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有源电子标签与物联网的概念探讨
作者：四川新睿泰智能科技有限公司（原成都西谷曙光） 廖应成 廖小南
来源：RFID世界网
日期：2010-08-31 12:04:27
摘要：对物联网的概念进行了简单的讨论，并将物联网的关键问题归结为如何解决公网以下，几米到上千米的距离范围内，实现各种信息的低成本，低功耗，灵活可靠的无线传输的问题。同时认为有源电子标签是解决这个问题的希望所在。本文还对当前国内外使用的各种有源电子标签进行了简单的比较和分析；指出了现有有源电子标签存在的问题。并介绍了一种具有完全自主知识产权的，简单和切实可行的全新解决方案-交互式智能电子标签技术。
1.物联网的基本技术要求
我们可以将物联网理解为互联网向世界各个细节的延伸。如果说互联网的重要特征是计算机与其它计算机之间的网络连接的话，物联网的重要特征则是低成本低功耗的单片机与计算机之间的无线连接。
物联网至少应该解决如下几个问题：
“你是谁？”（身份识别和认证）；
“你在哪里？”（定位）；
“你的状况？”（传感器数据采集）；
“请你做xx工作，….”(指令下达)。
其次，解决这些问题所使用的手段还必须要满足如下几个基本要求：
低成本的要求，对无处不在的成万上亿的人和物进行身份识别和信息采集的成本，必须是低廉的。
无线传输和按需工作的要求，要将千千万万的物与物，物与人，人与人连接在一起，显然无线连接必然是主要采用的方式。为了避免环境的电磁污染，这就需要对大量的无线信号所占用的时间和空间进行控制，只容许它们在需要工作的有限空间和有限时间内发射信号。
高度集成的要求，承担信息传输的设备还必须体积很小。
所使用的无线设备必须是超低功耗的。
它们必须是可以进行双向通信的，即既有数据采集也有信号控制。
它们还应具有远距离通信的能力（往往需要超过千米），例如路灯控制等。
显然，物联网不可能仅只是一个单一性质的网络，而应该是各种信息传输和采集手段的集成。是一个包括条码、各种传感器、有源电子标签、计算机、手机、各种通信公网等在内的“泛在网”。然而，当我们从上到下梳理一下物联网的整个信息连接和传输过程，我们不难发现：用于远距离信息传输所需的各种公用通信网络已经建立，而且十分成熟，最多也仅仅是改进升级而已。而在与人或物直接相关的最下层，条码标签，无源电子标签等近距离识别技术，以及各种采集物品状态信息的常用传感器技术（温度，湿度，压力等）也都相对比较成熟。问题的关键在于，如何在满足以上基本要求的前提下将传感器、条码标签，以及无源电子标签等所采集到的有关物和人的这些信息，传到几十米，甚至到1公里外的公共网络中！
2. 有源电子标签
2.1.物联网对有源电子标签的期待
由于有源电子标签本身就是一种单片机加无线微功率收发机的简单结构，且具有体积小、成本低、功耗低和可实现远距离传输的特性，它自然也就成为人们解决公网以下物联网信息传输问题的希望所在。我们可以在IEEE有源电子标签国际标准制定小组提交的立项报告中，清楚看出人们对它的这种期待：
从同一个文件中，我们还可以了解到有源电子标签的现状：
“为了减少能耗，当今大多数有源标签使用的都是单向发射ID的方式，其唯一的目的就是识别和定位，而没有考虑拥堵和信号碰撞问题。有源电子标签需要具有双向通信和远距离通信的能力，需要具有处理海量标签的能力，但同时消耗的功率非常低。”
“目前还没有一个国际标准提案能够满足这个需要！”就是当前有源电子标签的现状。
为了对有源电子标签现状有一个更清楚的陈述，我们不妨先将各种有源电子标签做一个简单的比较,：包括基本物理性能，工作方式，以及功能等，并对其中存在的一些主要问题加以简单评述。
2.3.基本物理性能比较
（1）通信频率
400MHz， 800MHz， 900MHz超高频系统的带宽窄，用户多，频段十分拥挤干扰大：
433MHz：车载台、业余台、对讲机、各种数传电台充斥；
800MHz~ 900MHz：与移动通信存在相互干扰；
5.8GHz技术要求高，技术尚未十分成熟，现有的芯片通信距离近，功耗大，且成本高；
