CN103729661B - 一种超低功耗有源电子标签读写系统和方法 - Google Patents

Abstract

超低功耗有源电子标签读写系统和方法，是一个低成本，超远距离，超低功耗和工作灵活可靠的物联网底层信息采集传输系统和方法。通过采用对海量标签进行信道分组，标签被唤醒后跳转信道的方式，以及对标签进行动态授时等最新技术，在实现了对海量标签的快速盘点的同时，还完成了对标签位置信息，与标签相连接的传感器以及其它受控设备相关信息的采集。而所有这些都是在不增加任何硬件，采用超低占空比工作方式因而功耗超低的情况下实现的。它不仅可承担物联网底层有关物的身份识别及认证，同时还可提供物的位置信息，以及通过传感器反映出的物的状态信息。本发明所提供的系统和方法将为物联网的实际应用清除主要障碍。

Description

一种超低功耗有源电子标签读写系统和方法

技术领域

本发明涉及无线微功率通信，特别是低占空比无线微功率通信，本发明还涉及RFID及无线传感网，以及物联网底层包括物的身份信息，位置信息，传感器信息以及控制指令信息在内的各种物的基本信息的采集和传输；特别涉及在对海量有源电子标签进行读写，或者仅只需要对海量标签中的一部分进行读写操作的情况下，如何降低标签功耗的问题。

技术背景

ISO-18000-7国际标准（以后简称美军标）是一个公认成熟和具有广泛影响的433兆有源电子标签国际标准，并已在美军中广泛使用；我国也刚刚公布了有源电子标签的试用国家标准。对海量标签的读写方法是这些标准所涉及的最重要的一个部分，因为无论物流仓储，智能交通，超市智能化管理等各个领域都涉及对海量电子标签的读写问题。而标准中所采用的对海量有源电子标签的读写的技术方法无疑也反映了当前国内外的相关水平。其中所涉及的关键技术问题如下：

首先，由于环境电磁污染以及信号碰撞的考虑，这些标准都规定有源电子标签必须采用在需要时，通过读写器发射唤醒信号先将标签唤醒后再工作，并在工作完成后回到休眠状态的工作方式。即“按需工作”的方式。这就涉及标签的睡眠唤醒技术。（由于采用低频无源唤醒的方式距离非常近，普遍应用的意义非常有限，因而我们在这里不加讨论）。

其次，由于成本的考虑，现有的有源电子标签都是半双工的，即发射信号和接收信号不能同时进行。而由于标签采用的是间歇性工作方式，读写器必须在一段时间内连续不间断发射唤醒信号，这无疑给读写器和标签之间的通信带来许多问题。如何处理这个问题，是有源电子标签系统，特别是对海量有源电子标签进行读写所面临的另一个关键问题。

另外，单一读写器对海量标签的读写必然涉及的另一个问题，则是如何有效解决读写过程中出现的，多个标签同时向一个读写器发射信号时所造成信号碰撞问题，这包括防碰撞处理速度和标签在整个过程中的能耗问题。

下面以现有有源电子标签主要标准，美军标和我国刚刚公布的有源电子标签国家标准来加以具体说明。

现有主要标准是这样来实现对海量标签的读写的：读写器在一段时间内通过广播的方式，连续不间断地向标签发射唤醒信号，先将所有在读写器信号覆盖范围内的标签唤醒，使其进入一种等待随后接收来自读写器指令信号的状态。先苏醒的标签在接收到指令信号后将继续保持这种接收状态直到所有标签都被唤醒，并在接收到指令信号后继续保持这种接收状态至少30秒钟，除非在这个期间标签完成了需要完成的各种任务，并接收到读写器进入休眠状态的命令。

当所有的标签先后在这2.35–4.8秒期间内被唤醒并全都进入接收信号的等待状态时，读写器将首先以广播的方式向所有标签发射采集标签ID信息的指令，在这个指令中，包含有传给标签的时间窗口信息，和初始时隙数量N（由于系统并不知道被唤醒的标签的总的数量，这里的N也是一个经验值）的信息。每个标签在收到这个指令信息后，都将产生一个≦N的属于自己的随机整数I，同时进行时间同步，并在读写器安排的N个通信时隙中的第I个时隙向读写器发射信息；由于I是随机产生的，其不可能与读写器提供的N个时隙一一对应，因而，在N个时隙中，可能出现多个标签在同一时隙中发射信息从而造成碰撞的情况，同时又有一些时隙轮空而没有标签发射信号的状况.读写器将根据每次窗口中发生碰撞和轮空的几率，调整时隙窗口的数量。每个标签每次在接收到读写器采集信息的指令后，只发射一次信号。在该采集期末尾接收到读写器返回的发射ID成功的回执信息后，将根据读写器的指令（取决于标签本身的类型和应用需要）要么进入睡眠状态，要么继续处于接收状态等待读写器发射新的点对点信息读写指令。

对于那些在该轮信息采集过程中因为信号碰撞的原因没有发射成功的标签，则需要等待读写器以广播方式发布的新一轮标签ID信息 采集指令，再次进行时间同步并产生新的随机数，并在读写器新提供的M个时隙窗口中对应的时隙位置发射，如此反复进行，直到完成对所有被唤醒标签的ID信息采集为止。（参见美军标）

