專利名稱：一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，即通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別，具有快速、準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。發(fā)生在讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類型主要有電感耦合和電磁反向散射兩種。電磁反向散射依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律，采取的是雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)消息。
就RFID標(biāo)簽而言，依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)的方式不同，分為主動(dòng)式(Active)和被動(dòng)式(Passive)兩種。主動(dòng)式電子標(biāo)簽主動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送射頻信號(hào)，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源電子標(biāo)簽；被動(dòng)式標(biāo)簽不帶電池，又稱為無(wú)源電子標(biāo)簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來(lái)自讀寫(xiě)器產(chǎn)生的電磁波。被動(dòng)式標(biāo)簽在接收到讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量，所以其讀寫(xiě)器的發(fā)射功率一般較大。與之相反，有源RFID的電子標(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應(yīng)讀寫(xiě)器的發(fā)射功率要求不高，而且有效讀取距離也較前者有所增加，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。
從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，有源RFID系統(tǒng)具備發(fā)射功率低、通信距離長(zhǎng)、傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性高和兼容性好等特點(diǎn)，與無(wú)源RFID相比，在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)非常明顯。正因?yàn)槿绱耍粡V泛地應(yīng)用到公路收費(fèi)、港口貨運(yùn)管理、人員定位等領(lǐng)域。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，13.56MHz以下的RFID技術(shù)已相對(duì)成熟，目前大家更關(guān)注位于中高頻段以及微波頻段的RFID技術(shù)。在國(guó)際通用的工業(yè)醫(yī)療專用頻段(ISM頻段)的2.45GHz頻段，由于同時(shí)有藍(lán)牙，無(wú)限局域網(wǎng)等多種產(chǎn)品，易受干擾，技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，其相關(guān)的研究和應(yīng)用仍處于探索的階段。
如今，國(guó)內(nèi)有源RFID市場(chǎng)處于市場(chǎng)啟動(dòng)期，并無(wú)比較成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用，還有更廣泛的市場(chǎng)空間沒(méi)有被開(kāi)拓。RFID技術(shù)所能應(yīng)用和發(fā)揮效應(yīng)的主要方面包括節(jié)省人工成本，提高作業(yè)精確性，加快處理速度，有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等，目前RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。國(guó)際咨詢機(jī)構(gòu)ABI估計(jì)，到2008年，RFID電子標(biāo)簽、閱讀器和相關(guān)軟件與服務(wù)的銷售額可望增至30億美元，RFID技術(shù)市場(chǎng)在未來(lái)五年內(nèi)將有數(shù)萬(wàn)億美元的市場(chǎng)空間。任何一種RFID系統(tǒng)應(yīng)用如果得到普及，都將會(huì)孕育一個(gè)龐大的市場(chǎng)，將成為中國(guó)未來(lái)一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，RFID技術(shù)不僅會(huì)在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID技術(shù)將會(huì)與普適計(jì)算技術(shù)相融合，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
當(dāng)然，本發(fā)明正是通過(guò)我們的技術(shù)創(chuàng)新所誕生的用來(lái)彌補(bǔ)RFID技術(shù)在該頻段領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有源RFID標(biāo)簽(Tag)、有源RFID讀寫(xiě)器(Reader)及其通信協(xié)議。系統(tǒng)工作于ISM頻段的2.45GHz，標(biāo)簽部分包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)以及天線等，采用獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)，可使用紐扣電池工作3-5年。讀寫(xiě)器抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、液晶顯示、外部接口模塊，以及天線等，同時(shí)提供RS-232接口可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。數(shù)據(jù)傳輸速率快，采用了獨(dú)特的自適應(yīng)分槽時(shí)間窗算法實(shí)現(xiàn)防碰撞，可同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽，在高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下可保證高識(shí)別率。
另外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種根據(jù)上述系統(tǒng)的運(yùn)行方法。