2.4GHz已相当成熟，成本也低，作为电子标签使用通信速率足够，相应的产品也比较多。尽管该频段也有不少用户，但由于该频段规划管理较好，一般都是新产品，采用了新技术（跳频或扩频技术）相互之间兼容共存性较好。
（2）通信方式
现有一般标签，包括大多数400MHz、800MHz、900MHz和一般2.4GHz有源电子标签，出于技术难度和成本考虑，基本上采用的都是相对落后的点频窄带通信方式。这种通信方式直接带来的问题是：
系统稳定性差。由于系统工作频点很窄，因而，决定系统工作频率的晶振，将因为温度变化（温漂）和自身老化产生自振频率的变化，导致系统工作频点的变化，使系统的工作频点偏离有限的工作范围，从而使系统不能正常工作。这样的例子非常多。
标签移动速度受限制。当电子标签快速移动时，由于多径效应和多谱勒效应的影响，都有可能造成信号频率偏移出原本很窄的系统工作范围，同样使系统不能正常工作。
与其它无线系统的共存性差。点频窄带的通信方式很容易受到环境噪声的干扰，同时也容易干扰到别的通信系统，特别是在400MHz、800MHz和900MHz这样一些特别拥挤的频段。而采用直序扩频通信方式，即使系统在某一个或几个点上受到干扰，系统都可以通过通信码片之间的相关关系，将被干扰部分修复，因而系统通信不易受到影响。由于扩频系统工作在较宽的一个频带上，在每一个工作频点上的发射能量就很小，因而也就很难干扰到别的通信系统。
通信距离比较：在同样发射功率和调制方式的情况下，采用DSSS通信方式的系统，由于有扩频增益，因而通信距离更远。
（3）通信速率
高频系统通信速率比低频系统高。
（4）保密性
直序扩频可以通过使用PN码来增加空中通信的保密性。另外，由于高频系统通信速率比低频系统更高，也就为使用软件加密提供更大的数据空间。
（5）体积大小
高频系统由于波长短，因而，标签的尺寸可以做得很小。
（6）绕射，反射，钻缝传输能力
低频系统绕射能力比高频系统好，而高频系统穿过细小缝隙传输的能力比低频信号好。高频信号更多通过建筑物表面反射信号来实现绕障碍物传输。大量的应用实践表明，通过合理利用高频信号的传播特征，2.4GHz DSSS 有源电子标签可以很好地满足各种近距离通信的需要。
2.3.工作方式比较
2.3.1. 目前国内外有源电子标签的基本工作方式
（1）周期性向外发射自身ID号的方式。这是目前普遍采用的工作方式：当电子标签采用这种工作方式工作时，它的发射功率，发射的时间间隔，发射频道信道都是固定的。这种工作方式也是实时定位系统（Real Time Location System, RTLS）ISO国际标准中，定位标签的基本工作方式。
（2）采用低频唤醒高频工作的方式。为了降低电子标签的功耗，电子标签中安装有一个无源低频检波系统，系统通过低频激励器天线发射出的强的低频唤醒信号，使电子标签中的低频检波器产生一个开启高频通信系统的信号，从而使电子标签将进入某种工作状态，工作完成后再进入休眠待激活状态。由于标签中的低频检波系统是无源的，因而这种低频系统激活天线所发射的功率必须要很大，而且它能激活标签的范围也非常有限。因而，系统工作灵活性受到很大限制。
（3）采用两套通信系统的工作方式：包括超宽带UWB加2.4GHz, UWB 加 125kHz 低频，以及 2.4GHz加 125kHz 低频，（参阅IEEE有源电子标签国际标准工作组，在2009年3月到2010年1月各次会议上所提供的相关文件）。类似RTLS国际标准（ISO/IEC 24730-2, 以及ISO/IEC JTC I/SC 31/WG 3/SG 1）中所定义的系统，电子标签中安装了一套有源的的低频接收机，周期性（200ms）地监听并接收来自Programmer和Exciter的信号。采用这种工作方式，仅仅是为了实现双向通信。这种工作方式存在的问题是，标签本身变得十分复杂，标签耗电大，电池寿命短，而且，标签与Programmer和Exciter之间的通信距离也非常近，因而，能够利用这种双向通信机会，来增加系统工作的灵活性和适应性的作用也就非常有限。超长的响应时间也是该系统存在的问题。
2.3.2. 现有有源电子标签存在的若干问题
由于2.3.1中，（2）和（3）两种标签不仅结构复杂，成本高，体积大，而且由于低频通信距离很短，使标签的工作灵活性大大降低，其应用范围也就受到很大的限制。因而，我们这里主要讨论目前普遍使用的第一种标签工作方式存在的问题：
