CN115481708B - 一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，所述增强型RFID系统包括一个读写器，若干电子标签，一个中继器；在电子标签与读写器之间加入基于Doherty PA实现的能量自持式中继器，读写器首先通过其F1频段通信模块与中继器通信，并下发命令，中继器通过其F1频段通信模块与读写器通信后，通过中继器的F2频段通信模块将读写器命令转发至其周围的电子标签，电子标签通过F2频段采用反向散射的方式答复读写器。本发明有效扩大了传统RFID系统的通信距离与覆盖面积，解决了传统RFID系统受限标签灵敏度导致通信距离近的问题，采用能量自持式设计的中继器，降低了系统成本和维护负担，具有广阔的应用前景，及良好的普适性和商业价值。

Description

一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法。
背景技术
随着科学技术的进步与发展，无线通信技术已经在人们的各种生产活动中发挥了巨大的作用。射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是传统的无线通信识别技术，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域。RFID技术应用在无线传感网络中，能兼具RFID和无线传感网络的技术特点，通过RFID信号自动识别目标的特性，将传感器信号高频次、远距离传输，是实现智能物理信息监测的不二选择。
无源电子标签，即无源射频标签，采用跳频工作模式，具有抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，识读距离可达十米以上。无源射频标签具有宽工作频段，既符合相关行业规定，又能进行灵活的开发应用，其专用读写器可读写多个标签。无源电子标签因无法主动发起通信一般采用反向散射方式完成电子标签信息向读写器的传送，所以无源电子标签也可称之为被动标签，是实现无源无线传感器网络的绝佳载体。无线中继器，是无线通信系统中的信号中转设备，在空间广阔的环境中，无线信号的覆盖范围比带宽和速度更重要。无疑使用中继器来扩展基站的覆盖范围是较佳的选择。
Doherty PA(功率放大器)架构于1936年被W.H.Doherty提出，标准的Doherty功率放大器包括一个主放大器与一个辅助放大器。主放大器后有一段四分之一波长传输线，为保证相位相同，辅助放大器前也需接一段四分之一波长传输线；主放大器一般采用AB类放大器，辅助放大器一般采用C类放大器；当输入信号较小时，由于辅助放大器工作在C类，基本处于截断状态，只有主放大器参与放大；因四分之一波长传输线的作用，从主放大器观察到的负载为高阻抗，使得功率放大器工作在高效率饱和状态；当输入信号较大时，辅助放大器启动参与放大，由于辅助放大器有信号经过使得从主放大器观察到的负载为低阻抗，保障高效率的同时Doherty功放整体输出功率增大。Doherty功率放大器技术作为一种效率提升技术，可以较好地处理输出功率在回退时效率低下的问题，保持在回退区间内仍具有较高的工作效率。传统的Doherty功放随着输入功率的大小对负载进行动态调制，从而达到输出功率回退6dB时效率保持较高水平。
现有的传统RFID系统仅仅由读写器和无缘电子标签组成。读写器有源工作，往往具有较高的灵敏度(最高可达-92dBm)。但无源电子标签受限于工艺、成本和设计局限性，其能量收集和解调灵敏度往往无法支持传统RFID系统的通信距离大于30米。同时，在无线通信系统中，传统的中继器一般设计为有源工作方式，需主动发射信号，且其发射机功耗较高，这给中继器乃至系统的整体布局带来了一定局限性，特别是在一些特殊环境，如高空电网系统、有毒气体环境、野外等，凸显布局难，维护难的问题，传统的中继器及传统RFID系统的短板被无限放大，因此通常需采用不计功耗的有源工作方式。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法。
本发明的技术方案为：一种增强型RFID系统，包括一个读写器，若干电子标签，一个中继器；在电子标签与读写器之间加入基于Doherty PA实现的能量自持式中继器，读写器首先通过其F1频段通信模块与中继器通信，并下发命令，中继器通过其F1频段通信模块与读写器通信后，通过中继器的F2频段通信模块将读写器命令转发至其周围的电子标签，电子标签通过F2频段采用反向散射的方式答复读写器。
