CN104463298A - 无源可见光充电标签与读写器的充电及认证识别方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
[0001] 本发明属于可见光通信技术领域，特别涉及一种无源可见光充电标签与读写器的充电及认证识别方法。
背景技术
[0002] 随着无线通信技术的发展，无线电磁波通信应用越来越广，但与此同时也面临了很多问题:1、随着无线电磁波通信设备越来越多，信道资源也日益紧张，无线电磁波可用的频段也越来越少；2、由于无线电磁波的不可见性和穿透性，使其容易被截获、窃听；3、飞机、医院等紧密仪器多的地方，无线电磁波通信设备的使用常常受到限制；4、无线电磁波通信设备会产生电磁辐射、电磁干扰，使得设备之间也会相互干扰，同时这些辐射干扰也对人体有害。
[0003] 可见光通信(Visible Light Communicat1n，简称VLC)技术，就是在发送端利用LED等发光设备发出带有信息的调制可见光信号，接收端利用感光设备接收调制可见光信号以实现无线通信的方法。该技术是近些年被发现的新的无线通信技术，被发展用于补充甚至替代目前其他的手段，如:无线电、红外或激光通信等技术，以解决这些技术的不足。
[0004] 可见光通信不同于无线电、红外或激光等光通信方式:无线电、红外光看不到，信号的发射方向不够明确，因此有很大的不安全性；激光方向性强，不大适合自由的开放性的通信，同时激光功耗大，不大适宜低功耗便携式设备。此外，无线电还会产生电磁辐射、干扰等不良影响。
[0005] 可见光通信利用可见光载波，设备功耗低，无电磁辐射、干扰等影响，此外，可见光谱的范围是无线电磁波谱的10000倍，可以作为短距离通信中，补充甚至替代无线设备、红夕卜、激光等的一个优选的应用方案。
[0006] 综合以上考虑，本发明在现有技术的启发下，充分利用了可见光通信的可视性、不穿透性、功耗低等特点，提供了一种无源可见光充电标签与读写器的充电、认证识别方法，直接用无线可见光光对设备进行供电，用可见光实现无线通信，提供了采用光供电、光通信设计制作小微型便携式设备的全新思路方法，让可见光通信设备可以像磁卡、各种轻薄的无源RFID —样广泛普及应用。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种无源可见光充电标签与读写器的充电及认证识别方法。
[0008] 具体步骤为:
(一)设置一种可见光无源光充电标签及读写器装置，包括光标签和读写器，读写器包括读写控制模块、启动器、电源模块、光供电器、光能发射模块、判决模块、光电接收器、通信丰旲块、解调解码t旲块；光标签包括标签控制t旲块、光发射器、光充电器、光能接收t旲块、调制编码模块、驱动模块；其中，标签控制模块连接光能接收模块、调制编码模块，光能接收模块连接光充电器，驱动模块连接光发射器、调制编码模块；读写控制模块连接启动器、电源模块、光能发射模块、通信模块、解调解码模块，电源模块连接启动器、光能发射模块、判决模块、通信模块、解调解码模块，光供电器连接光能发射模块，判决模块连接光电接收器、解调解码模块；光供电器通过可见光充电载波信号与光充电器对应，光发射器通过可见光信息与光电接收器对应；光供电器与光充电器的对应以及光发射器与光电接收器的对应，在工作时需同时满足。
[0009] 所述读写器利用可见光通信的方式，向光标签发送可见光信息，以光的形式给光标签提供电能，并接收来自光标签的可见光信息，以实现与光标签之间的数据读出或写入操作，分析、处理、验证、存储接收到光标签的信息，与外部设备进行数据通信。
[0010] 所述读写控制模块用于对读写器的各模块进行功能控制，读写、存储数据，分析处理，验证接收到的光标签信息，向光能发射模块发送信号，控制光能发射模块和光供电器发送可见光充电载波信号，并由通信模块与外部设备进行数据交换。