这里存在的问题是：

睡眠唤醒问题：

为了省电的目的，标签平常处于一种使用内部时钟进行控制的周期性睡眠，苏醒后监听唤醒信号一瞬间的状态，由于内部时钟的误差及其它各种原因，标签在一个睡眠周期中苏醒的时间是随机的。读写器通过向标签连续发射一定时间（美军标是2.35–4.8秒）的唤醒信号，抓住标签睡眠苏醒的瞬间与之建立起通信联系，向其传达要求标签进入等待接收读写器工作指令信号的指令。

在现有标准中，唤醒指令信号都是由几个部分组成的一个完整信号。美军标是由两组不同的方波信号组成，试用国标则是由一个包括包头，包身和效验位等几部分组成的一个完整数字信号包。因而，标签在睡眠苏醒监听的瞬间，必须要有足够长的监听时间时间，保证能够监听到一个完整的唤醒信号，由于发射和监听信号的时间并不同步，因而监听时间需要至少两倍于发射一个完整信号所需的时间（参见有源电子标签试行国家标准）。美军标也需要至少监听若干个方波信号。这样标签每次睡眠苏醒后就需要花费相当长的时间处于高耗电的监听状态，而标签反复周期性苏醒监听的耗电是决定有源电子标签电池寿命决定性的因素。为了减少标签的监听耗电，唤醒信号就需要越短越好，因而现有标准中的唤醒只能传达一个要求标签进入接收状态的简单唤醒信息。参见图1，图2

有源电子标签半双工工作问题

在现有标准中，由于收发机采用的都是半双功的工作方式，因而，当读写器将标签唤醒后，标签并不能立即向读写器返还信号，而必须要等到读写器发送完信号，进入接收状态后才能与之建立起通信联系。读写器向标签发射唤醒信号与标签进行通信必须分分开进行，因而标签往往必须要浪费大量的能量在等待与读写器建立通信的时间上。参见图3

对快速移动标签进行连续识别和读写的问题：

现有的有源电子标签系统，虽然可以有多个频道可以选用，但一当选定，整个系统就只能在选定的这个单一频道上工作。而在许多实际应用中，由于标签处于快速移动状态，且不断有新的标签进入读写器的信号覆盖范围，同时还有标签不断离开读写器的信号覆盖范围。例如进出门禁的车辆和人员管理，以及对途经十字路口所有车辆的识别。此时，采用单一频道的工作方式将很难处理这种对动态标签的识别和读写。因为同一信道上的两种信号（唤醒信号和读写信号）将造成相互干扰，因而读写器只能通过分时的方式，将两种信号分开，这就无法实现读写器需要对标签进行连续不间断的唤醒和不间断地识别读写的要求。

海量标签信号防碰撞问题。

在现有这些标准中，都采用了时隙Aloha的方式。这实际沿用于无源电子标签的防碰撞处理方式。然而，这种方式并不适用于有源电子标签。因为这种处理方式要求标签在不与读写器通信时，始终要处于可以接收读写器命令的待机状态，因而需要消耗大量的电池能量。无源标签可以不考虑这个问题，因为它们可以从电磁场中获取能量，但有源电子标签则不能。标签的数量越大，防碰撞处理的时间就越长，平均每个标签消耗在等待上的能量就越多。这必将大大影响有源电子标签的电池寿命。时隙Aloha的方式需要先将已经处于随机状态（随机苏醒）的标签，唤醒后统一到一个同步状态（共同等待接收读写器的盘点指令，然后再通过让标签重新生成随机数，使其重新进入到一种随机状态以减少信号碰撞。这实际上是一个从“随机”到“同步”再回到“随机”的多余过程。这不仅浪费了时间，也增加了标签的耗电。另外，唤醒信号与工作指令信号是分开的两个指令信号，标签被唤醒后并不能立即进入工作状态，还必须要等待接收到另外一个工作指令信号后才能开始工作。

时间同步问题：由于以现有标准为代表的有源电子标签防碰撞处理过程（时隙Aloha）中，需要根据标签所产生的随机数来分配时隙，这就需要所有标签的时间必须同步。在现有标准中，时间同步是通过所有标签同时接收同一个读写器指令来实现的。这就要求所有标签必 须预先随时处于等待接收信号的状态。在整个防碰撞处理过程中，由于需要多次重新分配时隙，也就需要多次同步，因而，所有标签在没完成自身工作任务前，只好始终处于等待接收信号的高耗电状态。

如何区分工作标签与非工作标签的问题

在现有标准所代表的技术中，当我们只需要对海量标签中的一部分标签进行读写时，读写器信号覆盖范围内的所有其它标签仍将全部被唤醒而处于等待接收指令信号的高耗电状态，直到接收到睡眠指令信号为止；另外当我们依次处理这部分需要处理的标签时，现有标准采用了点对点指令信号，使用特定标签ID号作为地址码来区别立即工作与暂时不工作的标签。但无论谁先工作，读写器每下发读写某一个标签的指令时，其它暂时不工作的标签都必须要接收这个指令，并打开信号包，通过比对标签ID号（地址码）的方式，来决定读写器是否需要与自己立即通信。这就增加了其它标签的工作时间，因而也就需要消耗其它标签大量的耗电，特别是有大量标签需要读写数据时，问题更严重。

