CN113743562B - 一种可被rfid标签识别的可见光编码方式 - Google Patents
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Abstract
一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，所述RFID标签为光敏标签，以频率为至少80Hz的开关控制可见光闪烁照射RFID标签及其天线，从而将可见光的闪烁信息编码附加在RFID标签的EPC之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光编码信息，通过该方式将可见光的闪烁信息编码附加在RFID标签的EPC之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光的编码数据。
Description
技术领域
本发明属于无线射频及可见光通信技术领域，具体涉及一种可被RFID标签识别的可见光编码方式
背景技术
射频识别技术(RFID Radio Frequency IDentification)是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。RFID技术由读写器和RFID标签组成，阅读器通过将需要发送的数据调制成特定频率的电磁波，RFID标签通过反向散射该电磁波信号，将数据从附着在物品上的RFID标签上传送出去，阅读器接收到反向散射的信号后对信号加以处理，便可以自动辨识与跟踪该物品。根据RFID标签是否需要携带电源，RFID标签分为无源式与半无源式和有源式，其中无源式标签在操作时可在阅读器发射的电磁场中获得能量，因此不需要额外电源。无源RFID标签价格相对便宜，部署成本低，因此被更加广泛的使用。
目前，大多数可见光通信与RFID通信结合的方式采用更改片上天线的方式，标签制造复杂，成本高，一旦确定了通信协议，编码方式便不可随意更改，在应用上有一定的局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，通过该方法将可见光的闪烁信息编码附加在标签的EPC电子产品编码(EPC Electronic Product Code)之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光的编码数据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，所述RFID标签为光敏标签，以频率为至少80Hz的开关控制可见光闪烁照射RFID标签及其天线，从而将可见光的闪烁信息编码附加在RFID标签的EPC之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光编码信息。
所述光敏标签是在RFID标签的电路中加入光敏元件。
所述光敏元件为光敏二极管或光敏电阻，与RFID芯片并联或串联。
所述可见光的灯光开关的频率至少为80Hz，通过“单回复级别”的数据编码方式来生成具有两种可见光调制机制的数据信息，采用7位及15位消息的编码方式并采用“频移键控(FSK)”和“相移键控(PSK)”的方式实现上述编码，使用“汉明码”将源码信息进一步编码，为后期解码的准确性提供保障。
所述“单回复级别”的数据编码方式通过将可见光数据编码频率降低至远低于商用RFID标签的读取速率(60～140Hz)来达到商用阅读器对标签的正常读取，使用的可将光开关频率范围约为10kHz至33.33kHz。
所述可见光的灯光通过达林顿晶体管使用外部电源来驱动LED灯，所述达林顿管(Darlington tube)连接微控制器(MCU)，所述微控制器的通用输入输出接口(GPIO)输出编码后的高低电平，高低电平控制达林顿晶体管，使LED灯从外部获取与灯组所匹配的电源电压，从而控制LED的高频闪烁。
所述达林顿管为复合管，将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。
所述可见光的数据编码的信息使用微控制器产生，可见光编码信息的时延误差需要控制在微秒级内。
所述可见光编码的信息中，采用双极性不归零码的方式对光信息电平进行编码，并在每组编码中都加入与前导码，其中“频移键控(FSK)”使用不同频率周期的符号来区分数据0和数据1，“相移键控(PSK)”使用不同的相位的符号来区分数据0和数据1。
所述RFID标签包括PET材质介质基板1-1，所述PET材质介质基板1-1上设置有铝材质天线1-2、RFID芯片1-3和光敏二极管1-4，所述光敏二极管1-4通过导电材质并联连接到RFID芯片1-3上，所述PET材质介质基板1-1工作频率为860MHz～960MHz，采用EPC Class1Gen2通讯协议。
本发明的有益效果：
本发明所采用的RFID标签为光敏二极管改造后的光敏标签，该标签在可见光的开关作用下会呈现出不同的阻抗特性，使得可见光编码能够被该RFID标签识别，以实现可见光与现有RFID通信的结合。
本发明不仅适用于无源RFID标签系统，同样也适用于半无源和有源式RFID标签系统。该技术可以用信息溯源，信息定位等实际应用领域。
附图说明
图1是本发明的可实施光通信的一种光敏二极管RFID标签。
