性高，并且工作频率为125KHz，实现比较容易，电路简单，成本低廉，便于推广应用；其采用多种方式来调节发射功率，使安装施工更灵活，更方便。

3、本发明射频识别系统将低频与高频电路、有线通讯与无线通讯电路恰到好处的融合在一起，使得工作性能更可靠，使用更便利，用户更易接受使用。

4、本发明射频识别系统采用发射功率可调的方式设计，使其信号覆盖范围可调，能够适应更多不同的应用环境。

5、本发明射频识别系统将低频与高频电路恰到好处的融合在一个标签系统中，使得功耗更低，唤醒距离可以准确控制在0.5~7米范围内，而数据通讯距离不受影响。

6、本发明射频识别系统应用软件编程采用独特的方式，使得使用极为简单，用户只用携带即可，进入唤醒区域时，系统将会自动处理相关信息。

附图说明

附图1为本发明基于双频电子标签的射频识别系统结构示意图；

附图2为本发明射频识别系统中低频射频电路和低频天线电路示意图；

附图3为本发明射频识别系统中功率控制电路电气示意图；

附图4为本发明射频识别系统中天线激活源主程序流程图；

附图5为本发明射频识别系统中天线激活源控制子程序流程图；

附图6为本发明射频识别系统中高频无线数据通讯子程序流程图；

附图7为本发明射频识别系统中RS485通讯电路子程序流程图；

附图8为本发明硬件系统结构示意图；

附图9为本发明主程序流程图；

附图10为本发明外部唤醒中断服务子程序流程图；

附图11为本发明定时器1中断（高频数据发送）服务子程序流程图；

附图12为本发明定时器2中断（定时配置）服务子程序流程图。

以上附图中：1、天线激活源；2、双频射频电子标签；3、读卡器；4、存储器；5、低频射频电路；51、与门；52、功率MOS管驱动模块；6、低频天线；7、主控电路；8、功率控制电路；9、第一薄码开关；10、第二薄码开关；11、RS485通讯电路；12、高频无线模块；13、低频接收天线；14、低频电路；15、高频电路；16、微控制器；17、高频天线；18、信号指示灯；19、电源转换电路；20、锂电池；21、电压检测单元；22、指示灯。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种基于双频电子标签的射频识别系统，包括天线激活源1、双频射频电子标签2和读卡器3，天线激活源1根据设定的工作模式向外发射低频激活信号，所述双频射频电子标签2接收低频激活信号并将低频激活信号解析后加上强度标识信号、电子标签ID号信息调制成高频编码信号，所述读卡器3接收此高频编码信号；

所述天线激活源1，包括：存储器4，用于存放每个低频天线ID编码及天线激活源ID编码；

低频射频电路5和若干个与低频射频电路5相连的低频天线6，所述低频射频电路5包括串联的与门51和功率MOS管驱动模块52，所述与门51用于将来自主控电路的125KHz相对高频载波信号与4KHz相对低频数据信号混合调制在一起，变成易于天线发射的相对高频（125KHz）信号（称signal-A），signal-A信号的电压为3V、电流为5mA，功率只有15mW，通过天线发射出去后不足以达到理想的使用效果，所以在此后就增加了功率放大电路，即所述功率MOS管驱动模块52，该模块将3V/5mA的低功率信号signal-A通过电压电流放大将其电压和电流分别放大为12V、200mA、功率为2.4W的信号（称singal-B），功率放大倍数为160倍，随后signal-B被送到低频天线6，低频天线6通过LC振荡电路将有线的电信号转换为电磁波的形式发射到空气中；

位于低频射频电路5和主控电路7之间功率控制电路8，该功率控制电路8用于调节低频天线6发射功率；

第一薄码开关9，该第一薄码开关9一端连接到所述主控电路7，另一端连接到用于设置工作模式的第二薄码开关10、RS485通讯电路11和高频无线模块12，所述工作模式包括有效的天线数目、每个天线的工作次序、每个天线的发射功率、每个天线的工作时长；所述第二薄码开关10、RS485通讯电路11和高频无线模块12各自另一端均连接到所述主控电路7，所述RS485通讯电路11通过来自网络的信号实现对主控电路7工作模式的配置，所述高频无线模块12通过来无线实现对主控电路7工作模式的配置；

主控电路7，根据所设定的工作模式将来自存储器4的低频天线ID编码、天线激活源ID编码通过低频射频电路5生成含有低频天线ID编码、天线激活源ID编码和工作模式信息的低频激活信号；

