RFID有源电子标签节能技术研究*

马 睿，徐广伟，漆骏锋，曾晓福

(成都三零瑞通移动通信有限公司，四川成都610005)

0 引言

RFID电子标签分为无源电子标签和有源电子标签，RFID无源电子标签是利用RFID阅读器读取电子标签信息时，由RFID阅读器发送的载波信息向电子标签提供能量;而RFID有源电子标签是内部自带电池，由电池向电子标签提供能量。

RFID有源电子标签以主动式工作为主，即电子标签内部电池提供向外发送射频信息消耗能量。

在RFID电子标签的应用中，电子标签通常需与管控对象进行关联绑定，记录管控对象属性，作为管控对象的电子身份证。而电子标签的封装通常设计为一次性标签，由于RFID有源电子标签自带电池，因而RFID有源电子标签是有一定的使用寿命，即使标签改用可更换电池封装，也十分不便。所以，对应用而言，RFID有源电子标签低功耗设计的好坏，直接影响应用的成败。

1 常规节能技术分析

目前，RFID有源电子标签常规的低功耗设计，在硬件方面，通过对芯片选型、电路优化减少能耗，达到低功耗目的［1］;在应用方面，通常采用改变RFID有源电子标签的工作模式［2］，即在休眠和工作两种模式之间进行切换，RFID有源电子标签在工作状态下，开启标签的射频电路，可以向外发送标签射频信息;在休眠状态下，标签的射频发送电路，不向外发送射频信息以实现节能目的。

通过改变RFID有源电子标签的工作模式来解决功耗问题，存在如下弊端:

1)需要借助于RFID阅读器下发休眠/唤醒指令，RFID有源电子标签根据接收的指令，进入休眠或工作模式。

2)RFID有源电子标签并没有关闭射频的接收电路，需要接收RFID阅读器下发指令，同样消耗标签电池能量。

3)对RFID有源电子标签需要具有半双工/双工通信能力，增加电路设计复杂度，违背低功耗设计原则。

4)在RFID有源电子标签的实际应用中，比如库房重要物品的管理，需要及时了解物品在管控区域［3］的当前状态，如果RFID有源电子标签进入到休眠模式，一直不向外发送射频信号，管理系统就无法获得电子标签代表的物品信息;另外如果收到其他阅读器的信息，RFID有源电子标签就进入到工作状态，给应用部署带来不便。

2 节能新技术

针对常规RFID有源电子标签的低功耗设计弊端，文中提出一种新的解决方法，其关键点是:

1)在不改变RFID有源电子标签低功耗硬件设计原则的基础上，对RFID有源电子标签增加一个低频接收电路，可一直接收低频信号(功耗非常低)，RFID有源电子标签变为双频标签(低频+标签射频本身频率)。

2)增加一个感应器(低频)，感应器部署在应用场景的出入口，可近距离向外发送低频信号。RFID有源电子标签接收到感应器发送的低频信号后，可改变标签的工作模式，在休眠模式和工作模式之间进行转换。

3)对不同的应用场景，对RFID有源电子标签设置不同的休眠策略(休眠时间)，如库房中的重要物品的RFID有源电子标签，可采取延长发送射频信号时间间隔休眠策略，减少发送射频信号能量;比如办公场所人员管理，可设置下班时间后一直不工作休眠策略，节省RFID有源电子标签的能耗。

新解决方法的优点是:RFID有源电子标签的工作模式转换，与RFID阅读器无关，标签也可设计为单向通信(向外发送射频信息，无需接收电路)，在标签内按应用场景设置休眠策略。

3 新技术应用

采用文中提出的RFID有源电子标签节能新技术，可应用于重要物品管控系统。利用安装在管控区域出入口的低频感应器来切换RFID有源电子标签的工作模式，其技术关键点是能精确判定RFID有源电子标签进出管控区域出入口的方向和利用设置不同的休眠时间策略来控制RFID电子标签的射频发射。下面就以库房管理为例，说明进出库房的判定和休眠时间策略设置方法。

(1)进出管控区出入口的方向判定

图1中假设为某一库房的应用场景，在库房大门内、外分别安装感应器(库房外感应器内部存放ID=1，库房外感应器内部存放ID=2)，感应器可向外近距离发送低频信号(包含ID号信息)。

图1 进出库房门口的方向判定部署示意Fig.1 Import warehouse door direction determining deployment diagram

第一种情况是:RFID有源电子标进入库房:

首先:当RFID有源电子标签经过库房外感应器时，接收到感应器发送的低频信号，获得感应器的ID号(ID=1);

其次:当RFID有源电子标签经过库房内感应器时，接收到感应器发送的低频信号，获得感应器的ID号(ID=2);

其三:RFID有源电子标签对两次分别读取到的库房外、库房内感应器的ID进行比较后，判定RFID有源电子标签是进入库房;

其四:根据RFID有源电子标签存储的进入库房的休眠策略，唤醒 RFID有源电子标签，开启RFID有源电子标签内自身射频发射电路，向外发送信息;

第二种情况是:RFID有源电子标离开库房:

首先:当RFID有源电子标签经过库房内感应器时，接收到感应器发送的低频信号，获得感应器ID号(ID=2);

其次:当RFID有源电子标签经过库房外感应器时，接收到感应器发送的低频信号，获得感应器ID号(ID=1);

其三:RFID有源电子标签对两次读取到的库房内、库房外感应器的ID进行比较后，判定RFID有源电子标签是离开库房;

