一种超低功耗有源电子标签睡眠唤醒系统及方法与流程

本发明涉及物联网通信领域，尤其涉及一种超低功耗有源电子标签睡眠唤醒系统及方法。

背景技术：

1、有源电子标签是当今各行业物联网数字化应用非常重要的一部分。

2、基于高效利用频率资源的考虑，所有有源rfid的标准都必须“按需工作”，即采用睡眠唤醒方式来工作。具体而言，当读写器需要与处于周期性睡眠t，苏醒后监听信号一瞬间t的有源电子标签(以后简称标签)建立通信联系时，读写器需要在一段大于标签睡眠苏醒周期t的时间段内，在标签信号监听频道上，连续不间断地向标签发射唤醒信号，抓住标签睡眠苏醒后监听信号t的瞬间，与之建立通信联系并进行信息交流，这里t>>t。由于标签的功耗主要取决于标签监听信号的占空比t/t。t越大，标签功耗越低，但其对读写器下达工作指令的响应时间就越长。由于在绝大多数物联网应用中，读写器需要与标签进行有效通信的时机非常少；为了使标签对读写器下达的工作指令尽可能快地作出响应，同时又能使标签的功耗尽可能低，故此在如何减小t的同时，又能尽快在读写器与标签之间建立起通信联系并进行信息交流，就成为物联网工程师们最重要的追求目标。

3、iso-18000-7有源rfid国际标准，采用了读写器先连续发射一个简单方波射频唤醒信号序列，当标签苏醒瞬间接收到其中的任意一个方波信号后，标签将需要等待接收位于方波唤醒序列信号末尾的工作指令数字信号。虽然接收简单方波信号所需时间t小，但这将使得先苏醒被唤醒的标签需要等待平均(0.5-1)t长的时间，才能接收到完整工作指令数字信号包；而且等到所有标签都接收到工作指令数字信号时，众多标签又不能同时在同一个通信信道上向读写器返回信息，而不得不经过一个费时费力的“时隙aloha”接入过程；这就极大地限制了iso-18000-7国际标准的应用。

4、我们国家有源电子标签标准(以后简称国标)则采用了直接使用数字信号包序列作为唤醒信号，这使t值大大增加，也就增加了标签功耗；与此同时，为了降低标签功耗，国标中作为唤醒信号的数字信号包将非常短，这就使得国标中的唤醒数字信号包并不能向标签传递完整的工作指令信息，因而在标签被唤醒后，同样需要等待平均(0.5-1)t的时间，才能接收到完整工作指令数字信号包，并同样经历一个费时费力的时隙aloha的接入过程。

5、新一代《低占空比物联网智能标签通信系统技术要求》标准(简称新标准)，则采用了一种简单射频唤醒信号与工作指令数字信号“合二为一”的工作方式；即将工作指令数字信号包中的每一个比特位所具有的统一射频信号特征，作为一个简单的射频唤醒编码信号，而信号监听窗口t的大小，只是一个能够满足识别出工作指令数字信号中，任意一个“0”或“1”比特位射频特征，包括扩频编码通信时的编码特征所需的时间。这种方式可理解为对无线数字通信信号本身有效性的“dna检测”；如果标签接收到的信号不能通过“dna检测”，标签将立即进入周期性睡眠苏醒后监听信号瞬间的低功耗状态。“dna检测”不仅大大降低信号监听占空比t/t,更重要的是，一当标签通过“dna检测”，检测到来自读写器的有效信号时，标签将会延长接收时间，立即去接收一个完整的工作指令数字信号包，而不需要等待平均(0.5-1)t的时间；与此同时，利用新标准多频道协同工作模式，也不需要再经历一个费时费力的时隙aloha的接入过程。因而新标准大大降低了标签的功耗，缩短了标签接入读写器的时间，因而解决了原有有源电子标签国际标准和国家标准急待解决的许多物联网应用问题。

6、尽管新标准解决了原有标准无法解决的许多关键性应用难题，但有些问题仍未得到解决。例如如何尽可能充分地利用现有3gpp移动通信网络来实现万物互联通信，特别是自然灾害发生时。另外，新标准中的“dna检测”是与特定的工作指令数字信号包捆绑在一起的，因而不能利用不同的射频唤醒编码信号，向作为通信对象的标签传达一定的简单信息，例如启动本次通信的目的是对标签进行实时跟踪定位，并在接收到紧急射频唤醒编码信号后，立即中断现有工作，优先处理紧急工作指令数据信号包，但无法做到在任何时候都能接收紧急射频唤醒编码信号；另外，也无法根据需要，通过调整信号监听时间t的长短，来调整唤醒编码信号唤醒标签的距离；或根据在t时间窗口内接收到的信号的强度或信噪比，来调整通信速率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供考虑一种超低功耗有源电子标签睡眠唤醒系统及方法，旨在解决上述全部或部分技术问题。