所述双频射频电子标签2，包括：

低频接收天线13，用于接收来自天线激活源1的低频射频信号，并生成含有信号源编码的感应信号；

低频电路14，根据来自低频接收天线13的感应信号生成低频信息信号；

高频电路15，用于将来自微控制器16的强度标识信号、信号源编码和电子标签ID号调制成编码信号；

高频天线17，用于将编码信号通过高频载波发射到空间中；

存储有电子标签ID号的所述微控制器16，根据所述低频信息信号来实现休眠和启动状态的切换，此微控制器16被编程为：

步骤一、读取所述低频信息信号并根据其强度生成强度标识信号，

步骤二、分析并提取所述低频信息信号并根据其产生信号源编码，

步骤三、在一时间间隔内启动定时器中断，在中断状态下，依次执行：开启所述高频电路15、关闭所述高频电路15和开启低频电路14，

步骤四、当持续时间达到所述时间间隔，则退出所述定时器中断。

上述天线激活源1还包括一连接到所述主控电路7的信号指示灯18，其用于显示天线激活源1的工作状态。

上述天线激活源还包括一电源转换电路19，用于给天线激活源1提供电能；此锂电池6为软包锂电池，锂电池的能量密度高，软包形式的锂电池体积小，适合在电子标签中使用。

还包括：一连接到双频射频电子标签2的锂电池20，其用于提供电源；位于所述锂电池20和微控制器16之间的电压检测单元21，将来自电源的电压与阈值电压比较判读所述锂电池20的电量大小。位于所述锂电池和微控制器之间的电压检测单元，将来自电源的电压与阈值电压比较判读所述锂电池的电量大小，此电池电量检测方法为电阻分压检测，利用单片机内部自带的AD转换器，可以准确的确定电池的电压，与外置AD转换器相比，降低了标签的功耗，同时又降低了标签的成本，有利于推广使用。

还包括一指示灯22，连接到所述微控制器16，用于指示双频射频电子标签2的工作状态。

上述低频信号的频率为125KHz，上述高频载波的频率为2.45GHz。

所述高频天线是放置在电路板上，通讯时的数据包括低频信号源的编号、低频信号强度、自身的ID号、电池电量信息。所述低频天线可以一维天线，也可以是3D天线，一维天线具有定向效果，3D天线不受方向限制。所述信号指示灯为发光二极管。所述系统供电电池形式为软包锂电池。所述电池电量检测方法为电阻分压检测。

所述微控制器16嵌入了一个用于分析低频信号源的编号及其信号强度的软件算法和一组用于降低功耗的软件算法。图2、3、4、5是该软件算法的流程图。

低频信号分析算法解释：低频信号源发射的信号以帧为单位，每一帧数据包括帧头、数据起始标志、数据、数据结束标志、数据校验。双频标签在接收到低频信号源发射的帧头信息时，便开始启动AD转换，计算得出帧头部分转换结果的平均值，并将其作为信号强度值，然后继续接收低频信号，继续转换，并以所得的信号强度值来确定之后所得数据。当一帧数据接收完毕后，再对该帧数据进行分析，合法则用，非法则丢弃。之后低频部分继续进入功耗极低的信号侦听模式。

根据低频信号强度值就可以准确的判断该双频标签与低频信号源之间的距离，从而可以准确的控制低频部分的通讯距离在0.5~7米之间，间接的也相当于控制了高频部分的通讯距离。

采用上述双频射频电子标签时，利用无线电射频信号的特性，125KHz低频信号在空气中的传播速率可以达到4Kbps，2.45GHz高频信号在空气中的传播速度可以达到2Mbps。系统工作时所需的电流约为13mA，而待机时所需要的电流仅为3uA，因此我们将两个频段的无线电的通讯速率均设置为最高4Kbps和2Mbps。那么相同的通讯数据量所使用的时间就最短，系统待机的时间就最长，所消耗的能量就最少，电池的使用寿命就更长；其次，可以实现近距离触发唤醒，远距离数据通讯的功能，一方面达到了精确定位的目的，另一方面由于该电子标签绝大多数时间处于深度休眠状态，功耗极低，可以使单节锂电池的电量可以供其使用更长时间，延长标签的使用寿命。

