RFID有源電子標簽節能技術研究*

馬 睿，徐廣偉，漆駿鋒，曾曉福

(成都三零瑞通移動通信有限公司，四川成都610005)

0 引言

RFID電子標簽分為無源電子標簽和有源電子標簽，RFID無源電子標簽是利用RFID閱讀器讀取電子標簽信息時，由RFID閱讀器發送的載波信息向電子標簽提供能量;而RFID有源電子標簽是內部自帶電池，由電池向電子標簽提供能量。

RFID有源電子標簽以主動式工作為主，即電子標簽內部電池提供向外發送射頻信息消耗能量。

在RFID電子標簽的應用中，電子標簽通常需與管控對象進行關聯綁定，記錄管控對象屬性，作為管控對象的電子身份證。而電子標簽的封裝通常設計為一次性標簽，由于RFID有源電子標簽自帶電池，因而RFID有源電子標簽是有一定的使用壽命，即使標簽改用可更換電池封裝，也十分不便。所以，對應用而言，RFID有源電子標簽低功耗設計的好壞，直接影響應用的成敗。

1 常規節能技術分析

目前，RFID有源電子標簽常規的低功耗設計，在硬件方面，通過對芯片選型、電路優化減少能耗，達到低功耗目的［1］;在應用方面，通常采用改變RFID有源電子標簽的工作模式［2］，即在休眠和工作兩種模式之間進行切換，RFID有源電子標簽在工作狀態下，開啟標簽的射頻電路，可以向外發送標簽射頻信息;在休眠狀態下，標簽的射頻發送電路，不向外發送射頻信息以實現節能目的。

通過改變RFID有源電子標簽的工作模式來解決功耗問題，存在如下弊端:

1)需要借助于RFID閱讀器下發休眠/喚醒指令，RFID有源電子標簽根據接收的指令，進入休眠或工作模式。

2)RFID有源電子標簽并沒有關閉射頻的接收電路，需要接收RFID閱讀器下發指令，同樣消耗標簽電池能量。

3)對RFID有源電子標簽需要具有半雙工/雙工通信能力，增加電路設計復雜度，違背低功耗設計原則。

4)在RFID有源電子標簽的實際應用中，比如庫房重要物品的管理，需要及時了解物品在管控區域［3］的當前狀態，如果RFID有源電子標簽進入到休眠模式，一直不向外發送射頻信號，管理系統就無法獲得電子標簽代表的物品信息;另外如果收到其他閱讀器的信息，RFID有源電子標簽就進入到工作狀態，給應用部署帶來不便。

2 節能新技術

針對常規RFID有源電子標簽的低功耗設計弊端，文中提出一種新的解決方法，其關鍵點是:

1)在不改變RFID有源電子標簽低功耗硬件設計原則的基礎上，對RFID有源電子標簽增加一個低頻接收電路，可一直接收低頻信號(功耗非常低)，RFID有源電子標簽變為雙頻標簽(低頻+標簽射頻本身頻率)。

2)增加一個感應器(低頻)，感應器部署在應用場景的出入口，可近距離向外發送低頻信號。RFID有源電子標簽接收到感應器發送的低頻信號后，可改變標簽的工作模式，在休眠模式和工作模式之間進行轉換。

3)對不同的應用場景，對RFID有源電子標簽設置不同的休眠策略(休眠時間)，如庫房中的重要物品的RFID有源電子標簽，可采取延長發送射頻信號時間間隔休眠策略，減少發送射頻信號能量;比如辦公場所人員管理，可設置下班時間后一直不工作休眠策略，節省RFID有源電子標簽的能耗。

新解決方法的優點是:RFID有源電子標簽的工作模式轉換，與RFID閱讀器無關，標簽也可設計為單向通信(向外發送射頻信息，無需接收電路)，在標簽內按應用場景設置休眠策略。

