CN106412804B - 用于物流追踪的双向通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在多个通信设备之间运行双向通信系统的方法，所述通信设备包括至少一个通信控制器和多个节点，包括第一节点。该方法包括步骤：在一个广播间隔内，经由第一主机的一个信道，从所述通信控制器周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址。该方法还包括：第一节点周期性地扫描第一主机的信标信号。一旦检测到信标信号，第一节点就发送一个身份识别有效载荷到通信控制器。通信控制器一旦接收到该身份识别有效载荷，就发送一个应答信号给第一节点。

Description

用于物流追踪的双向通信系统

【技术领域】

本发明涉及使用双向无线通信系统的物流管理方法，特别涉及基于有源RFID技术来监控货物位置的方法，所述有源RFID技术使用低功耗RFID标签和握手通信协议。

【背景技术】

传统的基于RFID技术的物流追踪系统可以通过有源RFID标签或无源RFID标签来实施。已知的有源RFID标签自身拥有电源和发射器，使得标签能够广播信号。与无源RFID标签相比，有源RFID标签的性能包括更广的读取范围以及更强的存储能力。但是，为了获得更强大的读取范围和存储能力，则需要更高的电源功率要求。通常，有源RFID标签是由长寿命电池提供电力，其可以持续供电若干年，但最终仍需更换电池。

已知有两种不同类型的有源RFID标签，它们是应答机(transponder)和信标(beacon)。有源RFID应答机只在有读取器(reader)的询问信号出现时，才进行通信，所以当标签处于读取器覆盖范围之外时，能够节约电力，有助于延长电池寿命。有源RFID应答机通常用于保安接驳控制以及收费亭支付系统。

用作为有源RFID标签的信标，在用户设定的时间间隔内周期性地发送识别信息，而RFID读取器通过天线捕获信号并利用后端软件确定该标签的位置。这种类型的有源RFID标签，常用于实时定位系统(RTLS)，这在室外运输堆场和整个供应链过程里比较常见。一些有源RFID标签在理想室外环境下能达到100米的读取范围。

所有这些额外的功能都将导致成本的增加。有源RFID标签的价格取决于标签承受恶劣条件的能力以及标签的其它重要功能。

低功耗蓝牙(BLE)技术是一种适用于有源RFID应用的已知无线系统。iBeacon是一种由Apple开发的基于BLE的协议，许多供应商制作了兼容iBeacon的硬件发射器，其通常被称为信标，是一种广播其识别码到附近便携式电子装置的BLE设备。iBeacon技术使智能电话、平板电脑和其它装置能够在其靠近一个iBeacon标签时执行某些操作。一旦检测到iBeacon标签，移动电话会利用接收到的iBeacon信息和位置信息，根据情境搜索(contextual search)激活相关的移动应用。在此例子里，不同的iBeacon标签能够激活不同的移动应用，以便提供促销或广告宣传活动信息给使用移动电话的用户。

iBeacon使用BLE的接近传感器技术广播一个通用唯一识别码，该识别码会被具有兼容应用或运行系统的一个读取器接捕获。该识别码以及与其一起发送的数据可以被用来确定该设备的物理位置、客户追踪、或触发该设备上一个基于位置的操作，如在社交媒体签到，或者推送通知。

然而，如果将BLE的iBeacon用于有源RFID应用，需要克服一些障碍。目前用于有源RFID应用的iBeacon方案的一些限制有：

1、BLE标准提供40个频道。其中只有三个广播频道(37、38和39)能够用于iBeacon应用。在没有信号冲突的情况下，可以产生最多400个时隙(根据iBeacon广播间隔100ms，和大约0.75毫秒的广告包时间，即(100/0.75)×3广播频道)。对于标签读取器要读取潜在上千个有源RFID标签的应用来说，使用BLE的iBeacon方案不可行，因为信号冲突的概率会随着iBeacon标签数目的上升而增加。

2、无论是否存在标签读取器，iBeacon方案都会持续广播。这将造成电池电力的浪费，缩短电池寿命，增加有源RFID标签的更换速率，从而增加使用成本。此外，在FAA规则下，要求禁止在飞行中的飞机上设备有RF信号发射，因此使用该广播方案的RFID将不被允许应用在飞机上。

3、iBeacon方案没有可靠的标签和读取器之间的数据交互。使用iBeacon方案的标签不知道标签读取器是否已经成功获取其数据，因为读取器不会发送应答给标签。因此标签不得不周期性地持续广播其数据。

4、iBeacon方案没有数据安全性，因为任何BLE装置都能够嗅探(sniff)和听到由标签广播的数据。

因此，对于有源RFID应用，有必要以一个增强的方式使用BLE技术，以便既能利用其低成本和低功耗的优势，又能克服传统iBeacon方案的缺点。

此外，如果标签读取器能够读取其覆盖范围内无限数目的标签，这将是优选的。如果标签读取器能够迅速且可靠地从标签提取身份识别有效载荷(identificationpayload)，就会更好。如果能延长标签的电池寿命以持续很多年，又会更好。