[0011] 所述启动器用于感测光标签的触发，当有光标签进入到读写器的工作区域触发启动器时，启动器向电源模块发出启动信号，让电源模块为读写器各模块供电；启动器有机械触发和光电触发两种方式:1)机械触发，靠外部施加力量开启，米用轻触开关、行程开关等机械触发电路实现；2)光电触发，利用热释电传感、红外反射传感实现启动触发。
[0012] 所述电源模块用于接收启动器的启动信号，以及给读写器的各功能模块提供电會泛。
[0013] 所述光能发射模块将读写控制模块发送来的信息，进行调制编码，并用调制编码后的信息，激励光供电器发出可见光充电载波信号。
[0014] 所述光供电器在光能发射模块的激励下，发送可见光充电载波信号，可见光充电载波信号除了能提供足够光标签工作的光能，还携带了调制的可见光载波信息，能够向光标签发送可见光形式的信息。
[0015] 所述光电接收器用于感应接收来自光标签的可见光信息，并转换成相应的电信号。
[0016] 所述判决模块用于接收来自光电接收器转换后的电信号，转换成数字信号。
[0017] 所述解调解码模块用于对判决模块输出的数字信号，进行解调、解码，并输出给读写控制模块处理。
[0018] 所述通信模块用于与外部设备建立通信，向外部设备发送数据，接收外部设备的数据，实现数据交互、机构控制。
[0019] 所述光标签靠从读写器获得的光能供电而上电工作，以可见光通信的方式，向读写器发送可见光信息，接收来自读写器的可见光充电载波信号，以实现与读写器之间的信息读出或写入操作，分析、验证、存储、处理接收到读写器的信息。
[0020] 所述标签控制模块用于对光标签的各模块进行功能控制，读写、存储数据，分析处理接收到的读写器数据信息，并输出待发送的信息到调制编码模块。
[0021 ] 所述光充电器接收来自读写器的光供电器发送的可见光充电载波信号，并转化为相应的电信号；同时，还感应外界环境可见光，用于光标签能量的补充供给。
[0022] 所述光能接收模块主要包括两个功能:1)从光充电器接收到的可见光充电载波信号以及外界环境光转化为相应的电信号中，收集转化为电能，用作电源为光标签各模块提供电能；2)从接收转化的相应电信号中解调提取出加载的信息，并转化为数字信号，输出给光标签控制模块进行下一步处理。
[0023] 所述调制编码模块对标签控制模块发送来的各种信息进行编码，并调制成适合无线光信道传输的信号。
[0024] 所述驱动模块用于根据调制编码模块发送来的信号，驱动光发射器发送可见光信息。
[0025] 所述光发射器用于在驱动模块的作用下，发送可见光信息。
[0026] (二)所述的可见光无源光充电标签及读写器装置的充供电和启动方式，步骤如下:
P1、读写器上电后，进入待机状态，读写器的电源模块只为启动器供电。
[0027] P2、当光标签触发启动器后，读写器进入工作状态，电源模块为读写器各模块供电。
[0028] P3、读写器的光供电器、光能发射模块上电后，光供电器按设定的频率发光，向光标签提供光能。
[0029] P4、光标签由光充电器感应光供电器发出的光，并转换成对应频率的电信号，当光能接收模块的可识别频率与光供电器的发光频率相符合时，光能接收模块将光充电器输出的电信号收集转化为电能，并向光标签的其他模块供电，使各模块上电工作；光标签的光充电器、光能接收模块同时还从外界环境光中，获得能量。
[0030](三)所述可见光无源光充电标签及读写器装置的通信模式，有半双工和全双工两种:1、在半双工方式下，读写器和光标签交替发送接收数据，两个信道不会相互干扰，上下行通信信道的可见光波段可以重叠、覆盖；2、在全双工通信下，读写器到光标签的下行通信信道和光标签到读写器的上行通信信道，分别将信号加载在两组不同波段的可见光载波，使得上行通信信道的可见光波段与下行通信信道的可见光波段没有重叠，从而保证两个信道不会相互干扰。
[0031](四)所述的光标签进入到读写器工作区域，触发启动器，从读写器获得电能，光标签和读写器各模块都上电工作后，两者的通信分为以下两个过程:
(1)光标签向读写器发送可见光信息，读写器接收来自光标签的可见光信息:
在光标签端:S1、标签控制模块将待发送信息输入至调制编码模块；S2、调制编码模块对标签控制模块输出的信息，进行调制、编码后，并输出到驱动模块；S3、驱动模块根据经过调制编码的信息，驱动光发射器发出可见光信息。