进一步地，所述增强型RFID系统中，读写器具备F1和F2双频段通信模块和功能，中继器具备F1和F2双频段通信模块和功能，电子标签为普通商用标签，具备F2频段通信功能。
进一步地，所述增强型RFID系统中，读写器的F1频段通信模块包括：第一F1频段天线；读写器的F2频段通信模块包括：第一F2频段天线；中继器的F1频段通信模块包括：第二F1频段天线；中继器的F2频段通信模块包括：第二F2频段天线；电子标签包括：第三F2频段天线。
进一步地，所述中继器采用能量自持式设计，具体结构包括：太阳能自供电模块，能量管理电路，MCU，第二F1频段天线，第二F2频段天线，匹配电路1，匹配电路2，收/发选择开关1，解调电路，主动发射机模块，通道选择开关；其中，主动发射机模块包含宽频带低功耗高效率Doherty功率放大器，即DPA。
太阳能自供电模块连接能量管理电路；能量管理电路分别与MCU、解调电路、收/发选择开关1、主动发射机模块、通道选择开关连接；MCU分别与主动发射机模块、通道选择开关、收/发选择开关1连接；解调电路与MCU连接；收/发选择开关1分别与解调电路、匹配电路1连接；匹配电路1分别与收/发选择开关1、第二F1频段天线连接；主动发射机模块与通道选择开关连接；通道选择开关分别与收/发选择开关1、匹配电路2连接；匹配电路2与第二F2频段天线连接。
进一步地，所述中继器中，DPA包括：一个功分器，一个宽带匹配网络MN1，一个宽带匹配网络MN2，一个宽带匹配网络MN3，一个宽带匹配网络MN4，一个宽带匹配网络MN5，一个载波功放，一个峰值功放，一个偏置电路。
功分器分别与宽带匹配网络MN1，宽带匹配网络MN3连接；宽带匹配网络MN1与载波功放连接；宽带匹配网络MN3与峰值功放连接；载波功放与宽带匹配网络MN2连接；峰值功放与宽带匹配网络MN4连接；载波功放与峰值功放分别与偏置电路连接；宽带匹配网络MN2与宽带匹配网络MN4分别与宽带匹配网络MN5连接。
进一步地，所述DPA中，提出了一种共用式自适应偏置电路设计，进一步节约能耗，且保障载波功放、峰值功放的线性度，包括：镜像电流源HBT1、HBT2、HBT3，镇流电阻R1、R2，峰值功放，载波功放，控制电阻R0、R3，电容C1、C2，电源Vbctrl、Vcc。
电源Vbctrl与控制电阻R3一端连接；控制电阻R3另一端分别与镜像电流源HBT2集电极，镜像电流源HBT2基极，镜像电流源HBT1基极，电容C1一端连接；电容C1的另一端接地；镜像电流源HBT2发射极分别与镜像电流源HBT3集电极、基极连接；镜像电流源HBT3发射极接地；电源Vcc与镜像电流源HBT1集电极连接；镜像电流源HBT1发射极分别与控制电阻R0，电容C2一端连接；控制电阻R0与电容C2并联，控制电阻R0和电容C2的另一端分别与镇流电阻R1、R2的一端连接；镇流电阻R1的另一端与峰值功放连接；镇流电阻R2的另一端与载波功放连接。
进一步地，所述中继器MCU模块中，包括：射频收发芯片的初始化/配置、解码、组网命令处理、有限状态机、时钟配置、PIE编码、激活状态、选择器和存储器等模块。
初始化/配置模块与组网命令处理模块连接；组网命令处理模块分别与初始化/配置模块、存储器模块、有限状态机模块连接；存储器模块分别与有限状态机模块、组网命令处理模块、PIE编码模块连接；有限状态机模块分别与组网命令处理模块、PIE编码模块、激活状态模块连接；激活状态模块与选择器模块连接；PIE编码模块分别与选择器模块、时钟配置模块连接；时钟配置模块分别与解码模块、有限状态机模块、PIE编码模块连接；解码模块与组网命令处理模块连接。
进一步地，所述中继器MCU模块中，解码模块包括四个部分：
1，delimiter判决模块：确定定界符，仅满足定界符时间长度的数据帧才被解码；
2，data0提取模块：接收data-0数据，并记录其Tari对应的定时器数据，为后续解码操作提供编码符号的参考基准；
3，Rtcal判断模块：接收Rtcal数据，并根据之前记录的Tari参考值判断Rtcal长度是否符合协议标准，若符合，则将Rtcal对应的定时器数据除2，并将该值作为后续命令数据的解码标准；
4，Trcal或数据判决模块：能够根据所接收数据的长度，正确判断该数据为Trcal、数据0/1，若为Trcal则记录该数据长度，进行反向链路频率计算，若为命令数据，则将其正确解码为数据0/1。
本发明还提供了一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，具体步骤如下：