3 新技術應用

采用文中提出的RFID有源電子標簽節能新技術，可應用于重要物品管控系統。利用安裝在管控區域出入口的低頻感應器來切換RFID有源電子標簽的工作模式，其技術關鍵點是能精確判定RFID有源電子標簽進出管控區域出入口的方向和利用設置不同的休眠時間策略來控制RFID電子標簽的射頻發射。下面就以庫房管理為例，說明進出庫房的判定和休眠時間策略設置方法。

(1)進出管控區出入口的方向判定

圖1中假設為某一庫房的應用場景，在庫房大門內、外分別安裝感應器(庫房外感應器內部存放ID=1，庫房外感應器內部存放ID=2)，感應器可向外近距離發送低頻信號(包含ID號信息)。

圖1 進出庫房門口的方向判定部署示意Fig.1 Import warehouse door direction determining deployment diagram

第一種情況是:RFID有源電子標進入庫房:

首先:當RFID有源電子標簽經過庫房外感應器時，接收到感應器發送的低頻信號，獲得感應器的ID號(ID=1);

其次:當RFID有源電子標簽經過庫房內感應器時，接收到感應器發送的低頻信號，獲得感應器的ID號(ID=2);

其三:RFID有源電子標簽對兩次分別讀取到的庫房外、庫房內感應器的ID進行比較后，判定RFID有源電子標簽是進入庫房;

其四:根據RFID有源電子標簽存儲的進入庫房的休眠策略，喚醒 RFID有源電子標簽，開啟RFID有源電子標簽內自身射頻發射電路，向外發送信息;

第二種情況是:RFID有源電子標離開庫房:

首先:當RFID有源電子標簽經過庫房內感應器時，接收到感應器發送的低頻信號，獲得感應器ID號(ID=2);

其次:當RFID有源電子標簽經過庫房外感應器時，接收到感應器發送的低頻信號，獲得感應器ID號(ID=1);

其三:RFID有源電子標簽對兩次讀取到的庫房內、庫房外感應器的ID進行比較后，判定RFID有源電子標簽是離開庫房;

其四:根據RFID有源電子標簽存儲的離開庫房休眠策略，催眠RFID有源電子標簽進入休眠，關閉RFID有源電子標簽內自身射頻發射電路，停止向外發送信息。

(2)休眠時間策略設置

根據新的節能技術原理，當物品停留在庫房外(不含使用物品的區域)，可設置物品上附著的RFID有源電子標簽保持休眠狀態;當物品在使用期間(工作場所等部位)，可設置RFID有源電子標簽保持正常工作狀態(一定時間間隔連續向外發送射頻信號);當物品進入庫房后(物品的大部分時間是閑置于庫房)，如果物品保持RFID有源電子標簽一直處于工作狀態，耗電很大，影響電池使用壽命，因而就可以設置電子標簽的射頻發射時間間隔增長的休眠策略，也可更為精細設置休眠時間間隔，比如剛進入庫房的開始一段時間內，電子標簽的射頻發射時間間隔設置較小，隨著擱置時間的推移，逐步延長發射的時間間隔，直到達到一定的間隔時間;也可設置成白天、夜晚不同的時間間隔。

在不同的應用中，可根據場景部署和應用特點的不同，設置RFID有源電子標簽不同的休眠時間策略，控制電子標簽射頻電路的工作時間，從而達到節能目的。

4 技術實現

在重要物品管控系統中，與新節能技術相關的產品主要是感應器和RFID有源電子標簽。

4.1 感應器

主要功能:可配置感應器自身ID號，通過低頻信號，近距離(1～2 m)向外發送ID號。

組成框圖:組成框圖如圖2所示。

圖2 感應器組成框Fig.2 Sensor composition diagram

軟件架構:軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件系統框架Fig.3 Software system framework