[0032] 在读写器端:R1、光电接收器接收来自光标签上光发射器发来的可见光信息，并转换成相应的电信号；R2、再由判决模块将光电接收器转换的模拟电信号，转换成相应的数字信号，并输出到解调解码模块；R3、解调解码模块将数字信号进行解调解码，转换成原始的信息并输出至读写控制模块；R4、读写控制模块对解调解码模块输出的信息，进行分析处理。
[0033] (2)读写器向光标签发送可见光充电载波信号，光标签接收来自读写器的可见光充电载波信号:
在读写器端:S1、读写控制模块将待发送信息输入至光能发射模块；S2、光能发射模块对读写控制模块输出的信息进行调制编码；S3、光供电器根据经过光能发射模块调制编码的信息，发送携带了信息的可见光充电载波信号； 在光标签端:R1、光充电器接收来自读写器上光供电器发来的可见光充电载波信号，转换成对应的电信号；R2、光能接收模块从光充电器接收到并转换的电信号中，解调解码提取出加载在可见光充电载波信号的信息，并转化为相应的数字信号；R3、标签控制模块对光能接收模块输出的信息，进行分析处理。
[0034](五)所述的光标签与读写器建立通信链路的方式如下:
在光标签和读写器各模块都上电正常工作后，首先通过双向的身份认证方式建立通信链路，步骤为:
L1:光标签向读写器发送一个数据RB。
[0035] L2:读写器收到数据RB后，读写器采用内部存放的认证数据MR和算法FunM(x)，对数据RB进行处理后得到RB1，RB1和读写器的一个数据RA组成ANS AB，并向光标签发送一个应答数据ANS AB。
[0036] L3:光标签收到ANS AB后，从ANS AB中提取出RB1，用光标签中的认证数据MK和算法DFunM (x)，对ANS AB中的RB1部分进行解算得到RB2，并校验由L1的光标签发出的数据RB与步骤L3中光标签接收到的ANS AB解算中的RB2，是否一致，即:RB是否等于RB2。若读写器认证数据MR和算法FunM(x)与光标签中的认证数据MK和算法DFunM(x)，相匹配，将会有RB=RB2，即校验正确，进入L4 ;否则将无法通过校验，中止建立链接。
[0037] L4:如果L3中RB=RB2的校验正确，则光标签用内部存放的数据MK和算法DFunM (X)对RA进行运算处理后得到RA1，并用RA1生成应答数据ANS BA，再发送ANS BA给读写器。
[0038] L5:读写器收到应答数据ANS BA后，用读写器中存放的认证数据MR和算法FunM(x)对应答数据ANS BA中的RA1进行解算得到RA2 ;并校验由L2中读写器发出去的数据RA与读写器接收到的ANS BA中的RA2，是否相一致，即:RB是否等于RB2 ;若读写器认证数据MR和算法FunM(x)与光标签中的认证数据MK和算法DFunM(x)，相匹配，将会有RA=RA2,即校验正确，建立通信链路；否则将无法通过校验，中止建立链接。
[0039](六)所述的光标签、读写器设计制作的原则:1、保证在使用时读写器的光电接收器能够收到光标签光发射器发送可见光信息的同时，光标签的光充电器能够收到来自读写器的光供电器发出的可见光充电载波信号；2、光标签的光充电器在满足原则1的前提下，可以将光充电器的面积覆盖到光标签的其他位置，以扩大光标签的感光面积，使光标签可以从读写器光供电器之外，获得光能，为光标签补充供电。
[0040](七)所述的光标签、读写器提供以下两种操作方式:
(1)使用时，光标签采用人工手持如刷磁卡的方式，或者机械带动的方式，进入读写器；光标签的正面，即有光发射器、光充电器的一面，朝向读写器光供电器、光电接收器的一面；当光标签经过启动器时，触发启动器，读写器各模块上电，进入工作状态，光供电器在光能发射模块的激励下，发送可见光充电载波信号；光标签在刷卡的过程中，从读写器获得的光能供电而上电工作，并与读写器进行通信。