S1、中继器采用太阳能供电，太阳能自供电模块将接收到的太阳/光能转换为直流能量，其输出的直流电压输入能量管理电路，能量管理电路实现DC-DC升压功能，将太阳能自供电模块输出的直流电压升压到设置的电平值，并将能量保存到储能电池组中，同时根据设置的输出电压值给中继器的有源电路供电；
S2、读写器的F1频段通信模块运行，读写器下发的F1频段信号通过中继器的第二F1频段天线，经过匹配电路1到达收/发选择开关1，此时的收/发选择开关1为默认接通接收通道，信号传输至解调电路，解调电路中包含低功耗低噪放和对管检波电路，将解调后的基带信号最终传递至MCU；
S3、MCU解析到命令后，控制收/发选择开关1切换至发射通道，同时控制通道选择开关选择F1发射通道，然后将回复的信息通过主动发射机模块，经过匹配电路1模块以及第二F1频段天线发送回读写器；
S4、MCU与读写器完成信息交互后，控制通道选择开关选择F2频段发射通道，然后将读写器的命令信息通过主动发射机模块，经过匹配电路2模块以及第二F2频段天线转发至标签；
S5、中继器按需发送连续波以便标签可以通过反向散射的方式回复读写器，如此，读写器通过中继器的介入完成一次与标签的通信。
进一步地，所述中继器中，处理流程如下：
中继器上电后，首先初始化MCU、各射频收发模块、计数器和串口等模块，使能计数器中断，并进入低功耗模式，此时中继器开始等待基站命令；当接收到基站命令时，判断其是否被选中，如果被选中，则处于激活模式，开始转发基站信号，并持续检测基站命令，当接收到基站命令后，继续判断是否被选中，被选中则继续处于激活模式，否则退出激活模式，进入低功耗模式，并继续检测基站命令。
进一步地，所述中继器MCU模块中，工作方法如下：
中继器上电后，首先MCU实现自身初始化，然后MCU初始化射频收发芯片、计数器和串口等模块，并进入低功耗模式，等待基站命令；中继器通过解码模块分析接收到的基站命令后，判定命令中的ID是否与自身ID匹配，若匹配，则该中继器被激活，否则该中继器保持沉默；被激活的中继器通过控制选择器的状态实现转发功能，直到基站发送关闭命令，中继器接收到关闭命令，则退出激活模式。
进一步地，所述中继器的MCU模块中，解码模块的工作流程如下：
计数器捕获到上升沿后，产生中断，解码模块检测到中断后读取计数器的值，两次计数器的值相减可得接收符号的计数器值，根据计数器的时钟周期，可计算出符号长度。
进一步地，所述解码模块工作流程中，中断服务程序的工作流程如下：
中断服务程序首先判定是否为计数器中断，若是计数器中断，则根据前后两次中断读取的计数器值可计算出相邻两次中断间计数器的改变量，以此可计算出MCU接收到的符号长度；然后判定该长度是否为合法的分界符，若是合法的分界符，则中断服务程序设置分界符标志为1；否则判定该长度是否为合法的固定数据0，若是合法的固定data0，则设置固定data0标志为1；否则判定该长度是否为合法的RTcal，若是合法的RTcal，则设置RTcal标志为1；否则判定该长度是否为合法的TRcal，若为合法的TRcal，则设置TRcal标志为1。在上述所有标志为1后，判定该长度是否为合法的真实数据0，若是合法的真实数据0，则保存接收的数据0；若为合法的真实数据1，则保存接收的数据1；否则清除标志信息，重新开始新的解码操作。
本发明的有益效果是：本发明所述的增强型RFID系统包括一个读写器，若干电子标签，一个中继器；在电子标签与读写器之间加入基于Doherty PA实现的能量自持式中继器，读写器首先通过其F1频段通信模块与中继器通信，并下发命令，中继器通过其F1频段通信模块与读写器通信后(握手后)，通过F2频段通信模块将读写器命令转发至其周围的电子标签，电子标签通过F2频段采用反向散射的方式答复读写器。本发明有效的扩大了传统RFID系统的通信距离与覆盖面积，解决了传统RFID系统受限标签灵敏度导致通信距离近的问题，可以应用于仓库管理、智能检测物联网系统，具有良好的普适性和商业价值；本发明的中继器采用能量自持式设计，实现的增强型RFID系统可以布设于一些特殊的，难以更换中继器、标签的电池的应用场景，降低系统成本和维护负担，具有较为广阔的商业、工业、开发前景。
附图说明
图1为本发明的一种基于Doherty PA实现的增强型RFID系统架构图。
图2为本发明实施例中能量自持式中继器结构图。
图3为本发明实施例中宽频带低功耗高线性度Doherty功率放大器模块设计图。
图4为本发明实施例中峰值功放、载波功放共用式自适应线性化偏置电路设计图。