现有标准所代表的技术无法将标签的实时定位和数据读取结合在一起同步进行。

由于现有标准所代表的技术，无法实现对动态标签的识别读写（单一工作频道的限制），更无法实现对他们的频繁读写（每次读写标签都要消耗大量的能量），因而，也就无法实现实时定位的功能。而大多数实际应用中，在对资产进行盘点的同时，往往还需要知道资产的具体位置。这些缺陷无疑大大限制了这些技术和标准的应用范围。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种简单有效的，基于超低功耗睡眠唤醒技术，非对称多信道协同工作技术，动态授时技术的解决方案。我们这里所定义频道主要是指通过频率的不同来区分的无线通信通道；而这里所指的信道则是指通过频分，码分，或频分加码分等方式分开来的无线通信通道。

系统结构

1.本发明系统的硬件部分涉及读写器，计算机和一般有源电子标签：

这里的读写器由两个工作在不同信道上的半双功无线收发单元组成，其中一个称之为协调单元，另一个称之为读写单元，在需要标签工作时，协调单元将在协调信道上向标签连续不间断地重复广播协调指令信息，而读写单元则可在读写信道上与标签进行半双工双向通信；在一些应用中，协调单元和读写单元可以分开独立工作。

这里的计算机与读写器相连接，并根据用户应用的具体要求指挥读写器工作，这里的计算机也可以是读写器中具有相同功能的单片机；这里的标签就是一般有源电子标签，既可以是安装在移动目标身上的移动标签，也可以是安装在已知固定位置处的位置标签。位置标签的ID与计算机数据库定位区域中的一个具体位置相对应。位置标签只在接收到来自读写器带有精准时钟信息的定位协调指令信息时，才会按照预先设定的工作方式向附近的移动标签广播自身ID，包括相邻位置标签在广播自身ID时所使用的信道，发射功率以及时间先后次序。（参见图12及发明专利文件《一种简单精确的射频定位系统和方法》专利申请号：201110192032.3）

这里的标签，协调单元和读写单元都可以在多个不同信道上工作。标签平常处于周期性睡眠苏醒后在协调信道上监听协调指令信号一瞬间的超低功耗方式，即先检查其在有限监听时间内所监听到信号的射频特征，只有当这些射频特征符合通信要求时，标签才会延长监听时间，接收完一个完整的数字信号包，并对其进行解析，并根据解析结果采取相应的动作。标签通过时分和快速跳转信道的方式,可分别工作在协调信道和读写写信道两个不同信道上。另外：

1，读写器只在需要标签工作时，在协调信道上，通过在一段时间内，（这段时间的长度至少应大于标签睡眠苏醒周期，并在门禁管理等应用时，应大于门禁管理读写器的工作期，以保证所有需要唤醒的标签，和新进入门禁管理读写器信号覆盖范围的标签都能收到这个唤醒信号而被唤醒） 以广播的方式，连续背靠背无间隙地向标签发射的相同的协调指令信号。协调单元只在协调信道上单一发射信号而不接收来自标签的信号；而读写单元则可以在读写工作信道上与标签进行双向通信。

2，标签，读写器中的协调单元和读写单元都是由高度集成的微功率单芯片无线收发机和单片机制成。每个单芯片收发机都有一个全世界独一无二的厂家编号（烧录在芯片中），为了降低功耗，增强系统抗干扰的能力和系统工作的可靠性，稳定性和安全性，系统所使用的单芯片微功率无线收发机，最好采用直序频通信技术。为了世界通用，建议系统使用国际通用的ISM免费频段。

3，协调信道和读写信道应该尽可能分开以减少可能的信号干扰。

系统工作原理

在对海量标签进行读写时，读写器将先在原始协调信道f1上，通过广播分组协调指令信号的方式将海量标签分成若干组，分在不同组中的标签将分别进入分配给该组标签的监听信道上监听读写器发来的协调信号。读写器将逐一针对每个分组中使用该分组的协调信道，向该分组内的所有标签广播ID采集的协调指令信号，要求标签采用随机苏醒随即工作和CSMA的防碰撞方式，完成对该组中所有标签的ID采集。参见附图4.

在采集ID的同时，通过将采集到的每一个标签ID，与预先储存在计算机中那些需要与读写器进行更多会话通信的标签ID清单进行比对。“清单上有名”的标签将按被采集到的先后次序，被赋予一个在下一阶段与读写器在第2信道（读写信道）上，分时隙会话通信时的时隙序列号。清单上无名的标签将自动进入在原始监听信道（第1信道）上，周期性苏醒监听协调指令信号的超低功耗状态。在完成该组所有标签的ID采集后，读写器将在分配给该组的协调信道上，向“清单上有名”的标签广播带有精准时钟信息的新的协调指令信号，向这些标签授时，同时告诉这些标签安排的会话时隙长度，时隙数量以及第一个时隙的起始位置的信息。这里，读写器应根据标签执行具 体任务需要的时间，例如标签为获取位置信息或传感器信息等所需的时间，来决定第一个时隙的起始位置。清单上有名的标签，将根据自己的会话时隙序列编号，进入对应的时隙与读写器进行会话。如果在安排的时隙内成功完成会话的标签将进入原始监听信道（1信道）监听新的协调指令信号；对于在分配的时隙内会话失败的标签，读写器将在原来分配的最后一个时隙之后安排新的时隙，重新与读写器进行会话，标签在成功完成会话后将进入第一监听信道，直到该清单上的所有标签都完成该轮对话后，读写器将进入第二分组重复前述的工作过程。参见附图5.