軟件架構分為:硬件驅動層和控制層。

硬件驅動層:負責對硬件的控制，包括低頻模塊驅動和MCU配置。

控制層:根據接收到的消息，調用驅動層，實現軟件功能，包括I/O控制、電量管理、ID設置和低頻控制。

4.2 有源電子標簽

主要功能:近距離接收感應器低頻信號，獲得感應器ID;通過感應器(ID)位置，結合休眠時間策略，轉換電子標簽工作模式;可配置標簽自身ID號;通過電子標簽的射頻信號，遠距離(50 m以外)向外發送電子標簽ID號。

組成框圖:組成框圖如圖4所示。

圖4 有源電子標簽組成框Fig.4 Block diagram of active RFID tag

RFID有源電子標簽的組成主要由MCU控制芯片(MCU)、射頻模塊、低頻模塊、匹配網絡和電池等組成，元器件選擇低功耗控制芯片及射頻芯片［4－5］。

軟件架構:軟件架構如圖5所示。

圖5 RFID有源電子標簽軟件架構示意Fig.5 Schematic diagram of active RFID tag software architecture

軟件架構分為:硬件驅動層和控制層。

硬件驅動層:負責對硬件的控制，包括射頻模塊驅動、低頻模塊驅動和MCU配置三部分。

控制層:根據接收到的消息，調用驅動層，實現軟件功能，包括射頻控制、休眠策略、功耗管理、ID設置和低頻控制五部分。

5 節能分析

有源電子標簽通過射頻電路向外發射信號的工作示意圖如圖6所示。

圖6 有源電子標簽工作示意Fig.6 Schematic diagram of active electronic tags

從圖6可以看出，有源電子標簽工作一個周期由射頻電路工作時間和射頻電路不工作時間兩部分組成。

在技術實現過程中，有源電子標簽設計采用的MCU芯片為 PIC18LF24K22，射頻芯片為NRF24L01P，低頻接收芯片為AS3932。根據實測有源電子標簽在射頻電路不工作時的電流為7 μs，射頻電路開始工作時的電流為3 mA，射頻電路工作最大電流為15 mA。從而可以看出，有源電子標簽電能消耗主要集中在射頻電路工作期間，發射時間越長，消耗能量越大。因而在硬件電路確定的情況下，通常采用壓縮發射時間，達到節能目的，實現電池使用壽命。而文中介紹的新節能技術，是在以上基礎上，通過感應器控制減少有源電子標簽的射頻發射電路的工作次數，實現節能目的。

假如有源電子標簽的正常工作時間內，發射頻率為1次/秒，可計算出每天電子標簽發射次數為:24×60×60=86 400次。

在采用新節能技術的重要物品管控系統中，當物品進入庫房后，設置的休眠策略是發射頻率為0.1 次/秒。

如果物品的有源電子標簽按在上班期間發射頻率為1次/秒，下班后存放庫房期間發射頻率為0.1次/秒計算，其有源電子標簽發射次數為:

8×60×60+16×60×60/10=34 560次，減少發射次數為51 840次，可節約60%的電能。

同理按以上辦法計算，如果物品一直存放在庫房，一天可節約90%的電能。

通過以上計算分析得出，有源電子標簽的使用壽命與在采用新節能技術后，與使用場景和休眠策略密切相關。但可以明確的是，減少有源電子標簽向外發射次數，是可以延長電子標簽的使用壽命。

6 結語

RFID有源電子標簽可采取不同的封裝形式，廣泛應用于物品、人員、車輛等管控系統，但RFID有源電子標簽的電池使用壽命在應用中起到重要作用，文中介紹了一種新的RFID有源電子標簽節能技術的解決辦法，并通過了相關產品研制驗證新技術實現的可行性和可應用于實際的RFID應用中。由于本節能技術產生的節能效果與應用場景和RFID有源電子標簽的休眠策略有關，雖然沒能得出有源電子標簽采用新技術后，延長電池使用壽命的具體數據，但通過節能分析可得出，本新技術應用于RFID有源電子標簽的節能設計，可行之有效的延長電子標簽使用壽命。

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