一般來說，完整的射頻識別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻標簽、射頻讀寫設(shè)備及天線和后臺計算機系統(tǒng)組成。根據(jù)射頻標簽內(nèi)部是否有電池供電，可將射頻標簽分為有源射頻標簽和無源射頻標簽。

    無源射頻標簽內(nèi)部沒有電池供電，依靠讀寫器發(fā)來的電磁波來工作，因此傳輸距離較
近、抗干擾能力較差、存儲空間小、功能單一，但是無源射頻標簽不需要維護，使用簡便；有源射頻標簽內(nèi)部有電池供電，能夠依靠自身的能量發(fā)射信號，因此傳輸距離較遠、抗干擾能力較強、存儲空間較大，還可以與傳感器結(jié)合起來，組成功能復雜的傳感器射頻標簽。但是隨著標簽內(nèi)部電池電量的消耗，需要定期地更換電池或者充電，這給有源射頻標簽的使用帶來了新的課題，即如何延長有源射頻標簽內(nèi)部電池的單次放電壽命。

    傳統(tǒng)的有源標簽低功耗設(shè)計

    傳統(tǒng)的有源射頻標簽主要由3部分構(gòu)成，分別是甚高頻射頻電路、單片機系統(tǒng)和電池。單片機系統(tǒng)工作時的電流一般為微安級，甚高頻射頻電路工作時的電流一般為毫安級。為了降低有源射頻標簽的平均功耗，有源射頻標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。如果沒有接收到數(shù)據(jù)包，則進入省電的“睡眠”狀態(tài)；如果接收到數(shù)據(jù)包，則進入數(shù)據(jù)包處理環(huán)節(jié)，相應接收到的數(shù)據(jù)包，提取出命令，發(fā)送響應的命令回應數(shù)據(jù)包，當數(shù)據(jù)包處理結(jié)束后進入省電的“睡眠”狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的標簽再間隔一段時間又自動“蘇醒”，重復上面的工作，如此周而復始的循環(huán)，達到節(jié)省電能的目的。

    采用這種省電機制的有源射頻標簽，電路設(shè)計簡單，程序穩(wěn)定，但應用不太靈活。我們把有源射頻標簽從一次“蘇醒”的結(jié)束到下次“蘇醒”開始的時間間隔叫做“睡眠周期”，將一次“睡眠”的結(jié)束到下次“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簽的狀態(tài)是處于“睡眠周期”和“蘇醒周期”周而復始的循環(huán)。“睡眠周期”和“蘇醒周期”的長度是標簽出廠時，單片機中程序設(shè)定好的。

    如果睡眠深度過小，射頻標簽將頻繁地“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，標簽功耗將增大，不利于標簽的長壽命設(shè)計；如果睡眠深度過大，標簽的響應時間以及多標簽識別能力將大大折扣，標簽不能應用在需要快速響應的場合，例如車輛標簽快速經(jīng)過讀寫器的場合。因此，傳統(tǒng)有源射頻標簽省電機制設(shè)計的關(guān)鍵是，在特定應用場合中應該尋找到一個適當?shù)乃呱疃取?/p>

    雙頻有源標簽設(shè)計

    如何使有源射頻標簽在標簽使用頻度高的時候自動降低睡眠深度，而在使用頻度低的時候自動提高睡眠深度，以達到電能消耗絕無浪費呢？為了使射頻標簽的睡眠深度能夠根據(jù)使用頻度的變化而自動變化，當不需要蘇醒時絕不蘇醒，當需要蘇醒時快速蘇醒，需要在傳統(tǒng)的有源射頻標簽的硬件電路上作以改動，加上低頻激勵電路。與此同時，在雙頻有源射頻識別系統(tǒng)中，引入了另一個射頻讀寫設(shè)備—激勵器，如圖３。

 １、雙頻有源標簽的硬件設(shè)計

    雙頻有源射頻標簽內(nèi)部由甚高頻射頻電路、低頻激勵電路、單片機系統(tǒng)以及電池組成，與傳統(tǒng)的有源射頻標簽相比，增加了低頻激勵電路，帶來的好處是有源射頻標簽可以“深度睡眠”，不用頻繁的“蘇醒”，白白消耗電能。平時沒有外界操作時，射頻標簽處于“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；低頻激勵電路處于接收狀態(tài)，無線鏈路以“變壓器”模型來工作，僅需要少量能量消耗；單片機處于低功耗工作狀態(tài)，僅接收來自低頻電路的中斷信號。

    當?shù)皖l激勵電路接收到來自激勵器的激勵信號時，甚高頻電路進入工作狀態(tài)，等待讀寫器對它的操作，超時后回到“休眠狀態(tài)”。這樣，射頻標簽在沒有激勵器的場合，不會蘇醒，白白浪費電能。