相关技术问题的处理

针对前述的睡眠唤醒问题：本发明利用先比对标签监听到的信号射频特征的方式，解决了超远距离超低功耗睡眠唤醒问题。本发明利用了无线数据通信中，无线数据信号本身所具有的区别于其它无线信号的射频特征，及其可以通过射频收发机本身进行快速识别的特点，只需在标签睡眠苏醒后的瞬间监听非常有限的时间（足以对所接收到信号的射频特征进行判断），就可以做出判断是否需要延长信号接收时间。如果判断的结果是无关信号（频率，调制或编码方式不同的射频信号），则立即停止接收并回到周期性睡眠监听的状态；如果信号的射频特征满足通信要求时，则标签将延长接收时间，并接收一个完整的指令信号包，并根据指令信号的具体要求，执行指令信号要求的动作。这就极大地缩短了标签每次睡眠苏醒后的固定监听时间，并在被唤醒后通过动态延长接收时间的方式，保证了能接收到一个正确信号的时间，与此同时，在接收到唤醒信号的同时，也得到具体的工作指令。这就大大延长了标签电池使用寿命，提高了工作的可靠性，同时也加快了系统读写速度，并给标签的工作方式带来更大的灵活性。参见附图7

本发明利用信道跳转方法解决了电子标签半双工工作问题：

针对有源电子标签半双工工作问题：本发明中的标签平常处于周期性睡眠，苏醒后协调信道上监听协调信号一瞬间的低功耗状态。当需要标签工作时，读写器将在协调信道（第1信道）上根据标签的睡眠苏醒周期的长短，连续不间断地在一段短的时间内，或继续不停地 以广播的方式，向标签发射协调指令信号，当标签接收到协调信号后，将立即跳转到读写信道上（第2信道）与读写器进行通信，或执行协调指令所定义的其它动作。这就避免了标签采用半双工方式所带来的等待问题。参见附图8

针对对快速移动标签进行连续识别和读写的问题：本发明使用多信道协同工作方式实现了对快速移动标签的连续不间断地识别和读写。

在对处于流动状态的动态标签进行识别读写时，由于协调信号和读写信号是在互不干扰的两个信道上，因而可以同时存在，因而，读写器可实现不间断地对处于快速移动中的标签进行动态唤醒和读写。

海量标签信号防碰撞问题：本发明使用信道跳转，多信道协同以及CSMA的工作方式，在加快了海量标签的盘点速度的同时，大大降低了标签的工作占空比，从而降低了标签的耗电，延长了电池的使用寿命。

CSMA（Carrier Sense Multi Access）工作方式指标签发射信号前先监听信道是否占用，没有占用立即发射，否则随机延时后再监听再发射或延时再监听的方式。参见附图9。

在本发明系统中，随机苏醒监听协调指令信号的标签，在接收到协调指令信号的瞬间，通过跳转信道的方式，不需等待即可立即在读写信道上向读写器发射自身的ID号，如果信道被占用，即可采用随机延时后再发射信号的随机方式。这不仅免去了标签在被唤醒后需要等待接收读写器工作指令信号的漫长时间，而且还维持了标签原有随机苏醒随即工作的自然随机过程。这就意味着本发明系统在整个防碰撞处理过程中不需要额外增加一个“从随机到同步，再回到随机”的一个多余过程，从而提高了整个防碰撞处理的效率。参见附图10

时间同步问题：本发明通过在每一个连续发射的协调指令信号包中都携带一个精准时钟信息，而每个标签也都有一个精准计时器。因而，当每个标签随机苏醒并接收到协调指令信号的瞬间，也就获得同步的时钟信息，而不需要改变标签原有随机苏醒的分布状态。通过这种动态授时的方式，避免了标签为了时间同步（在现有标准中的每个 ID采集期开始，标签都需要同步一次）而必须进入一种长期的随时等待接收读写器统一授时信号的高耗电状态。

如何区分工作标签与非工作标签的问题。

现有标准所代表的技术，由于采用单一信道和单一唤醒指令信号的工作方式，因而，即使读写器仅只向1万个标签中的某一个标签下达点对点工作指令，所有其它9999个标签都必须要先接收这个指令，然后再通过比对地址码的方式，将自己暂时排除在行动之外。在这1万个标签中，如果我们需要点对点地读写其中的1000个标签，则其余9000个标签就需要接收解析1000个与自己无关的点对点指令信号。这对标签的电池寿命显然会带来较大的影响。特别是当这个过程需要频繁进行时更是如此，例如超市电子价格标签就是这样的情况。

首先，本发明利用每个标签ID低端位数字的差异，将海量标签分成若干个组。这个ID差异是按照标签ID最末一个字节，从低端位开始计算的；当考虑的低端位数为零时，标签只有一组2⁰=1，（标签不分组），当只考虑最低端的一个比特位差异时，此时标签被分为2¹=2组，当只考虑最低端2位时，标签被分为2²=4组，当只考虑最低端3位时，标签被分为2³=8组，以此类推。与此同时，那些需要与读写器进行更多交流的标签清单在也将按照同样的方式进行了分组，读写器在每个分组中采集标签ID，并与需要与读写器进行更多交流的标签清单比对时，所使用的清单也是按照以上方式划分后的属于该小组的子清单。