2、本发明提供了一种超低功耗有源电子标签睡眠唤醒系统和工作方法，包括：采用周期性睡眠t、苏醒后监听信号t瞬间的有源电子标签和有源电子标签读写器，这里的t>>△t>>t(△t是接收一个工作指令数字信号包所需要的时间)。所述标签可根据应用需要与传感器、定位器或控制器连接，并对所述传感器、定位器或控制器进行操控。这里的有源电子标签实际上就是一种兼顾了“万物互联”功能的智能电子标签，或物联网终端。所述读写器可以有多个可工作在不同频道或信道上的无线收发机芯片，同时与多个标签进行通信。这里需要说明的是，所述通信信道实际上就是在同一个频点上，经过时分、码分等方式，形成的更多相互独立的通信通道。

3、作为一种实施方式，当所述读写器需要与所述标签进行通信时，所述读写器将分别在预设的一个射频唤醒频道fw和另一个工作指令频道fc上，同时在一段大于t的时间段内，连续不间断重复地向所述标签发射唤醒信号mi和工作指令数字信号wi；所述标签首先只在fw频道上监听来自所述读写器的唤醒信号mi，只有在t监听时间窗口内监听到所述唤醒信号mi时，它才立即进入到所述fc频道上接收来自所述读写器发来的工作指令数字信号wi，否则所述标签将回到周期性睡眠t、苏醒后监听唤醒信号t瞬间的超低功耗状态，等待下一次监听机会。一般情况下，这里的唤醒信号mi是指一种未经过调制的，可携带简单信息的简单射频模拟编码信号。例如，这些信息可能告知标签本次通信的目的是“广播”还是“点播”通信，或是对仓库物资进行盘点、对某个监控目标的实时定位跟踪、或者是对具有固定位置传感器的信息采集等简单信息。与mi完全不同，wi是由“0”和“1”组成一个完整工作指令数字信号包。它具有无线数字通信所需的同步头、地址码、对所述标签的具体工作安排和校验位等。需要说明的是，这里所述射频唤醒频道fw和工作指令频道fc,可以相同，也可以不同。当两者相同时，fw和fc,实际上就是同一个频道上两个独立不同的通信信道。

4、作为一种实施方式，所述读写器可通过与运行3gpp通信协议的移动通信网络终端的有线连接，成为连接3gpp移动宽带网络和所述有源电子标签窄带通信网络的读写器网关；当标签接收到来自读写器网关发来的通信同步信息和具体工作安排信息后，如果所述工作安排不与3gpp通信协议相矛盾，则所述网关读写器将参照3gpp通信协议，来安排其与所述标签之间的通信，所述标签在通信结束后，将重新回到周期性睡眠t苏醒后监听射频唤醒编码信号一瞬间t的超低功耗状态。这里需要说明的是，针对物联网应用的有源电子标签与一般移动网络终端(例如手机)完全不同，前者强调的是简单、低功耗和低成本；而所述读写器网关则不需要更多地考虑低成本和低功耗的要求，相对而言也就具有较强大的功能；因而我们在参照3gpp通信协议来安排所述读写器网关与所述标签之间的通信时，双方的通信将更多地依赖读写器网关来安排。

5、作为一种实施方式，这里的射频唤醒编码信号mi可以是由频道fw上的一个频点上发出的简单射频模拟编码信号，这里的mi包括但不限于“ook”或“曼彻斯特码”编码信号；它也可以是由l(l＞1)个频率分别为fi的千赫兹级带宽的窄带无线信号组成的，不同fi频点之间的频率间距是按照预设的编码规律进行确定的，且每一种不同的编码规律表示一个mi唤醒编码信号；其中l的取值是根据通信距离需要的编码增益来确定的；所述编码规律还被配置为：所有mi唤醒编码信号之间遵循相互间的干扰最小为原则。它还可以是由l(l＞1)个频率分别为fi的千赫兹级带宽的窄带无线信号组成的，是指所述l个无线信号发射频点的每个频点以“1”和“0”表示其发射与否，用l个频率发射点的“0”和“1”的组合组成不同唤醒编码信号mi。因而这l个频率发射点代表2l个射频唤醒编码信号选择。需要说明的是，这l个频点发射的信号本身只是一种简单的连续波信号。

6、作为一种实施方式，这里的有源电子标签可在同一个fw频道上接收多个不同的唤醒编码信号mi，但同一个标签在同一时间内，根据所述有源电子标签的预设安排，只对其中的一个唤醒编码信号mi作出响应，所述预设安排中还包括对应急报警唤醒编码信号ma的优先响应，和专用于应急通信的频道或信道的安排。