首先，它们在时间上和空间上，不能按需工作，即在需要工作的时候才工作，在需要工作的地方才工作；其次，它们也不能根据实际需要，来对标签的工作参数和方式进行调整。
（1）它们将不可避免地造成环境的电磁污染：试想，随着电子标签越来越广泛的应用，特别是物联网的应用的展开，如果大量电子标签始终不停地向外发射各种各样的射频信号，我们将被迫生活在一个充满大量电磁信号的环境中，这显然是我们每一个人都无法忍受的生活空间。
（2）在一般情况下，在一个时刻，我们往往仅只对一个特定目标对象的识别感兴趣，因而，我们只需要接收该目标电子标签的信号即可，而其它标签发射的信号就是干扰信号。不仅如此，大量的标签发射的信号，还会干扰到工作在这一公用频道上的其它无线系统。
（3）电子标签不停地向外发射信号，还会增加电池的消耗，降低电池的使用寿命。
（4）电子标签不停地向外发射信号时所消耗的能量与发射功率成正比，对于远距离识别，例如船只等，电子标签必须要使用大的发射功率来发射信号，这将大大减少电子标签电池的寿命。
（5）另外，电子标签发射信号的间隔越短，电池消耗就越快，很多实际应用又要求对电子标签进行快速读取，例如，对快速经过的车辆的识别。而这与电子标签为了省电的目的，需要增加发射信号的时间间隔是相矛盾的。
（6）如果我们需要电子标签除了发射自身ID外，还需要发射更多的相关信息，则电子标签每次发射所需的时间将更长，这就需要占用系统更多的空中时间并消耗更多的电池能量。这不但增大了信号碰撞的几率，而且减少了电池的使用寿命。
（7）由于标签不能根据需要调整自身的发射功率，因而，当它用于定位时，也就不能很好地适应不同空间大小范围的工作环境。
（8）保密性差：当用于军事目的时，由于电子标签始终向外发射信号，信号裸露时间长，裸露的空间范围大，因而敌人很容易截取和分析裸露的信号。
（9）适应性差：由于电子标签不能随时根据实际应用需要，来调整自身的工作参数和工作方式，因而工作适应性差。
2.4. 现有有源电子标签能够实现的功能
现有的有源电子标签，一般只能承担身份识别和简单定位的功能。凡是涉及需要双向通信才能完成的许多功能：例如授权认证，数据读写记录，工作指令传输等都根本无法实现，更不用说在低成本，低功耗的前提下，满足当今物联网信息传输的各种需要了。
3. 具有我国自主知识产权的交互式智能电子标签通信技术
如果说新近IEEE国际有源电子标签标准制定组所提供的资料，反映了西方当前有源电子标签技术的最新水平的话，应该说在物联网关键的近距离信息传输技术的研究中，我们目前处于领先地位。西谷公司使用了近6年的时间，在将当今世界上最新的包括RFID和Zigbee在内的近距离无线微功率通信技术成果，用于解决国内生产实践的各种问题过程中，创造出了一种全新的交互式智能电子标签通信技术。这是一种具有完全自主知识产权的，结构简单体积小，低成本，功耗低，工作可靠，而且具有超远距离通信能力的多功能有源电子标签技术。它不仅满足了IEEE有源电子标签国际标准制定组对理想标准提案的所有要求，而且有过之而无不及。例如，在保证超低功耗的的情况下，它既可承担远近不同距离的身份识别（几米到2公里），又可灵活满足物联网各种各样无线信息传输的需要。更重要的是，这种新技术是一个经过众多实际应用验证了的技术。
交互式智能电子标签通信技术通过标签自动跳转工作频道的方法，低成本地解决了标签双向通信的问题1；通过无效信号快速过滤技术，解决了标签的功耗问题2；利用超低功耗待机状态与定式动作的组合工作方式，解决了标签按需工作和灵活工作的问题2；通过自动时分，频分和码分方式，解决了海量电子标签信息的处理问题1；通过使用自动改变发射功率的方式，简单有效地解决了在不同大小应用环境中的精确定位问题3。
3.1. 交互式有源电子标签的主要工作参数
交互式有源电子标签工作在国际通用的2.4G ISM频段；采用了1Mhz带宽的直序扩频（DSSS）工作方式，这不仅提高了系统的抗干扰能力和工作的稳定性，而且还能在ISM公用频带内更好地实现与其他无线通信系统的共存。交互式有源电子标签还可通过快速转换多达15个不同发射功率的方式，支持西谷公司先进独创的定位技术。