图5为本发明实施例中中继器MCU模块软件系统架构图。
图6为本发明实施例中中继器处理流程图。
图7为本发明实施例中解码模块工作流程图。
图8为本发明实施例中计数器的中断服务程序工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明提出的一种增强型RFID系统，包括一个读写器，若干电子标签，一个中继器；传统的RFID系统受限于无源电子标签的解调灵敏度和能量收集灵敏度，导致读写器与标签的通信距离普遍低于30米，而加入无线中继器可有效解决该问题。
本发明的系统在电子标签与读写器之间加入基于Doherty PA实现的能量自持式中继器，读写器首先通过其F1频段通信模块与中继器通信，并下发命令，中继器通过其F1频段通信模块与读写器通信后(握手后)，通过中继器的F2频段通信模块将读写器命令转发至其周围的电子标签，电子标签通过F2频段采用反向散射的方式答复读写器。由于读写器具备较高的解调灵敏度，因此可以解析标签远程反射回复的F2频段信息。
在本实施例中，所述增强型RFID系统中，读写器具备F1和F2双频段通信功能，中继器具备F1和F2双频段通信功能，电子标签为普通商用标签，具备F2频段通信功能。
在本实施例中，所述增强型RFID系统中，读写器的F1频段通信模块包括：第一F1频段天线；读写器的F2频段通信模块包括：第一F2频段天线；中继器的F1频段通信模块包括：第二F1频段天线；中继器的F2频段通信模块包括：第二F2频段天线；电子标签包括：第三F2频段天线。
如图2所示，在本实施例中，所述中继器采用能量自持式设计，具体结构包括：太阳能自供电模块，能量管理电路，MCU(中央微处理器模块)，第二F1频段天线，第二F2频段天线，匹配电路1，匹配电路2，收/发选择开关1，解调电路，主动发射机模块，通道选择开关；其中，主动发射机模块包含宽频带低功耗高效率Doherty功率放大器，即DPA。
太阳能自供电模块连接能量管理电路；能量管理电路分别与MCU、解调电路、收/发选择开关1、主动发射机模块(含DPA)、通道选择开关连接；MCU分别与主动发射机模块(含DPA)、通道选择开关、收/发选择开关1连接；解调电路与MCU连接；收/发选择开关1分别与解调电路、匹配电路1连接；匹配电路1分别与收/发选择开关1、第二F1频段天线连接；主动发射机模块(含DPA)、与通道选择开关连接；通道选择开关分别与收/发选择开关1、匹配电路2连接；匹配电路2与第二F2频段天线连接。
中继器的能量来源为太阳能自供电模块电路。太阳能自供电模块采用多块太阳能电池板设计，将光能转化为电能存储在能量管理电路模块。能量管理模块的储能元器件为锂电池组，在夜间无光线情况下，所储备的电能足够中继器使用至天明。能量管理模块集成DC-DC能量管理芯片，当储能电池组中电压大于设定的高阈值，能量管理电路给中继器各个模块供电，中继器即开始运行工作。当储能电池组中电压低于设定的低阈值，能量管理电路将停止给中继器各个模块供电，直到太阳能自供电模块重新将锂电池组中电压充电至设定的阈值，中继器再开始运行工作。
在本实施中，所述中继器中，最消耗能量的是主动发射机模块，该模块包含功率放大器，且在F1频段以及F2频段模组运行时都要用到，因此，这枚功率放大器的功耗是基于Doherty PA实现的能量自持式中继器设计的关键所在，如图3所示，本实施例提出宽频带低功耗高效率Doherty功率放大器(DPA)模块设计，DPA包括：一个功分器，一个宽带匹配网络MN1，一个宽带匹配网络MN2，一个宽带匹配网络MN3，一个宽带匹配网络MN4，一个宽带匹配网络MN5，一个载波功放，一个峰值功放，一个偏置电路。
功分器分别与宽带匹配网络MN1，宽带匹配网络MN3连接；宽带匹配网络MN1与载波功放连接；宽带匹配网络MN3与峰值功放连接；载波功放与宽带匹配网络MN2连接；峰值功放与宽带匹配网络MN4连接；载波功放与峰值功放分别与偏置电路连接；宽带匹配网络MN2与宽带匹配网络MN4分别与宽带匹配网络MN5连接。
本实施例中，Doherty功率放大器基于GaAs HBT管芯实现，载波功放偏置在AB类，峰值功放偏置在C类，整个Doherty功率放大器静态偏置电流160mA，基于实频宽带匹配技术设计，载波功放与峰值功放的绝对带宽可达600MHz,相对带宽可以达到85％，因此可以为F1频段以及F2频段模组放大目标信号。该Doherty功率放大器的饱和输出功率设计为3W(35dBm)，在饱和输出功率点处的PAE(功率附加效率)最高可达60％，在功率回退6dB处的PAE可达50％。因此，本实施例提出的Doherty功率放大器针对高均峰比信号具有较高的效率，有效的节约了中继器能量，为中继器的能量自持式设计提供了保障。