[0041] (2)使用者将光标签靠近读写器，启动器感应到有光标签靠近，启动器触发，读写器各模块上电，进入工作状态，光供电器在光能发射模块的激励下，发送可见光充电载波信号；光标签在可见光充电载波信号以及外部环境光的光照下，获得光能供电而上电工作，并与读写器进行通信。
[0042] 本发明方法的光标签能量供给和光标签与读写器之间的数据交换，均采用了可见光波段的光作为载体，采用可见光通信技术实现光标签与读写器之间的时钟同步、数据交换等，同时用通信可见光和外界环境光为光标签供电，完全不同于光纤、红外、射频通信，有源、无源RFID、磁卡等。本发明的利用了可见光具可视性，不穿透性，功耗低，无电磁辐射、干扰，不受电磁干扰等特点，绿色环保，提供了采用光供电、光通信设计制作小微型便携式识另IJ、支付设备的全新思路方法，让可见光通信设备可以像磁卡、各种轻薄的无源RFID—样广泛普及应用。
附图说明
[0043] 图1为本发明实施例的光标签和读写器的结构框图。
[0044] 图2为本发明实施例的光标签的正面外观示意图。
[0045] 图3为本发明实施例的光标签的正面外观示意图。
[0046] 图4为本发明实施例的读写器的剖面图。
[0047] 图5为本发明实施例的操作方式1的操作示意图。
[0048] 图中标记:1_光标签；2_光发射器；3_光充电器；4_读写器；5_光电接收器；
6-启动器；7_光供电器；8_光能发射模块；9_判决模块；10_驱动模块；11_光能接收模块；12_调制编码模块；13_电源模块；14_通信模块；15_标签控制模块；16_可见光信息；17-可见光充电载波信号；18_解调解码模块；19_读写控制模块。
具体实施方式
[0049] 实施例:
(一)设置一个无源可见光充电标签与读写器，包括光标签1、读写器4，结构示意图见附图1，读写器4包括读写控制模块19、启动器6、电源模块13、光供电器7、光能发射模块8、判决模块9、光电接收器5、通信模块14、解调解码模块18 ;光标签1包括标签控制模块15、光发射器2、光充电器3、光能接收模块11、调制编码模块12、驱动模块10 ;其中，标签控制模块15连接光能接收模块11、调制编码模块12，光能接收模块11连接光充电器3，驱动模块10连接光发射器2、调制编码模块12 ;读写控制模块19连接启动器6、电源模块13、光能发射模块8、通信模块14、解调解码模块18，电源模块13连接启动器6、光能发射模块8、判决模块9、通信模块14、解调解码模块18，光供电器7连接光能发射模块8，判决模块9连接光电接收器5、解调解码模块18 ;光供电器7通过可见光充电载波信号17与光充电器3对应，光发射器2通过可见光信息16与光电接收器5对应；光供电器7与光充电器3的对应以及光发射器2与光电接收器5的对应，在工作时需同时满足；
所述读写器4利用可见光通信的方式，向光标签1发送可见光信息，以光的形式给光标签1提供电能，并接收来自光标签1的可见光信息16，以实现与光标签1之间的数据读出或写入操作，分析、处理、验证、存储接收到光标签1的信息，与外部设备进行数据通信；
所述读写控制模块19用于对读写器4的各模块进行功能控制，读写、存储数据，分析处理，验证接收到的光标签1信息，向光能发射模块8发送信号，控制光能发射模块8和光供电器7发送可见光充电载波信号17，并由通信模块14与外部设备进行数据交换；
所述启动器6用于感测光标签1的触发，当有光标签1进入到读写器4的工作区域触发启动器6时，启动器6向电源模块13发出启动信号，让电源模块13为读写器4各模块供电；启动器6有机械触发和光电触发两种方式1)机械触发，靠外部施加力量开启，采用轻触开关、行程开关等机械触发电路实现；2)光电触发，利用热释电传感、红外反射传感实现启动触发；
所述电源模块13用于接收启动器6的启动信号，以及给读写器4的各功能模块提供电會κ ;
所述光能发射模块8将读写控制模块19发送来的信息，进行调制编码，并用调制编码后的信息，激励光供电器7发出可见光充电载波信号17 ；
所述光供电器7在光能发射模块8的激励下，发送可见光充电载波信号17，可见光充电载波信号17除了能提供足够光标签1工作的光能，还携带了经过调制的可见光载波信息，能够向光标签1发送可见光形式的信息；