分配在各个组中的标签，将在各自的协调信道上周期性苏醒后监听该信道上的协调指令信号。这样当读写器使用不同的协调信道发射协调工作指令信号时，不会影响分在其它组中标签的低功耗状态。

其次，本发明还将海量标签的识别，以及随后的与标签相关的其他数据的读取，包括对与之相关传感器及受控设备的控制管理（参见图11）以及数据采集分成两个阶段来进行。前一阶段为身份识别（ID采集）阶段。在这一阶段中，由于预先不知道有多少标签和有哪些标签在读写器的控制管理范围内，因此，首先需要确定读写器信号范围内标签的数量和具体ID号。本发明在这个阶段采用的是CSMA的方 式。当在读写器控制管理范围内的标签具体ID已经确定之后，我们便可以通过精准动态授时和按照已经确定的，需要执行ID采集任务外其它工作任务的标签数量，它们的ID以及具体工作任务所需的时间，来安排和分配它们的工作时隙。这样，凡是与读写器眼前工作无关的标签，通过ID采集前的信道分组和ID采集后的分时隙方式，都将不受读写器所发射的点对点信号的影响，从而做到了标签在需要工作的时候工作，而在不需要工作的时候既不向外发射信号，也不处于等待接收信号，或解析信号包的高耗电的状态。这就从根本上解决了有源电子标签或者说无线智能终端的电池寿命问题。

关于实时定位问题:由于前面所阐述的原因，现有一般技术标准都无法实现身份识别与实时定位同步进行。本发明利用超低功耗标签盘点技术和位置标签定位技术，通过动态授时方法，在广播带有精准时钟信息的定位协调指令时（新任务），顺序安排相邻的4个位置标签在一个专门指定的定位信道上，和一个专门的定位时隙序列内（<0.2S），按照预先设定的方式，（参见《一种简单精确的射频定位系统和方法》专利申请号：201110192032.3）依次向其附近的移动标签发送自身ID(位置信息)，并将这个位置信息采集所需的时间，计算在标签进入与读写器进行点对点通信的时隙前的数据准备时间内。(参见图6和图12)。这样，我们在进行资产盘点时，同时也就获得了资产的位置信息。

同样的道理，我们可以在向标签广播传感器数据采集协调指令时，我们可以在标签数据准备期中，通过安排标签启动传感器，并在采集到可靠的传感器数据之后关闭传感器，同时将所采集到的传感器数据，在预先安排的与读写器点对点通信的时隙内传给读写器。或者通过安排标签预先定时启动传感器（例如每隔2秒）定时采集传感器的数据，并对已经采集到的传感器数据进行必要的处理，等到标签接收到读写器发来的传感器信息采集指令时，再在安排的时隙内传给读写器。

本发明采用的技术方案

一，确定具体的专用协调指令信号

二，确定专用协调指令信号所定义的动作或动作组

三，确定标签在发射信号后，在给定等待时间内没能接收到回执信号时，所采取的延时发射方法，以及重复发射的次数和时间限制。

四，根据实际应用的需要，确定标签的睡眠苏醒监听周期T

五，将上述第一，第二，第三和第四条中所确定的内容及相应的程序写入标签之中。

六，标签在完成要求的工作后，将回到在协调信道上周期性监听协调指令信号的低功耗状态。

本发明的有益效果是，

本发明将RFID的身份识别，认证和定位，无线传感网的传感器信息采集传输，以及无线远程智能遥控功能全部实现了。这些功能就是物联网底层信息采集传输所需的基本功能。最重要的是，这些功能的实现是在标签成本没有增加，并且采用非常低的工作占空比（超低功耗）工作模式下实现的。这就是说本发明解决了物联网产业发展的一个关键问题，如何低成本，低功耗，远距离和灵活多样地实现物的各种基本信息的自动采集和传输（联网）。

图示说明

图1：现有国家标准标签唤醒方式

图2：ISO-18000-7标准标签唤醒方式

图3：现有标准采用半双工工作方式带来的问题

图4：将海量标签按照各自ID低字节位差异进行分组

图5：在每一分组中使用不同信道进行ID采集和执行新任务

图6：在每一分组中标签如何工作的示意图

图7：本发明所采用的远距离超低功耗睡眠唤醒技术

图8：本发明所采用的信道跳转技术

图9：本发明ID采集期中所采用的CSMA技术

图10：现有标准有一个多余的人为随机过程

图11：通过标签实现对传感器及受控设备的管理

图12：移动标签进入点对点通信前位置信息的准备过程

具体实施方式

下面将以超市电子价格标签系统实施方案为例加以说明以

我们这里以超市食品部的价格管理为例加以说明。我们假设超市食品部有5000个左右的价格标签需要管理，而且这5000个左右的价格标签的ID还可能是变化的（由于商品移动更改的原因）。这5000个左右的标签平常处于在f₁个信道上每隔2秒（我们也可以将其改为8秒苏醒一次）苏醒监听协调指令信号100-200us。我们在食品部顶部中央安装一个读写器，我们将其信号覆盖范围设置在50米半径。我们又假定每隔2小时需要对其中2%的标签更改价格（每次更改价格前，需要更改价格的具体标签ID号都预先有一个清单储存在计算机中）。我们同时还假定价格标签采用点阵式显示方式，即每个价格标签的更改一次价格需要传输1.5k字节的数据量，需要时间15ms。