上述系統(tǒng)包含的具體技術(shù)方案如下一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，包括由有源RFID標(biāo)簽和有源RFID讀寫(xiě)器所組成的硬件；其特征在于，所述有源RFID標(biāo)簽包括工作電源、與微處理器分別電路連接的射頻收發(fā)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)以及與射頻收發(fā)芯片電路連接的信號(hào)天線；所述有源RFID讀寫(xiě)器包括工作電源、與微處理器分別電路連接的射頻收發(fā)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、液晶顯示裝置、外部接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口模塊以及與射頻收發(fā)芯片電路連接的信號(hào)天線。
上述系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)傳輸接口模塊包括RS-232接口、RS-485接口等。
上述系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)設(shè)有可以改變微處理器工作電壓和頻率的動(dòng)態(tài)電源管理模塊，使得系統(tǒng)中MCU在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，如此循環(huán)往復(fù)，以此降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。
另外，根據(jù)上述系統(tǒng)的運(yùn)行方法，該方法涉及讀寫(xiě)器和標(biāo)簽兩部分的工作過(guò)程；其特征在于，所述讀寫(xiě)器的工作過(guò)程為首先監(jiān)聽(tīng)串口，當(dāng)從主機(jī)得到數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)為命令(command)還是數(shù)據(jù)(data)，然后產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，最后加上16位的CRC-CCITT校驗(yàn)；讀寫(xiě)器在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會(huì)首先發(fā)送喚醒(wake-up)信號(hào)，然后讀寫(xiě)器等待來(lái)自標(biāo)簽的回復(fù)信息，并把接受到的信息傳送給主機(jī)；同時(shí)判斷是否有碰撞發(fā)生，若發(fā)生碰撞，則將時(shí)間窗口乘以2，繼續(xù)接收，直到無(wú)碰撞發(fā)生；所述標(biāo)簽根據(jù)工作情況分為休眠、監(jiān)聽(tīng)、半休眠和通信四個(gè)狀態(tài)其工作過(guò)程為在休眠狀態(tài)下當(dāng)處在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍之內(nèi)的標(biāo)簽收到喚醒信號(hào)之后將由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，同時(shí)查詢可能的信道，并檢測(cè)自身的ID檢測(cè)標(biāo)志(flag)，若ID檢測(cè)標(biāo)志為0，表示它還未曾被讀取，則在相應(yīng)的信道上與讀寫(xiě)器通信；之后標(biāo)簽將在讀寫(xiě)器的時(shí)間窗口中隨機(jī)的選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)；若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到回復(fù)則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到讀寫(xiě)器的回應(yīng)，則認(rèn)為與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞，在下一個(gè)時(shí)間窗口中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到讀寫(xiě)器的回復(fù)；通信結(jié)束后，ID檢測(cè)標(biāo)志將被置起，然后標(biāo)簽進(jìn)入休眠態(tài)。
上述方法中，所述系統(tǒng)在多標(biāo)簽通信模式下采用自適應(yīng)調(diào)整分槽時(shí)間窗放置多標(biāo)簽碰撞的算法；該算法是在讀寫(xiě)器設(shè)置一段時(shí)間窗口，時(shí)間窗口又可分為N個(gè)時(shí)隙(slot)，每個(gè)時(shí)隙都足夠讀寫(xiě)器接收數(shù)據(jù)；標(biāo)簽在N-1中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)器接收，并發(fā)送回復(fù)命令；標(biāo)簽收到回復(fù)命令后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；若一個(gè)時(shí)隙中有若干個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)則發(fā)生碰撞發(fā)生，其標(biāo)簽在下一個(gè)時(shí)間窗口從(2N-1)中重新選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送。
上述方法中，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的消息通過(guò)廣播(broadcast)方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)方式進(jìn)行發(fā)送；讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的廣播方式用于收集標(biāo)簽ID、用戶ID等信息；讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的P2P方式用于指定特定的標(biāo)簽進(jìn)行操作。
上述方法中，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信采用主-從機(jī)制，以讀寫(xiě)器作為主機(jī)先發(fā)起通信。
上述方法中，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼(Manchester)，以數(shù)據(jù)包的格式進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括前綴(prefix)、數(shù)據(jù)(data byte)和CRC校驗(yàn)三部分。
