智能电子标签系统的制作方法

专利名称：智能电子标签系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线微功率通信技术，以及使用电池驱动的无线微功 率通信设备的节电技术。
背景技术：
现有的电子标签主要用于对管理对象的身份识别，而现有的有源 电子标签，主要用于对人，物和车辆等目标的远距离身份识别和管理。 它的基本工作方法是，通过射频通信的方式，读取被识别目标身上的 电子标签编码号，与预先储存在计算机数据库中有关资料的编号进行 对比，来对目标进行识别管理的，因而，这种技术的应用，必须要和计算机中相关数据库相连接；而远距离电子标签，又分主动式和被动式两种其中，远距离被动式电子标签(标签不能主动发送信号)不仅读 写器系统复杂，造价昂贵，而且读写器一般都要有一个固定的安装位 置，这往往需要通过架设一个固定的门形框架，将大功率的天线设备 安装在上面，同时，还必须要限制天线和电子标签安装的相对髙度和 左右位置，限制被识别目标通过门型框架的速度等，因而，对那些不 能简单通过固定门架，来进行读写识别的被识别目标的管理，就无法 发挥作用，例如，对高速移动车辆的识别管理，对船舱中，码头货场 中的货柜的管理等。主动式电子标签，尽管在对目标的识别距离上，大大优于被动式 电子标签，然而，由于主动式电子标签需要使用电池驱动，因而，必 然要面对如何延长标签中电池使用寿命的问题。现有主动式电子标 签， 一般采用如下两种解决办法来延长电池使用寿命一.使用检波电路检测到唤醒信号后，启动通信收发机中的晶 振，频综以及低噪声放大器等，使收发机进入可收发信号的状态。尽 管在检波电路检测到唤醒信号前，系统并不耗电，然而，由于检波电路所能检测到的信号的强弱，取决于检波电路的检测灵敏度，而这个 灵敏度往往非常低，因而，要通过这种方法来唤醒收发机，使其进入 工作状态，唤醒装置离开唤醒对象(这里就是有源电子标签)的距离 就很近，为了增加唤醒距离，往往只能加大唤醒装置的信号发射功率， 尽可能增大唤醒装置的天线增益(这就意味着增加唤醒天线的方向 性)。然而，天线增益的增加又有一定的限制，而通过提高功率来增 加唤醒距离代价太大。要想通过增加发射功率的方法，来将唤醒距离提高10倍，例如，将唤醒距离从0.2米，提高到2米，在理想情况 下，唤醒信号发射机的发射功率就需要增大100倍，实际上，由于传 输环境的影响，实际所需的发射功率，将远远超过这个倍数，达到几 百倍甚至上千倍。显然、使用增大发射功率的办法来增加唤醒距离非 常困难。因而，采用检波电路唤醒工作方式的有源电子标签，不仅读 写距离有限，设备的体积很大，使用缺乏灵活性，而且系统成本也高， 应用范围自然也就受到限制。二，电子标签采用周期性主动发射白己身份码信息的工作的方 式，来达到延长电池使用寿命的方法。即预先通过时钟设置，每隔一 定的时间间隔(例如1秒，5秒或10分钟)启动电子标签中的晶振 和频综，使电子标签工作一个短时间，例如，发射一定长度的数据包 信息，然后再进入睡眠状态，这就减小了系统工作的占空比，从而达 到延长电池使用寿命的目的。使用这种方法存在的问题是无论主机 是否需要读取电子标签的信息，或向电子标签写入信息，电子标签都 将按照预先设定的工作方式，和工作时间进行工作，主机没法主动要 求电子标签改变工作方式，例如，要求电子标签改变苏醒频率，縮短 苏醒后的工作时间，只在需要它传输数据时，才临时延长工作时间， 或要求电子标签在一段时间内，完全不发送信息等。其结果，功耗自 然就消耗的多，电子标签电池的使用寿命也就短；此外，由于现有电 子标签所采用的一般低频窄带通信方式，通信速率较低，抗干扰能力 差，因而误码率相对较高， 一个数据包重传多次的情况并不少见，这 就要求苏醒后的工作时间要长，这也就增加了电池的消耗。另外，采用窄带一般无线通信方式的主动式电子标签系统，很容 易受到外界的干扰，而且，由于温度变化，晶振自身老化造成的晶振工作频率的偏差，以及可能存在的多径效应，多普勒效应等，都将使系统工作的可靠性和稳定性受到很大的影响，特别是在那些干扰较大 的工业现场，以及被识别目标处于快速移动状态的应用场合。综上所述，现有的远距离电子标签系统，基本上都限于读写器对 远距离目标的身份编码的识别，再对照计算机数据库中的对应数据， 来实现对被识别目标的管理，它们的工作方式单一，不涉及读写器和 电子标签之间，根据实际不同应用需要所进行的互动，这包括电子标 签标签根据读写器所发出的不同指令，采取不同的工作方式，例如， 改变自身的工作状态，调整自己的发射功率和接收灵敏度，改变自己 的通信频道或信道，改变自身睡眠时间和苏醒周期等等，因而，它们 很难实现对被识别目标的灵活管理，从而也就限制了它们的应用范 围，而且，在远距离目标的身份识别管理方面，还受到标签电池使用 寿命的很大制约，以及采用窄带一般通信方式所带来的环境干扰，以 及工作稳定性和可靠性等问题的困扰。