我们先通过读写器在协调信道上向所有标签广播分组信息（包括分组数目Q=3，以及所使用的8个通过“码分+频分”方式选定的信道），将5000个左右的标签按照它们ID低端3个比特位的差异分成8组，每组大约有620个价格标签。标签接收到这个协调指令信号后，将分别进入这8个协调信道，每隔2秒钟苏醒一次监听协调指令信号。（参见图4）

与此同时，被分在第一组的标签（ID低端3个比特位都为零），在收到协调信号的同时，将跳转到读写器的读写信道f₂上监听RSSI信号，如果信道可用则立即发射自身ID,并监听回执，否则将随机延时后再监听，再发射，（参见图9）。读写器在接收到标签发来的ID后，将与计算机中需要更改价格的标签清单进行比对，（这里还需要说明的是，这里比对的清单是从前述总清单中根据标签ID的3个低端位划分出来的子清单（这里子清单的划分与整个标签分组是一致的）。如果清单中有名，则读写器将按照接收的先后次序给予标签一个编号（下一阶段更改价格时的时隙序列号），同时这些标签将跳转到f₃信道上，以0.5秒的睡眠苏醒监听周期，等待接收更改价格的具体安排。如果清单中没名，则读写器将给标签一个休眠的指令，并回到在f₁信道上周期性苏醒监听协调指令信号的状态。

盘点完这620个标签大约需要不到十秒钟的时间。此时，我们假定已经筛选出12个价格标签需要更改价格，并且已经被分别给予了 1-12的时隙编号。

读写器将在f₃信道上连续广播1秒钟的更改价格的协调指令（参见图5，图6）。这个协调指令信号包括精准时钟信息（误差<1ms），计划时隙总数12个，每个时隙的时间长度50ms(虽然传输1.5k字节只需要15ms,但这里我们考虑了可能的时钟误差，误码重传,以及双向通信等需要，增加了35ms)，我们将第一个时隙的起始时间定在读写器开始广播更改价格指令信号后1.1秒。12个时隙总计需时600ms。即使出现个别时隙由于各种原因通信不成功，额外在增加300ms的时隙，更改这12个标签价格所需的总时间为2秒。

完成第一组标签的价格更改后，读写器将逐一完成其它7组标签的价格更改任务。这样我们盘点完这5000个左右的价格标签，并将更改其中2%的标签价格，总共所需要的时间不到2分钟。

这里必须要强调的是，在整个盘点和更改标签价格的过程中，每个标签都只在需要它工作的时候才工作，没有一个标签处于长期等待接收读写器指令信号的高耗电状态。因而，每个标签的工作占空比都非常小，耗电就非常低，电池寿命也就很长。

本发明无疑为促进我国超市采用低成本的电子价格标签管理系统提供了有力的技术支撑。

我们这里以城市交通智能化管理方案为例来加以说明

城市交通智能化管理，是提升城市交通管理效率的关键。而城市交通智能化管理的关键问题又在于如何以一种经济有效和可靠的方式，实现城市车辆和道路车流信息的实时采集和传输。下面则是我们的具体实施方案：

（1）在每一辆车上的固定位置，安装一个防拆卸的有源电子标签，它们具有世界上独一无二的ID编号（当然也可根据需要由用户自己重新编号）。

该有源电子标签平常并不向外发射任何信号，而是根据需要每隔2s周期性地在协调信道上，监听接收并记录读写器以广播方式发来的协调信号（该路口位置信息和时间信息），接收并记录下协调信号后，立即跳转到读写信道道上，向该路口的读写器发回自己的ID号以及上一个路口读写器的ID号（用于判别车辆行驶方向），并在接收到读写器发回的回执信号后，停止发射，并在休眠一定时间后跳转回到协调信道上，监听下一个路口的协调信号。。

有源电子标签具有防拆卸的功能，使用一只5号锂电池驱动，一般情况下可以使用六年不需更换电池。其与路口固定读写器的双向通信距离分别为5～300m（上行）/5～700m（下行）可调，其与手持 读写器的通信距离为1～100m可调。

(2)在每一个需要进行车辆和流量监控的道路口，安装一个读写器，每个读写器使用220V市电供电，功耗<1W，每个读写器的信息处理能力为30辆/秒=108000辆/小时。

每个路口可供读写器使用的独立频道有83个，独立信道多达3822个（使用Cypress公司Wireless USB系列无线收发机芯片），以避开与现场可能存在的其它各种2.4G通信设备的相互干扰。读写器通过连续不间断重复广播协调指令信号的方式，向进入该道路口的所有车辆，写入该路口的位置编号和经过该路口的时间。车载标签在接收并记录下接收到的信息后，立即返还自己的ID号及其刚刚经过的前一路口读写器的ID号。读写器接收到车载I-RFID标签发来的信息后，将连同标签的ID,读写器自身的ID以及时间信息，一并通过与之相连接的网络传给系统服务器。读写器中的读写模块和协调模块工作在不同信道上，使用220V AC或其它直流电源供电，最大功耗<1W。

