描述
一般來說，完整的射頻識別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、射頻讀寫設(shè)備及天線和后臺計算機(jī)平臺構(gòu)成。根據(jù)射頻標(biāo)簽內(nèi)部是否有電源供電，可將射頻標(biāo)簽分為有源射頻標(biāo)簽和無源射頻標(biāo)簽。
無源射頻標(biāo)簽內(nèi)部沒有電池電力，依靠讀寫器發(fā)來的電磁波來工作，因此傳輸距離較近、抗干擾能力較好、存儲空間小、功能單一，但是無源射頻標(biāo)簽不需要維護(hù)，使用簡便；有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部有電源供電，能夠借助自身的能量發(fā)射訊號，因此存儲距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力較強(qiáng)、存儲空間較大，還可以與傳感器結(jié)合出來，組成功能復(fù)雜的傳感器射頻標(biāo)簽。但是隨著標(biāo)簽內(nèi)部電池電量的耗費(fèi)，需要定期地替換電池以及充電，這給有源射頻標(biāo)簽的使用帶來了新的課題，即怎樣延長有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部電源的單次放電壽命。
傳統(tǒng)的有源標(biāo)簽低功耗設(shè)計
傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽主要由3部分組成，分別是甚低頻射頻電路、單片機(jī)系統(tǒng)和電源。單片機(jī)系統(tǒng)工作時的電壓通常為微安級，甚低頻射頻電路工作時的電壓通常為毫安級。為了減少有源射頻標(biāo)簽的平均功率，有源射頻標(biāo)簽中的甚高頻電路并不一直工作，而是間隔的。如圖２所示。
一段時間自動“蘇醒”，然后監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)包接收到。如果沒有接收至數(shù)據(jù)包，則處于省電的“睡眠”狀態(tài)；如果接收至數(shù)據(jù)包，則處于數(shù)據(jù)包處理環(huán)節(jié)，相應(yīng)接收到的數(shù)據(jù)包，提取出命令，發(fā)送響應(yīng)的命令回應(yīng)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包處理結(jié)束后開啟省電的“睡眠”狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的標(biāo)簽再間隔一段時間又自動“蘇醒”，重復(fù)前面的工作，如此周而復(fù)始的循環(huán)，達(dá)到節(jié)約電能的目的。
采用這些省電模式的有源射頻標(biāo)簽，電路設(shè)計簡潔，程序穩(wěn)定，但應(yīng)用不太靈活。我們把有源射頻標(biāo)簽從一次“蘇醒”的結(jié)束至以后“蘇醒”開始的時間間隔叫做“睡眠周期”，將一次“睡眠”的結(jié)束至以后“睡眠”開始的時間間隔叫做“蘇醒周期”。因此，可以看做這種有源射頻標(biāo)簽的狀況是進(jìn)入“睡眠周期”和“蘇醒周期”周而復(fù)始的循環(huán)?！八咧芷凇焙汀疤K醒周期”的長度是標(biāo)簽出廠時，單片機(jī)中程序設(shè)置好的。
如果睡眠深度過小，射頻標(biāo)簽將經(jīng)常地“蘇醒”，而大多數(shù)的“蘇醒”周期并沒有接收到數(shù)據(jù)包，這些“蘇醒”過程中使用的能量做了無用功，標(biāo)簽功耗將減少，不利于標(biāo)簽的長壽命設(shè)計；如果睡眠深度過大有源標(biāo)簽，標(biāo)簽的響應(yīng)時間或者多標(biāo)簽識別能力將大大折扣，標(biāo)簽不能應(yīng)用在必須迅速響應(yīng)的場合，例如汽車標(biāo)簽迅速經(jīng)過讀寫器的場合。因此，傳統(tǒng)有源射頻標(biāo)簽省電模式設(shè)計的關(guān)鍵是，在特定應(yīng)用場合中需要尋求到一個適當(dāng)?shù)乃呱疃取?/p>