本发明将能满足这些需要。

【发明概述】

本发明的特征在于独立权利要求的特征部分。本发明的其他实施例在独立权利要求里也有描述。

根据本发明的第一方面，提供一种在多个通信设备之间运行双向通信系统的方法，双向通信系统包括至少一个通信控制器和多个节点，其包括第一节点。本方法包括：经由第一主机的一个信道，在一个广播间隔时间内，从所述通信控制器周期性地广播一个信标信号；所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址。本方法还包括：所述第一节点周期性地扫描所述第一主机的信标信号，一旦所述第一节点检测到所述信标信号，所述第一节点就发送一个身份识别有效载荷到所述通信控制器，一旦所述通信控制器接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点。

根据一个最优实施例，所述应答信号还包含指令，其指示所述第一节点执行至少一个随后操作。其中一个随后操作，就是所述第一节点进入睡眠模式，持续一段指定时间。其中另一个随后操作，就是所述第一节点被关机。

根据一个最优实施例，所述第一节点在接收到所述应答信号之后，就进入睡眠模式，持续第一睡眠时间。

根据一个最优实施例，所述第一节点在发送所述身份识别有效载荷之后，如果在一个预定时间内没有接收到所述应答信号，所述第一节点就进入睡眠模式，持续第二睡眠时间。特别是，第一睡眠持续时间长于第二睡眠持续时间。

根据一个最优实施例，所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，经由所述第一主机上具有不同广播频率的其它信道，在多个时隙内周期性广播所述信标信号。

根据一个最优实施例，所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，在第二主机的一个信道上，周期性地广播至少另一个信标信号，其包含所述通信控制器的至少另一个地址。在不同主机中的相同信道的广播频率是相同的。根据又一个最优实施例，所述通信控制器包括至少两个主机，每个主机周期性地广播三个信标信号；各主机包含了该通信控制器的不同地址，不同主机上的相同信道的广播频率是相同的。

根据一个最优实施例，所述通信控制器包含8个主机，对于一个广播信道来说，由所述通信控制器使用不同时隙广播所述8个主机的信标信号，总广播时间等于或小于30％的所述广播间隔时间。

根据一个最优实施例，在一个广播周期时间内，所述第一主机的一个信标信号后面紧跟着(followed immediately)所述第二主机在一个广播周期内具有相同广播频率的信标信号。

根据一个最优实施例，所述第一主机的信标信号和所述第二主机上具有相同频率的信标信号被一个预设时间间隔隔开。

根据一个最优实施例，所述通信控制器包含16个主机。对于一个广播信道来说，由所述通信控制器使用不同时隙广播所述16个主机的信标信号，总广播时间等于或小于60％的所述广播间隔时间。

根据一个最优实施例，所述第一节点一旦检测到所述信标信号，且仅在下一个广播间隔时间内检测到信标信号出现在同一信道上，才发送所述身份识别有效载荷到所述通信控制器。

根据一个最优实施例，当第一节点接收到的信标信号的信号强度很低时，所述第一节点将立刻连接到其接收到信标信号的所述通信控制器的所述地址。否则，第一节点将被连接到所述通信控制器的一个替代地址。

根据一个最优实施例，所述通信控制器是一个标签读取器，所述多个节点是标签。特别地，所述双向通信系统是一个低功耗蓝牙系统。所述信标信号被设置为有限发现模式。

根据本发明的第二方面，提供一个用于物流追踪的双向通信系统。所述通信系统包括至少一个通信控制器和多个节点，其包括第一节点。所述通信控制器经由第一主机的一个信道，按照一个固定的广播间隔时间周期性地广播一个信标信号。所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址。所述第一节点周期性地扫描所述至少一个主机的所述信标信号。所述第一节点一旦检测到所述信标信号，就发送第一节点的身份识别有效载荷到所述通信控制器。所述通信控制器一旦接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点。

根据本发明的第三方面，提供一个用于物流追踪的双向通信系统，包括至少一个通信控制器和多个与库存有关的节点，其包括第一节点；所述通信控制器经由第一主机的一个信道，按照一个固定的广播间隔时间周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址；其中所述第一节点周期性地扫描所述第一主机上的信标信号；其中所述第一节点一旦检测到所述信标信号，就发送第一节点的身份识别有效载荷到所述通信控制器；所述通信控制器一旦接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点。

特别地，所述用于物流追踪的双向通信系统还包括一个本地服务器，用于收集并记录来自所述通信控制器的所述多个节点的出现信息。

特别地，所述用于物流追踪的双向通信系统还包括一个远程服务器，用于收集并记录来自所述通信控制器的所述多个节点的出现信息。

根据本发明的第四方面，提供一个用于物流追踪的数据网络，其包括至少一个通信控制器和多个与库存有关的节点，其包括第一节点；所述通信控制器经由第一主机的一个信道，按照一个固定的广播间隔时间周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址；其中所述第一节点周期性地扫描第一节点上的信标信号；其中所述第一节点一旦检测到信标信号，就发送第一节点的身份识别有效载荷到所述通信控制器；其中所述通信控制器一旦接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点。

根据本发明的第五方面，提供一个数据网络里的通信控制器，所述数据网络还包括多个节点，其包含第一节点，所述通信控制器包括：一个处理器，一个提供代码到所述处理器的存储器，以及一个由所述处理器控制的接口：所述通信控制器经由第一主机的一个信道，按照一个固定的广播间隔时间周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址，一旦接收到来自所述第一节点的所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点。