如图4所示，在本实施例中，所述DPA中，提出了一种共用式自适应偏置电路设计，进一步节约能耗，且保障载波功放、峰值功放的线性度，包括：镜像电流源HBT1、HBT2、HBT3，镇流电阻R1、R2，峰值功放，载波功放，控制电阻R0、R3，电容C1、C2，电源Vbctrl、Vcc。
电源Vbctrl与控制电阻R3一端连接；控制电阻R3另一端分别与镜像电流源HBT2集电极，镜像电流源HBT2基极，镜像电流源HBT1基极，电容C1的一端连接；电容C1的另一端接地；镜像电流源HBT2发射极分别与镜像电流源HBT3集电极、基极连接；镜像电流源HBT3发射极接地；电源Vcc与镜像电流源HBT1集电极连接；镜像电流源HBT1发射极分别与控制电阻R0，电容C2一端连接；控制电阻R0与电容C2并联，控制电阻R0和电容C2的另一端分别与镇流电阻R1、R2的一端连接；镇流电阻R1的另一端与峰值功放连接；镇流电阻R2的另一端与载波功放连接。
不同于传统Doherty功率放大器需要给峰值功放和载波功放设计独立的偏置电路，本实施例基于镜像电流源结构实现一个自适应偏置电路，镜像电流源基本结构由HBT1、HBT2、HBT3构成，再由两枚镇流电阻R1和R2分别为峰值功放和载波功放提供基极偏置电流，两枚镇流电阻R1和R2不同的阻值以及控制电阻R0、R3共同实现了不同的偏置电流，从而实现为峰值功放和载波功放提供不同的偏置点。载波功放偏置在AB类，峰值功放偏置在C类。偏置电路中控制电阻R0与电容C2可以改善射频信号泄露进入偏置电路端口的阻抗，特别是电容C2的设计，可以有效改善偏置电路的宽带特性。镜像电流源HBT1的基极-发射极电压在功放高输入功率下的变化可以补偿峰值功放和载波功放在高输入功率下的基极-发射极电压变化，电容C1的作用使得泄露进偏置电路的射频信号旁路到地，从而稳定B点电压。基于以上设计使得该峰值功放和载波功放共用型自适应偏置电路在有效节约能量的情况下同时具有良好的自适应线性化改善特性。为中继器的能量自持和信号质量提供了有效保障。
如图5所示，在本实施例中，所述中继器MCU模块中，包括：射频收发芯片的初始化/配置、解码、组网命令处理、有限状态机、时钟配置、PIE编码、激活状态、选择器和存储器等模块。
初始化/配置模块与组网命令处理模块连接；组网命令处理模块分别与初始化/配置模块、存储器模块、有限状态机模块连接；存储器模块分别与有限状态机模块、组网命令处理模块、PIE编码模块连接；有限状态机模块分别与组网命令处理模块、PIE编码模块、激活状态模块连接；激活状态模块与选择器模块连接；PIE编码模块分别与选择器模块、时钟配置模块连接；时钟配置模块分别与解码模块、有限状态机模块、PIE编码模块连接；解码模块与组网命令处理模块连接。
在本实施例中，所述中继器MCU模块中，最复杂和最重要的模块是解码器，其主要用于解码读写器命令，解码模块包括四个部分：
1，delimiter判决模块：确定定界符，仅满足定界符时间长度的数据帧才被解码；
2，data0提取模块：接收data-0数据，并记录其Tari对应的定时器数据，为后续解码操作提供编码符号的参考基准；
3，Rtcal判断模块：接收Rtcal数据，并根据之前记录的Tari参考值判断Rtcal长度是否符合协议标准，若符合，则将Rtcal对应的定时器数据除2，并将该值作为后续命令数据的解码标准；
4，Trcal或数据判决模块：能够根据所接收数据的长度，正确判断该数据为Trcal、数据0/1，若为Trcal则记录该数据长度，进行反向链路频率计算，若为命令数据则将其正确解码为数据0/1。
本发明还提供了一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，具体步骤如下：
S1、中继器采用太阳能供电，太阳能自供电模块将接收到的太阳/光能转换为直流能量，其输出的直流电压输入能量管理电路，能量管理电路实现DC-DC升压功能，将太阳能自供电模块输出的直流电压升压到设置的电平值，并将能量保存到储能电池组中，同时根据设置的输出电压值给中继器的有源电路供电；
S2、读写器的F1频段通信模块运行，读写器下发的F1频段信号通过中继器的第二F1频段天线，经过匹配电路1到达收/发选择开关1，此时的收/发选择开关1为默认接通接收通道，信号传输至解调电路，解调电路中包含低功耗低噪放和对管检波电路(可以根据需求级联多级低噪放并在对管检波电路后级联多级运算放大器)，将解调后的基带信号最终传递至MCU(中央微处理器模块)；