发明内容本发明所要解决的技术问题，就是针对现有远距离电子标签技术 所存在的缺陷，提供了一种低成本智能电子标签管理系统(以后简称 本系统)，它由智能电子标签(以后简智能标签)，智能标签读写器(以后简称读写器)和控制计算机组成；本系统不仅具有更大的可调整的 读写识别范围(从O.l米到200米)；更重要的是，本系统中的智能 标签和读写器，尺寸和功耗都非常小，它们各自都可由自身所带的单 片机控制，它们之间，具有灵活互动的功能。智能标签平常处于一种 长时间睡眠，周期性苏醒后工作一瞬间的工作方式，来达到省电的目 的；而读写器通连续地重复发送同一个短信息指令的方式，抓住智能 标签苏醒的瞬间，与之建立起通信联系，并通过无线指令，根据实际 应用的需要，灵活地更改智能标签的工作方式，进行互动。通过这种 互动，不仅大大提高了系统工作的灵活性和适应性，扩展了系统的应 用空间，同时，还降低了电池的消耗，延长了电池的使用寿命；本系 统还通过采用直序扩频的通信方式，大大改善了现有远距离电子标签 所面临的环境干扰问题，工作可靠性和稳定性问题，并通过直序扩频的信噪比增益，大大地降低了系统的功耗，达到提高电池使用寿命的目的。木发明釆用的技术方案本发明采用的技术方案是，利用当今最新的高度集成的射频技术， 使用低成本，低功耗的微功率单芯片无线收发机，以及低功耗单片机， 分别制成智能标签和读写器，利用两个独立的微功率收发机之间的通 信，低成本地实现读写器对被识别目标的远距离识别和管理，并利用 智能标签长期处于睡眠状态，周期性苏醒后工作一瞬间的工作方式(而在这一瞬间，智能标签将先启动低功耗低噪声放大器，然后使用 检波电路检测唤醒信号，在接收到唤醒信号后，再启动晶振和频综，使智能标签进入可与读写器进行通信的工作状态；或直接启动包括晶 振和频综在内的整个收发机工作系统，从而直接进入可与读写器进行 通信的工作状态)，以及读写器与智能标签之间，根据实际应用需要 进行的互动，调整它们各自的工作状态和工作方式，来满足实际应用 所需的，围绕身份识别的其它多种管理功能的要求，以及智能标签作 为被识别目标标签应有的，长的电池使用寿命的要求。系统结构本发明系统主要包括三个部分智能标签，读写器和与读写器相 连的控制计算机。这里所指的计算机，是指可以对来自电子标签数 据信息进行处理和储存的一般PC机,也可以是具有相同功能的单片机，还可以是读写器本身自带的，可以承担相同数据处理和储存工作的单片机；如果我们将这里的读写器进一步细分，还可分为需要 对智能标签数据进行处理，因而必须要与计算机直接相连接的读写 器，和不需要对数据进行处理，因而，可以不与计算机直接线联接， 而独立工作的读写器；后者，我们又可以称之为信号机。此外，智 能标签和读写器，都是由髙度集成的微功率单芯片无线收发机和单 片机制成，单芯片收发机还可有一个全世界独一无二的厂家编号(烧 录在芯片中)，必要时，根据具体应用的需要，智能标签和读写器， 还可以具有信号接收强度指示功能(RSSI)。为了降低功耗，增强系 统抗干扰的能力和系统工作的可靠性，稳定性和安全性，建议系统所使用的单芯片微功率无线收发机，采用直序频通信技术。为了使用方便，建议系统使用国际通用的ISM免费频段。 系统工作原理本系统是利用两个独立的无线微功率收发机之间的通信，低成本地实现读写器对被识别目标的远距离识别；并利用智能标签长期处于 睡眠状态，周期性苏醒后工作一瞬间，而读写器通过在一段时间内， 连续重复地向智能标签发送短信号的方式，抓住智能标签苏醒后的瞬 间，与之建立起通信联系的工作方式(一般情况下，在这苏醒后一瞬 间，智能标签处于监听接收信号的状态)，来更改智能标签的工作模 式。(参见图l)以满足实际应用所需的，围绕身份识别和管理的其 它多种功能的要求，和智能t示签作为被识别目标标签应该具有的，长 的电池使用寿命的要求。系统中读写器的作用， 一方面是与智能标签通信，包括向其发送 各种信息和工作指令，更改智能标签的设置，将来自智能标签的信 息传给控制计算机等，另一方面，与计算机直接相连的读写器，还 可利用控制计算机对所接收到的信息加以处理，并向智能标签返还 新的信息指令。系统中智能标签的作用是使用不同节电工作方式，向读写器传 递包括自身身份码在内的相关信息，以及其它来自与智能标签相联 结的远端设备的信息，接收来自读写器的信息和指令，并根据读写 器的信息指令，调整自身的工作状态和工作方式，或指挥控制与智 能标签相联结的远端设备的工作。系统通过读写器在一段时间内， 连续重复地向智能标签发送短信号的方式，抓住智能标签苏醒的瞬 间，与之建立起通信联系，来实现以上功能。智能标签的身份码信息，可以是原厂家的编号，也可以是用户根 据自己需要，重新编的号；智能标签典型的工作方式是周期性苏 醒，短暂工作一瞬间，在这一瞬间中，智能标签可以是监听接收信 号的状态，也可以是发射信号的状态，或者是两者的组合。