图2是本发明的光敏二极管RFID标签等效电路图。
图3(a)是采用FSK的可见光数据0/1符号编码。
图3(b)是采用PSK的可见光数据0/1符号编码。
图4(a)是经过汉明码编码的PSK可见光信息。
图4(b)是经过汉明码编码的FSK可见光信息。
图4(c)是编码(PSK)电平示波器显示示意图。
图4(d)是编码(FSK)电平示波器显示示意图。
图5(a)是编码PSK可见光信息。
图5(b)是编码FSK可见光信息。
图5(c)是编码(PSK)电平示波器显示示意图。
图5(d)是编码(FSK)电平示波器显示示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明采用RFID标签为光敏标签，光敏标签在可见光的开关作用下会呈现出不同的阻抗特性，使得可见光编码能够被该RFID标签识别，以实现可见光与现有RFID通信的结合，所述RFID标签的天线在受到可见光照射时，RFID芯片端口的阻抗会发生偏移，进而与RFID标签的天线的阻抗发生失配，表现在RFID反射信号上为反向散射信号的相位发生变化，当可见光闪烁频率达到一定频率时，RFID标签反向散射的EPC信号的相位将会随可见光的高速闪烁而变化，通过该方式将可见光的闪烁信息编码附加在RFID标签的EPC之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光的编码数据。
参见图1，是本发明可与之通信的一种光敏二极管RFID标签组成结构示意图：该RFID标签材质工艺为铜版纸或Inlay结构，1-1为PET材质介质基板，工作频率为860MHz～960MHz，采用EPC Class1Gen2通讯协议，1-2为铝材质天线，1-3为RFID芯片，1-4为0805封装的光敏二极管；所述光敏二极管通过导电材质并联连接到RFID芯片1-3上。
图2是本发明的LED驱动电路架构图，其中MCU使用TTL电平(5V/3.3V)供电，达林顿管接收来自MCU的GPIO的控制信号，该信号可控制连接在达林顿管上的高压(24V)电源的通断，进而控制LED的闪烁从而与光敏二极管RFID标签进行通信。
图3(a)是本发明“相移键控(PSK)”数据0和数据1的编码方式，其中ON代表高电平(可将光打开)，OFF代表低电平(可见光关闭)。单个符号的周期为100us。PSK中t0时间为25us。为了确保灯光不会长时间因为传输低电平数据而长期处于“关闭”状态，因此需要在每个符号边界处设置状态反转。附加前导码为3次70us周期的方波信号。
图3(b)是本发明“频移键控(FSK)”数据0和数据1的编码方式，其中ON代表高电平(可见光打开)，OFF代表低电平(可见光关闭)。单个符号的周期为100us。FSK中t0时间为30us，t1时间为50us。为了确保灯光不会长时间因为传输低电平数据而长期处于“关闭”状态，因此需要在每个符号边界处设置状态反转。附加前导码为3次70us周期的方波信号。
图4(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明中分别采用“相移键控(PSK)”和“频移键控(FSK)”并且使用汉明码编码的7位可见光信息及示波器显示的实际编码电平示意图：“1100101”，其源码为：“0101”。
图5(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明中分别采用“相移键控(PSK)”和“频移键控(FSK)”并且使用汉明码编码的15位可见光信息及示波器显示的实际编码电平示意图：“1110110101110”，其源码位：“11011001110”。
实施例：
本发明提供了一种可以与带有光敏二极管的RFID标签通信的编码方式及可见光发射硬件架构。
可见光数据编码方式：
在本方案中，可见数据编码方式需要符合两个要求。首先，可见光的闪烁不能被人眼所察觉，因此灯光开关的频率至少为80Hz。此外，可见光的闪烁应与商用的RFID系统兼容，即不干扰常规的RFID通信。为满足上述需求，本实施例提出一种“单回复级别”的数据编码方式来生成具有两种可见光调制机制的数据信息。在本实施例中，采用7位及15位消息的编码方式并采用“频移键控(FSK)”和“相移键控(PSK)”的方式实现上述编码。
可见光发射硬件架构：
在本方案中，可见光发射硬件架构需要符合一定的要求，即可见光需要较高的驱动功率，MCU的GPIO驱动能力无法提供LED灯组所需要的功率，因此需要使用驱动电路驱动LED灯组。
为满足上述要求，本案提出使用达林顿驱动管的方式，达林顿管又称复合管，他将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。这只等效三极管的放大倍数是原二者之积，因此它的特点是放大倍数非常高，适合做开关电源使用。
所述现有商用RFID标签的读取频率大约在60Hz至140Hz范围内。并且随着标签数量的增加，标签读取率会相应下降。
所述“单回复级别”数据编码方式中，通过将可见光数据编码频率降低至远低于商用RFID标签的读取速率(60～140Hz)来达到商用阅读器对标签的正常读取，例如本案中使用的可将光开关频率范围约为10kHz至33.33kHz。通过这种方式，在标签的回复中可以编码约7～15位的光编码信息，且整个通信过程对RFID原有通信几乎没有干扰。