S3、MCU解析到命令后，控制收/发选择开关1切换至发射通道，同时控制通道选择开关选择F1发射通道，然后将回复的信息通过主动发射机模块(含DPA)，经过匹配电路1模块以及第二F1频段天线发送回读写器；
S4、MCU与读写器完成信息交互后，控制通道选择开关选择F2频段发射通道，然后将读写器的命令信息通过主动发射机模块(含DPA)，经过匹配电路2模块以及第二F2频段天线转发至标签；
S5、中继器按需发送连续波以便标签可以通过反向散射的方式回复读写器，如此，读写器通过中继器的介入完成一次与标签的通信。
读写器在增强型RFID系统中扮演基站角色，解调灵敏度可以达到-92dBm，因此标签反射中继器的答复信号可以远距离被读写器解调，最远距离在解调电路模块满配置状态下(根据需求级联多级低噪放并在对管检波电路后级联多级运算放大器)理论上可以达到1000米。该增强型RFID系统可以兼容目前市场上的绝大多数超高频RFID商用标签。
如图6所示，在本实施例中，所述中继器中，处理流程如下：
中继器上电后，首先初始化MCU、各射频收发模块(主动发射机模块、通道选择开关、收发选择开关1)、计数器和串口等模块，使能计数器中断，并进入低功耗模式，此时中继器开始等待基站命令；当接收到基站命令时，判断其是否被选中，如果被选中，则处于激活模式，开始转发基站信号，并持续检测基站命令，当接收到基站命令后，继续判断是否被选中，被选中则继续处于激活模式，否则退出激活模式，进入低功耗模式，并继续检测基站命令。
如图6所示，在本实施例中，所述中继器MCU模块中，工作方法如下：
中继器上电后，首先MCU实现自身初始化，然后MCU初始化射频收发芯片、计数器和串口等模块，并进入低功耗模式，等待基站命令；中继器通过解码模块分析接收到的基站命令后，判定命令中的ID是否与自身ID匹配，若匹配，则该中继器被激活，否则该中继器保持沉默；被激活的中继器通过控制选择器的状态实现转发功能，直到基站发送关闭命令，中继器接收到关闭命令，则退出激活模式。其中，组网命令处理模块执行基站命令相关任务；时钟配置模块用来自适应收发速率；PIE编码模块根据接收到的基站命令参数实现不同的编码方式；有限状态机模块根据接收到的基站命令参数控制中继器的工作状态。
如图7所示，在本实施例中，所述中继器MCU模块中，解码模块的工作流程如下：
在解码模块中，计数器主要用于捕获上升沿，以计算接收符号的长度，并判断接收数据。计数器捕获到上升沿后，产生中断，解码模块检测到中断后读取计数器的值，两次计数器的值相减可得接收符号的计数器值，根据计数器的时钟周期，可计算出符号长度。
如图8所示，在本实施例中，所述中继器解码模块中，中断服务程序的工作流程如下：
中断服务程序首先判定是否为计数器中断，若是计数器中断，则根据前后两次中断读取的计数器值可计算出相邻两次中断间计数器的改变量，以此可计算出MCU接收到的符号长度；然后判定该长度是否为合法的分界符(delimiter)，若是合法的分界符，则中断服务程序设置分界符标志为1；否则判定该长度是否为合法的固定数据0(data0)，若是合法的固定data0，则设置固定data0标志为1；否则判定该长度是否为合法的RTcal，若是合法的RTcal，则设置RTcal标志为1；否则判定该长度是否为合法的TRcal，若为合法的TRcal，则设置TRcal标志为1。在上述所有标志为1后，判定该长度是否为合法的真实数据0，若是合法的真实数据0，则保存接收的数据0；若为合法的真实数据1，则保存接收的数据1；否则清除标志信息，重新开始新的解码操作。
综上，本发明提出的一种增强型RFID系统及基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，有效的扩大了通信距离与覆盖面积，通信距离理论可以扩大33倍以上，覆盖面积扩大1000倍，标签容量扩大50倍(上万标签)，解决了传统RFID系统受标签灵敏度低下影响而导致通信距离近、覆盖面积小的问题，可以有效的应用于仓库管理、智能检测物联网系统，具有良好的普适性和商业价值；本发明的中继器采用能量自持式设计，从而实现本发明提出的增强型RFID系统可以布设于一些特殊的，难以更换中继器、标签的电池的应用场景，解决如高空电网系统、有毒气体环境、野外等特殊环境的系统布局和维护困难的技术问题，同时有效降低系统成本和维护负担，具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种增强型RFID系统，包括一个读写器，若干电子标签，一个中继器；在电子标签与读写器之间加入基于Doherty PA实现的能量自持式中继器，读写器首先通过其F1频段通信模块与中继器通信，并下发命令，中继器通过其F1频段通信模块与读写器通信后，通过中继器的F2频段通信模块将读写器命令转发至其周围的电子标签，电子标签通过F2频段采用反向散射的方式答复读写器；