例如， 它可以是直接向外发送包括自身身份码信息的状态，也可以是在发 送完信息后立即进入等待接收读写器的信息指令的状态，或在这一瞬间中直接进入接收状态，以监听接收来自读写器的唤醒信号或指 令信息的状态，并在收到指令信息后采取相应动作。在没有接收到 唤醒信号或指令信息时，智能标签将立即进入长时间睡眠，周期性 苏醒一瞬间的工作方式；智能标签的这种周期性苏醒，短暂工作一 瞬间的工作方式，和智能标签接收和发射时所使用的频道或信道， 发射功率，接收灵敏度，睡眠苏醒周期，以及其它可由单片机控制 的工作参数和工作方式，都可以通过读写器的无线指令，或自身所 带控制单片机的中断信号来加以改变。智能标签可以从一种工作状 态转换为另一种工作状态，例如从小的发射功率转换为大的发射功 率，从无限期睡眠状态转换为定时苏醒后工作一瞬间的方式，或从 一个无线通信信道转换为另一个信道等等。.......以身份识别为主的智能标签的应用，往往真正需要工作的机会非 常少，每次工作所需的时间也很短暂，因而，尽管采用周期性苏醒， 短暂工作一瞬间的方式工作，已经大大延长了智能标签电池的使用 寿命，然而，在许多实际应用场合，长的电池使用寿命，具有非常 重要的意义，甚至是决定性的意义。在这里，我们根据实际应用的 需要，还采取如下几种方式，来进一步延长电池的使用寿命1， 在智能标签周期性苏醒后的一瞬间，并不启动晶振和频 综，而是采用检波电路检测唤醒信号，但是，在使用检波 电路检测唤醒信号以前，先启动一个低功耗的低噪声放大 器，将信号放大，以增加检波电路的检测灵敏度，从而增 大唤醒距离。当智能标签所检测到的相关信号强度值，没 有超过预先确定的值，则立即转入睡眠状态，直到下一次 苏醒；如果检测到的值，超过预先设定的值，则立即启动 晶振和频综，进入可以直接与读写器进行通信的工作状 态，如果启动晶振频综后，所接收到的信号，并非需要的 信号，而是其它干扰信号，则智能标签将立即转入长期睡 目民，周期性苏醒监听的状态。由于这种方式并不要求智能 标签在每次苏醒时，都要启动晶振频综，因而可以大大降 低电池的消耗，从而进一步延长了智能标签电池的使用寿 命。为了尽可能的避免因检测到其它干扰信号而将系统唤醒的情况，这个唤醒信号，还可以采用OOK的编码方式。 采用这种方法尽管在一定程度提高了智能标签的唤醒距 离，但在满足低功耗要求的条件下，采用低噪声放大器来 提高的智能标签唤醒距离的方式，能够增加的唤醒距离毕 竟非常有限。因而，这种节电工作方式，往往只能用于唤醒距离较近的应用场合。 2， 系统中智能标签在睡眠苏醒后一瞬间，将立即启动晶振和 频综，使其进入能够接收和发射信号的工作状态，但为了 尽量縮短这一瞬间的工作时间，我们采用如下的方法来确定这一瞬间工作时间的长度这一瞬间的时间长度，是按照智能标签，能够接收到这样一个短信息所需要的最短时间来确定的这个短信息只是一个超过预先设定的强度值 的RSSI信号，或者只是一个完整信息数据包中的一部分， 但它足以使智能标签知道，在它所监听的频道上，和在它 能够接收到信号的范围内，可能有无线收发机正在发射信 号，它需要暂时延长监听接收时间，以接收完整个信息数 据包，或者使它能够判定该数据包不是发给自己的数据 包；如果在这监听瞬间没有接收到任何信号，智能标签将 回到长时间睡眠，周期性苏醒后监听一瞬间的工作状态。 (参见图2)这样做可以减少智能标签工作时间的占空比，从而减少 电池的消耗；现有的单芯片无线微功率收发机，从耗电低于1微安的低功耗睡眠状态，转入晶振频综稳定，收发机 可发射或接收信号的状态，只需要几百个微秒。如果我们让智能标签睡眠5秒后，苏醒监听1-2毫秒，在这1-2毫 秒的时间之中，少部分时间用于稳定晶振和频综，其余时 间用于监听信号，这样一个智能标签的平均待机功耗仅只 有几个微安。而现有的许多微功率收发机，发射或接收完 一个完整的3个有效字节的数据包，仅只需要0.5亳秒左 右，假如我们的智能标签每天需要工作20次，每次发射一 个20个字节的数据包，其平均耗电量还不到0.02微安。这样， 一个容量为1200毫安时的纽扣电池，假如平均功耗 按照10微安计算，则理论上可使用22年；即使考虑电池 漏电，效率等其他因素， 一个一般智能标签电池的使用寿 命也在IO年以上。釆用这种方式，虽然启动晶振和频综需 要耗费更多的电流，但是，其接收信号的灵敏度将大大增 力口，因而唤醒距离也将大大增加。另外，由于智能标签的 这种状态，可以直接接收来自读写器的数字信息，因而， 当需要传输的数据信息包比较短，或工作方式变换要求比 较快的时候，智能标签苏醒后的瞬间，可以采用直接接收 信息数据包的方式。 3， 当智能标签主要当作一种远距离电子标签使用时，我们在 采用周期性睡眠，苏醒一瞬间以监听来自读写器的信号的 省电工作方式时，为了在苏醒监听一瞬间与智能标签建立 起通信联系，我们必须要让读写器连续不断地，重复地向 智能标签发送同一个短信息。由于读写器在一段较长的时 间内，连续的占用这个频道发送信息，这样，当智能标签 在接收到这个信号时，必须要等待读写器结束这个信号发 射状态，才能将信息通过这个读写器，返还给控制计算机。 