3.2. 基本工作方式
（1）时间和空间上按需工作。交互式智能电子标签平常并不对外发射任何射频信号，处于一种低功耗的待机状态（平均功耗 < 20 uA，平均唤醒速度为 0.5 秒且任意可调）当需要工作时，可在需要它工作的地方，通过一个1 - 100 mw的协调器，在0 - 2000米的距离上，在唤醒频道上将其唤醒（唤醒距离可调），并给予所需的工作指令；电子标签根据工作指令进行工作，并在完成所要求的工作后，立即进入唤醒频道上的低功耗的待机状态，等待下一次唤醒及新的工作指令。
（2）工作方式上按需工作。电子标签可根据不同应用的需要，写入该应用所需的工作模式程序包：例如发射ID模式、发射定位信号包模式、读写数据模式、传感器信息采集和传输模式，进入与读写器对话的工作模式、对接收到的数据进行简单处理的模式等。而系统则可随时根据不同的需要，通过协调器或读写器，发射所需工作模式的指令及相关参数。
（3）根据需要选择最优的工作参数和工作频道。交互式电子标签可以根据需要事先选择不同的射频工作参数、扫描和寻找干净的工作频道，而且还可以在工作过程中，随时根据需要通过协调器或读写器对工作参数进行更改；通过扫描和寻找干净的工作频道的方法，就可以避开来自正在工作的其它系统的干扰。即使在工作场所存在像WIFI这样的宽带系统，我们也可以在两个WIFI频道之间的5兆带宽范围内，选择所需的一兆带宽工作频道。
（4）利用每个标签ID号的唯一性，使电子标签根据工作指令进行自动时分，频分和码分的方式来解决系统处理海量标签的难题。
3.3. 交互式电子标签的优点
不使需要使用两套通信系统（不增加任何硬件）的情况下，以一种低成本，低功耗，高可靠性的方式（平均功耗 < 20 uA）,保证了电子标签与读写器之间，在几厘米到2000米的距离上，可以随时快速地建立起一种双向通信联系，从而实现电子标签在时间和空间上，工作参数选择上，以及工作方式上，都能按实际需要来工作的高效工作模式。其带来的好处是显而易见的：
（1）大大减少了对环境的电磁污染；提高了信号的接收效率，为与现有其它通信系统共存而不相互干扰的要求提供了有力的保证。
（2）很好地解决了有源电子标签电池寿命问题：由于电子标签平常处于一种低功耗的待机状态，只有在需要工作的非常短的时间内才消耗有限的电能，因而，电池寿命可以非常长。特别是用于远距离目标，例如船只的识别定位，以及陆上海上搜救等，因为远距离电子标签平常的耗电与近距离电子标签并没有任何差别，而真正需要使用大功率发射信号的工作时间则非常短，因而电池总体消耗仍然非常小。这也是其它电子标签没法做到的。
（3）高度的使用灵活性：由于交互式电子标签可以随时随地根据实际应用需要来调整自己的工作参数，写入和调用不同的工作程序。因而，它完全可以满足包括远近距离目标识别和定位在内的各种物联网信息传输的需要。
（4）一卡通功能：智能电子标签不需要重新设置，就可以同时满足远距离读写识别和几厘米范围内超近距离读写认证的需要。
（5）高度的保密性：除了使用一般软件加密外，交互式电子标签平常并不向外发射任何信号，只有在需要工作的有限时间内，和在需要工作的有限的空间范围（通过调整发射功率的大小来控制信号的覆盖范围）内发射信号，因而，信号曝露的几率小，很难被人发现，窃取，分析和破解；另外，在通过协调器向电子标签发射的唤醒信号时，还可以使用专用的PN码和唤醒密码来增加系统通信的保密性。因而交互式智能电子标签系统具有非常高的通信保密特性。特别是使用西谷公司具有自主知识产权的唐芯系列芯片，将更进一步提升通信保密的等级，从而满足国家机关和军队中（例如军事物资管理和军事物流等）各种应用的需要。
（6）通过自动时分，频分和码分的方式，解决了在短时间内处理海量标签信息的难题：
（7）通过将区域定位（Cell-ID）和精确定位有机结合的方式，交互式智能电子标签成功地将射频识别（RFID）和精确定位(RTLS)两个具有一定差异的功能集于一身。并通过使用西谷公司独创的变发射功率的定位技术，很好地解决了有限定位空间中的信号反射问题。
（8）结构简单成本低体积小：与一般最简单的有源电子标签在硬件上没有任何差别，仅仅在软件上采用了完全不同的控制方法。
