CN104680100A - 一种有源rfid低功耗周期唤醒方法 - Google Patents

一种有源rfid低功耗周期唤醒方法 Download PDF

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赵彦全
季叶庆
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Abstract

一种有源RFID低功耗周期唤醒方法，本发明公开了一种通过带定时信息的周期唤醒信号，降低采用周期唤醒机制的有源RFID系统中标签功耗的方法，该方法不仅可以降低周期唤醒标签的工作功耗，还可以降低平均待机功耗，明显提高周期唤醒标签的寿命。

Description

一种有源RFID低功耗周期唤醒方法
技术领域
本发明涉及RFID领域。
背景技术
RFID是射频识别(Radio Frequency Identification)的简称，它是利用无线电技术在读写器和电子标签之间建立通信，达到信息查询的目的。与传统的条形码技术相比，具有传输数据率高、通信距离远、可同时处理多个标签、标签信息可修改、环境适应性强等优点，因此成为物联网的关键使能技术，具有广泛的应用前景。
按照实现方式的不同，RFID分为无源RFID和有源RFID两种。无源RFID标签自身不带电池，工作需要的电源从读写器的电磁场中获取。有源RFID标签自身具备电池，无需从读写器的电磁场中获取电源进行工作。
唤醒技术主要存在于有源RFID领域，用于触发标签进入工作状态。在RFID应用中，标签大部分时间是不工作的，而用于接收读写器信号的电路状态(接收状态)往往需要较高功耗，严重影响标签寿命，因此一般采用唤醒技术：标签大部分时间处于一种极低功耗的休眠状态，读写器要访问标签时，首先通过唤醒信号唤醒标签，使标签进入可以接收读写器信号的状态，再发送有效读写器信号与标签交互。
唤醒技术典型地分为外部唤醒、周期(内部)唤醒两种。外部唤醒包括采用低频唤醒、红外唤醒、磁场唤醒等；周期唤醒是指在不与读写器进行信息交互时，标签周期性处于休眠状态、侦听状态，在侦听状态，标签可以接收读写器的唤醒信号，进而进入工作状态，与读写器进行信息交互。由于在侦听状态下，标签处于接收状态，功耗较高，因此标签侦听时间(处于侦听状态的时间，也称休眠状态超时时间)一般远小于休眠时间(处于休眠状态的时间)，休眠状态和侦听状态共同组成标签的一个唤醒周期。
外部唤醒一般功耗较低，但需要增加额外的硬件消耗，导致成本增加，且唤醒距离往往与射频作用距离相差甚远，因此在有源RFID中，周期应用广泛。
对于采取周期唤醒的标签，由于读写器不能准确预知标签何时进入侦听状态，要确保能够唤醒标签，读写器需要连续发送“休眠时间+侦听时间”的信号。如附图1所示，标签可能在读写器刚开始发送信号时就进入侦听状态，收到该信号；也可能在读写器发送最后一条信号时进入侦听状态，收到该信号，平均而言，标签在(休眠时间+侦听时间)／2的时间内无谓地处于功耗较高的准备接收读写器有效信号的状态，增加了功耗。
同时，为确保能够接收到读写器指令，标签的侦听时间要足够长，至少为两个完整读写器信号时间，若对于标签在侦听状态下支持的信号不经优化，信号中还可能含有某些冗余信息，导致标签的侦听时间过长，进而影响到标签待机功耗的增加，进一步影响标签寿命。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种降低周期唤醒有源RFID标签功耗的方法，提高标签寿命。其基本原理是：采用一种带定时信息的周期唤醒信号唤醒标签，标签收到定时信息信号后，通过定时信息判断读写器有效信号到来的时间，并根据该时间进行低功耗处理，降低功耗。
进一步的，本发明所指的带定时信息的周期唤醒信号可以是带定时信息的任何用于驱动有源RFID在信号指定时刻有一段时间标签退出休眠状态的信号，其特征在于信号带有定时信息，标签可以根据定时信息计算有效读写器指令的到达时刻，并采取相应措施，降低功耗。
带定时信息的周期唤醒信号数据帧，典型地，采用在规定的数据帧结构和信号格式下，最短的数据帧，以降低标签为接收该信号需要预设的时间(侦听时间)，进而降低标签的待机功耗。
进一步的，带定时信息的周期唤醒信号也可以根据应用需要采取长度超过最短数据帧的帧结构。
进一步的，为避免因带定时信息的周期唤醒信号数据帧长度较短，信息量偏低，应用中可能出现大量标签被唤醒，而读写器只对其中一个或几个标签操作，大部分标签虽不被操作，但仍需长时间处于工作状态，导致功耗浪费的问题，可以进一步在标签的侦听状态和工作状态之间设置一个过渡状态。过渡状态的状态超时时间比工作状态的状态超时时间短的多，标签进入过渡状态后，读写器立即向标签发送信号，比如带标签ID信息的点对点操作信号、带操作密码的广播操作信号等，需要响应该信号的标签，进入工作状态；无需响应该指令的标签，在过渡状态的状态超时时间到达后，进入休眠状态。
附图说明
图1传统周期唤醒过程示意图
图2采用带定时信息的周期唤醒信号唤醒过程示意图
具体实施方式
本发明的目的是提供一种降低周期唤醒有源RFID标签功耗的方法，提高标签寿命。
本发明通过采用一种带定时信息的周期唤醒信号唤醒标签，标签收到定时信息信号后，通过定时信息判断读写器有效信号到来的时间，并根据该时间进行低功耗处理，降低功耗。为进一步降低标签待机功耗，建议带定时信息的周期唤醒信号采用长度尽量短的数据帧结构。
该发明的具体实施方式包括以下三个步骤：
