一般來(lái)說(shuō)，完整的射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽,、射頻讀寫(xiě)設(shè)備及天線和后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,。根據(jù)射頻標(biāo)簽內(nèi)部是否有電池供電，可將射頻標(biāo)簽分為有源射頻標(biāo)簽和無(wú)源射頻標(biāo)簽,。
無(wú)源射頻標(biāo)簽內(nèi)部沒(méi)有電池供電,，依靠讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的電磁波來(lái)工作，因此傳輸距離較近,、抗干擾能力較差,、存儲(chǔ)空間小、功能單一，但是無(wú)源射頻標(biāo)簽不需要維護(hù),，使用簡(jiǎn)便,；有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部有電池供電，能夠依靠自身的能量發(fā)射信號(hào),，因此傳輸距離較遠(yuǎn),、抗干擾能力較強(qiáng)、存儲(chǔ)空間較大,，還可以與傳感器結(jié)合起來(lái),，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)部電池電量的消耗,，需要定期地更換電池或者充電,，這給有源射頻標(biāo)簽的使用帶來(lái)了新的課題，即如何延長(zhǎng)有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部電池的單次放電壽命,。
傳統(tǒng)的有源標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽主要由3部分構(gòu)成,，分別是甚高頻射頻電路,、單片機(jī)系統(tǒng)和電池,。單片機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)的電流一般為微安級(jí)，甚高頻射頻電路工作時(shí)的電流一般為毫安級(jí),。為了降低有源射頻標(biāo)簽的平均功耗,，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(shí)間自動(dòng)“蘇醒”，然后監(jiān)聽(tīng)是否有數(shù)據(jù)包接收到,。如果沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包,，則進(jìn)入省電的“睡眠”狀態(tài)；如果接收到數(shù)據(jù)包,，則進(jìn)入數(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)束后進(jìn)入省電的“睡眠”狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的標(biāo)簽再間隔一段時(shí)間又自動(dòng)“蘇醒”,，重復(fù)上面的工作,，如此周而復(fù)始的循環(huán)，達(dá)到節(jié)省電能的目的,。
采用這種省電機(jī)制的有源射頻標(biāo)簽,，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，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)束到下次“蘇醒”開(kāi)始的時(shí)間間隔叫做“睡眠周期”,，將一次“睡眠”的結(jié)束到下次“睡眠”開(kāi)始的時(shí)間間隔叫做“蘇醒周期”。因此,，可以看做這種有源射頻標(biāo)簽的狀態(tài)是處于“睡眠周期”和“蘇醒周期”周而復(fù)始的循環(huán),。“睡眠周期”和“蘇醒周期”的長(zhǎng)度是標(biāo)簽出廠時(shí)，單片機(jī)中程序設(shè)定好的,。
如果睡眠深度過(guò)小,，射頻標(biāo)簽將頻繁地“蘇醒”，而大多數(shù)的“蘇醒”周期并沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包,，這些“蘇醒”過(guò)程中使用的能量做了無(wú)用功,，標(biāo)簽功耗將增大，不利于標(biāo)簽的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì),；如果睡眠深度過(guò)大,，標(biāo)簽的響應(yīng)時(shí)間以及多標(biāo)簽識(shí)別能力將大大折扣，標(biāo)簽不能應(yīng)用在需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合,，例如車(chē)輛標(biāo)簽快速經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器的場(chǎng)合,。因此，傳統(tǒng)有源射頻標(biāo)簽省電機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是,，在特定應(yīng)用場(chǎng)合中應(yīng)該尋找到一個(gè)適當(dāng)?shù)乃呱疃取?/p>
雙頻有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)