双频标签电路板经安装电池、封装、测试出厂后，在正常情况下是处于深度睡眠状态的，功耗极低，整体功耗约在3uA。仅在携带有双频电子标签（简称双频标签）的人员或物体进入低频信号源的覆盖范围（0.5-7m）时，双频标签的低频信号侦测芯片才会侦测到此信号，并立即将休眠状态的MCU唤醒，使其进入工作状态。然后再把低频信号源的编号、低频信号强度、双频标签的电池电量信息、双频标签的ID号（和其他信息）按照规定的格式以高频的形式发送到距离较远的读卡器或双频读卡器。依此可以看出该双频标签具有如下特点：近距离唤醒，远距离通讯，且唤醒源可知，唤醒距离可知。避免了由于读卡器的读卡距离较远而相互影响的问题。读卡器接收到高频无线信号后，会按照所定的格式解析获取的数据，并将这些数据分别暂存在读写器中和按照固定的协议以有线（RS485/RS232/以太网/光线等）或无线（GPRS/CDMA/WIFI/3G等）的方式将这些信息上传至管理调度中心。远程管理调度中心接收到数据后，就可以据此做出相应的判断，并做进一步的管理调度等工作。

多天线低频激活源经测试出厂，经安装并设置好工作模式以后，就开始以设定的工作模式不停地向外发射低频激活信号，此低频激活信号包含有每个天线的ID编码及设备的ID编码。当携带有双频电子标签的载体进入或经过信号覆盖区域时，就会接收到该信号，然后标签将信号解析后再加上标签自身的一些信息以高频形式发送到读卡器。此信息中包含有如下内容：多天线激活源的ID、激活源内每个天线的ID、接收到信号时的信号强度、标签的电量、标签的ID号、其他信息（温度、湿度、压力、重力、速度等）等。读卡器再在这些信息中加上自己的ID，然后把最终信息上传至上一级管理模块。管理模块可能有多种形式，比如：1、可以是一台控制器等现场应用设备，此设备将在现场进行信息处理并作出相应管理动作，来为人们服务。2、可以是在远端管理中心运行的用户应用软件，该软件对这些信息处理后，或存档或提示或继续为其他设备提供数据等，来指导相应工作人员做进一步的工作。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双频电子标签的射频识别系统，其特征在于：包括天线激活源（1）、双频射频电子标签（2）和读卡器（3），天线激活源（1）根据设定的工作模式向外发射低频激活信号，所述双频射频电子标签（2）接收低频激活信号并将低频激活信号解析后加上强度标识信号、电子标签ID号信息调制成高频编码信号，所述读卡器（3）接收此高频编码信号；

所述天线激活源（1），包括：存储器（4），用于存放每个低频天线ID编码及天线激活源ID编码；

低频射频电路（5）和若干个与低频射频电路（5）相连的低频天线（6），所述低频射频电路（5）包括串联的与门（51）和功率MOS管驱动模块（52），所述与门（51）用于将来自主控电路的数据信号调制到125KHz载波信号形成低频激活信号，所述功率MOS管驱动模块（52）将低频激活信号进行功率放大生成低频射频信号；

位于低频射频电路（5）和主控电路（7）之间的功率控制电路（8），该功率控制电路（8）用于调节低频天线（6）发射功率；

第一薄码开关（9），该第一薄码开关（9）一端连接到所述主控电路（7），另一端连接到用于设置工作模式的第二薄码开关（10）、RS485通讯电路（11）和高频无线模块（12），所述工作模式包括有效的天线数目、每个天线的工作次序、每个天线的发射功率、每个天线的工作时长；所述第二薄码开关（10）、RS485通讯电路（11）和高频无线模块（12）各自另一端均连接到所述主控电路（7），所述RS485通讯电路（11）通过来自网络的信号实现对主控电路（7）工作模式的配置，所述高频无线模块（12）通过无线实现对主控电路（7）工作模式的配置；

主控电路（7），根据所设定的工作模式将来自存储器（4）的低频天线ID编码、天线激活源ID编码通过低频射频电路（5）生成含有低频天线ID编码、天线激活源ID编码和工作模式信息的低频激活信号；

所述双频射频电子标签（2），包括：

低频接收天线（13），用于接收来自天线激活源（1）的低频射频信号，并生成含有信号源编码的感应信号；

低频电路（14），根据来自低频接收天线（13）的感应信号生成低频信息信号；

高频电路（15），用于将来自微控制器（16）的强度标识信号、信号源编码和电子标签ID号调制成编码信号；

高频天线（17），用于将编码信号通过高频载波发射到空间中；

存储有电子标签ID号的所述微控制器（16），根据所述低频信息信号来实现休眠和启动状态的切换，此微控制器（16）被编程为：

步骤一、读取所述低频信息信号并根据其强度生成强度标识信号，

步骤二、分析并提取所述低频信息信号并根据其产生信号源编码，

步骤三、在一时间间隔内启动定时器中断，在中断状态下，依次执行：开启所述高频电路（15）、关闭所述高频电路（15）和开启低频电路（14），

步骤四、当持续时间达到所述时间间隔，则退出所述定时器中断。