所述可见光编码信息使用微控制器产生。可见光编码信息的时延误差需要控制在微秒级内。常见产生微秒级控制的操作是使用微控制器中的延时函数，即软件定时。为了提高定时精准度，本方案中采用汇编语言中的NOP(nooperation)指令来控制精确微控制器在指定时钟周期内等待，以实现更加精确的时延控制。
所述可见光编码信息中，为了防止持续的低电平导致可见光一直处于关闭状态而被人眼察觉，因此采用双极性不归零码的方式对光信息电平进行编码，并在每组编码中都加入与前导码。其中“频移键控(FSK)”使用不同频率周期的符号来区分数据0和数据1，“相移键控(PSK)”使用不同的相位的符号来区分数据0和数据1。在此之上，本方案还采用了汉明码进行进一步纠错。
综上所述，本发明公开的一种光敏二极管RFID标签。此种标签在受到外部经过“频移键控(FSK)”或“相移键控(PSK)”编码的可见光照射时对RFID标签反向散射时的信号的相位产生改变，以达到在不影响正常RFID通信过程的前提下将可见光编码信息“打”在RFID反向散射的EPC信号上，由此实现可见光和RFID通信的过程的结合，该技术可以用信息溯源，信息定位等实际应用领域。
本发明使用光敏二极管作为感光元器件，通过并联在RFID芯片两端，使得RFID通信过程可以受到可见光的影响进而实现一种将光编码“打”在RFID标签EPC上的过程。
本发明制作的标签仅需要在现有商用RFID标签的芯片外并联光敏二极管(或光敏电阻)，并采用一定规则范围内得可见光编码方式即可将光信息附加在RFID标签反向散射的射频信号之上，实现可见光信号与RFID信号相结合的目的。
Claims (10)
1.一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述RFID标签为光敏标签，以频率为至少80Hz的开关控制可见光闪烁照射RFID标签及其天线，从而将可见光的闪烁信息编码附加在RFID标签的EPC之上，解码时通过分析通信过程中EPC信号的相位变化即可获得可见光编码信息。
2.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述光敏标签是在RFID标签的电路中加入光敏元件。
3.根据权利要求2所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述光敏元件为光敏二极管或光敏电阻，与RFID芯片并联或串联。
4.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述可见光的灯光开关的频率至少为80Hz，通过“单回复级别”的数据编码方式来生成具有两种可见光调制机制的数据信息，采用7位及15位消息的编码方式并采用“频移键控(FSK)”和“相移键控(PSK)”的方式实现上述编码，使用“汉明码”将源码信息进一步编码，为后期解码的准确性提供保障。
5.根据权利要求4所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述“单回复级别”的数据编码方式通过将可见光数据编码频率降低至远低于商用RFID标签的读取速率60～140Hz，来达到商用阅读器对标签的正常读取，使用的可见光开关频率范围为10kHz至33.33kHz。
6.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述可见光的灯光通过达林顿晶体管使用外部电源来驱动LED灯，所述达林顿晶体管(Darlington tube)连接微控制器(MCU)，所述微控制器的通用输入输出接口(GPIO)输出编码后的高低电平，高低电平控制达林顿晶体管，使LED灯从外部获取与灯组所匹配的电源电压，从而控制LED的高频闪烁。
7.根据权利要求6所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述达林顿晶体管为复合管，将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。
8.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述可见光的数据编码的信息使用微控制器产生，可见光编码信息的时延误差需要控制在微秒级内。
9.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述可见光编码的信息中，采用双极性不归零码的方式对光信息电平进行编码，并在每组编码中都加入与前导码，其中“频移键控(FSK)”使用不同频率周期的符号来区分数据0和数据1，“相移键控(PSK)”使用不同的相位的符号来区分数据0和数据1。
10.根据权利要求1所述的一种可被RFID标签识别的可见光编码方式，其特征在于，所述RFID标签包括PET材质介质基板(1-1)，所述PET材质介质基板(1-1上)设置有铝材质天线(1-2)、RFID芯片(1-3)和光敏二极管(1-4)，所述光敏二极管(1-4)通过导电材质并联连接到RFID芯片(1-3)上，所述PET材质介质基板(1-1)工作频率为860MHz～960MHz，采用EPCClass1 Gen2通讯协议。
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