所述光电接收器5用于感应接收来自光标签1的可见光信息16，并转换成相应的电信号;
所述判决模块9用于接收来自光电接收器5转换后的电信号，转换成数字信号；
所述解调解码模块18用于对判决模块9输出的数字信号，进行解调、解码，并输出给读写控制模块19处理；
所述通信模块14用于与外部设备建立通信，向外部设备发送数据，接收外部设备的数据，实现数据交互、机构控制；
所述光标签1靠从读写器4获得的光能供电而上电工作，以可见光通信的方式，向读写器4发送可见光信息16，接收来自读写器4的可见光充电载波信号17，以实现与读写器4之间的信息读出或写入操作，分析、验证、存储、处理接收到读写器4的信息；
所述标签控制模块15用于对光标签1的各模块进行功能控制，读写、存储数据，分析处理接收到的读写器4的数据信息，并输出待发送的信息到调制编码模块12 ;
所述光充电器3接收来自读写器4的光供电器7发送的可见光充电载波信号17，并转化为相应的电信号；同时，还可以感应外界环境可见光，用于光标签1的能量补充供给；所述光能接收模块11，主要有两个功能1、从光充电器3接收到的可见光充电载波信号17转化为相应的电信号中，收集转化为电能，用作电源为光标签1各模块提供电能；2、从接收转化的相应电信号中解调提取出加载在可见光充电载波信号17上的信息，并转化为数字信号，输出给标签控制模块15进行下一步处理；
所述调制编码模块12对标签控制模块15发送来的各种信息进行编码，并调制成适合无线光信道传输的信号；
所述驱动模块10用于根据调制编码模块12发送来的信号，驱动光发射器2发送可见光信息16 ；
所述光发射器2用于在驱动模块10的作用下，发送可见光信息16。
[0050] (二)所述的无源可见光充电标签与读写器装置的充供电和启动方式，步骤如下: P1、读写器4上电后，进入待机状态，读写器4的电源模块13只为启动器6供电；
P2、当光标签1触发启动器6后，读写器4进入工作状态，电源模块13为读写器各模块供电；
P3、读写器4的光供电器7、光能发射模块8上电后，光供电器7按设定的频率发光，向光标签1提供的光能；
P4、光标签1由光充电器3感应光供电器7发出的光，并转换成对应频率的电信号，当光能接收模块8的可识别频率与光供电器7的发光频率相符合时，光能接收模块11将光充电器3输出的电信号收集转化为电能，并向光标签1的其他模块供电，使各模块上电工作；光标签1的光充电器3、光能接收模块11同时还从外界环境光中，获得能量。
[0051](三)所述的光标签1与读写器4的通信模式，有半双工和全双工两种:1、在半双工方式下，读写器4和光标签1交替发送接收数据，两个信道不会相互干扰，上下行通信信道的可见光波段可以重叠、覆盖；2、在全双工通信下，读写器4到光标签1的下行通信信道和光标签到读写器的上行通信信道，分别将信号加载在两组不同波段的可见光载波，使得上行通信信道的可见光波段与下行通信信道的可见光波段没有重叠，从而保证两个信道不会相互干扰。
[0052](四)光标签1进入到读写器4工作区域，触发启动器6后，从读写器4获得电能，光标签1和读写器4各模块都上电工作后，两者的通信分为两个过程:
1)光标签1向读写器4发送可见光信息16，读写器4接收来自光标签的可见光信息16。
[0053] 在光标签1端:S1、标签控制模块15将待发送信息输入至调制编码模块12 ;S2、调制编码模块12对标签控制模块15输出的信息，进行调制、编码后，并输出到驱动模块10 ;S3、驱动模块10根据经过调制编码的信息，驱动光发射器2发出可见光信息16。
[0054] 在读写器端:R1、光电接收器5接收来自光标签1上光发射器2发来的可见光信息16，并转换成相应的电信号；R2、再由判决模块9将光电接收器5转换的模拟电信号，转换成相应的数字信号，并输出到解调解码模块18 ;R3、解调解码模块18将数字信号进行解调解码，转换成原始的信息并输出至读写控制模块19 ;R4、读写控制模块19对解调解码模块18输出的信息，进行分析处理。