本發(fā)明系統(tǒng)工作于ISM頻段的2.45GHz，標(biāo)簽采用獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)，可使用紐扣電池工作3-5年。讀寫(xiě)器抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，同時(shí)提供RS-232接口可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。數(shù)據(jù)傳輸速率快，另外，該系統(tǒng)采用了獨(dú)特的自適應(yīng)分槽時(shí)間窗算法實(shí)現(xiàn)防碰撞，可同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽，在高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下可保證高識(shí)別率。
本發(fā)明利用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)使得動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。由于射頻芯片在接收狀態(tài)時(shí)功耗比較大，工作電流為數(shù)十毫安，所以應(yīng)盡量使射頻芯片處于休眠狀態(tài)。當(dāng)讀寫(xiě)器需要訪問(wèn)標(biāo)簽時(shí)，首先發(fā)送喚醒碼，標(biāo)簽收到喚醒碼則進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
本發(fā)明的有源RFID系統(tǒng)具有使用方便，可靠性強(qiáng)，讀出距離遠(yuǎn)，多標(biāo)簽識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、車輛管理、物流跟蹤、人員定位等領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)中有源RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)中有源RFID讀寫(xiě)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)采用的分槽時(shí)間窗防碰撞算法的示意圖。
圖4為本發(fā)明系統(tǒng)中有源RFID讀寫(xiě)器工作的流程圖。
圖5為本發(fā)明系統(tǒng)中有源RFID標(biāo)簽工作的流程圖。
圖6為采用本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
根據(jù)以上發(fā)明內(nèi)容所述，本發(fā)明提供的主體包括三部分有源RFID標(biāo)簽、有源RFID讀寫(xiě)器以及相應(yīng)的通信協(xié)議。以下將具體介紹各部分的組成和實(shí)現(xiàn)。
如圖1所示，有源RFID標(biāo)簽的硬件電路主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)以及天線等。其中，微處理器和射頻收發(fā)芯片構(gòu)成標(biāo)簽的核心，完成RF信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)和防碰撞等功能。
如圖2所示，有源RFID讀寫(xiě)器的硬件電路主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、液晶顯示、外部接口模塊、RS-232接口、RS-485接口以及天線等。射頻收發(fā)芯片根據(jù)微處理器的指示，完成無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。主要的通信協(xié)議以及防沖突協(xié)議在微處理器中完成。系統(tǒng)還提供RS-232接口可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可選擇采用PCB天線或高增益的外置式天線以滿足遠(yuǎn)距離的需求。
當(dāng)然，通信協(xié)議也是本系統(tǒng)的組成部分之一，良好的通信機(jī)制是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的保證。在通信機(jī)制的設(shè)計(jì)中需要兼顧兩個(gè)問(wèn)題高可靠性和短通信時(shí)間。前者是由其應(yīng)用所決定的，因?yàn)镽FID通常用于門(mén)禁、物流和交通收費(fèi)等應(yīng)用，其差錯(cuò)率要求在極小的范圍內(nèi)。后者主要是從功耗和檢測(cè)速度上考慮的，通信時(shí)間短也能夠提高單位時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)的標(biāo)簽數(shù)量，增強(qiáng)實(shí)用性，并減小功耗。下面從命令方式、工作狀態(tài)、防碰撞等幾個(gè)方面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明中通信機(jī)制的設(shè)計(jì)。
讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的消息以兩種方式進(jìn)行發(fā)送廣播(broadcast)方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)方式。讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的廣播方式用于收集標(biāo)簽ID、用戶ID等信息，讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的P2P方式用于指定特定的標(biāo)簽進(jìn)行操作。標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信采用主-從機(jī)制，讀寫(xiě)器作為主機(jī)先發(fā)起通信。讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼(Manchester)，以數(shù)據(jù)包的格式進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括前綴(prefix)、數(shù)據(jù)(data byte)和CRC校驗(yàn)三部分。