为了免去这个等待时间，节省智能标签的耗电，同时，也 是为了加快智能标签对计算机控制信号的反应速度，我们 让智能标签在接收到来自读写器的信息后，立即跳转到另 外一个新频道，将自身身份码相关的信息，传回给另一个 与计算机相连接的，使用这个新频道，等待接收智能标签 信息的读写器，以便在尽可能短的时间内，完成与控制计 算机的通信。(参见图3)前面一个专门用于连续发射"唤 醒"信号的读写器往往不需要与一般的计算机相连接，它 实际上也就是一个前述的信号机，它一般独立工作，主要 用于向智能标签发送唤醒信号或信息指令。 4， 我们知道，当智能标签采用周期性睡眠，苏醒后监听一瞬 间的工作方式时，智能标签在一个周期中的睡眠时间越 长，智能标签耗电就越低，电池使用寿命也就越长，同时，智能标签对读写器发来的指令要求反应也就越慢；反之， 智能标签在一个周期中的睡眠时间越短，智能标签耗电就 越大，电池使用寿命也就越短，当然，智能标签对读写器 发来的指令要求的反应也就越快。而许多实际应用既要求 智能标签具有长的电池使用寿命，乂要求智能标签对读写 器发来的信息指令做出快速的响应，例如车辆路径跟踪识 别系统，目标分散的物流管理系统等。此时，不仅要求智 能标签具有长的电池使用寿命，而且要求智能标签能够在 车辆或货柜经过路径跟踪标识站点，或物流监控登记点的 很短时间内，完成与读写器的信息交流，而现有固定周期 的睡眠苏醒工作方式，显然不能满足这种要求。为此，本 系统的智能标签，还采用了一种变周期和变工作频道的节 电工作方式。即智能标签平常处于一种，长时间睡眠苏醒 后监听一瞬间的低功耗工作模式，只有当载有智能标签的 车辆或货柜，来到物流车辆跟踪标识站点，或物流监控登 记点前的有限时间内(或一定的距离范围内)，利用一个 或几个可对智能标签进行远距离读写的信号机，以一定的 方式(例如，让每一段连续发射短信息的时间，都超过智 能标签的睡眠周期)，周期性地连续重复地向智能标签发 射相同的短信息指令，要求智能标签将苏醒周期变短，或 直接进入可以与读写器随时进行通信的状态，以便智能标 签在经过这些跟踪站点，收费站，或物流监控登记点的有 限时间内，完成与读写器的信息交流，并在完成要求的信 息交流后，重新回到长时间睡眠，周期性苏醒后，使用原 有频道工作一瞬间的低功耗状态。(参见图4) 由于在许多应用场合，智能标签的工作方式具有一定的特 征，因而，可以因地制宜地采取相应的省电方式。例如， 当智能标签被用作为一般工作人员的无线身份卡或定位 卡时，我们可以将智能标签在人员下班后的非工作时间， 设置为休眠状态；当使用智能标签的被识别目标的工作方 式，具有某种特征时，我们可以让智能标签平常处于休眠状态，而幸需要智能标签工作时，通过某种传感器，或人 为地来激活智能标签，使其从休眠状态进入睡眠-周期性苏醒后工作一瞬间的状态；利用鼠标必须要操作人员的手掌来操作的特性，可使用电容传感器来激活计算机鼠标；对用于车辆行驶路径跟踪目的的智能标签，可采用在车辆 来到收费站，管理人员将智能标签交给驾驶员前，使用磁 铁和干簧管等来激活智能标签，并在车辆来到出口收费 站，读写器读取智能标签数据之后，重新让智能标签进入 睡眠状态的省电方法。......6， 在上述第二款的情况下，当有多个智能标签，同时接收到 信号机以广播的方式发来的指令后，为了尽可能避免出现 因多个智能标签，同时向同一个读写器返回信息而发生碰 撞的现象，我们可以根据智能标签的编号，或编号的部分 数字，例如末尾一位数字，预先规定智能标签使用不同的 时延向读写器返还信号。(参见图5)当然，在使用不同 延时返还信号的同时，还可利用智能标签的RSSI信号检 测功能，避免碰撞；如果智能标签的数目太多，仅仅依靠 一个读写器，没法在有限的时间内安排接收完所有的返还信号，还可以根据智能标签的编号，在使用多个频道返还 信号的同时，使用多个读写器在相应的频道上接收返还信 号。(参见图6)这里需要说明的是，智能标签睡眠苏醒后，在工作一瞬间监听接 收信号的状态中，究竟采用下面两种工作方式中的哪一种，取决于对 智能标签与读写器之间的通信距离要求，以及实际应用的具体环境条 件。 一种方式是仅只开启低噪声放大器，然后使用检波电路检测唤醒 信号；另一种方式是，开启包括晶振和频综在内的整个收发机电路， 使智能标签直接进入可与读写器进行通信的状态。本发明的有益效果是，它不仅有效和低成本地解决了，困扰现有 电子标签，对远距离目标进行识别和管理的诸多问题，而且还大大扩 展了它的应用范围。本系统结构简单，功能多样，保密性好，成本低, 使用灵活方便，技术成熟。本系统不需要昂贵和体积庞大的读写器和天线系统，也不需要对射频标签的安装位置，被识别目标移动速度等设置各种限制；也无一般窄带通信系统存在的环境干扰问题，工作可 靠性和稳定性问题，以及可能的多径效应和多普勒效应问题的困扰； 本发明不仅集远距离身份识别和对被识别目标的管理为一体，而且， 还可广泛用于对各种使用电池驱动和无线控制的，终端设备的监控管 理。本发明系统的智能标签的售价与现有远距离电子标签相当，而本 发明读写系统的价格还不到现有电子标签读写系统的十分之一。图示说明