[0055] 2)读写器4向光标签1发送可见光充电载波信号17，光标签1接收来自读写器4的可见光充电载波信号17。
[0056] 在读写器4端:S1、读写控制模块19将待发送信息输入至光能发射模块8 ;S2、光能发射模块对读写控制模块19输出的信息进行调制编码；S3、光供电器7根据经过光能发射模块8调制编码的信息，发送携带了信息的可见光充电载波信号17。
[0057] 在光标签1端:R1、光充电器3接收来自读写器4上光供电器7发来的可见光充电载波信号17，转换成对应的电信号；R2、光能接收模块11从光充电器3接收到并转换的电信号中，解调解码提取出加载在可见光充电载波信号的信息17，并转化为相应的数字信号；R3、标签控制模块15对光能接收模块11输出的信息，进行分析处理。
[0058](五)所述的光标签1与读写器4建立通信链路的方式如下:
在光标签1和读写器4各模块都上电正常工作后，读写器4和光标签1进行正常的数据交换前，首先要通过双向的身份认证方式，建立通信链路，步骤为:
L1:光标签1向读写器4发送一个数据RB ;
L2:读写器4收到数据RB后，读写器4采用内部存放的认证数据MR和算法FunM(x)，对数据RB进行处理后得到RB1，RB1和读写器4的一个数据RA组成ANS AB，并向光标签1发送一个应答数据ANS AB。
[0059] L3:光标签1收到ANS AB后，从ANS AB中提取出RB1，用光标签1中的认证数据MK和算法0?111^00，对么吧AB中的RB1部分进行解算得到RB2，并校验由L1的光标签1发出的数据RB与步骤L3中光标签1接收到的ANS AB解算中的RB2，是否一致，即:RB是否等于RB2。若读写器认证数据MR和算法FunM(x)与光标签1中的认证数据MK和算法DFunM (x)，相匹配，将会有RB=RB2，即校验正确，进入L4 ;否则将无法通过校验，中止建立链接；
L4:如果L3中RB=RB2的校验正确，则光标签1用内部存放的数据MK和算法DFunM (x)对RA进行运算处理后得到RA1，并用RA1生成应答数据ANS BA，再发送ANS BA给读写器4 ;
L5:读写器4收到应答数据ANS BA后，用读写器4中存放的认证数据MR和算法FunM(x)对应答数据ANS BA中的RA1进行解算得到RA2 ;并校验由L2中读写器4发出去的数据RA与读写器4接收到的ANS BA中的RA2，是否相一致，gp:RB是否等于RB2。若读写器4认证数据MR和算法FunM(x)与光标签1中的认证数据MK和算法DFunM (x)，相匹配，将会有RA=RA2,即校验正确，建立通信链路；否则将无法通过校验，中止建立链接。
[0060](六)所述的光标签1、读写器4在使用时，读写器4的光电接收器5能够收到光标签1的光发射器2发送可见光信息16的同时，光标签1的光充电器3能够收到来自读写器4的光供电器7发出的可见光充电载波信号17。
[0061](七)所述的光标签、读写器提供以下两种操作方式:
1)如图5所示，使用时，光标签1沿箭头方向，采用人工手持如刷磁卡的方式，进入读写器4。光标签1的正面，如图2、3，即有光发射器2、光充电器3的一面，朝向读写器4的光供电器7、光电接收器5的一面。
[0062] 当光标签1经过启动器6时，触发启动器6，读写器4各模块上电，进入工作状态，光供电器7在光能发射模块8的激励下，发送可见光充电载波信号17。
[0063] 光标签1在刷卡的过程中，从读写器4获得的光能供电而上电工作，并与读写器4进行通ί目。
[0064] 2)使用者将光标签1靠近读写器4，启动器6感应到有使用者持光标签1靠近，启动器6触发，读写器4各模块上电，进入工作状态，光供电器7在光能发射模块8的激励下，发送可见光充电载波信号17。
[0065] 光标签1在可见光充电载波信号17以及外部环境光的光照下，从读写器4以及外部环境光获得光能供电而上电工作，并与读写器4进行通信。
Claims (1)
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