所述中继器中，DPA包括：一个功分器，一个宽带匹配网络MN1，一个宽带匹配网络MN2，一个宽带匹配网络MN3，一个宽带匹配网络MN4，一个宽带匹配网络MN5，一个载波功放，一个峰值功放，一个偏置电路；
功分器分别与宽带匹配网络MN1，宽带匹配网络MN3连接；宽带匹配网络MN1与载波功放连接；宽带匹配网络MN3与峰值功放连接；载波功放与宽带匹配网络MN2连接；峰值功放与宽带匹配网络MN4连接；载波功放与峰值功放分别与偏置电路连接；宽带匹配网络MN2与宽带匹配网络MN4分别与宽带匹配网络MN5连接；
与，
所述DPA中，偏置电路包括：镜像电流源HBT1、HBT2、HBT3，镇流电阻R1、R2，峰值功放，载波功放，控制电阻R0、R3，电容C1、C2，电源Vbctrl、Vcc；
电源Vbctrl与控制电阻R3一端连接；控制电阻R3另一端分别与镜像电流源HBT2集电极、镜像电流源HBT2基极、镜像电流源HBT1基极、电容C1一端连接；电容C1的另一端接地；镜像电流源HBT2发射极分别与镜像电流源HBT3集电极、基极连接；镜像电流源HBT3发射极接地；电源Vcc与镜像电流源HBT1集电极连接；镜像电流源HBT1发射极分别与控制电阻R0、电容C2一端连接；控制电阻R0与电容C2并联，控制电阻R0和电容C2的另一端分别与镇流电阻R1、R2的一端连接；镇流电阻R1的另一端与峰值功放连接；镇流电阻R2的另一端与载波功放连接。
2.根据权利要求1所述的一种增强型RFID系统，其特征在于，所述增强型RFID系统中，读写器具备F1和F2双频段通信模块和功能，中继器具备F1和F2双频段通信模块和功能，电子标签为普通商用标签，具备F2频段通信功能；
与/或，
所述增强型RFID系统中，读写器的F1频段通信模块包括：第一F1频段天线；读写器的F2频段通信模块包括：第一F2频段天线；中继器的F1频段通信模块包括：第二F1频段天线；中继器的F2频段通信模块包括：第二F2频段天线；电子标签包括：第三F2频段天线。
3.根据权利要求1所述的一种增强型RFID系统，其特征在于，所述中继器采用能量自持式设计，具体结构包括：太阳能自供电模块，能量管理电路，MCU，第二F1频段天线，第二F2频段天线，匹配电路1，匹配电路2，收/发选择开关1，解调电路，主动发射机模块，通道选择开关；其中，主动发射机模块包含宽频带低功耗高效率Doherty功率放大器，即DPA；
太阳能自供电模块连接能量管理电路；能量管理电路分别与MCU、解调电路、收/发选择开关1、主动发射机模块、通道选择开关连接；MCU分别与主动发射机模块、通道选择开关、收/发选择开关1连接；解调电路与MCU连接；收/发选择开关1分别与解调电路、匹配电路1连接；匹配电路1分别与收/发选择开关1、第二F1频段天线连接；主动发射机模块与通道选择开关连接；通道选择开关分别与收/发选择开关1、匹配电路2连接；匹配电路2与第二F2频段天线连接。
4.根据权利要求3所述的一种增强型RFID系统，其特征在于，所述中继器MCU模块中，包括：射频收发芯片的初始化/配置、解码、组网命令处理、有限状态机、时钟配置、PIE编码、激活状态、选择器和存储器模块；
初始化/配置模块与组网命令处理模块连接；组网命令处理模块分别与初始化/配置模块、存储器模块、有限状态机模块连接；存储器模块分别与有限状态机模块、组网命令处理模块、PIE编码模块连接；有限状态机模块分别与组网命令处理模块、PIE编码模块、激活状态模块连接；激活状态模块与选择器模块连接；PIE编码模块分别与选择器模块、时钟配置模块连接；时钟配置模块分别与解码模块、有限状态机模块、PIE编码模块连接；解码模块与组网命令处理模块连接；
与/或，
所述中继器MCU模块中，解码模块包括四个部分：
1，delimiter判决模块：确定定界符，仅满足定界符时间长度的数据帧才被解码；
2，data0提取模块：接收data0数据，并记录其Tari对应的定时器数据，为后续解码操作提供编码符号的参考基准；