图1读写器与智能标签通信方法示意2智能标签在监听到信号后延长接收时间示意3智能标签工作频道转换示意4信号机工作方式5不同编号的智能标签使用不同延时返还信号示意图 图6多个智能标签使用不同频道返还信号示意图具体实施方式
下面结合几种智能标签的典型应用方法，进一步说明本发明系统 所采用的技术方案-1.高速公路不停车收费管理(参见图4)假如进入高速公路的每一辆车，都随身携带了一个，插有已经经 过充值的IC卡的智能标签电子车牌。电子车牌平常处于低功耗的休 眠状态，此时，电子车牌的休眠电流为l微安左右。利用电子车牌自 身内部的时钟或看门狗计时，每隔5秒钟左右，启动电子车牌中的无 线微功率收发机，使其进入能够监听接收外来无线信号的工作状态， 这就需要首先启动无线收发机中的晶振和频综，使其进入稳定的工作 状态，这一般需要几百微秒，并使电子车牌维持这种监听接收状态2 毫秒左右，此时，电子车牌的工作电流一般为20毫安左右，整个电 子车牌的平均工作电流只有几个微安，在进入高速公路前，我们让电 予车牌在频道4上监听接收信号。为了保证电子车牌能够在经过进站口时，完成进入高速公路的登记，必要时包括对车辆牌照号及车型的自动识别和登记，进入高速公 路的车辆通过进站关卡时，速度应有一定的限制。
我们在高速公路的进口处适当位置，安装一个使用频道4发射信 号的信号机，这个信号机的信号覆盖范围，应尽可能覆盖包括收费站 在内的，进站口前的一个较大的范围，使进入高速公路的车辆，在进 入收费站读写器读写范围前，能有20秒左右的时间可与信号机进行 通信，以保证电子车牌能有多次机会(20/5 = 4次以上)，在苏醒监 听的瞬间，可以接收到信号机发来的信息指令。收费站进口处的信号 机，使用频道4，周期性的(连续发送6秒，处于接收或休息状态0.5 秒)，在6秒钟的发射期间内，信号机将向电子车牌重复发送同一个 短信息指令，这个短信息指令的数据包长度， 一般只有几个字节， 所需发射时间不到1亳秒，两个短信息之间的间歇时间为0.1毫秒， 接收到这个信息后，电子车牌将以一个更短的睡眠苏醒周期，例如 202亳秒(睡眠200毫秒，监听接收2毫秒)，在一个新的频道上(例 如频道5)监听接收信号。
另外，在收费站的适当位置，再安装第二个信号机和一个读写器， 第二个信号机和读写器对电子车牌的读写区域，将被限制在一定的范 围内，以便能够对不同的进站车辆，写入不同的数据资料，例如，车 牌号，车辆类型等。这第二个信号机，与第一个信号机一样，将使用 频道5向电子车牌，周期性地重复发送同一个短信息指令，只不过其
使用的周期和具体工作方式，将根据电子车牌新的工作状态加以调 整，例如连续发射2秒，处于接收或休息状态0.1秒。如果信号机发 射的信息指令比较长，而电子车牌又不能在这2毫秒的时间内，接收 完整个信息指令数据包，则电子车牌将自动延长接收时间，直到接收 完整个信息指令数据包。
读写器使用频道6工作，并始终处于接收状态，直到接收到电子 车牌返还的信号。这第二个信号机的信号覆盖范围与进口读写器的读 写范围大致相同， 一当电子车牌接收到来自第二个信号机的信号，电 子车牌将立即利用频道6向读写器发送信息，与之建立起通信关系， 并完成进入高速公路的登记。
在完成进口登记手续后，电子车牌将启动车载闪烁指示灯或鸣器，以显示本车已经完成进站登记手续，要求放行。读写器接收到电 子车牌的返还信息后，将通过进口处的计算机，通知进口管理控制中 心，该车已经完成进入高速公路的登记手续，同时，电子车牌也将跳
转到频道3上，进入5秒睡眠周期的低功耗监听接收信号状态，等待 接收其它信号机的信息，但一般不再接收处理该进口站的任何其它信 息。
在车辆行驶的整个里程中，如果所涉及的不同路段具有不同的权 益人，需要对车辆实际行驶路径进行跟踪识别时，我们将在每个需要 跟踪识别的路段安装一个信号机，这个信号机使用频道3，周期性的， 连续在6秒时间内，向电子车牌重复发送同一个，包括信号机所代表 的路段编号和时间的短信息，与进口处信号机不同的是，这个信号机 对电子车牌的写入距离可以达到500- 1000米(而一当电子车牌接收 到某个信号机的路段编号信息后，它将不再连续接收处理和记录来自 同一个编号的信号机的相同信息。假如车辆以每小时160公里的速度 经过信号机，即它经过该信号机时，电子车牌将至少有5次[500 x 2 /(160 x 1000 / 3600)/5 -4.5 ]苏醒后监听接收到来自该信号机信息的 机会。