（3）每个读写器都通过有线或无线的方式（光纤接口，ADSL或GPRS等），与管理控制中心数据库相连接。

（4）管理控制中心的数据库和计算机，将利用各个路口采集到的车辆实时信息，计算出整个城市车辆的实时流动状况和每个车辆任何时间的具体位置和行驶方向。

利用以上资料，再结合无线红绿灯控制专利技术（专利申请号：2007100488725），我们就可以轻而易举的实现城市交通智能化管理的功能：

●对交通信号灯进行实时有效的调度指挥，包括对国宾车，急救车等实现自动绿灯放行；

●对城市的道路规划提供最真实可靠的宝贵资料；

●根据车辆在城市中不同区域位置停留的时间，不需任何其它硬件的投入，就可以实现中心城区交通拥堵费的征收；

●向城市各种车辆的拥有单位提供车辆考勤和调度管理的有偿服务服务。（例如公交车，出租车，救护车，送货车，维修服务车，政府机关公用车辆等）；

●根据整个城市各路口的通行情况，对车辆进行有效的自动疏导；

●对失窃车辆和违法车辆，欠费车辆，克隆出租车进行定位跟踪；

●由于我们的数据采集是24小时全天候的，因此，当交通事故或可能的涉及车辆的刑事犯罪发生后，我们可以很容易根据时间和地点查处相关车辆。

由于在每辆车上安装了有源电子标签车牌，这将带来其它许多车辆管理上的好处。它可以轻易解决许多交通管理的难题，例如克隆牌 照问题，逃费问题，不停车收费问题等。有源电子标签车牌是一种智能型电子车牌，它不仅可以提供ID号，而且可以根据协调指令信号，直接提供管理所需的有关车辆本身的任何信息。

需要说明的是，虽然本发明主要针对与现有ISO-18000-7有源电子标签国际标准，以及我国刚刚公布的有源电子标签国家标准所采用技术的比较来进行说明的。但本发明系统及所采用的技术方法完全可以用到各种其它无线工作频段，以及各种其它低功耗的无线收发系统。

这里的的实施案例仅只代表本发明部分技术和方法的一个具体应用。

Claims (8)

1.一种超低功耗有源电子标签读写系统，其特征在于，包括：读写器，计算机和有源电子标签；

所述读写器由两个工作在不同信道上的半双工无线收发单元组成，其中一个称之为协调单元，另一个称之为读写单元，在需要标签工作时，协调单元将在协调信道上向标签连续不间断地重复广播协调指令信号，而读写单元则可在读写信道上与标签进行半双工双向通信；

所述计算机与读写器相连接，并根据用户应用的具体要求指挥读写器工作，所述标签就是有源电子标签；

所述标签和读写器都可以在多个不同信道上工作，所述信道是指使用频分，码分，或频分加码分区别开来的不同无线通信通道，标签平常处于周期性睡眠苏醒后在协调信道上监听协调指令信号一瞬间的超低功耗方式，即先检查其在有限监听时间内所监听到信号的射频特征，只有当这些射频特征符合通信要求时，标签才会延长监听时间，接收完一个完整的数字信号包，并对其进行解析，并根据解析结果采取相应的动作；

针对海量标签的读写，超低功耗有源电子标签读写系统首先将通过使用多个协调信道的方式，按照每个标签ID的差异，将海量标签分成若干个在不同协调信道上监听协调指令信号的小组，并通过读写器逐一在每小组分配的不同信道上广播协调指令信号的方式，逐一对每个小组中的标签进行读写，从而首先将工作标签组与非工作标签组区分开来，避免了读写器对非工作小组中标签的干扰；其次，超低功耗有源电子标签读写系统在对每一个小组中的标签进行读写时，又将标签的I D采集和标签ID采集完成后需要执行的其它任务分成两步来执行；在ID采集期，系统保留了标签睡眠苏醒时间原有的随机分布的特点，采用了随机苏醒后立即跳转频道随即开始工作的CSMA的方式，避免了额外人为的随机过程；而在完成ID采集后，系统通过在协调信道上，向需要与读写器进行更多信息交流的标签，广播带有精准时钟信息的新协调指令信号，将所述需要与读写器进行更多信息交流的标签安排在不同的时隙中与读写器进行更多的信息交流；而所述需要与读写器进行更多信息交流的标签在没有进入分配给自己的时隙与读写器进行信息交流之前，都处于射频收发机关闭只有内部时钟运行的超低功耗状态。

2.根据权利要求1所述的超低功耗有源电子标签读写系统，其特征在于，针对海量标签的读写，系统在使用多个协调信道的方式，按照每个标签ID的差异，将海量标签分成若干个在不同协调信道上监听协调指令信号的小组时，标签ID的差异是按照标签ID最末一个字节，从低端位开始计算的；当考虑的低端位数为零时，标签只有一组2⁰＝1，标签不分组，当只考虑最低端的一个比特位差异时，此时标签被分为2¹＝2组，当只考虑最低端2位时，标签被分为2²＝4组，当只考虑最低端3位时，标签被分为2³＝8组，以此类推；与此同时，那些需要与读写器进行更多交流的标签清单在也将按照同样的方式进行了分组，读写器在每个分组中采集标签ID，并与需要与读写器进行更多交流的标签清单比对时，所使用的清单也是按照以上方式划分后的属于所述在不同协调信道上监听协调指令信号的小组的子清单。