根据本发明的第六方面，提供一个在数据网络里的第一节点，所述数据网络还包括一个通信控制器和多个节点，其包含第一节点。所述第一节点包括：一个处理器，一个提供代码到所述处理器的存储器，以及一个由所述处理器控制的接口：第一节点周期性地扫描由所述通信控制器的第一主机广播的信标信号，并在检测到所述信标信号后就发送一个身份识别有效载荷到所述通信控制器，所述第一节点在接收到应答信号之后，就进入睡眠模式，并持续第一睡眠时间，如果所述第一节点在发送身份识别有效载荷之后，没能在一个预设时间内收到应答信号，就进入睡眠模式，并持续第二睡眠时间。

【附图说明】

现结合以下的附图，描述本发明的具体实施例。

图1是本发明一个实施例的系统示意图。

图2是本发明一个实施例的标签读取器的模块示意图。

图3是本发明一个实施例的标签的模块示意图。

图4是本发明一个实施例的在标签读取器和标签之间的消息流程图。

图5a是本发明一个实施例的具有多个主机的标签读取器的广播信标持续时间和间隔的信号示意图。

图5b是本发明另一实施例的具有多个主机的标签读取器的广播信标持续时间和间隔的信号示意图。

图6是本发明一个实施例的在扫描阶段用于检测广播广告信标的标签扫描窗口的信号示意图。

图7是本发明一个实施例的在扫描阶段标签唤醒周期的时间线。

图8是本发明一个实施例的在连接阶段标签执行的步骤流程图。

图9是本发明一个实施例的物流系统应用的示意图。

【发明详述】

本发明提供一种改进的物流追踪方法。虽然以下已经描述了本发明的不同实施例，但本发明并不受限于这些实施例，这些实施例的变形将落在由权利要求书所限制的本发明范围内。

本发明可以结合任何无线通信系统一起应用，如低功耗蓝牙(BLE)、蓝牙、ANT、ANT+、ZigBee、Wi-Fi、和近场通信(NFC)标准等。

根据本发明一个实施例，BLE技术以增强方式用于有源RFID应用，从而利用其低成本和低功耗的优势，又克服传统iBeacon方法的缺陷。

用于读取广播信息的标准低功耗蓝牙应用，就是使用iBeacon方案广播信息到智能电话、平板电脑和其它装置。但是，低功耗蓝牙标准仅有3个广播信道。在有源RFID应用中，由于iBeacon方案最多只能提供400个广播时隙(根据100毫秒的iBeacon广播间隔和0.75毫秒的iBeacon包发送时间)，而不能被采用。尽管理论上最多有400个广播时隙，但由于当在覆盖范围内有非常多数量的标签(如上千个)时就有可能发生信道冲突，从而使获取完整无缺的广播信标的成功率会大大降低。除此之外，iBeacon方法也不可靠，这是因为它缺少一个数据被接收到以后的应答信号。还有，由于iBeacon方案是采用持续广播的方法，因此标签的电池寿命不能被优化，且当大量标签集中在一起时，冲突问题仍然存在。而且，在FAA规则下，要求禁止在飞行中的飞机上的设备有RF信号发射，因此使用该广播方案的RFID将不被允许应用在飞机上。

图1描述本发明一个实施例的物流追踪系统100。物流追踪系统100包括一个通信控制器，如标签读取器110，和多个节点，如标签120、121、122等。标签120、121和122是自供电的，并周期性地从睡眠模式唤醒以检测标签读取器110的出现，从而建立无线通信，并发送身份识别数据到标签读取器110。标签读取器110会记录从标签120、121和122接收到的身份识别数据，并通过一个网络(图中未显示)发送数据到其它读取器或中央监控站。这些数据可以用于监控与标签120、121和122相关联的物体的位置，也可以用于产生显示物体位置信息的消息。在标签120、121、122和标签读取器110之间的数据传输是以可靠安全的方式进行的。根据本发明一个实施例，即使用BLE拓扑技术以支持在一个以标签读取器110为中心的半径高达50米的空间覆盖范围内读取大量标签。

图2描述本发明一个实施例的标签读取器200的硬件模块示意图。标签读取器200包括一个具有运行系统和控制软件的处理器210，处理器210与BLE信标通信器220进行通信，以建立与标签(图中未显示)的无线通信，标签读取器200还包括蜂窝数据适配器230和WLAN模块240

图3描述本发明一个实施例的标签300的硬件模块示意图。标签300包括一个控制器310，其与BLE通信器320进行通信。通过BLE通信器320，标签300能够建立与标签读取器(图中未显示)的无线通信，从而能够扫描信标信号，并发送身份识别信号，同时接收应答信号和指令等。控制器310控制标签300在不同模式下的操作，如扫描模式、连接模式和睡眠模式。控制器310的功能可以通过硬件逻辑或处理器执行的软件而实施。