如果控制管理中心，还需要及时了解车辆经过某个信号机位置的 时间，以便对车辆进行实时定位跟踪，速度检测或对车辆实际行驶路 径的记录进行备份，与进口处的情况一样，我们还需要在紧靠信号机 的位置，安装一台远距离读写器，其读些距离可达300米。这个读写 器往往需要通过有线或无线网络，与监控中心计算机相连接。这个读 写器将使用频道2等待接收电子车牌发来的身份码信息，并在收到信 息后，返回一个回执。此时，路段标识信号机发给电子车牌的短信息 中，还应包括更改频段和返还信息的指令。收到路段标识信号机的指 令后，电子车牌将使用频道2，间歇性的(例如每秒发送l次，每次 所需时间约为1毫秒)连续向外发送多次自身身份码信息的方式，或 发送一次信息后，紧接着在频道2上短暂监听一瞬间，等待接收读写 器收到信息的回执信号后，然后转到频道3上，进入5秒睡眠周期的 低功耗监听接收信号状态，等待接收其它信号机的信息。
当车辆驶近高速公路出口时，假如在接近收费站时的平均车速为80公里/小时(22米/秒)，则我们需要在来车方向距离收费站300米 左右的地方[300x2/22/5]-5.5 )，安装一个使用频道3发射信号 的信号机。这个信号机的信号覆盖半径为300米左右。这个信号机使 用频道3不断向电子车牌发送调整信号，要求电子车牌将睡眠周期改 变为1秒，同时将信号接收频道改为频道2。
在车辆驶近收费站读写器前，为了便于对可能闯关的车辆，或因 特殊原因没能完成电子收费手续的车辆进行拦截控制，收费关卡应对 过关车辆的速度加以控制，例如不大于30公里(8.3米/秒)。我们再 在距离收费站读写器约30米的地方，安装第二个信号机，这第二个 信号机将使用频道2，不断向电子车牌发送第二次调整信号，要求电 子车牌将接收频道改为频道l，睡眠周期更改为零，即始终处于接收 状态。这样，在车辆经过第二个信号机的信号覆盖范围，与收费站读 写器进行通信前，车载电子车牌将至少有8次(30 x 2 / 8.3 /1 = 7.2) 机会，接收到第二个信号机的指令信息，将自身调整到可直接与收费 站读写器通信的状态。这里需要说明的是，我们也可以只使用一个信 号机，将电子车牌直接调整到可与读写器进行通信的状态。
对于那些路过收费站路段，而并不准备出站的车辆，它们在行驶 经过该收费站附近的高速公路路段时，也可能会接收到第一个信号机 的信号，而更改自身的监听工作频率，但如果它们在一段规定的时间 内，在频道2上没有接收到任何信息指令，我们可以认为它们是路过 车辆而非出站的车辆，并自动转回频道3，进入5秒睡眠周期的低功 耗监听接收信号状态。在这里使用两个信号机的目的， 一方面是为了 区别出站车辆，和路过该收费站的车辆，另一方面，也是为了尽可能 地降低电子车牌的耗电。
为了避免读写器跨道读写，每个读写器的读写范围应控制在一定 的范围内，例如3-5米的范围。这样，当车辆以30公里的速度经过 收费关卡时，电子车牌将有1秒左右的时间，与读写器进行通信，这 就可以完成1万个字节左右的信息交换。读写器将有足够的时间，按 照电子车牌所记录的路径信息，对插入电子车牌的IC进行读写，完 成不停车收费过程。从而实现车辆的不停车收费。
如果，因某种原因，车辆经过读写器吋，没能完成这个电子交费过程，与读写器相连的计算机将启动前方报警拦截装置，包括地感线
圈拍照系统拍照，广播，报警以及其它拦截装置，使未缴费车辆进入 人工交费车道交费。
电子车牌完成自动交费后，又将回到5秒长睡眠周期，在频道4 接收信号的工作状态，并在一定的时间内，不接收处理该收费站进口 信号机发来的，与该收费站进口登记相关的信息。
另外，关于电子车牌，信号机以及读写器具体使用什麼频道接收 和发射信息，电于车牌睡眠周期长短的调整，应该完全按照实际应用 环境来进行。然而，不管进行怎样调整，在任何情况下都应遵循-
A在确保电子车牌能够完成与收费站读写器之间通信的同时，尽 可能在减小电子车牌的电耗；
B. 电子车牌工作频道的变化调整，必须与电子车牌紧随其后的通 信对象所使用的频道一致，同时，应避免电子车牌，信号机和 读写器之间可能出现的无线信号干扰。
C. 电子车牌的工作频道和睡眠周期的调整，仅仅是暂时的，并局 限在一定范围内。
2.电子车辆牌照(将智能电子标签用作为无线车辆牌照)
我们知道，要查明一辆车的真实身份，或了解一辆车的相关资料 是一件十分麻烦的事情，检查一辆车是否欠缴费用，是否克隆车等， 即使车辆处于静止状态，也决不是一件简单的事情。我们需要用人 工读出车上标签上的编码信息，再利用电话等无线通信手段，安排专
人利用电脑到数据库中去查对，这种做法既费时，又费力，而且往往 难以实施，特别是对行驶中的车辆而言。
使用本发明系统，就可以很容易解决这样的问题。我们只需在将 本发明的电子车牌，粘贴固定在每辆车的车窗角上，或仪表板上恰当 位置，电子车牌使用纽扣电池供电，我们可根据需要，让电子车牌采 用每隔3-5秒，醒来监听接收2毫秒的工作方式。电子车牌本身具 有一定的内存，并可根据具体使用的需要增加，从几K到几百K， 用于储存与车辆管理相关的各种资料。有了电子车牌，我们就可以采 用不同的方式来对车辆进行数字化管理了 -
