专利名称：一种有源电子标签及其与外部节点进行双向通信的方法
技术领域：
射频识别技术领域，特别是有源RFID电子标签
背景技术：
射频识别技术中RFID电子标签主要分为两个类别有源电子标签和无源电子标 签。这两类标签又被称为主动式电子标签和被动式电子标签。有源电子标签一般具有电能 储存元件，可以在设定的时间内主动发送标签内储存的信息到外部空间。而无源电子标签 自身不含储能元件，只有在接近外部读写设备的时候才接收能量并反射信息给读写器。在 这两类标签之间，有一类半被动式电子标签，内含电池。不过，此类标签中电池的作用仅限 于保持标签中的存储内容，不被用来发送标签信息。有源电子标签因为自身有电源，可以主动发送射频信息，与无源电子标签相比有 几个显著优点。一是射频信息发送距离远，可以达到几百米甚至更远。而无源电子标签一 般只有几十厘米。二是对外部节点的能量没有依赖性，因此出错几率很小。相反无源电子 标签因依靠反射读写器的能量，出错率很高。三是有源电子标签的存储信息的容量很大，可 以实现复杂的功能。尽管如此，有源电子标签的电池容量总是很有限，电池耗尽后，电子标签的寿命也 就终止了。因而在标签的设计过程中需要尽可能的减少能耗以延长电子标签的寿命。一 种常见的减少能耗的方法是让电子标签尽可能地处于低功耗睡眠状态，在设定的时间内苏 醒，然后发送信息。发送信息是有源电子标签的主要功能。不过在有些特定场合，电子标签 也需要接收外部节点的信息。举例来说，在电子标签库存期间，电子标签应该在极少时间里 苏醒，当标签被售出时，电子标签需要接收外部信息，重新配置。在电子标签被使用过程中， 外部节点可能需要更改标签的设置，满足某些特定的应用需求。因此，有源电子标签在一些 场合需要保持双向通信的能力。目前在市场上看到的有源电子标签一般只是单向通信。一些具有双向通信功能的 电子产品因能耗过高，在使用中对电池的容量要求很高，不适合多数电子标签的应用场合。 本发明提供一种电子标签，它能够与外部节点双向通信，同时又可以保持很低的功耗。
发明内容
本发明中的电子标签由以下几个部分组成，如附图1所示。电源部分200、天线及 其匹配电路300、核心模块100。核心模块100由微控制器160及射频收发器120构成。射 频收发器120由射频收发共用部分122、无线发送模块124以及无线接收模块126构成。电源部分200可能是电池或者其他储能元件，其中也可能包括用于能量获取 (EnergyHarvesting)的模块。一种可能的能量获取的方法是振动能量获取部件。另外一种 可能的能量获取的方法是射频能量获取部件。如果外部射频发送器正在发送射频能量，电 子标签就可以吸收能量并存储起来。核心模块100可能是一个集成芯片或者几个芯片组成的芯片组。微控制器160具有算术运算及信息存储元件。微控制器160控制整个系统的运行，通过控制射频收发器120 来实现与外部节点的通信。射频收发器120 —般为一个集成芯片或者与微控制器160 —起 被集成到一个单一芯片。射频收发器120的无线发送模块124和无线接收模块126是两个 不同的通道，其中无线发送模块124负责将信息调制并通过天线300发送出去，而无线接收 模块126负责将天线300接收到的信息解调。微控制器160可以控制这两个通道，在特定 时间内启用某个模块实现发送或者是接收信息的任务。因为电子标签的主要作用是发送内部存储的信息到外部空间，而仅仅是在一些特 定的场合需要和外部节点建立双向的通信，因此电子标签就应该尽可能少地启用接收通 道，这样就可以降低电子标签处于接收状态的时间，从而降低电子标签的整体功耗。本发明 所述的电子标签总是在很少的时间内试图接收外部节点的信息。外部节点使用很短的帧来 发送建立连接的通信请求，在一些特定的帧编码结构中，甚至最早发送的帧的一部分就足 以使电子标签判断是否外部节点在请求通信。因而，电子标签处于接收状态的时长只要能 够确保帧或者帧头被顺利接收就足够了。与此同时，为了能够让外部节点跟踪并捕捉这个短暂的接收时间，电子标签将发 送信息的时间和处于接收状态的时间关联起来。这种关联性是预先定义好的。一种定义方 法是电子标签处于接收状态的时间设置在发送信息的相邻前或者相邻后。附图2所示为接 收状态在发送完成之后。电子标签周期性的苏醒后，进入发送信息状态，发送完成后迅速转 入接收信息状态。外部节点通过监听电子标签的发送状态来捕捉接收状态。更进一步，标 签没有必要在每次苏醒后都进入接收状态，因而另一种定义方法是标签进入接收状态的周 期是苏醒周期的整数倍，即每隔一定的苏醒周期，电子标签才进入接收状态一次。电子标签 的接收状态仍然是紧邻发送状态的前后。如附图3所示。附图2和附图3中的时间长度只是示意性质，仅用来表明电子标签的状态的相对 关系，其绝对时间值不具有意义。
图1是有源电子标签组成结构示意2是电子标签接收和发送状态的一种时序3是电子标签接收和发送状态的一种时序图
具体实施例方式本发明中所述的电子标签的一个实现方案描述如下。硬件部分的设计主要选用市场上常见的元器件。核心模块100选用德州仪器公司 生产的芯片CC2430。这个芯片中内含8051微控制器160，以及射频收发器120。普通按钮 电池作为电源部分200。印刷线路板的铜线轨迹设计成了适用于射频收发器频段2. 4GHz的 天线300。电子标签的软件部分设定睡眠周期为5秒。每次睡眠苏醒后，电子标签发送一个 身份帧到外部空间。电子标签每分钟进入一次接收状态，即每12次苏醒后，电子标签在发 送完身份帧后就转入接收状态，在接收状态等待1毫秒。电子标签如果在这段时间收到外 部节点的请求连接帧，就进入双向通信状态，响应外部节点的请求。