图4显示本发明一个实施例的在标签读取器410和标签420之间的消息流程图。标签读取器410在一个BLE主机的广告信道上以广播员的身份广播信标信号401。如BLE标准所定义的，一个BLE主机包含3个广播信道，即信道37、38和39。如果广播间隔时间被设置成20毫秒，那么每20毫秒最多能发送3个信标信号，这意味着每个BLE主机每秒广播总共150个信标。在蓝牙技术手册规范v4.0第6卷第4.4.2节有详细解释广播协议和广播状态时序。另一方面，标签420被周期性地唤醒并在一个扫描间隔时间内检测是否有来自信标读取器410的信标信号401的出现。扫描间隔时间(唤醒时长)取决于标签420要多快被标签读取器410检测到，以及所期待的标签420的电池寿命。

一旦信标信号被标签420检测到，标签420就启动和标签读取器410的连接，发送其身份识别有效载荷402到标签读取器410。为了应答收到身份识别有效载荷，标签读取器410会发射一个应答包403(acknowledgement packet)到该标签420以确认收妥。广播过程和连接设置过程中的信道配置将进一步描述如下。

根据本发明一个实施例，BLE信道37、38和39被分配给广播和连接设置用途。具体地，BLE在有限发现模式(BLE Limited Discoverable Mode)下，通过设置可连接消息包上的“有限标志位”，可以使用BLE有限发现模式，从而使信道37、38和39能够在广播阶段和连接设置阶段运行。在蓝牙技术手册规范v4.0第3卷第9.2.3节有详细讨论GAP层上的有限发现模式。

在广播阶段，信道37、38、39被设置作为广播信道，仅允许下行通信。标签读取器410在信道37、38、39上发送可连接消息包。在连接设置阶段，信道37、38、39被设置为支持双向通信。

在标签侧，使用有限发现进程来寻找附近的任何在有限发现模式下工作的标签读取器410。当发现有标签读取器410时，标签420就尝试与它连接。根据BLE标准，连接设置过程是通过这3个广播信道37、38、39进行的。在完成连接之后，标签读取器410和标签420将在由BLE标准定义的37个数据信道(0-36)中的一个可用信道上交互数据(如身份识别有效载荷)。连接设置过程在蓝牙技术手册规范v4.0第6卷第4.4.4节有详细讨论(启动状态和连接状态)。

在连接设置之后，在数据信道(0-36)上的所有数据传输(如身份识别有效载荷)将根据L2CAP连接上的GATT配置而建立。所述连接可被加密以增强安全性。在连接设置之后的通信协议在蓝牙技术手册规范v4.0第3卷第F部分属性协议(ATT)和G部分通用属性配置(GATT)里有详细讨论。

根据本发明另一个实施例，应答包403还包括一个控制字节，其允许标签读取器指示标签420执行随后的动作。例如，为了优化标签功耗，控制字节可以指示一个预设的睡眠持续时间，之后标签420才会被唤醒以再次检测广播信标。在另一个例子里，该控制字节可以指示标签关机。

根据本发明一个实施例，标签读取器可以由交流电源供电，在此情况下功耗考量不太重要。图5a是本发明一个实施例的具有多个主机510、520等的标签读取器的广播信标持续时间和间隔时间的信号示意图。在标签读取器上的BLE信标通信器包含一组8个独立的BLE主机模块，这些BLE主机模块的蓝牙地址中的3个LSB位不同，被固定为0-7(如图1和图2)。每个BLE主机模块(如510)的信道，都在由BLE标准定义的20毫秒的最短间隔时间内，独立广播一个唯一信标ID(如511)。不同主机上的相同广播信道具有相同的频率。例如，第一主机510的信道37与第二主机520的信道37具有相同的频率。不同主机在相同广告信道上的信标在时域上最好不要重叠，以避免相互干扰。根据每个BLE主机每20毫秒的3个信标(511、512、513)，每个BLE主机每秒中可有150个信标广播。由于有8个BLE主机，标签读取器每秒中共有1200个信标广播。因此，标签成功连接到标签读取器上8个BLE主机信道中一个可用信道的机会能够被大幅提高。有8个独立BLE主机的标签读取器的数量与被扫描的标签数量的比率，取决于在标签读取器覆盖范围内出现最大数量的标签时所需的检测时间。

根据本发明一个实施例，信标包持续时间大约是750微秒，广播间隔时间被设置成20毫秒，因此最多可提供20/0.75×3＝80个广播信道，即理论上能够使用80个BLE广播时隙。但是，由于使用同一时隙的信标之间有发生冲突的可能性，所以最好限制在覆盖范围内标签的数目。在仅有一个标签读取器(具有8个主机)的情况下，对于每个广播信道来说，即利用了8x3/80＝30％的广播时隙。当在覆盖范围内标签读取器的数量增加时，可通过增加广播间隔时间至20毫秒以上，以使广播时隙的利用率对每个广播信道来说，仍保持在30％或更小，从而使信标冲突概率位于合理的低水平，进而实现高标签读取速率和低信标冲突率之间的最佳平衡。

根据本发明另一个实施例，当一个标签读取器具有16个BLE主机时，每个广播信道的广播时隙利用率可以高达60％，而不会产生明显的信标冲突问题。将每个主机的广播间隔时间设置为20毫秒作为最优配置，能使信标冲突概率位于合理的低水平，从而实现高标签读取速率和低信标冲突率之间的最佳平衡。