如何使有源射頻標(biāo)簽在標(biāo)簽使用頻度高的時(shí)候自動(dòng)降低睡眠深度,，而在使用頻度低的時(shí)候自動(dòng)提高睡眠深度，以達(dá)到電能消耗絕無(wú)浪費(fèi)呢,？為了使射頻標(biāo)簽的睡眠深度能夠根據(jù)使用頻度的變化而自動(dòng)變化,，當(dāng)不需要蘇醒時(shí)絕不蘇醒，當(dāng)需要蘇醒時(shí)快速蘇醒,，需要在傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽的硬件電路上作以改動(dòng),，加上低頻激勵(lì)電路。與此同時(shí),，在雙頻有源射頻識(shí)別系統(tǒng)中,，引入了另一個(gè)射頻讀寫(xiě)設(shè)備—激勵(lì)器，如圖３,。
１,、雙頻有源標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)
雙頻有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部由甚高頻射頻電路、低頻激勵(lì)電路,、單片機(jī)系統(tǒng)以及電池組成,，與傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽相比，增加了低頻激勵(lì)電路,，帶來(lái)的好處是有源射頻標(biāo)簽可以“深度睡眠”,，不用頻繁的“蘇醒”,，白白消耗電能。平時(shí)沒(méi)有外界操作時(shí),，射頻標(biāo)簽處于“休眠狀態(tài)”,，甚高頻射頻電路全部關(guān)閉，基本上不消耗電能,；低頻激勵(lì)電路處于接收狀態(tài),，無(wú)線鏈路以“變壓器”模型來(lái)工作，僅需要少量能量消耗,；單片機(jī)處于低功耗工作狀態(tài),，僅接收來(lái)自低頻電路的中斷信號(hào)。
當(dāng)?shù)皖l激勵(lì)電路接收到來(lái)自激勵(lì)器的激勵(lì)信號(hào)時(shí),，甚高頻電路進(jìn)入工作狀態(tài),，等待讀寫(xiě)器對(duì)它的操作，超時(shí)后回到“休眠狀態(tài)”,。這樣,，射頻標(biāo)簽在沒(méi)有激勵(lì)器的場(chǎng)合，不會(huì)蘇醒,，白白浪費(fèi)電能,。
當(dāng)?shù)皖l記錄電路沒(méi)有接收到激勵(lì)信號(hào)，甚高頻電路不會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài),，不會(huì)對(duì)來(lái)自外界的讀寫(xiě)器信號(hào)進(jìn)行響應(yīng),，這種標(biāo)簽具有比較復(fù)雜的使用機(jī)制。
２,、雙頻有源射頻標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)
為了更加清楚地描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的工作過(guò)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(tīng)”；具有兩種工作狀態(tài),，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(tīng)”，“休眠”狀態(tài)須通過(guò)激勵(lì)器激勵(lì)后進(jìn)入待命狀態(tài),，再接受讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)器命令,。工作于“偵聽(tīng)”狀態(tài)下的有源標(biāo)簽，類(lèi)似于傳統(tǒng)意義上的有源標(biāo)簽,，甚高頻射頻電路周期性的“蘇醒”,，監(jiān)聽(tīng)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)指令。標(biāo)簽的省電常態(tài)可以根據(jù)需要由讀寫(xiě)器通過(guò)標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行設(shè)置,。
３,、雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用模式
雙頻有源射頻標(biāo)簽有兩種不同的使用模式,，一是“偵聽(tīng)”模式。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制低頻激勵(lì)電路關(guān)閉時(shí),，雙頻有源射頻標(biāo)簽就變成了傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽,，不需要激勵(lì)器配合，可直接工作,，這種使用模式與傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽類(lèi)似,。另外一種工作模式是“休眠”模式，這種工作模式需要激勵(lì)器來(lái)配合完成,，不僅具有傳統(tǒng)的標(biāo)簽識(shí)讀功能,，還具有激勵(lì)器定位功能。下面以高速公路收費(fèi)系統(tǒng)為例,，描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的使用模式,。