外部节点和电子标签双向通信的步骤如下步骤一、电子标签总是周期性的苏醒，发送身份帧；步骤二、外部节点设置为射频接收状态，等待电子标签的身份帧；步骤三、外部节点收到电子标签的身份帧后，在电子标签收发转换时延后(例如， 200微秒)发送请求连接帧，并等待电子标签的响应帧。这个步骤持续进行，直到在12个苏 醒周期的某次，电子标签的响应帧被接收；步骤四、电子标签在某次转入接收状态后，收到了外部节点的请求连接帧，进入双 向通信模式，发送响应帧给外部节点；步骤五、外部节点收到电子标签的响应帧，开始和电子标签进行双向通信；步骤六、双向通信结束，电子标签重新回到周期性的苏醒模式。值得指出的是在完成双向通信后，电子标签的运行参数可能被更改，因而其新的 苏醒周期以及进入接收状态的周期都可能发生变更。
权利要求
1.一种有源电子标签，具有如下特征a)周期性的以无线方式发送内部存储的信息；b)周期性的启用无线接收模块以便和外部节点建立连接；c)无线接收模块被启用的时间远小于无线发送模块被启用的时间。
2.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于电子标签总是周期性的进入睡眠状 态，其睡眠状态的功耗小于唤醒后的功耗。
3.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于其用于降低接收模块被启用的时间的 一种方法，是接收模块被启用的周期远小于发送模块被启用的周期。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于当标签从睡眠被唤醒后，发送模块总是会 被激活，然而接收模块可能在本次唤醒时间段内不被激活。
5.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于其用于降低接收模块被启用的时间的 另一种方法是在一次唤醒状态里接收模块被启用的时间相对于发送时间而言非常短，即标 签苏醒后在多数时间里处于发送信息状态而只有非常短的时间处于接收状态。
6.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于一个外部节点通过跟踪标签的发送状 态来判定标签进入接收状态的时间，并且在此时间里启动建立连接的机制。
7.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于电子标签建立和外部节点的连接后， 电子标签会改变它的运行状态，其接收模块的启用时间显著增加。
8.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于外部节点和电子标签建立连接的目的 是外部节点更改标签的存储信息，其中可能包含电子标签的苏醒周期。
9.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于电子标签至少具有以下几个部分微 控制器，射频收发器，天线及电源。
10.根据权利要求9所述的电子标签，其特征在于微控制器和射频收发器被集成到一 个电子封装芯片中。
11.根据权利要求9所述的电子标签，其特征在于其内部的电源可以是电池或者其他 储能元件。
12.根据权利要求9所述的电子标签，其特征在于其内部可能具有能量获取的模块。
13.根据权利要求12所述的电子标签，其特征在于其能量获取的来源可能是振动能。
14.根据权利要求12所述的电子标签，其特征在于其能量获取的来源可能是射频能量。
15.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于其以无线方式发送的信息至少包含 其身份信息。
16.一种有源电子标签与外界双向通信的方法，其特征在于a)有源电子标签为了降低能耗，在多数时间里只是发送信息，而在很小一部分时间内 处于接收信息状态；b)电子标签处于接收状态的时间和其发送信息的时间具有关联性；c)外部节点捕捉电子标签的接收状态，启动通信机制，发送通信请求；d)电子标签检测到外部节点的通信请求，改变自身运行状态，启动建立连接的相关机制。
全文摘要
一种有源电子标签，为了节省能耗，延长使用寿命，总是周期性的进入睡眠状态，在睡眠苏醒后发送信息。这种电子标签在绝大多数情况下只是单向发送内部存储的信息到外部空间。本发明提供了一种方法使得电子标签在必要的时候可以和外部节点建立双向通信。电子标签在某些特定时间段内会启用无线接收模块以便接收来自外部节点的通信请求。电子标签启用无线接收模块的时间和其发送信息的时间具有一定的关联性。外部节点通过跟踪电子标签的发送信息时间来捕捉电子标签处于接收状态的时间，然后在必要时主动发送通信请求。电子标签和外部节点建立双向通信的主要目的是外部节点可以更改电子标签的内部信息，其中包括电子标签的身份信息及苏醒周期等参数。
文档编号G06K19/07GK102004936SQ201010563069
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者马永 申请人:马永