    當?shù)皖l記錄電路沒有接收到激勵信號，甚高頻電路不會進入工作狀態(tài)，不會對來自外界的讀寫器信號進行響應，這種標簽具有比較復雜的使用機制。

    ２、雙頻有源射頻標簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計

    為了更加清楚地描述雙頻有源射頻標簽的工作過程，在有源標簽狀態(tài)圖中，有源標簽具有兩種省電狀態(tài)，分別是“休眠”和“偵聽”；具有兩種工作狀態(tài)，分別是“待命”和“收發(fā)”。

    標簽所處的省電常態(tài)為“休眠”或“偵聽”，“休眠”狀態(tài)須通過激勵器激勵后進入待命狀態(tài)，再接受讀寫器的讀寫器命令。工作于“偵聽”狀態(tài)下的有源標簽，類似于傳統(tǒng)意義上的有源標簽，甚高頻射頻電路周期性的“蘇醒”，監(jiān)聽讀寫器的讀寫指令。標簽的省電常態(tài)可以根據(jù)需要由讀寫器通過標簽狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令進行設(shè)置。

    ３、雙頻有源射頻標簽的使用模式

    雙頻有源射頻標簽有兩種不同的使用模式，一是“偵聽”模式。當單片機系統(tǒng)控制低頻激勵電路關(guān)閉時，雙頻有源射頻標簽就變成了傳統(tǒng)的有源射頻標簽，不需要激勵器配合，可直接工作，這種使用模式與傳統(tǒng)的有源射頻標簽類似。另外一種工作模式是“休眠”模式，這種工作模式需要激勵器來配合完成，不僅具有傳統(tǒng)的標簽識讀功能，還具有激勵器定位功能。下面以高速公路收費系統(tǒng)為例，描述雙頻有源射頻標簽的使用模式。

    如圖所示，共有6條高速公路收費車道，每個收費口布置一臺激勵器，6條車道共用一臺讀寫器。當帶有射頻標簽的C06號汽車經(jīng)過車道2收費口時，車上的射頻標簽被車道2上的激勵器所激活，主動發(fā)送數(shù)據(jù)包聯(lián)絡附近的讀寫器，進行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費過程。這時，讀寫器通過標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)包以及射頻標簽與車輛的綁定關(guān)系，不僅能知道哪輛車經(jīng)過了收費口，還能通過發(fā)來的激勵器ID號知道經(jīng)過了哪個車道，具有車道定位功能。

    簡約功能低功耗設(shè)計

    為了降低有源射頻標簽的功耗，需要精確地知道射頻標簽什么時候應該“蘇醒”，什么時候不應該“蘇醒”，為了精確地把握這個蘇醒的時機，就需要增加額外的硬件電路和復雜算法，從而額外的增加了電能開銷。

    于是，有人逆著這條思路，將有源射頻標簽的功能簡約化，將甚高頻射頻電路芯片換為簡單的“只發(fā)不收”的芯片，將功能較強大的單片機芯片換為功能最簡單存儲空間最小的單片機，這樣就形成了小容量只讀有源射頻標簽。這種有源射頻標簽功能非常簡單，單片機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，沒有復雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，不監(jiān)聽外部的讀寫信號，平均功耗也可以得到控制。

    芯片選擇及電路設(shè)計

    在電路設(shè)計中，如果芯片的工作電壓與電池的放電電壓不一致，就需要電壓轉(zhuǎn)換電路來進行匹配。但是電壓在轉(zhuǎn)換的過程中都要損失一部分電能，為了省電，宜選擇標稱電壓與電池的標稱電壓一致的芯片，這樣可以省掉電壓轉(zhuǎn)換電路自身的電能消耗。

    在單片機的選擇上，隨著越來越多的芯片廠家推出了超低功耗的產(chǎn)品，單片機的選擇度也越來越大。例如Microchip公司的PIC系統(tǒng)，Texas Instruments公司的MSP430系統(tǒng)以及臺灣一些廠家的產(chǎn)品。

    電路設(shè)計中，盡量設(shè)計可由單片機控制的關(guān)斷電路，當部分電路不需要工作時，可停止對其供電，消除待機電能消耗。

    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簽加裝太陽能電池板，以及時給有源射頻標簽補充能量。

    軟件設(shè)計

    有源射頻標簽中，電能和存儲空間都很有限，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，而不進行壓縮又會增加標簽和讀寫器空中通信的數(shù)據(jù)量。因此，在軟件的設(shè)計上，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，這些都沒有絕對的，需要取實驗折中優(yōu)選方案。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)及射頻識別技術(shù)在我國的興起，有源射頻標簽的應用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄挘豢杀苊獾匾鉀Q有源射頻標簽的功能和功耗之間的矛盾問題。有源射頻標簽的省電機制滲透到標簽的器件選擇、電池選擇、工作模式設(shè)計、電路設(shè)計、軟件設(shè)計以及生產(chǎn)工藝等諸多方面。設(shè)計有源標簽時，需要根據(jù)實際的應用模式，設(shè)計出最適合的方案。在有源射頻標簽省電機制的設(shè)計上，大都是功能與功耗的矛盾，只有最適合的方案，沒有最優(yōu)的方案，這就需要設(shè)計者在充分分析應用需求的前提下，給出一種最優(yōu)選的方案。