系統(tǒng)中的命令分為以下幾種Collection收集標(biāo)簽ID(廣播方式)Collection with Data收集標(biāo)簽ID及其特定存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)(廣播方式)Sleep設(shè)置標(biāo)簽休眠狀態(tài)(P2P方式)Status讀取標(biāo)簽狀態(tài)(P2P方式)Read memory讀取存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)(P2P方式)Write memory寫(xiě)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)(P2P方式)Password設(shè)置標(biāo)簽密碼(P2P方式)如圖3所示，為解決在多標(biāo)簽通信模式下，標(biāo)簽相互間出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題，本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種分槽時(shí)間窗防碰撞算法。即在讀寫(xiě)器設(shè)置一段時(shí)間窗口，時(shí)間窗口又可分為N個(gè)時(shí)隙(slot)，每個(gè)時(shí)隙都足夠讀寫(xiě)器接收數(shù)據(jù)。標(biāo)簽在N-1中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)器接收，并發(fā)送回復(fù)命令。標(biāo)簽收到回復(fù)命令后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。若一個(gè)時(shí)隙中有若干個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)則發(fā)生碰撞發(fā)生，其標(biāo)簽在下一個(gè)時(shí)間窗口從(2N-1)中重新選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送。
如圖4所示，系統(tǒng)中讀寫(xiě)器的工作流程為讀寫(xiě)器首先監(jiān)聽(tīng)串口，當(dāng)從主機(jī)得到數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)為命令(command)還是數(shù)據(jù)(data)，然后產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，最后加上16位的CRC-CCITT校驗(yàn)。讀寫(xiě)器在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會(huì)首先發(fā)送喚醒(wake-up)信號(hào)。然后讀寫(xiě)器等待來(lái)自標(biāo)簽的回復(fù)信息，并把接受到的信息傳送給主機(jī)。同時(shí)判斷是否有碰撞發(fā)生，若發(fā)生碰撞，則將時(shí)間窗口乘以2，繼續(xù)接收，直到無(wú)碰撞發(fā)生。
如圖4所示，系統(tǒng)中的標(biāo)簽具有四種工作狀態(tài)休眠態(tài)，監(jiān)聽(tīng)?wèi)B(tài)，半休眠態(tài)和通信態(tài)。休眠態(tài)中除定時(shí)器外，標(biāo)簽的所有部件均停止工作。監(jiān)聽(tīng)?wèi)B(tài)是指標(biāo)簽被某事件喚醒后，查詢信道上的有效讀寫(xiě)器信號(hào)。如果與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞，暫時(shí)休眠一段時(shí)間，稱為半休眠態(tài)。通信態(tài)建立了與讀寫(xiě)器有效的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。大多數(shù)情況下，標(biāo)簽處在休眠狀態(tài)。當(dāng)處在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍之內(nèi)的標(biāo)簽收到喚醒信號(hào)之后將由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。處在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的標(biāo)簽，查詢可能的信道，并檢測(cè)自身的ID檢測(cè)標(biāo)志(flag)，若ID檢測(cè)標(biāo)志為0，表示它還未曾被讀取，則在相應(yīng)的信道上與讀寫(xiě)器通信。標(biāo)簽將在讀寫(xiě)器的時(shí)間窗口中隨機(jī)的選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到回復(fù)，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到讀寫(xiě)器的回應(yīng)，則認(rèn)為與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞，在下一個(gè)時(shí)間窗口中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到讀寫(xiě)器的回復(fù)。通信結(jié)束后，ID檢測(cè)標(biāo)志將被置起，然后標(biāo)簽進(jìn)入休眠態(tài)。標(biāo)簽按照上述機(jī)制，便能夠?qū)崿F(xiàn)一次完整的通信。
如果讀寫(xiě)器信號(hào)存在，且ID檢測(cè)標(biāo)志為1，表示它已經(jīng)被讀取，則返回休眠態(tài)。如果檢測(cè)不到讀寫(xiě)器信號(hào)，則認(rèn)為在讀寫(xiě)器有效范圍之外，立即進(jìn)入休眠態(tài)。檢測(cè)后，再進(jìn)入休眠態(tài)的標(biāo)簽相應(yīng)的ID檢測(cè)標(biāo)志是為1的，這將阻止它與讀寫(xiě)器之間通信。這種措施，主要是為了減少一個(gè)讀寫(xiě)器對(duì)于同一個(gè)標(biāo)簽的多次訪問(wèn)，但如果該標(biāo)志一直不變，將影響其他讀寫(xiě)器對(duì)該標(biāo)簽的訪問(wèn)。因此，在休眠一定時(shí)間后，ID檢測(cè)標(biāo)志將被強(qiáng)行清除。
另外，本發(fā)明的另一個(gè)關(guān)鍵是低功耗設(shè)計(jì)。在有源RFID系統(tǒng)中，如何降低標(biāo)簽的功耗是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明除了在標(biāo)簽設(shè)計(jì)中采用低功耗硬件外，通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)技術(shù)使系統(tǒng)各個(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式下，節(jié)約了大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，標(biāo)簽電路的部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。系統(tǒng)中MCU在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，如此循環(huán)往復(fù)，可以最大限度地降低功耗。