（9）已经经过5年多应用实践的考验，从河南高速公路车辆路径识别严格的实验室和多次现场的实际测试，到上海浦东亚洲最大公交车停车场智能化车辆管理项目的实施；从银行金库的人员自动管理系统项目的正式启动，到北京城市供暖系统的自动温度采集系统的全面铺开，再到大批量城市单灯自动控制系统的定单需求等，……众多的生产应用实践和权威机构的严格测试，无一不证明这种交互式智能标签技术的实践性，先进性和巨大市场应用前景。
4. 结论
为了减少能耗，当今大多数有源电子标签使用的都是单向发射ID的方式，其唯一的目的就是识别和定位，而没有考虑信号拥堵和碰撞，以及一系列因此而产生的其它各种问题；同时，它们也不能满足各种应用领域急剧增长的需求，特别是物联网信息传输的急迫需要。实际上，现有有源射频识别技术以及当今物联网末端信息采集和控制存在的问题，都可以简单归结为如何解决公网以下，几米到上千米的距离范围内，各种信息的超低成本，超低功耗，灵活可靠的无线传输的问题。而交互式智能电子标签技术，就是经过实践验证的一种简单和切实可行的解决方案。
参考文献：
1．智能电子标签系统 国内专利申请号：200710196801X
2．有源电子标签及其应用系统和方法 国际专利申请号：PCT/CN2009/075227； 国内专利申请号：200910252922.0；200910252920.1
3．一种精确实用的射频定位新技术 国际专利申请号： PCT/CN2010/070041； 国内专利申请号：009100580453
我们可以将物联网理解为互联网向世界各个细节的延伸。如果说互联网的重要特征是计算机与其它计算机之间的网络连接的话，物联网的重要特征则是低成本低功耗的单片机与计算机之间的无线连接。
物联网至少应该解决如下几个问题：
“你是谁？”（身份识别和认证）；
“你在哪里？”（定位）；
“你的状况？”（传感器数据采集）；
“请你做xx工作，….”(指令下达)。
其次，解决这些问题所使用的手段还必须要满足如下几个基本要求：
低成本的要求，对无处不在的成万上亿的人和物进行身份识别和信息采集的成本，必须是低廉的。
无线传输和按需工作的要求，要将千千万万的物与物，物与人，人与人连接在一起，显然无线连接必然是主要采用的方式。为了避免环境的电磁污染，这就需要对大量的无线信号所占用的时间和空间进行控制，只容许它们在需要工作的有限空间和有限时间内发射信号。
高度集成的要求，承担信息传输的设备还必须体积很小。
所使用的无线设备必须是超低功耗的。
它们必须是可以进行双向通信的，即既有数据采集也有信号控制。
它们还应具有远距离通信的能力（往往需要超过千米），例如路灯控制等。
显然，物联网不可能仅只是一个单一性质的网络，而应该是各种信息传输和采集手段的集成。是一个包括条码、各种传感器、有源电子标签、计算机、手机、各种通信公网等在内的“泛在网”。然而，当我们从上到下梳理一下物联网的整个信息连接和传输过程，我们不难发现：用于远距离信息传输所需的各种公用通信网络已经建立，而且十分成熟，最多也仅仅是改进升级而已。而在与人或物直接相关的最下层，条码标签，无源电子标签等近距离识别技术，以及各种采集物品状态信息的常用传感器技术（温度，湿度，压力等）也都相对比较成熟。问题的关键在于，如何在满足以上基本要求的前提下将传感器、条码标签，以及无源电子标签等所采集到的有关物和人的这些信息，传到几十米，甚至到1公里外的公共网络中！
2. 有源电子标签
2.1.物联网对有源电子标签的期待
由于有源电子标签本身就是一种单片机加无线微功率收发机的简单结构，且具有体积小、成本低、功耗低和可实现远距离传输的特性，它自然也就成为人们解决公网以下物联网信息传输问题的希望所在。我们可以在IEEE有源电子标签国际标准制定小组提交的立项报告中，清楚看出人们对它的这种期待：
从同一个文件中，我们还可以了解到有源电子标签的现状：
“为了减少能耗，当今大多数有源标签使用的都是单向发射ID的方式，其唯一的目的就是识别和定位，而没有考虑拥堵和信号碰撞问题。有源电子标签需要具有双向通信和远距离通信的能力，需要具有处理海量标签的能力，但同时消耗的功率非常低。”
“目前还没有一个国际标准提案能够满足这个需要！”就是当前有源电子标签的现状。