对于大多数的典型使用例子，当一个标签读取器具有8个主机，每个主机的广播间隔时间被设置为20毫秒以达到30％广播时隙利用率(对于每个广播信道来说)时，就已经足够获取合理的读取速率。另一方面，对于需要以最快读取速率检测相当大数量标签的情景，16个主机的60％广播时隙利用率(对于每个广播信道来说)，就是最好的实施了。

根据本发明一个实施例，不同主机模块上的相同信道的信标次序在时域上是相关联的，要使得一个主机模块510在一个广播周期时间内，在信道37(在第一广播频率)上的第一信标511后紧跟着另一主机模块520在一个广播周期时间内，在信道37(相同的第一广播频率)上的第一信标514。换句话说，在不同主机的相同广播信道上的信标会一个紧跟一个。

图5b是本发明另一实施例的具有多个主机510、520等的标签读取器的广播信标持续时间和时间间隔的信号示意图。不同主机模块上的相同信道的信标次序在时域上是相关联的，使得一个主机模块510在信道37(第一广播频率)上的第一个信标515与另一主机模块520在信道37(相同的第一广播频率)上的第一个信标516之间，被一个预设时间分开。换句话讲，在不同主机的相同广播信道上的信标被一个预设时间分开。

图6显示本发明一个实施例的在扫描阶段的用于检测广播信标的标签扫描窗口的信号示意图。信标检测速率取决于标签的扫描间隔周期时间610以及扫描窗口持续时间620。设置不同的扫描窗口持续时间620，会改变标签检测到信标的概率。一个较长的扫描窗口时间能够确保信标被更早地检测到，而一个较短的扫描窗口时间会增加检测不到信标的机会，这是因为标签有可能会在一个没有信标出现的时间窗口内进行扫描。而另一方面，较长的扫描窗口时间对标签的功耗影响巨大，因为功耗与无线电路必须被开启的时间长短密切相关。扫描间隔周期时间610和扫描窗口持续时间620参数决定了一个扫描器装置(如标签)会每隔多久和多长时间去听潜在的广播信标包。和广播间隔时间一样，这些数值对功耗影响深远，因为它们直接与无线电路必须被开启的时间长短密切相关。

系统设计时的一个考量就是节省标签的功耗(低占空比的RF活动)，这是因为标签最好使用小尺寸电池，如纽扣电池，以方便安装在货物上。而由于读取器通常是在固定位置上运行，因此可以连接到外部电源，所以对读取器来说，功耗不是问题。出于这个原因，读取器可以承担更强大的CPU和更高占空比的RF活动。标签的扫描间隔周期时间610和扫描窗口持续时间620可以被设置以优化其电池寿命，同时通过调节标签读取器的积极广播时间间隔(最快每20毫秒)，从而提高标签检测的速率。

根据本发明一个实施例，一个信标广播持续时间大约是750微秒。信道37、38和39的广播信标被连续发送。这3个信标的总广播时间大约是750微秒×3＝2.25毫秒。为了优化标签的电池寿命，可以将标签的扫描窗口持续时间设置为3毫秒，并以每2秒唤醒一次的周期(即每2秒的扫描间隔周期时间)进行扫描。由于3毫秒可以覆盖3个广播广告信标的持续时间，这样标签有足够的机会去检测到标签读取器(有8个BLE主机)中的一个主机的其中一个广播信标。

也有可能有这样的情况，标签的扫描窗口持续时间与广播信标时隙并不一致。在这种情况下，标签将睡眠，在2秒后唤醒以再次扫描广播信标。根据标签读取器的每个BLE主机的广播信标间隔时间20毫秒，8个BLE主机将占用2.25毫秒×8＝18毫秒的时隙时间。特别是当在标签读取器范围内有很多标签时，一个具有3毫秒扫描窗口持续时间的标签检测到标签读取器(有8个BLE主机)中的至少一个BLE主机的信标的概率就会非常高。一旦标签检测到标签读取器的广播信标，它就认为出现了标签读取器。标签的下一步就是从扫描阶段进展到连接阶段，这将在以下图8做进一步描述。

图7是本发明一个实施例的在扫描阶段的标签唤醒周期的时序图。标签需要能够检测到标签读取器的信标ID，以便启动与标签读取器的该特定BLE主机的连接。在步骤701，标签周期性地唤醒以检测是否出现包含信标ID的信标信号。如果没有检测到信标信号，标签行进到步骤702，回到睡眠状态，直到扫描周期间隔时间结束。在扫描阶段期间，仅开启标签300的接收电路，以检测信标ID，而标签300的发射器是关闭的。这对于确保延长标签电池寿命以及在飞机上能打开RFID标签应用是非常重要的。在机舱里，由于没有标签读取器，标签300检测不到信标ID，因此标签将进入睡眠阶段，在整个飞行过程中将不会开启发射器电路以发送身份识别有效载荷。在另一个实施例中，标签将不进入睡眠阶段，而是被设置进入发射器电路被关闭的扫描阶段。由于标签300的发射器电路在飞行过程中始终处于关闭状态，因此符合FAA规定，能够在机舱里使用。为了优化标签的电池寿命，至少可以实施以下一种方法。

根据本发明一个实施例，可以通过增加标签读取器的数量(即增大读取器和需要被读取的标签数量之间的比率)，来确保有足够的BLE主机能被标签访问到，并上载单个标签有效载荷到标签读取器。标签发送其有效载荷越快，其进入睡眠就越快，从而延长电池寿命。越多BLE主机(越多标签读取器)和越少连接重试，会提升标签的电池寿命。