當(dāng)然，動(dòng)態(tài)電源管理的一個(gè)核心問(wèn)題是狀態(tài)調(diào)度策略，因?yàn)椴煌臓顟B(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時(shí)間開(kāi)銷。在活躍狀態(tài)下，采取動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)來(lái)節(jié)約能量。標(biāo)簽的計(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器在任何時(shí)刻都保持峰值性能。
因此本發(fā)明動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。由于射頻芯片在接收狀態(tài)時(shí)功耗比較大，工作電流為數(shù)十毫安，所以應(yīng)盡量使射頻芯片處于休眠狀態(tài)。當(dāng)讀寫(xiě)器需要訪問(wèn)標(biāo)簽時(shí)，首先發(fā)送喚醒碼，標(biāo)簽收到喚醒碼則進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
在實(shí)際應(yīng)用中，有源RFID標(biāo)簽可直接安裝在車輛等需要識(shí)別的物體上，在離車輛等需要識(shí)別的區(qū)域一定距離(0~80米)安裝有源RFID讀寫(xiě)器，后臺(tái)信息中心就可以通過(guò)該RFID讀寫(xiě)器識(shí)別工作范圍內(nèi)存在的有源RFID標(biāo)簽。
這里以不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)為本發(fā)明的具體實(shí)施例子如圖6所示，不停車收費(fèi)系統(tǒng)利用有源RFID和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)功能，每輛車都在汽車前擋風(fēng)玻璃上安裝有源RFID標(biāo)簽，在高速公路的收費(fèi)口設(shè)有ETC專用通道，通道上方安裝有源RFID讀寫(xiě)器天線，有源RFID讀寫(xiě)器和PC機(jī)的后臺(tái)控制系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的識(shí)別、計(jì)費(fèi)等操作。當(dāng)安裝有有源RFID標(biāo)簽的車輛駛過(guò)時(shí)，將自動(dòng)扣除費(fèi)用，不需停車交款，大大提高了收費(fèi)口的通車能力。具體的實(shí)施過(guò)程如下1.有源RFID標(biāo)簽安裝在車輛的擋風(fēng)玻璃后面；2.在ETC專用通道的上方架設(shè)有讀寫(xiě)器天線；3.當(dāng)車輛通過(guò)第一個(gè)裝有收發(fā)器的門(mén)架時(shí)，檢測(cè)天線激活RFID標(biāo)簽，并完成收發(fā)器與RFID標(biāo)簽的雙向確認(rèn)；4.收發(fā)器首先驗(yàn)證RFID標(biāo)簽的有效性及余額；5.如果該標(biāo)簽無(wú)法被識(shí)別(包括無(wú)效)或余額不足，門(mén)架前方的攔桿不會(huì)升起(不放行)，同時(shí)系統(tǒng)指示燈發(fā)出警告，提示司機(jī)轉(zhuǎn)入人工收費(fèi)車道交費(fèi)；6.如果一切正常，門(mén)架前方的攔桿自動(dòng)升起(放行)，車輛在通過(guò)第二個(gè)裝有收發(fā)器的門(mén)架時(shí)RFID標(biāo)簽內(nèi)的信息被修改，完成收費(fèi)過(guò)程，指示燈及蜂鳴器會(huì)告訴司機(jī)收費(fèi)是否完成。
上述實(shí)施例為本系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用示范，本系統(tǒng)在其他的車輛管理，人員監(jiān)控方面都有廣泛的應(yīng)用前景。
以上是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員，不花費(fèi)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上可以做多種變化，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的。但是，這種變化顯然應(yīng)該在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，包括由有源RFID標(biāo)簽和有源RFID讀寫(xiě)器所組成的硬件；其特征在于，所述有源RFID標(biāo)簽包括工作電源、與微處理器分別電路連接的射頻收發(fā)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC以及與射頻收發(fā)芯片電路連接的信號(hào)天線；所述有源RFID讀寫(xiě)器包括工作電源、與微處理器分別電路連接的射頻收發(fā)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、液晶顯示裝置、外部接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口模塊以及與射頻收發(fā)芯片電路連接的信號(hào)天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸接口模塊包括RS-232接口、RS-485接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)設(shè)有可以改變微處理器工作電壓和頻率的動(dòng)態(tài)電源管理模塊，使得系統(tǒng)中MCU在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，如此循環(huán)往復(fù)，以此降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。