为了对有源电子标签现状有一个更清楚的陈述，我们不妨先将各种有源电子标签做一个简单的比较,：包括基本物理性能，工作方式，以及功能等，并对其中存在的一些主要问题加以简单评述。
2.3.基本物理性能比较
（1）通信频率
400MHz， 800MHz， 900MHz超高频系统的带宽窄，用户多，频段十分拥挤干扰大：
433MHz：车载台、业余台、对讲机、各种数传电台充斥；
800MHz~ 900MHz：与移动通信存在相互干扰；
5.8GHz技术要求高，技术尚未十分成熟，现有的芯片通信距离近，功耗大，且成本高；
2.4GHz已相当成熟，成本也低，作为电子标签使用通信速率足够，相应的产品也比较多。尽管该频段也有不少用户，但由于该频段规划管理较好，一般都是新产品，采用了新技术（跳频或扩频技术）相互之间兼容共存性较好。
（2）通信方式
现有一般标签，包括大多数400MHz、800MHz、900MHz和一般2.4GHz有源电子标签，出于技术难度和成本考虑，基本上采用的都是相对落后的点频窄带通信方式。这种通信方式直接带来的问题是：
系统稳定性差。由于系统工作频点很窄，因而，决定系统工作频率的晶振，将因为温度变化（温漂）和自身老化产生自振频率的变化，导致系统工作频点的变化，使系统的工作频点偏离有限的工作范围，从而使系统不能正常工作。这样的例子非常多。
标签移动速度受限制。当电子标签快速移动时，由于多径效应和多谱勒效应的影响，都有可能造成信号频率偏移出原本很窄的系统工作范围，同样使系统不能正常工作。
与其它无线系统的共存性差。点频窄带的通信方式很容易受到环境噪声的干扰，同时也容易干扰到别的通信系统，特别是在400MHz、800MHz和900MHz这样一些特别拥挤的频段。而采用直序扩频通信方式，即使系统在某一个或几个点上受到干扰，系统都可以通过通信码片之间的相关关系，将被干扰部分修复，因而系统通信不易受到影响。由于扩频系统工作在较宽的一个频带上，在每一个工作频点上的发射能量就很小，因而也就很难干扰到别的通信系统。
通信距离比较：在同样发射功率和调制方式的情况下，采用DSSS通信方式的系统，由于有扩频增益，因而通信距离更远。
（3）通信速率
高频系统通信速率比低频系统高。
（4）保密性
直序扩频可以通过使用PN码来增加空中通信的保密性。另外，由于高频系统通信速率比低频系统更高，也就为使用软件加密提供更大的数据空间。
（5）体积大小
高频系统由于波长短，因而，标签的尺寸可以做得很小。
（6）绕射，反射，钻缝传输能力
低频系统绕射能力比高频系统好，而高频系统穿过细小缝隙传输的能力比低频信号好。高频信号更多通过建筑物表面反射信号来实现绕障碍物传输。大量的应用实践表明，通过合理利用高频信号的传播特征，2.4GHz DSSS 有源电子标签可以很好地满足各种近距离通信的需要。
{$page$}
2.3.工作方式比较
2.3.1. 目前国内外有源电子标签的基本工作方式
（1）周期性向外发射自身ID号的方式。这是目前普遍采用的工作方式：当电子标签采用这种工作方式工作时，它的发射功率，发射的时间间隔，发射频道信道都是固定的。这种工作方式也是实时定位系统（Real Time Location System, RTLS）ISO国际标准中，定位标签的基本工作方式。
（2）采用低频唤醒高频工作的方式。为了降低电子标签的功耗，电子标签中安装有一个无源低频检波系统，系统通过低频激励器天线发射出的强的低频唤醒信号，使电子标签中的低频检波器产生一个开启高频通信系统的信号，从而使电子标签将进入某种工作状态，工作完成后再进入休眠待激活状态。由于标签中的低频检波系统是无源的，因而这种低频系统激活天线所发射的功率必须要很大，而且它能激活标签的范围也非常有限。因而，系统工作灵活性受到很大限制。
（3）采用两套通信系统的工作方式：包括超宽带UWB加2.4GHz, UWB 加 125kHz 低频，以及 2.4GHz加 125kHz 低频，（参阅IEEE有源电子标签国际标准工作组，在2009年3月到2010年1月各次会议上所提供的相关文件）。类似RTLS国际标准（ISO/IEC 24730-2, 以及ISO/IEC JTC I/SC 31/WG 3/SG 1）中所定义的系统，电子标签中安装了一套有源的的低频接收机，周期性（200ms）地监听并接收来自Programmer和Exciter的信号。采用这种工作方式，仅仅是为了实现双向通信。这种工作方式存在的问题是，标签本身变得十分复杂，标签耗电大，电池寿命短，而且，标签与Programmer和Exciter之间的通信距离也非常近，因而，能够利用这种双向通信机会，来增加系统工作的灵活性和适应性的作用也就非常有限。超长的响应时间也是该系统存在的问题。