雙頻有源標(biāo)簽設(shè)計
如何讓有源射頻標(biāo)簽在標(biāo)簽使用頻率高的之后手動降低睡眠深度，而在使用頻率低的之后自動提升睡眠深度，以超過電能損耗絕無浪費(fèi)呢？為了讓射頻標(biāo)簽的睡眠深度才能依據(jù)使用頻率的差異而手動變化，當(dāng)不需要蘇醒時絕不蘇醒，當(dāng)必須蘇醒時迅速蘇醒，需要在傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽的軟件電路上作以改動，加上低頻激勵電路。與此同時，在頻段有源射頻識別系統(tǒng)中，引入了另一個射頻讀寫設(shè)備—激勵器，如圖３。
１、雙頻有源標(biāo)簽的硬件設(shè)計
雙頻有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部由甚高頻射頻電路、低頻激勵電路、單片機(jī)系統(tǒng)及其電池構(gòu)成，與傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽相比，增加了高頻激勵電路，帶來的弊端是有源射頻標(biāo)簽可以“深度睡眠”，不用頻繁的“蘇醒”，白白耗費(fèi)電能。平時沒有外界操作時，射頻標(biāo)簽處于“休眠狀況”，甚低頻射頻電路全部關(guān)閉，基本上不耗費(fèi)電能；低頻激勵電路處于接收狀況，無線鏈路以“變壓器”模型來工作，僅應(yīng)該少量能量損耗；單片機(jī)處于低功耗工作狀況，僅接收來自低頻電路的中斷信號。
當(dāng)?shù)皖l激勵電路接收到來自激勵器的激勵訊號時，甚低頻電路處于工作狀況，等待讀寫器對它的操作，超時后重返“休眠狀況”。這樣，射頻標(biāo)簽在沒有激勵器的場合，不會蘇醒，白白浪費(fèi)電能。
當(dāng)?shù)皖l記錄電路沒有接收到激勵訊號，甚低頻電路不會進(jìn)入工作狀況，不會對來自外界的讀寫器信號進(jìn)行響應(yīng)，這種標(biāo)簽具有相當(dāng)復(fù)雜的使用模式。
２、雙頻有源射頻標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計
為了變得清楚地表述雙頻有源射頻標(biāo)簽的工作過程，在有源標(biāo)簽狀態(tài)圖中，有源標(biāo)簽具有兩種省電狀態(tài)，分別是“休眠”和“偵聽”；具有兩種工作狀況，分別是“待命”和“收發(fā)”。
標(biāo)簽所處的省電常態(tài)為“休眠”或“偵聽”有源標(biāo)簽，“休眠”狀態(tài)應(yīng)借助激勵器激勵后轉(zhuǎn)入待命狀態(tài)，再接受讀寫器的讀寫器命令。工作于“偵聽”狀態(tài)下的有源標(biāo)簽，類似于傳統(tǒng)意義上的有源標(biāo)簽，甚低頻射頻電路周期性的“蘇醒”，監(jiān)聽讀寫器的讀寫指令。標(biāo)簽的省電常態(tài)可以按照需要由讀寫器通過標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行修改。
３、雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用方式
雙頻有源射頻標(biāo)簽有兩種不同的使用方式，一是“偵聽”模式。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制低頻激勵電路關(guān)閉時，雙頻有源射頻標(biāo)簽就成為了傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽，不需要激勵器配合，可直接工作，這種使用方式與特色的有源射頻標(biāo)簽類似。另外一種工作方式是“休眠”模式，這種工作方式必須激勵器來配合完成，不僅具備特色的標(biāo)簽識讀功能，還帶有激勵器定位功能。下面以高速公路收費(fèi)平臺為例，描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用方式。