4.一種新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行方法，該方法涉及讀寫(xiě)器和標(biāo)簽兩部分的工作過(guò)程；其特征在于，所述讀寫(xiě)器的工作過(guò)程為首先監(jiān)聽(tīng)串口，當(dāng)從主機(jī)得到數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)為命令command還是數(shù)據(jù)data，然后產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，最后加上16位的CRC-CCITT校驗(yàn)；讀寫(xiě)器在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會(huì)首先發(fā)送喚醒wake-up信號(hào)，然后讀寫(xiě)器等待來(lái)自標(biāo)簽的回復(fù)信息，并把接受到的信息傳送給主機(jī)；同時(shí)判斷是否有碰撞發(fā)生，若發(fā)生碰撞，則將時(shí)間窗口乘以2，繼續(xù)接收，直到無(wú)碰撞發(fā)生；所述標(biāo)簽根據(jù)工作情況分為休眠、監(jiān)聽(tīng)、半休眠和通信四個(gè)狀態(tài)其工作過(guò)程為在休眠狀態(tài)下當(dāng)處在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍之內(nèi)的標(biāo)簽收到喚醒信號(hào)之后將由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，同時(shí)查詢可能的信道，并檢測(cè)自身的ID檢測(cè)標(biāo)志，若ID檢測(cè)標(biāo)志為0，表示它還未曾被讀取，則在相應(yīng)的信道上與讀寫(xiě)器通信；之后標(biāo)簽將在讀寫(xiě)器的時(shí)間窗口中隨機(jī)的選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)；若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到回復(fù)則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到讀寫(xiě)器的回應(yīng)，則認(rèn)為與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞，在下一個(gè)時(shí)間窗口中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到讀寫(xiě)器的回復(fù)；通信結(jié)束后，ID檢測(cè)標(biāo)志將被置起，然后標(biāo)簽進(jìn)入休眠態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，所述系統(tǒng)在多標(biāo)簽通信模式下采用自適應(yīng)調(diào)整分槽時(shí)間窗放置多標(biāo)簽碰撞的算法；該算法是在讀寫(xiě)器設(shè)置一段時(shí)間窗口，時(shí)間窗口又可分為N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙都足夠讀寫(xiě)器接收數(shù)據(jù)；標(biāo)簽在N-1中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)器接收，并發(fā)送回復(fù)命令；標(biāo)簽收到回復(fù)命令后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；若一個(gè)時(shí)隙中有若干個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)則發(fā)生碰撞發(fā)生，其標(biāo)簽在下一個(gè)時(shí)間窗口從2N-1中重新選擇一個(gè)時(shí)隙發(fā)送。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的消息通過(guò)廣播broadcast方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)P2P方式進(jìn)行發(fā)送；讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的廣播方式用于收集標(biāo)簽ID、用戶ID等信息；讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的P2P方式用于指定特定的標(biāo)簽進(jìn)行操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信采用主-從機(jī)制，以讀寫(xiě)器作為主機(jī)先發(fā)起通信。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的新型的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼Manchester，以數(shù)據(jù)包的格式進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括前綴prefix、數(shù)據(jù)data byte和CRC校驗(yàn)三部分。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型的有源射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)及其運(yùn)行方法，所述系統(tǒng)包括有源RFID標(biāo)簽(Tag)、有源RFID讀寫(xiě)器(Reader)及其通信協(xié)議。系統(tǒng)工作于ISM頻段的2.45GHz，標(biāo)簽部分包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)以及天線等，采用獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)，可使用紐扣電池工作3－5年。讀寫(xiě)器抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、液晶顯示、外部接口模塊，以及天線等，同時(shí)提供RS－232接口可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，RS－485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。所述運(yùn)行方法采用了獨(dú)特的自適應(yīng)分槽時(shí)間窗算法實(shí)現(xiàn)防碰撞，可同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽，在高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下可保證高識(shí)別率。
文檔編號(hào)G06K17/00GK101051356SQ20071004072
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者郝妍娜, 淦克奇, 李興仁 申請(qǐng)人:上海華龍信息技術(shù)開(kāi)發(fā)中心