2.3.2. 现有有源电子标签存在的若干问题
由于2.3.1中，（2）和（3）两种标签不仅结构复杂，成本高，体积大，而且由于低频通信距离很短，使标签的工作灵活性大大降低，其应用范围也就受到很大的限制。因而，我们这里主要讨论目前普遍使用的第一种标签工作方式存在的问题：
首先，它们在时间上和空间上，不能按需工作，即在需要工作的时候才工作，在需要工作的地方才工作；其次，它们也不能根据实际需要，来对标签的工作参数和方式进行调整。
（1）它们将不可避免地造成环境的电磁污染：试想，随着电子标签越来越广泛的应用，特别是物联网的应用的展开，如果大量电子标签始终不停地向外发射各种各样的射频信号，我们将被迫生活在一个充满大量电磁信号的环境中，这显然是我们每一个人都无法忍受的生活空间。
（2）在一般情况下，在一个时刻，我们往往仅只对一个特定目标对象的识别感兴趣，因而，我们只需要接收该目标电子标签的信号即可，而其它标签发射的信号就是干扰信号。不仅如此，大量的标签发射的信号，还会干扰到工作在这一公用频道上的其它无线系统。
（3）电子标签不停地向外发射信号，还会增加电池的消耗，降低电池的使用寿命。
（4）电子标签不停地向外发射信号时所消耗的能量与发射功率成正比，对于远距离识别，例如船只等，电子标签必须要使用大的发射功率来发射信号，这将大大减少电子标签电池的寿命。
（5）另外，电子标签发射信号的间隔越短，电池消耗就越快，很多实际应用又要求对电子标签进行快速读取，例如，对快速经过的车辆的识别。而这与电子标签为了省电的目的，需要增加发射信号的时间间隔是相矛盾的。
（6）如果我们需要电子标签除了发射自身ID外，还需要发射更多的相关信息，则电子标签每次发射所需的时间将更长，这就需要占用系统更多的空中时间并消耗更多的电池能量。这不但增大了信号碰撞的几率，而且减少了电池的使用寿命。
（7）由于标签不能根据需要调整自身的发射功率，因而，当它用于定位时，也就不能很好地适应不同空间大小范围的工作环境。
（8）保密性差：当用于军事目的时，由于电子标签始终向外发射信号，信号裸露时间长，裸露的空间范围大，因而敌人很容易截取和分析裸露的信号。
（9）适应性差：由于电子标签不能随时根据实际应用需要，来调整自身的工作参数和工作方式，因而工作适应性差。
2.4. 现有有源电子标签能够实现的功能
现有的有源电子标签，一般只能承担身份识别和简单定位的功能。凡是涉及需要双向通信才能完成的许多功能：例如授权认证，数据读写记录，工作指令传输等都根本无法实现，更不用说在低成本，低功耗的前提下，满足当今物联网信息传输的各种需要了。
3. 具有我国自主知识产权的交互式智能电子标签通信技术
如果说新近IEEE国际有源电子标签标准制定组所提供的资料，反映了西方当前有源电子标签技术的最新水平的话，应该说在物联网关键的近距离信息传输技术的研究中，我们目前处于领先地位。西谷公司使用了近6年的时间，在将当今世界上最新的包括RFID和Zigbee在内的近距离无线微功率通信技术成果，用于解决国内生产实践的各种问题过程中，创造出了一种全新的交互式智能电子标签通信技术。这是一种具有完全自主知识产权的，结构简单体积小，低成本，功耗低，工作可靠，而且具有超远距离通信能力的多功能有源电子标签技术。它不仅满足了IEEE有源电子标签国际标准制定组对理想标准提案的所有要求，而且有过之而无不及。例如，在保证超低功耗的的情况下，它既可承担远近不同距离的身份识别（几米到2公里），又可灵活满足物联网各种各样无线信息传输的需要。更重要的是，这种新技术是一个经过众多实际应用验证了的技术。
