一般來說，完整的射頻識別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽,、射頻讀寫設(shè)備及天線和后臺計算機(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)簽和無源射頻標(biāo)簽,。

        無源射頻標(biāo)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(biāo)簽不需要維護(hù),，使用簡便；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,，因此傳輸距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力較強(qiáng),、存儲空間較大,，還可以與傳感器結(jié)合起來，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)簽的使用帶來了新的課題,，即如何延長有源射頻標(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

        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(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(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)簽再間隔一段時間又自動“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)計簡單,，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(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”的長度是標(biāo)簽出廠時，單片機(jī)中程序設(shè)定好的,。

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

        雙頻有源標(biāo)簽設(shè)計

        如何使有源射頻標(biāo)簽在標(biāo)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(dá)到電能消耗絕無浪費呢,？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變化，當(dāng)不需要蘇醒時絕不蘇醒,，當(dāng)需要蘇醒時快速蘇醒,，需要在傳統(tǒng)的有源射頻標(biāo)簽的硬件電路上作以改動，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(biāo)簽的硬件設(shè)計

        雙頻有源射頻標(biāo)簽內(nèi)部由甚高頻射頻電路、低頻激勵電路,、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，增加了低頻激勵電路,，帶來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,。平時沒有外界操作時,，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(jī)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(dāng)?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(jìn)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(biāo)簽在沒有激勵器的場合,，不會蘇醒,，白白浪費電能。

        當(dāng)?shù)皖l記錄電路沒有接收到激勵信號,，甚高頻電路不會進(jìn)入工作狀態(tài),，不會對來自外界的讀寫器信號進(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

        為了更加清楚地描述雙頻有源射頻標(biāo)簽的工作過程，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”,；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”,，“休眠”狀態(tài)須通過激勵器激勵后進(jìn)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(biāo)簽,，類似于傳統(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)聽讀寫器的讀寫指令,。標(biāo)簽的省電常態(tài)可以根據(jù)需要由讀寫器通過標(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”模式。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制低頻激勵電路關(guān)閉時,，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(biāo)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(biāo)簽的使用模式,。

        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(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的C06號汽車經(jīng)過車道2收費口時，車上的射頻標(biāo)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(luò)附近的讀寫器,，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，完成交費過程,。這時,，讀寫器通過標(biāo)簽發(fā)來的數(shù)據(jù)包以及射頻標(biāo)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(biāo)簽的功耗,，需要精確地知道射頻標(biāo)簽什么時候應(yīng)該“蘇醒”,，什么時候不應(yīng)該“蘇醒”，為了精確地把握這個蘇醒的時機(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銷。

        于是,，有人逆著這條思路,，將有源射頻標(biāo)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(qiáng)大的單片機(jī)芯片換為功能最簡單存儲空間最小的單片機(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)簽功能非常簡單,，單片機(jī)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(fù)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(jìn)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(biāo)稱電壓與電池的標(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)控制的關(guān)斷電路,，當(dāng)部分電路不需要工作時，可停止對其供電,，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)簽加裝太陽能電池板,，以及時給有源射頻標(biāo)簽補(bǔ)充能量,。

        軟件設(shè)計

        有源射頻標(biāo)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(jìn)行壓縮又會增加標(biāo)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(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄挘豢杀苊獾匾鉀Q有源射頻標(biāo)簽的功能和功耗之間的矛盾問題,。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,、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(biāo)簽時,，需要根據(jù)實際的應(yīng)用模式,，設(shè)計出最適合的方案。在有源射頻標(biāo)簽省電機(jī)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(yīng)用需求的前提下,，給出一種最優(yōu)選的方案。