7、作为一种实施方式，如果所述读写器网关与所述标签彼此间通信的目的，是需要所述读写器对海量未知身份的所述有源电子标签进行盘点，则所述读写器将根据对未知身份的所述海量标签的预估数量，利用这些标签彼此id低端位数字的差异，将所述标签分配到多个所述读写器可利用的通信信道上上传他们各自的id信息。

8、作为一种实施方式，一个针对海量标签(仓库物资盘点)盘点应用的读写器网关，往往需要多个工作在不同频点上无线收发机模块，例如5个，假定每个收发机模块工作带宽为1兆，每兆带宽假如安排10个100千赫兹的通信频道，则5个收发机模块可以有50个较小带宽的通信频道或更多的信道。假如我们安排其中的一个信道用于专门发射mi射频唤醒编码信号，另一个专门用于发射工作指令数字信号wi，以及一些用于接收标签主动上传的短信息，或“拨号申请”信息的信道，另外40个信道专门用于海量标签快速盘点通信通道。这里实际应用的无线收发机模块的个数，和针对不同工作的信道数量的安排，需要根据每个实际应用场景的具体情况来决定。

9、作为一种实施方式，每个收发机模块又可同时工作在多个无线收发信道上。当所述上传id信息的标签，接收到来自所述读写器成功接收到它们上传id的回执信息后，将不再上传id信息，并回到周期性睡眠t苏醒后监听射频唤醒编码信号t瞬间的超低功耗状态；与此同时，所述读写器将重新向在前述过程中未能成功上传id的标签，发射相同的射频唤醒信号和采集标签id的工作指令信号，并根据先前上传id的信道上的信号碰撞的情况，按照所述标签id新的不同低端位数字的差异，重复先前的工作，继续采集剩余标签的id。过程中凡是接收到所述回执信息的标签，将不再响应所述读写器重新发射相同的射频唤醒信号；如此反复，直到采集不到任何id时为止。

10、作为一种实施方式，所述读写器还安排了随时可接收来自所述标签主动上传信息的无线通信信道，所述标签在主动上传短信息时，一般采用csma防碰撞的工作方式；而当所述标签需要主动上传较长数据信息时，该标签将采用上传自身id和相关信息的“拨号申请”方式，告知所述读写器它有较长数据信息需要上传，所述读写器将根据自身可利用的通信通道的情况，安排所述标签上传这些信息。

11、作为一种实施方式，这里所谓的“拨号申请”，是指当标签需要发射较大数据的信息，例如短语音信息时，为了减少信号碰撞，标签将首先上传一个“上传信息申请”的简短信息，这类似我们平常打电话时的“拨号”，告诉读写器网关，标签申请上传多大数据量的信息，读写器网关则可根据该读写器网关当前可资利用的通信信道资源，和标签上传信息的大小和紧急程度，安排所述标签的信息上传。所述标签还可以将需要上传的信息，包括语音短信息等预先储存在标签中，然后进入周期性监听的低功耗状态，等到读写器网关确定了上传通信信道和时间后，将采用“点播”的方式唤醒该标签，并读取该标签储存的信息。

12、作为一种实施方式，所述有源电子标签的工作模式被配置为：在射频信号监听窗口t内，通过侦听是否存在唤醒编码信号mi，以确定是否有来自有源电子标签读写器发来的通信请求的唤醒编码信号；若在t时间窗口内，没有检测到所述唤醒编码信号，则所述有源电子标签立即进入周期性睡眠状态，等待下一次苏醒后再进入t时间窗口内监听唤醒编码信号的低功耗工作模式；若监听到预先定义的某种唤醒编码信号mi，则所述有源电子标签将立即进入到fc工作频道上，监听接收一个完整的工作指令数字信号包，其接收工作指令数字信号包的时间上限值被配置为，一般情况下接收3个完整工作指令数字信号所需的时间长度，(具体时间上限值需要根据通信环境条件来决定)但在所述有源电子标签接收到一个完整经过校验的工作指令数字信号包时，将提前终止信号接收，或执行mi定义的其它响应动作。

13、作为一种实施方式，这里监听信号的窗口t是可变的，(特别是针对采用在多个频点上发射连续波信号的射频唤醒编码信号而言，)但有一个上限值，该上限值是系统通过通信环境和通信距离的要求预先设定的，在这个上限值范围内，t值的具体大小是以所述标签接收到满足通信要求的信噪比为准。但在给定t值时，如果所接收到的信号强度或能量积累w＝p*t远大于信号解析所需要的信噪比，则我们可以考虑使用更高的通信速率来发射信号，否则则可降低通信速率。

14、本发明的首要改进之处在于：物联网提供的动态大数据，是当今各行各业数字化，以及大数据和人工智能产业发展和落地实施的支撑。而本发明提供的能够在一定程度上与现有3gpp网络协议融合，并具有“万物互联”多种功能的智能有源电子标签，将有力促进国民经济数字化的进程，它无疑具有非常重大的社会意义和经济意义。