共有6條高速公路收費(fèi)車(chē)道，每個(gè)收費(fèi)口布置一臺(tái)激勵(lì)器,，6條車(chē)道共用一臺(tái)讀寫(xiě)器,。當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的C06號(hào)汽車(chē)經(jīng)過(guò)車(chē)道2收費(fèi)口時(shí)，車(chē)上的射頻標(biāo)簽被車(chē)道2上的激勵(lì)器所激活,，主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包聯(lián)絡(luò)附近的讀寫(xiě)器,，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費(fèi)過(guò)程,。這時(shí),，讀寫(xiě)器通過(guò)標(biāo)簽發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包以及射頻標(biāo)簽與車(chē)輛的綁定關(guān)系，不僅能知道哪輛車(chē)經(jīng)過(guò)了收費(fèi)口,，還能通過(guò)發(fā)來(lái)的激勵(lì)器ID號(hào)知道經(jīng)過(guò)了哪個(gè)車(chē)道,，具有車(chē)道定位功能。
簡(jiǎn)約功能低功耗設(shè)計(jì)
為了降低有源射頻標(biāo)簽的功耗,，需要精確地知道射頻標(biāo)簽什么時(shí)候應(yīng)該“蘇醒”,，什么時(shí)候不應(yīng)該“蘇醒”，為了精確地把握這個(gè)蘇醒的時(shí)機(jī),，就需要增加額外的硬件電路和復(fù)雜算法,，從而額外的增加了電能開(kāi)銷(xiāo)。
于是,，有人逆著這條思路,，將有源射頻標(biāo)簽的功能簡(jiǎn)約化，將甚高頻射頻電路芯片換為簡(jiǎn)單的“只發(fā)不收”的芯片,，將功能較強(qiáng)大的單片機(jī)芯片換為功能最簡(jiǎn)單存儲(chǔ)空間最小的單片機(jī),，這樣就形成了小容量只讀有源射頻標(biāo)簽。這種有源射頻標(biāo)簽功能非常簡(jiǎn)單,，單片機(jī)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)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(méi)有復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，不監(jiān)聽(tīng)外部的讀寫(xiě)信號(hào),，平均功耗也可以得到控制,。
芯片選擇及電路設(shè)計(jì)
在電路設(shè)計(jì)中，如果芯片的工作電壓與電池的放電電壓不一致,，就需要電壓轉(zhuǎn)換電路來(lái)進(jìn)行匹配,。但是電壓在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中都要損失一部分電能，為了省電,，宜選擇標(biāo)稱(chēng)電壓與電池的標(biāo)稱(chēng)電壓一致的芯片,，這樣可以省掉電壓轉(zhuǎn)換電路自身的電能消耗。
在單片機(jī)的選擇上,，隨著越來(lái)越多的芯片廠家推出了超低功耗的產(chǎn)品,，單片機(jī)的選擇度也越來(lái)越大。例如Microchip公司的PIC系統(tǒng),，Texas Instruments公司的MSP430系統(tǒng)以及臺(tái)灣一些廠家的產(chǎn)品,。
電路設(shè)計(jì)中，盡量設(shè)計(jì)可由單片機(jī)控制的關(guān)斷電路,，當(dāng)部分電路不需要工作時(shí),，可停止對(duì)其供電，消除待機(jī)電能消耗,。
在有些條件允許的情況下,，可以考慮給安裝在露天的有源射頻標(biāo)簽加裝太陽(yáng)能電池板，以及時(shí)給有源射頻標(biāo)簽補(bǔ)充能量,。
軟件設(shè)計(jì)
有源射頻標(biāo)簽中,，電能和存儲(chǔ)空間都很有限，過(guò)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(huì)增加標(biāo)簽和讀寫(xiě)器空中通信的數(shù)據(jù)量。因此,，在軟件的設(shè)計(jì)上，盡量減少空中通信次數(shù),，盡量協(xié)議編碼技術(shù),，減少通信信息流量，這些都沒(méi)有絕對(duì)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(shí)別技術(shù)在我國(guó)的興起，有源射頻標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越寬,，不可避免地要解決有源射頻標(biāo)簽的功能和功耗之間的矛盾問(wèn)題,。有源射頻標(biāo)簽的省電機(jī)制滲透到標(biāo)簽的器件選擇,、電池選擇、工作模式設(shè)計(jì),、電路設(shè)計(jì),、軟件設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝等諸多方面。設(shè)計(jì)有源標(biāo)簽時(shí),，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用模式,，設(shè)計(jì)出最適合的方案。在有源射頻標(biāo)簽省電機(jī)制的設(shè)計(jì)上,，大都是功能與功耗的矛盾,，只有最適合的方案，沒(méi)有最優(yōu)的方案,，這就需要設(shè)計(jì)者在充分分析應(yīng)用需求的前提下,，給出一種最優(yōu)選的方案。