第一步，根据采用的RFID协议和应用需要，确定带定时信息的周期唤醒信号的数据帧结构；
一种典型的带定时信息的周期唤醒信号数据帧结构如表1所示。
前导码 同步码 数据长度 帧选项 信号ID 等待时间 校验码
X字节 X字节 X字节 X字节 1字节 2字节 X字节
其中前导码、同步码、数据长度、帧选项、校验码等字段均为某有源RFID协议帧结构的固定组成部分，信号ID和等待时间字段是带定时信息周期唤醒信号的组成部分。其长度可根据具体协议分析确定。具体方法如下：
在信号ID长度固定的RFID协议中，周期唤醒信号的信号ID长度遵从相应的RFID协议规定；在信号ID长度可变或资源紧缺的RFID协议中，周期唤醒信号的信号ID长度尽量短。
等待时间是指标签在接收到周期唤醒信号后，有效读写器信号到来的时间，最大时间单位一般不超过后续第一条读写器信号的接收时间，例如后续第一条读写器信号的接收时间为1mS，则等待时间的单位最大为1mS。该字段的长度计算方法如下：
等待时间字段的长度一般以字节为单位，不足1字节则按1字节计算，例如，等待时间字段的时间单位为0.5mS，系统允许的最大唤醒周期为10S，则等待时间字段的长度应大于14.3bits，按字节取整，应为2字节(16bits)。
实际应用中，还可以采用更复杂一点的数据帧结构，比如增加一个指示后续信号长度的字段，以进一步降低功耗，或者增加唤醒密码字段，以防标签被误唤醒等，不过从降低待机功耗的角度，建议带定时信息的周期唤醒信号取最短长度，后续采用相对较短的信号将标签驱动到工作状态，密码等字段建议加在后续首条信号中。
第二步，根据带定时信息的周期唤醒信号数据帧长度、系统通信数据率，确定标签的侦听时间设置。
计算方法如下：
以表1所示的数据帧结构为例，与某RFID协议相结合，确定带定时信息的周期唤醒信号各字段的长度如表2所示：
前导码 同步码 数据长度 帧选项 信号ID 等待时间 校验码
4字节 1字节 1字节 1字节 1字节 2字节 2字节
数据帧总长度为4+1+1+1+1+2+2=12字节，若通信数据率为250kbps，则侦听时间长度最小应为0.768ms，应用中可进一步根据系统处理能力，取合适的侦听时间值，比如0.8ms。与采用原有的唤醒类信号需要2ms相比，侦听时间缩短60％。
第三步，分析带定时信息的周期唤醒信号与其他信号的兼容性，确定系统的工作流程。
分析过程中，需注意以下事项：
首先，在传统的周期唤醒方式中，通过连续发送“休眠时间+侦听时间”的信号唤醒标签，采用带定时信息的周期唤醒信号后，同样需要连续发送“休眠时间+侦听时间”的信号，只是传统的唤醒过程中，发送的信号可能有多种，而采用带定时信息的周期唤醒信号后，唤醒过程中，发送的信号固定为带定时信息的周期唤醒信号。
其次，为避免因带定时信息的周期唤醒信号数据帧长度较短，信息量偏低，应用中可能出现大量标签被唤醒，而读写器只对其中一个或几个标签操作，大部分标签虽不被操作，但仍需长时间处于工作状态，导致功耗浪费的问题，还可以进一步在标签中设置一个处于侦听状态和工作状态之间的过渡状态。过渡状态的状态超时时间比正常工作状态的状态超时时间短的多，标签进入过渡状态后，读写器立即向标签发送信号，比如带标签ID信息的点对点操作信号、带操作密码的广播操作信号等，需要响应该信号的标签，进入工作状态；无需响应该指令的标签，在过渡状态的状态超时时间到达后，进入休眠状态。过渡状态的状态超时时间主要取决于该状态下支持的最长数据帧的长度和系统的通信数据率，计算方法如下：
假设在过渡状态下支持的最长数据帧长度为36字节，通信数据率为250kbps，则过渡状态超时时间不小于1.152ms，应用中可进一步根据系统处理能力，取合适的状态超时时间，如1.2ms。由于有源RFID标签工作状态的状态超时时间一般在数秒量级(典型值5秒)，因此可显著降低采用带定时信息的周期唤醒信号后，信息量变低产生的负面影响。

Claims (4)

1.一种有源RFID低功耗周期唤醒方法，其特征在于通过带定时信息的周期唤醒信号，将所有采用周期唤醒的标签同步到相同时刻醒来，进一步接收读写器信号；采用周期唤醒机制的标签，其工作方式为，在没有读写器指令时，标签周期性处于低功耗的休眠状态和短暂的能够接收读写器信号的侦听状态，在侦听状态下标签收到带定时信息的周期唤醒信号后，通过定时信息判断当前时刻到读写器有效信号到来的时刻的时间，并根据该时间进行低功耗处理，降低功耗。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述带定时信息的周期唤醒信号是带定时信息的任何用于驱动有源RFID标签在指定时刻退出休眠状态的信号，标签收到该信号后可以判断读写器有效信号到来的时刻。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于带定时信息的周期唤醒信号的数据帧，采用在规定的数据帧结构和信号格式下的最短的数据帧，以降低标签为接收该周期唤醒信号需要预设的侦听时间，进而降低标签待机功耗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于为避免标签被误唤醒，可进一步在标签的侦听状态和工作状态之间设置过渡状态，过渡状态的状态超时时间比工作状态的状态超时时间短很多，当标签被误唤醒时，标签很快进入休眠状态，避免功耗浪费。
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