第一种情况是对行驶中车辆牌照的管理-只需要在现有的公路收费站的电子车牌读写器中，增加读取与车 辆管理的有关内容即可。当然，也可在其它交通要道上的适当位置， 设置一个专门实施车辆牌照管理的检査站，只不过这个检査站平常并 不要求受检车辆停车检查而已。它的信号机和读写器的工作原理，与 —般收费站相似，只不过具体工作方式有所不同而已，例如信号机和 读写器的收发信号所使用的频道，以及睡眠周期的调整变化方式可能 不一样。
第二种情况是对非行驶状态的车辆牌照的管理
我们只需使用一个带显示的手持式读写器就可以了。此时，信号 机往往与读写器安装在一起。
当我们需要检査一辆车辆时，我们将首先根据受检车辆的位置， 按键调整我们读写器的读写范围和读写方向(实际上是调整读写器中 信号发射机的发射功率，和天线信号汇聚方向)，同时使用光标，在 手持读写器显示屏上选择读取内容。当我们按下手持式读写器检査键
时，读写器中的信号机，将根据所选择的读写内容，使用频道4，向
被检査车辆所载电子车牌，连续重复发送同一个短信息指令(每个短 信息的发射时间约为1毫秒左右，发送两个短信息之间的间歇时间为
0.2毫秒)，直到读写器收到电子车牌返还需要读取的信息。这里，电 子车牌在频道4接收到信号机的短信息指令后，将立即根据指令，使 用频道l，向读写器发送回相关信息，同时，电子车牌将以一个更短 的睡眠周期，例如1秒，在频道4上等待接收新的读写指令一段时间， 例如1分钟，然后，转入5秒的睡眠周期。
检察人员将根据这些基本信息，在手持式读写器数据库中查到更 多的相关信息后，对车辆迸行处理，或者将读取到的信息，通过无线 的方式(读写器所携带的远距离发射机，或GPRS终端等)传往控制 中心计算机，并从中心获取相关信息指令等，例如，是否失窃车辆等。 并将结果，返还手持式读写器。检察人员还可以根据需要，使用读写 器上的菜单选项，使用频道4下达进一步的指令，或经过授权后，向 电子车牌写入必要的信息。
3.飞机机舱中行李搜寻我们知道，客机起飞前，如果客人没有登机，需要将客人的行李 从机舱中找出，这是一件很麻烦的事情，因为现有的电子标签系统， 根本无法完成这个任务，而本发明系统则可轻而易举的做到这一点。 我们可以将智能标签设置为，在周期性苏醒后的工作一瞬间的时间 内，处于仅仅接收信号而不发射任何射频信号的工作状态，这一点非 常重要，因为任何无线电信号干扰都有可能影响飞机的正常工作。然 后1 ， 在每件行李托运时，都将使用一个智能标签作为行李标签挂 在行李上，这个智能标签可以储存远比现有行李标签多得多 的信息；2， 这个智能标签苏醒周期可设置为3-5秒，醒来后处于接收状 态，这个智能标签本身带有一个蜂鸣器， 一个亮度较大的发 光二极管，和一个一般的条码标签；3， 当需要在机舱中找寻行李时，我们将使用一个手持读写器， 只不过这个读写器有一个输入行李代码编号的键盘而已，我 们只需要输入所要寻找的行李的代码编号，并按键将代码编 号连续发射出去(信号发射延续时间应超过智能标签睡眠周 期)，被呼叫行李上的智能标签接收到这个信号后，将启动 蜂鸣器和闪烁发光二极管，这样需要寻找的行李就可以很容易地被发现；4， 智能标签使用一般纽扣电池驱动，智能标签在每次使用前， 都需要将其从休眠状态激活进入周期性苏醒的工作状态,例 如，采用干簧管激活，在每次激活的同时，我们同时也就进 行了一个电池电量的检测，如果绿灯不亮，表示需要更换电 池， 一般一次性纽扣电池可使用2年以上。
权利要求
1. 智能电子标签系统，是由智能标签，读写器，以及与读写器相联接的计算机组成；这里的计算机，是指可以对来自智能标签的数据信息进行处理和储存的一般PC机，也可以是具有相同功能的单片机；智能标签和读写器，都是由单芯片无线微功率收发机，和一个用于控制这个单芯片无线微功率收发机工作的单片机制成，这里的单芯片无线微功率收发机，和控制这个无线微功率收发机的单片机，可以是同时具有这两种功能的一个单一芯片；用于控制这个单芯片无线微功率收发机工作的单片机，和与读写器相联结的，用于对来自智能标签的数据信息进行处理和储存的计算机，也可以是同时具有这两种功能的同一个单片机；智能标签和读写器之间可以实现无线通信，它们都同时具有接收和发射两种功能；智能标签由电池驱动，它采用长时间睡眠，周期性苏醒后工作一瞬间的工作方式；这里的睡眠状态，是指智能标签中高耗电的射频部分的低噪声放大器，晶振和频综等都处于关闭的状态；系统通过读写器在一段时间内，连续重复地向智能标签发送短信号的方式，抓住智能标签苏醒的瞬间，与之建立起通信联系；系统将利用这种通信联系，向智能标签传递信息，下达指令，并可对与智能标签相联结的其它远端设备进行指挥控制。