3，Rtcal判断模块：接收Rtcal数据，并根据之前记录的Tari参考值判断Rtcal长度是否符合协议标准，若符合，则将Rtcal对应的定时器数据除2，并作为后续命令数据的解码标准；
4，Trcal或数据判决模块：能够根据所接收数据的长度，正确判断该数据为Trcal、数据0/1，若为Trcal则记录该数据长度，进行反向链路频率计算，若为命令数据，则将其正确解码为数据0/1。
5.一种基于权利要求1所述的增强型RFID系统的Doherty PA实现的能量自持式中继方法，具体步骤如下：
S1、中继器采用太阳能供电，太阳能自供电模块将接收到的太阳/光能转换为直流能量，其输出的直流电压输入能量管理电路，能量管理电路实现DC-DC升压功能，将太阳能自供电模块输出的直流电压升压到设置的电平值，并将能量保存到储能电池组中，同时根据设置的输出电压值给中继器的有源电路供电；
S2、读写器的F1频段通信模块运行，读写器下发的F1频段信号通过中继器的第二F1频段天线，经过匹配电路1到达收/发选择开关1，此时的收/发选择开关1为默认接通接收通道，信号传输至解调电路，解调电路中包含低功耗低噪放和对管检波电路，将解调后的基带信号最终传递至MCU；
S3、MCU解析到命令后，控制收/发选择开关1切换至发射通道，同时控制通道选择开关选择F1发射通道，然后将回复的信息通过主动发射机模块，经过匹配电路1模块以及第二F1频段天线发送回读写器；
S4、MCU与读写器完成信息交互后，控制通道选择开关选择F2频段发射通道，然后将读写器的命令信息通过主动发射机模块，经过匹配电路2模块以及第二F2频段天线转发至标签；
S5、中继器按需发送连续波以便标签可以通过反向散射的方式回复读写器，如此，读写器通过中继器的介入完成一次与标签的通信。
6.根据权利要求5所述的一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，其特征在于，所述中继器中，处理流程如下：
中继器上电后，首先初始化MCU、各射频收发模块、计数器和串口模块，使能计数器中断，并进入低功耗模式，此时中继器开始等待基站命令；当接收到基站命令时，判断其是否被选中，如果被选中，则处于激活模式，开始转发基站信号，并持续检测基站命令，当接收到基站命令后，继续判断是否被选中，被选中则继续处于激活模式，否则退出激活模式，进入低功耗模式，并继续检测基站命令。
7.根据权利要求5所述的一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，其特征在于，所述中继器MCU模块中，工作方法如下：
中继器上电后，首先MCU实现自身初始化，然后MCU初始化射频收发芯片、计数器和串口模块，并进入低功耗模式，等待基站命令；中继器通过解码模块分析接收到的基站命令后，判定命令中的ID是否与自身ID匹配，若匹配，则该中继器被激活，否则该中继器保持沉默；被激活的中继器通过控制选择器的状态实现转发功能，直到基站发送关闭命令，中继器接收到关闭命令，则退出激活模式。
8.根据权利要求5所述的一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，其特征在于，所述中继器的MCU模块中，解码模块的工作流程如下：
计数器捕获到上升沿后，产生中断，解码模块检测到中断后读取计数器的值，两次计数器的值相减可得接收符号的计数器值，根据计数器的时钟周期，可计算出符号长度。
9.根据权利要求5所述的一种基于Doherty PA实现的能量自持式中继方法，其特征在于，解码模块工作流程中，中断服务程序的工作流程如下：
中断服务程序首先判定是否为计数器中断，若是计数器中断，则根据前后两次中断读取的计数器值可计算出相邻两次中断间计数器的改变量，以此可计算出MCU接收到的符号长度；然后判定该长度是否为合法的分界符，若是合法的分界符，则中断服务程序设置分界符标志为1；否则判定该长度是否为合法的固定数据0，若是合法的固定数据0，则设置固定数据0标志为1；否则判定该长度是否为合法的RTcal，若是合法的RTcal，则设置RTcal标志为1；否则判定该长度是否为合法的TRcal，若为合法的TRcal，则设置TRcal标志为1；在上述所有标志为1后，判定该长度是否为合法的真实数据0，若是合法的真实数据0，则保存接收的数据0；若为合法的真实数据1，则保存接收的数据1；否则清除标志信息，重新开始新的解码操作。
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