3.根据权利要求1或2任一项所述的超低功耗有源电子标签读写系统，其特征在于，除了对所有标签都需要进行ID采集外，针对其中只有一部分标签需要与读写器进行更多信息交流的情况，读写器在标签ID采集期中成功地接收到某个标签ID信息的同时，还需要将所接收到的标签ID与计算机中需要与读写器进行更多信息交流的标签ID清单进行比较，如果所接收到的标签ID不在清单中，读写器就会在返回给标签的回执中，要求标签立即或先睡眠一段时间后再进入周期性睡眠，苏醒后在信道f₁上监听协调指令信号一瞬间的超低功耗状态；如果所成功地接收到的标签ID与清单中的某个ID匹配，则读写器在返还给标签的回执信号中，将会按照成功采集到标签ID的时间先后顺序，安排一个时隙序列号给所述标签ID对应的标签，同时要求标签进入在所述标签所在的分组的协调信道上周期性睡眠苏醒后监听新的协调指令信号一瞬间的超低功耗状态；而该标签在接收到新的协调指令信号时，便将根据所述时隙序列号，进入对应的时隙与读写器进行更多的信息交流。

4.根据权利要求3所述的超低功耗有源电子标签读写系统，其特征在于，与读写器进行更多信息交流可以是标签向读写器提供自身的位置信息，或与之相连接传感器相关的信息，或者与标签相连接的受控设备的相关信息；所述与读写器进行更多信息交流需要数据准备时间，就是标签可以向读写器提供位置信息、传感器信息和受控设备信息前所需要的准备时间。

5.根据权利要求4所述的超低功耗有源电子标签读写系统，其特征在于，当所述的与读写器进行更多信息交流是移动标签向读写器提供自身的位置信息时，读写器将向标签广播定位协调指令，位置标签在接收到定位协调指令后，将按照定位协调指令的要求以及预先设定的方式，向其附近的移动标签广播自身ID，而移动标签在接收到定位协调指令后，也将立即在专用的定位信道上接收位置标签的位置信号，并在完成位置信息采集后，进入安排给自己的时隙，在读写工作信道f₂上向读写器发送自身的位置信息。

6.一种超低功耗有源电子标签读写方法，其特征在于，所述方法利用了读写器具有两个可以同时工作在不同信道上的收发单元，以及标签可以工作在不同信道上的特点，在标签周期性睡眠苏醒后监听信号的瞬间一接收到协调指令信号后，立即通过跳转工作信道的方式，在读写器的读写信道上与读写器进行通信，从而解决了半双工通信有源电子标签系统中，标签在被读写器唤醒后必须等待标签结束发射唤醒信号后才能与标签进行通信的矛盾，与此同时还保留了标签原有的周期性睡眠随机苏醒瞬间，在接收到协调指令信号时随即进入工作，在时间上的随机分布状态；所述方法在对海量标签进行读写时，还通过信道分组的方式将标签分成若干个在不同协调信道上监听协调指令信号，在减少了读写器每次需要同时读写标签的数量的同时，还避免了工作中的小组所产生的射频信号对其它非工作小组中标签的影响；

针对海量标签的读写，所述方法在使用多个协调信道的方式，按照每个标签ID的差异，将海量标签分成若干个在不同协调信道上监听指令信号的小组时，标签ID的差异是按照标签ID最末一个字节，从低端位开始计算的；这样的分组方式在保留标签分组的随机性的同时，也为其后清单中的标签分组保留了相互匹配的一致性；

在分组完成后具体读写每小组中的标签时，所述方法还将整个读写过程分成两部分：首先采集小组内所有标签的ID，其次，再将那些在ID采集之外还需要与读写器进行更多信息交流的标签，通过在ID采集期内的清单比对方法，以及让向标签广播新协调指令信号时让每一个指令信号包都携带精准时钟信息的动态授时方法，从小组内所有标签中完全筛选出来，并将它们安排进入各自的时隙内，进行单独一对一的读写处理；这里在进行一对一处理时，其余标签或者处于睡眠状态，或者在不同的信道上监听新协调指令信号，因而不会对一对一通信中的射频信号做出任何反应，包括接收解析读写器发出的各种指令信号。

7.根据权利要求6所述的超低功耗有源电子标签读写方法，其特征在于，所述方法中与读写器进行更多信息交流可以是标签向读写器提供自身的位置信息，或与之相连接传感器相关的信息，或者与标签相连接的受控设备的相关信息；所述与读写器进行更多信息交流需要数据准备时间，就是标签可以向读写器提供位置信息、传感器信息和受控设备信息前所需要的准备时间；所述方法利用读写器与标签进行更多信息交流的机会，在低功耗的情况下，实现对移动标签位置信息的采集；以及通过移动标签实现与移动标签相连接的传感器和受控设备的控制管理和相关信息的采集。

8.根据权利要求7所述的超低功耗有源电子标签读写方法，其特征在于，所述方法利用读写器向所有标签广播带有精准时钟信息的定位协调指令时，实现了位置标签与移动标签的时间同步，并利用两者之间在给定时隙内的通信，在低功耗的情况下向移动标签提供了参考位置信息，并让移动标签连同自身的位置信息，在分配给标签与读写器通信的时隙中传给读写器。