2. 根据权利要求1所述的智能电子标签系统，其特征在于本发 明系统中的智能标签，在长期睡眠，周期性苏醒后工作的一瞬间，处 于信号接收状态，这种信号接收状态是一种不启动晶振和频综，采用 检波电路检测唤醒信号的状态，但在使用检波电路检测唤醒信号以 前，检波电路先启动了一个低功耗的低噪声放大器，将所接收到的信 号放大，以提高检波电路的检测灵敏度，从而增大唤醒距离；当智能 标签所检测到的相关信号强度值，没有超过预先确定的值，或没有检 测到预期的OOK编码唤醒信号，则智能标签立即进入睡眠状态，直 到下一次苏醒；如果检测到的信号强度值，超过预先设定的值，或检 测到预期的OOK编码唤醒信号，智能标签将立即启动晶振和频综， 进入可以直接与读写器进行通信的工作状态；如果启动晶振频综后， 发现所接收到的信号，并非所需要的信号，而是其它干扰信号，则智 能标签将回到长期睡眠，周期性苏醒监听一瞬间的状态。
3.根据权利要求1所述的智能电子标签系统，其特征在于本发 明系统中的智能标签，在长期睡眠，周期性苏醒后的一瞬间，将首先 开启晶振和频综，迅速进入可以直接接收或发射数字信号的状态，或 这两种状态的组合，而读写器连续重复发射的短信息，也是经过调制 后的数字信息。
4. 根据权利要求1或3所述的智能电子标签系统，其特征在于 本发明系统中的智能标签，在周期性睡眠苏醒后的一瞬间，将立即开 启晶振和频综，并迅速进入接收信号的状态，以监听接收来自读写器 的，经过调制后的数字信息，在没有接收到读写器的指令，或来自自 身控制单片机的中断信号之前，不向外发射任何射频信号。
5. 根据权利要求l， 2， 3或4所述的智能电子标签系统，其特征 在于系统中智能标签在睡眠苏醒后一瞬间的工作时间长度，是按照 智能标签在任何时刻，在收到读写器发来的信号后，都能接收到一个 完整的短信息指令所需的最短时间来确定的。
6. 根据权利要求1， 3或4所述的智能电子标签系统，其特征在于 系统中的智能标签和读写器，都具有接收信号强度指示功能RSSI， 系统中智能标签在睡眠苏醒后一瞬间的监听接收时间，是按照智能标 签，能够接收到这样一个短信息所需要的最短时间来确定的这个短信息只是一个超过预先设定的RSSI值的信号，或者只是一个完整信息数据包中的一部分，但它足以使智能标签知道，在它所监听的频道 上，和在它能够接收到信号的范围内，可能有无线收发机正在发射信 号，它需要暂时延长监听接收时间，以接收完整个信息数据包，或者使它能够判定该数据包不是发给自己的数据包；如果在这监听瞬间没有接收到任何信号，智能标签将立即进入睡眠状态，直到下一次苏醒。
7. 根据权利要求l， 2， 3， 4， 5或6所述的智能电子标签系统， 其特征在于如果有多个智能标签，几乎同时接收到读写器以广播的方式发来的指令，要求智能标签立即以不同的频道向读写器返还信 息，此时，为了尽可能避免出现因多个智能标签，同时向读写器返回 信息而发生碰撞的情况，我们可以预先规定按照智能标签身份码编号 的不同特征，或编号的部分数字的不同特征，或末尾一位数字的差别，使用不同的时延，不同的频道向读写器返还信号；当多个智能标签使用多个频道向读写器返还信号时，我们将增加读写器的数量与这多个 频道相匹配。
8.根据权利要求l， 2， 3， 4， 5， 6或7所述的智能电子标签系统， 其特征在于本系统中的读写器，在调整智能标签睡眠苏醒周期，或 使智能标签，直接进入可随时与读写器进行通信的工作状态时，还对 智能标签的工作频道进行了调整，智能标签调整后的工作频道，应与 相对应的读写器工作频道一致。
9. 根据权利要求l， 2， 3， 4， 5， 6， 7或8所述的智能电子标签 系统，其特征在于智能标签接收和发射时所使用的频道或信道，发 射功率，接收灵敏度，睡眠苏醒周期，以及其它可由单片机控制的工 作参数和工作方式，都可以通过读写器的无线指令，或自身所带控制 单片机的中断信号来加以改变。
10. 根据权利要求l， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8或9所述的智能电子 标签系统，其特征在于系统中的智能标签与读写器之间的无线通信， 还采用了直序扩频的通信技术；智能标签和读写器都可储存一定量的 信息，并可根据实际应用需要，增加信息储存量。
全文摘要
本发明所述的智能电子标签系统，利用高度集成和低成本的无线微功率单芯片收发机，分别制成智能标签和读写器。智能标签长期处于睡眠，周期性苏醒后工作一瞬间，读写器通过不同的方式，抓住智能标签苏醒后的这一瞬间与智能标签建立起通信联系，从而以非常低的平均功耗，实现系统对智能标签，以及与智能标签相联接的其它终端设备的控制管理。本发明还通过对智能标签的睡眠周期，工作频道以及工作方式等的灵活调整，使得一般纽扣电池可以几年不换，同时也大大加快了智能标签的反应速度。本发明结构简单，读写距离远，成本低，使用非常灵活方便，因而，可作为无线电子车牌，身份卡等，用于对车辆，人员，物资和其它远距离终端设备的控制管理。
文档编号G06K7/00GK101236611SQ20071019680
公开日2008年8月6日 申请日期2007年12月5日 优先权日2007年2月2日
发明者廖应成 申请人:成都西谷曙光数字技术有限公司