其四:根据RFID有源电子标签存储的离开库房休眠策略，催眠RFID有源电子标签进入休眠，关闭RFID有源电子标签内自身射频发射电路，停止向外发送信息。

(2)休眠时间策略设置

根据新的节能技术原理，当物品停留在库房外(不含使用物品的区域)，可设置物品上附着的RFID有源电子标签保持休眠状态;当物品在使用期间(工作场所等部位)，可设置RFID有源电子标签保持正常工作状态(一定时间间隔连续向外发送射频信号);当物品进入库房后(物品的大部分时间是闲置于库房)，如果物品保持RFID有源电子标签一直处于工作状态，耗电很大，影响电池使用寿命，因而就可以设置电子标签的射频发射时间间隔增长的休眠策略，也可更为精细设置休眠时间间隔，比如刚进入库房的开始一段时间内，电子标签的射频发射时间间隔设置较小，随着搁置时间的推移，逐步延长发射的时间间隔，直到达到一定的间隔时间;也可设置成白天、夜晚不同的时间间隔。

在不同的应用中，可根据场景部署和应用特点的不同，设置RFID有源电子标签不同的休眠时间策略，控制电子标签射频电路的工作时间，从而达到节能目的。

4 技术实现

在重要物品管控系统中，与新节能技术相关的产品主要是感应器和RFID有源电子标签。

4.1 感应器

主要功能:可配置感应器自身ID号，通过低频信号，近距离(1～2 m)向外发送ID号。

组成框图:组成框图如图2所示。

图2 感应器组成框Fig.2 Sensor composition diagram

软件架构:软件架构如图3所示。

图3 软件系统框架Fig.3 Software system framework

软件架构分为:硬件驱动层和控制层。

硬件驱动层:负责对硬件的控制，包括低频模块驱动和MCU配置。

控制层:根据接收到的消息，调用驱动层，实现软件功能，包括I/O控制、电量管理、ID设置和低频控制。

4.2 有源电子标签

主要功能:近距离接收感应器低频信号，获得感应器ID;通过感应器(ID)位置，结合休眠时间策略，转换电子标签工作模式;可配置标签自身ID号;通过电子标签的射频信号，远距离(50 m以外)向外发送电子标签ID号。

组成框图:组成框图如图4所示。

图4 有源电子标签组成框Fig.4 Block diagram of active RFID tag

RFID有源电子标签的组成主要由MCU控制芯片(MCU)、射频模块、低频模块、匹配网络和电池等组成，元器件选择低功耗控制芯片及射频芯片［4－5］。

软件架构:软件架构如图5所示。

图5 RFID有源电子标签软件架构示意Fig.5 Schematic diagram of active RFID tag software architecture

软件架构分为:硬件驱动层和控制层。

硬件驱动层:负责对硬件的控制，包括射频模块驱动、低频模块驱动和MCU配置三部分。

控制层:根据接收到的消息，调用驱动层，实现软件功能，包括射频控制、休眠策略、功耗管理、ID设置和低频控制五部分。

5 节能分析

有源电子标签通过射频电路向外发射信号的工作示意图如图6所示。

图6 有源电子标签工作示意Fig.6 Schematic diagram of active electronic tags

从图6可以看出，有源电子标签工作一个周期由射频电路工作时间和射频电路不工作时间两部分组成。

在技术实现过程中，有源电子标签设计采用的MCU芯片为 PIC18LF24K22，射频芯片为NRF24L01P，低频接收芯片为AS3932。根据实测有源电子标签在射频电路不工作时的电流为7 μs，射频电路开始工作时的电流为3 mA，射频电路工作最大电流为15 mA。从而可以看出，有源电子标签电能消耗主要集中在射频电路工作期间，发射时间越长，消耗能量越大。因而在硬件电路确定的情况下，通常采用压缩发射时间，达到节能目的，实现电池使用寿命。而文中介绍的新节能技术，是在以上基础上，通过感应器控制减少有源电子标签的射频发射电路的工作次数，实现节能目的。

假如有源电子标签的正常工作时间内，发射频率为1次/秒，可计算出每天电子标签发射次数为:24×60×60=86 400次。

在采用新节能技术的重要物品管控系统中，当物品进入库房后，设置的休眠策略是发射频率为0.1 次/秒。

如果物品的有源电子标签按在上班期间发射频率为1次/秒，下班后存放库房期间发射频率为0.1次/秒计算，其有源电子标签发射次数为:

8×60×60+16×60×60/10=34 560次，减少发射次数为51 840次，可节约60%的电能。

同理按以上办法计算，如果物品一直存放在库房，一天可节约90%的电能。

通过以上计算分析得出，有源电子标签的使用寿命与在采用新节能技术后，与使用场景和休眠策略密切相关。但可以明确的是，减少有源电子标签向外发射次数，是可以延长电子标签的使用寿命。

6 结语

RFID有源电子标签可采取不同的封装形式，广泛应用于物品、人员、车辆等管控系统，但RFID有源电子标签的电池使用寿命在应用中起到重要作用，文中介绍了一种新的RFID有源电子标签节能技术的解决办法，并通过了相关产品研制验证新技术实现的可行性和可应用于实际的RFID应用中。由于本节能技术产生的节能效果与应用场景和RFID有源电子标签的休眠策略有关，虽然没能得出有源电子标签采用新技术后，延长电池使用寿命的具体数据，但通过节能分析可得出，本新技术应用于RFID有源电子标签的节能设计，可行之有效的延长电子标签使用寿命。

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