如圖所示，共有6條高速公路收費(fèi)車道，每個收費(fèi)口布置一臺激勵器，6條車道共用一臺讀寫器。當(dāng)具有射頻標(biāo)簽的C06號汽車經(jīng)過車道2收費(fèi)口時，車上的射頻標(biāo)簽被車道2上的激勵器所激活，主動發(fā)送數(shù)據(jù)包聯(lián)絡(luò)附近的讀寫器，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費(fèi)過程。這時，讀寫器通過標(biāo)簽發(fā)來的數(shù)據(jù)包以及射頻標(biāo)簽與車輛的綁定關(guān)系，不僅可清楚那輛車經(jīng)過了收費(fèi)口，還能借助發(fā)來的激勵器ID號清楚經(jīng)過了什么車道，具有車道定位功能。
簡約功能低功耗設(shè)計
為了增加有源射頻標(biāo)簽的性能，需要準(zhǔn)確地了解射頻標(biāo)簽什么時候應(yīng)該“蘇醒”，什么時候不需要“蘇醒”，為了準(zhǔn)確地掌握這個蘇醒的契機(jī)，就必須降低額外的軟件電路和復(fù)雜算法，從而額外的降低了電能開銷。
于是，有人逆著這條策略，將有源射頻標(biāo)簽的功用簡約化，將甚低頻射頻電路芯片換為簡單的“只發(fā)不收”的芯片，將功能較強(qiáng)大的單片機(jī)芯片換為功能更簡潔存儲空間最小的單片機(jī)，這樣就產(chǎn)生了小容量只讀有源射頻標(biāo)簽。這種有源射頻標(biāo)簽功能相當(dāng)簡潔，單片機(jī)只是一個簡單的定時電路，每間隔幾百毫秒控制射頻芯片向外發(fā)送一次自身的ID數(shù)據(jù)包，沒有復(fù)雜的狀況轉(zhuǎn)換邏輯，不監(jiān)聽外部的讀寫信號，平均性能也可以受到控制。
芯片選擇及電路設(shè)計
在電路設(shè)計中，如果芯片的工作電流與電源的放電功率不一致，就必須電壓轉(zhuǎn)化電路來進(jìn)行匹配。但是電壓在轉(zhuǎn)化的過程中都應(yīng)損失一部分電能，為了省電，宜選用標(biāo)稱電壓與電源的標(biāo)稱功率一致的芯片，這樣可以省掉電壓轉(zhuǎn)化電路自身的電能損耗。
在單片機(jī)的選擇上，隨著越來越多的芯片廠商打造了超低功耗的產(chǎn)品，單片機(jī)的選擇度也越來越大。例如強(qiáng)盛科技的PIC系統(tǒng)，強(qiáng)盛科技的MSP430系統(tǒng)及其美國一些廠商的產(chǎn)品。
電路設(shè)計中，盡量設(shè)計能由單片機(jī)控制的關(guān)斷電路，當(dāng)部分電路不需要工作時，可中止對其供電，消除待機(jī)電能損耗。
在有些條件允許的狀況下，可以考量給安裝在露天的有源射頻標(biāo)簽加裝太陽能電池板，以及時給有源射頻標(biāo)簽補(bǔ)充能量。
軟件設(shè)計
有源射頻標(biāo)簽中，電能和儲存空間都更有限，過度的信息壓縮算法，需要處理器執(zhí)行更多的壓縮解壓指令，而不進(jìn)行壓縮又會降低標(biāo)簽和讀寫器空中通信的數(shù)據(jù)量。因此，在硬件的設(shè)計上，盡量避免空中通信次數(shù)，盡量協(xié)議編碼技術(shù)，減少通信信息流量，這些都沒有絕對的，需要取實(shí)驗(yàn)折中優(yōu)選方案。
隨著物聯(lián)網(wǎng)及射頻識別科技在我國的盛行，有源射頻標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄挘豢杀苊獾貞?yīng)解決有源射頻標(biāo)簽的功能跟性能之間的沖突問題。有源射頻標(biāo)簽的省電模式滲透至標(biāo)簽的器件選擇、電池選用、工作方式設(shè)計、電路設(shè)計、軟件設(shè)計以及制造工藝等各種方面。設(shè)計有源標(biāo)簽時，需要按照實(shí)際的應(yīng)用方式，設(shè)計出更合適的方案。在有源射頻標(biāo)簽省電模式的設(shè)計上，大都是功能與功耗的沖突，只有很合適的方案，沒有最優(yōu)的方案，這就必須設(shè)計者在充分探討應(yīng)用需求的前提下，給出一種最優(yōu)選的方案。