根据本发明一个实施例，标签读取器有8个主机，它的广播信标间隔周期被优化设置成20毫秒乘以标签读取器数量，以保持30％的广播时隙利用率(对于每个广播信道来说)。

根据本发明另一实施例，标签读取器有16个主机，它的广播信标间隔周期被设置成20毫秒乘以标签读取器数量，以保持60％的广播时隙利用率(对于每个广播信道来说)。

设置更长的广播包的广播间隔周期，能够降低信标冲突的概率，但同时也将降低标签被发现和连接的速率。这就需要在主机信道数量和针对标签检测速率的广播间隔周期之间取得平衡。根据本发明一个实施例，选择20毫秒被选择作为最短广播间隔周期，以获得可能的最快标签检测速率，而信标冲突概率又处于合理的低水平。

根据本发明另一实施例，可以通过调整标签周期性扫描标签读取器信标ID的唤醒间隔周期，可以优化标签的电池寿命。当使用纽扣电池时，用来扫描信标ID的唤醒间隔周期的最优值是2秒。在步骤703，标签从睡眠模式唤醒，开始扫描信标ID。当标签发现了标签读取器时，前进到步骤704，发送身份识别有效载荷，并进入睡眠模式。同时唤醒间隔时间被设置为几分钟，以便其他标签有更多机会与标签读取器连接。一旦设置的睡眠时间结束，标签将唤醒并执行步骤705，再次扫描广播信标。

图8是本发明一个实施例的标签在连接阶段执行的步骤流程图。为了建立一个连接，标签首先从步骤801开始扫描标签读取器上已经被检测到信标的BLE主机。这个额外的扫描步骤是为了确保在连接之前，主机仍然可用，未被其它装置连接占用。

根据本发明一个实施例，扫描窗口和扫描间隔周期都被设置成30毫秒，总共时间是90毫秒，以允许标签能够完成扫描特定BLE主机的所有3个广播信道(步骤803-808)。如果在90毫秒时间结束时仍未检测到该信标，就进入步骤810，标签将以随机方式对标签读取器的8个BLE主机的其余7个，重复该扫描过程。如果成功检测到一个信标，标签将行进到步骤809，发送连接请求到该BLE主机，随后完成发送有效载荷到标签读取器(步骤812)。如果在尝试完标签读取器的所有8个主机之后，仍然没有成功检测到信标(步骤811)，那么标签将行进到步骤813进入睡眠状态，并在2秒之后唤醒以再次检测广播信标。

根据本发明一个实施例，设置扫描窗口和扫描间隔周期为相同数值，将使得BLE标签能够在同一主机的3个广告信道上持续扫描。刚开始，广播器(读取器)和扫描器(标签)可能并不在同一信道上。这也是为什么在设置总扫描时间时需要考虑3个广播信道时间间隔。根据BLE技术手册规范，在每个广播周期期间，一个随机的时移(time shift)会被添加到广播包开始时间，从而避免在不同主机之间广播包的持续冲突。根据本发明一个实施例，不设置20毫秒乘以3作为总扫描时间，而是使用30毫秒乘以3就是为了配合时移的要求。扫描协议和扫描状态时间在蓝牙技术手册规范v4.0第6卷第4.4.3节有详细说明。

根据本发明另一实施例，通过标签读取器的应答包里的控制字节，标签可以被设置以睡眠，并持续一个可调整的睡眠时间，或进入关机状态。当标签已经成功发送其身份识别有效载荷到标签读取器时，标签读取器将发送一个包含一个控制字节的应答包到标签，以确认收妥。控制字节内有设置标签的唤醒时间或指示标签关机的参数。在标签成功发送其身份识别有效载荷之后，设置该标签进入更长的唤醒间隔时间，将能够有效避免该标签与其它标签竞争接入标签读取器的BLE主机。标签唤醒间隔时间的数值可以由标签读取器根据其预设的目标来确定。通常，唤醒时间默认值是至少5分钟。为了更好地管理标签的电池寿命，当被标签的货物离开仓储区域并通过陆、海或空运输时，标签读取器也可以利用该标签ID来确定运输中转时间。标签读取器可以使用蜂窝数据网络或WiFi来查询中央服务器，以确定其当前位置，同时通过被标签货物要送达的下一个仓储区域的标签读取器所感应到被标签货物的时间，以确定被标签货物最短运输时间。当被标签的货物已经到达其最终目的地时，标签读取器会指示标签关机，从而在其被送回到原始标签分配处的过程期间不会消耗电力。在物流供应链里，估计标签仅需要15％的时间用于主动扫描标签读取器。通过使用标签读取器来控制标签的睡眠时间和关机次序，可使靠纽扣电池运行的标签的电池寿命延长至4-6年，然后才需要更换电池或替换标签。因此，一个利用本发明的有源RFIDBLE标签系统的运行成本，在实际运用中非常经济实惠。

图9是本发明一个实施例的物流系统900应用的示意图。根据有源RFID系统的应用，在本发明一个实施例里，标签902可以被设置以在相同/更长时间间隔内唤醒或被关闭。在本发明另一实施例里，当有源RFID追踪系统被用于检测所追踪货物的停留时间/转移时，标签902可以被设置以持续唤醒。当标签读取器901、903连接到一个后端系统905时，后端系统905通过收集这方面的信息，就可以知道被标签货物的行程和日程安排，例如何时货物被检测到在一个机场仓库里，何时被移动到发货仓库以便运输到另一个地方。在出货站，标签读取器903可以设置标签904在飞行或运输到目的地的时间持续睡眠，从而延长标签的电池寿命。

当被标签的货物已经到达其目的地时，到货区的标签读取器能够设置标签关机，以便标签能够延长电池寿命，在送回到货物分配中心后被再次开启，并分配给另一个项目来进行系统追踪。

根据本发明另一个实施例，标签将依据所接收到的由该标签读取器的主机上发射的广播包信标信号的强度，推算出接受信号强度指示(RSSI)。

当有上千个标签在标签读取器覆盖范围内的情况下，标签将会竞争以便能安全连接到标签读取器的8个BLE主机。当标签扫描到标签读取器的一个信标时，便获取了该特定BLE广播信道的一个蓝牙地址，通过对相应的蓝牙地址的映射，便可推断出标签读取器上其余的BLE广播信道。与检测到信标的RSSI数据信息一起，标签可判定标签读取器是远离还是靠近。

更具体地，可以利用标签读取器的RSSI数值和蓝牙LSB固定地址，使标签能够执行随机标签读取器信道连接，从而实现对标签读取器8个BLE主机的BLE信道的有效利用。当有大量标签在标签读取器覆盖范围内时，多个标签检测到同一个特定BLE主机的信标的机会就很大，特别是当一些BLE主机的RF发射器比其它信道的发射信号更强时。如果多个标签试图连接到同一BLE主机，很可能大部分标签会失败，且会重复尝试。这将导致信道被占用(channel hogging)，而多次重试将缩短标签的电池寿命。为了减少这种“信道占用”行为，标签将使用预先分配给标签读取器蓝牙地址(BLE主机的LSB，被固定为0-7)，根据当前广播信标的蓝牙地址以推断出可用的8个BLE主机并尝试连接。标签还可根据检测到的信标的RSSI数值，来判定标签读取器是远离还是靠近标签。

使用检测到的信标的RSSI和蓝牙地址信息，标签可以选择两种安全连接到标签读取器的方法。如果RSSI数值很好，就意味着标签到读取器的距离很近。这时，标签可以采用随机信道连接方法，随机的使用标签读取器8个蓝牙地址中的任何一个进行连接，从而降低信道占用(标签尝试连接到同一主机)。尤其是，标签会首先使用当前检测到的BLE主机进行连接。如果连接不成功，将根据随机散列算法选用不同BLE主机进行重试。这个过程将持续到已经尝试了所有8个BLE主机，或标签的身份识别有效载荷被成功发送到标签读取器为止。这样，可以避免标签相互竞争以获取同一信道连接，从而提高连接标签读取器的成功率。

另一方面，如果检测到的信标的RSSI数值不好，说明标签可能连接不到其它主机，这时标签将仅使用当前检测到的BLE主机来设置连接，而不会重试其他7个BLE主机进行连接。这样可以避免由于尝试连接其它可能连接不到的BLE主机而缩短电池寿命。

虽然本发明已经结合不同实施例进行了描述，但应该理解，本发明并不局限于这些实施例，同时也适用于本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下对这些实施例作出替换、改进和变化。例如，标签读取器可以由软件实施，通过设置手机或处理器以执行该软件。

Claims (15)

1.一种在多个通信装置之间的用于物流追踪的双向通信系统的运行方法，所述通信装置包括至少一个通信控制器(410)和多个节点，其包括第一节点(420)，所述方法包括：

经由第一主机(510)的一个信道，在一个广播间隔时间内，从所述通信控制器(410)周期性地广播(401)一个信标信号(511)，所述信标信号(511)包含所述通信控制器(410)的第一地址；所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，在第二主机的一个信道上周期性地广播至少另一个信标信号，其包含所述通信控制器的至少另一个地址，在不同主机中的相同信道的广播频率是相同的；

所述第一节点(420)周期性地扫描所述第一主机(510)上广播的所述信标信号(511)；

一旦所述第一节点(420)检测到所述信标信号(511)，就从所述第一节点(420)发送一个身份识别有效载荷(402)到所述通信控制器(410)；和

一旦所述通信控制器(410)接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号(403)到所述第一节点(420)；

其中，所述应答信号还包含一个指示所述第一节点将采取至少一个随后操作的指令，所述至少一个随后操作是所述第一节点(420)进入睡眠模式持续一段指定的时间，或是所述第一节点(420)被关机；

或者，其中，所述第一节点(420)在接收到所述应答信号之后，所述第一节点(420)进入睡眠模式持续第一睡眠时间。

2.根据权利要求1所述的用于物流追踪的双向通信系统的运行方法，其中所述第一节点(420)在发送所述身份识别有效载荷之后，如果在一个预设时间段内没有接收到所述应答信号，那么所述第一节点(420)进入睡眠模式，持续第二睡眠时间；

其中所述第一睡眠时间长于所述第二睡眠时间。

3.根据权利要求1所述的用于物流追踪的双向通信系统的运行方法，其中在相同的广播间隔时间内，经由所述第一主机(510)上具有不同广播频率的其它信道(512、513),所述通信控制器(410)在多个时隙内周期性地广播所述信标信号。

4.根据权利要求1所述的用于物流追踪的双向通信系统的运行方法，其中所述通信控制器是一个标签读取器，所述多个节点是标签；

其中所述双向通信系统是低功耗蓝牙系统。

5.一个用于物流追踪的双向通信系统，包括：

至少一个通信控制器；和

多个节点，其包括第一节点；

其中所述通信控制器经由第一主机的一个信道，按照一个广播间隔时间，周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址；所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，在第二主机的一个信道上，周期性地广播至少另一个信标信号，其包含所述通信控制器的至少另一个地址，在不同主机中的相同信道的广播频率是相同的；

其中所述第一节点周期性地扫描所述第一主机上广播的所述信标信号；

其中所述第一节点一旦检测到所述信标信号，就发送第一节点的身份识别有效载荷到所述通信控制器；和

其中所述通信控制器一旦接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点；

其中，所述应答信号还包含一个指示所述第一节点将采取至少一个随后操作的指令，所述至少一个随后操作是所述第一节点进入睡眠模式持续一段指定的时间，或是所述第一节点被关机；

或者，其中，所述第一节点在接收到所述应答信号之后，所述第一节点进入睡眠模式，持续第一睡眠时间。

6.根据权利要求5所述的用于物流追踪的双向通信系统，其中所述第一节点在发送所述身份识别有效载荷之后，如果在一个预设时间段内没有接收到所述应答信号，那么所述第一节点进入睡眠模式，持续第二睡眠时间；

其中所述第一睡眠时间长于所述第二睡眠时间。

7.根据权利要求5所述的用于物流追踪的双向通信系统，还包括一个本地服务器或一个远程服务器，用于收集并记录来自所述通信控制器的所述多个节点的出现信息。

8.根据权利要求5所述的用于物流追踪的双向通信系统，其中在相同的广播时间间隔内，经由所述第一主机不同广播频率上的其它信道,所述通信控制器在多个时隙内周期性地广播所述信标信号。

9.一个用于物流追踪的双向通信系统中的通信控制器，包括：

一个处理器；

一个提供代码到所述处理器的存储器；

一个由所述处理器控制的信标通信器，所述信标通信器包括至少一个主机，用以：

经由第一主机的一个信道，按照一个广播间隔时间，周期性地广播一个信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址；所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，在第二主机的一个信道上，周期性地广播至少另一个信标信号，其包含所述通信控制器的至少另一个地址，在不同主机中的相同信道的广播频率是相同的；

一旦接收到来自第一节点的身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点；

其中，所述应答信号还包含一个指示所述第一节点将采取至少一个随后操作的指令，所述至少一个随后操作是所述第一节点进入睡眠模式并持续一段指定的时间，或是关闭所述第一节点；

或者，其中，所述第一节点在接收到所述应答信号之后，所述第一节点进入睡眠模式并持续第一睡眠时间。

10.根据权利要求9所述的通信控制器，其中所述第一节点在发送所述身份识别有效载荷之后，如果在一个预设时间段内没有接收到所述应答信号，那么所述第一节点进入睡眠模式，并持续第二睡眠时间；

其中所述第一睡眠时间长于所述第二睡眠时间。

11.根据权利要求9所述的通信控制器，其中在相同的广播间隔时间内，经由所述第一主机上具有不同广播频率的其它信道,所述通信控制器在多个时隙内周期性地广播所述信标信号。

12.根据权利要求9所述的通信控制器，其中所述通信控制器是一个标签读取器。

13.一个用于物流追踪的双向通信系统中的第一节点，包括：

一个处理器；

一个提供代码到所述处理器的存储器；和

一个由所述处理器控制的通信器，用以：

周期性地扫描通信控制器第一主机上广播的信标信号，所述信标信号包含所述通信控制器的第一地址；所述通信控制器在相同的广播间隔时间内，在第二主机的一个信道上，周期性地广播至少另一个信标信号，其包含所述通信控制器的至少另一个地址，在不同主机中的相同信道的广播频率是相同的；和

一旦检测到所述信标信号，就发送一个身份识别有效载荷到所述通信控制器，一旦所述通信控制器接收到所述身份识别有效载荷，就发送一个应答信号到所述第一节点；

其中，所述应答信号还包含一个指示所述第一节点将采取至少一个随后操作的指令，所述至少一个随后操作是所述第一节点进入睡眠模式持续一段指定的时间，或是所述第一节点被关机；

或者，其中，所述第一节点在接收到所述应答信号之后，所述第一节点进入睡眠模式持续第一睡眠时间。

14.根据权利要求13所述的第一节点，其中如果所述第一节点在发送所述身份识别有效载荷之后，在一个预设时间周期内没有接收到所述应答信号，所述第一节点就进入睡眠模式，并持续第二睡眠时间；

其中所述第一睡眠时间长于所述第二睡眠时间。

15.根据权利要求13所述的第一节点，其中所述第一节点是一个标签。

Images