交互式智能电子标签通信技术通过标签自动跳转工作频道的方法，低成本地解决了标签双向通信的问题1；通过无效信号快速过滤技术，解决了标签的功耗问题2；利用超低功耗待机状态与定式动作的组合工作方式，解决了标签按需工作和灵活工作的问题2；通过自动时分，频分和码分方式，解决了海量电子标签信息的处理问题1；通过使用自动改变发射功率的方式，简单有效地解决了在不同大小应用环境中的精确定位问题3。
3.1. 交互式有源电子标签的主要工作参数
交互式有源电子标签工作在国际通用的2.4G ISM频段；采用了1Mhz带宽的直序扩频（DSSS）工作方式，这不仅提高了系统的抗干扰能力和工作的稳定性，而且还能在ISM公用频带内更好地实现与其他无线通信系统的共存。交互式有源电子标签还可通过快速转换多达15个不同发射功率的方式，支持西谷公司先进独创的定位技术。
3.2. 基本工作方式
（1）时间和空间上按需工作。交互式智能电子标签平常并不对外发射任何射频信号，处于一种低功耗的待机状态（平均功耗 < 20 uA，平均唤醒速度为 0.5 秒且任意可调）当需要工作时，可在需要它工作的地方，通过一个1 - 100 mw的协调器，在0 - 2000米的距离上，在唤醒频道上将其唤醒（唤醒距离可调），并给予所需的工作指令；电子标签根据工作指令进行工作，并在完成所要求的工作后，立即进入唤醒频道上的低功耗的待机状态，等待下一次唤醒及新的工作指令。
（2）工作方式上按需工作。电子标签可根据不同应用的需要，写入该应用所需的工作模式程序包：例如发射ID模式、发射定位信号包模式、读写数据模式、传感器信息采集和传输模式，进入与读写器对话的工作模式、对接收到的数据进行简单处理的模式等。而系统则可随时根据不同的需要，通过协调器或读写器，发射所需工作模式的指令及相关参数。
（3）根据需要选择最优的工作参数和工作频道。交互式电子标签可以根据需要事先选择不同的射频工作参数、扫描和寻找干净的工作频道，而且还可以在工作过程中，随时根据需要通过协调器或读写器对工作参数进行更改；通过扫描和寻找干净的工作频道的方法，就可以避开来自正在工作的其它系统的干扰。即使在工作场所存在像WIFI这样的宽带系统，我们也可以在两个WIFI频道之间的5兆带宽范围内，选择所需的一兆带宽工作频道。
（4）利用每个标签ID号的唯一性，使电子标签根据工作指令进行自动时分，频分和码分的方式来解决系统处理海量标签的难题。
3.3. 交互式电子标签的优点
不使需要使用两套通信系统（不增加任何硬件）的情况下，以一种低成本，低功耗，高可靠性的方式（平均功耗 < 20 uA）,保证了电子标签与读写器之间，在几厘米到2000米的距离上，可以随时快速地建立起一种双向通信联系，从而实现电子标签在时间和空间上，工作参数选择上，以及工作方式上，都能按实际需要来工作的高效工作模式。其带来的好处是显而易见的：
（1）大大减少了对环境的电磁污染；提高了信号的接收效率，为与现有其它通信系统共存而不相互干扰的要求提供了有力的保证。
（2）很好地解决了有源电子标签电池寿命问题：由于电子标签平常处于一种低功耗的待机状态，只有在需要工作的非常短的时间内才消耗有限的电能，因而，电池寿命可以非常长。特别是用于远距离目标，例如船只的识别定位，以及陆上海上搜救等，因为远距离电子标签平常的耗电与近距离电子标签并没有任何差别，而真正需要使用大功率发射信号的工作时间则非常短，因而电池总体消耗仍然非常小。这也是其它电子标签没法做到的。
（3）高度的使用灵活性：由于交互式电子标签可以随时随地根据实际应用需要来调整自己的工作参数，写入和调用不同的工作程序。因而，它完全可以满足包括远近距离目标识别和定位在内的各种物联网信息传输的需要。
（4）一卡通功能：智能电子标签不需要重新设置，就可以同时满足远距离读写识别和几厘米范围内超近距离读写认证的需要。
（5）高度的保密性：除了使用一般软件加密外，交互式电子标签平常并不向外发射任何信号，只有在需要工作的有限时间内，和在需要工作的有限的空间范围（通过调整发射功率的大小来控制信号的覆盖范围）内发射信号，因而，信号曝露的几率小，很难被人发现，窃取，分析和破解；另外，在通过协调器向电子标签发射的唤醒信号时，还可以使用专用的PN码和唤醒密码来增加系统通信的保密性。因而交互式智能电子标签系统具有非常高的通信保密特性。特别是使用西谷公司具有自主知识产权的唐芯系列芯片，将更进一步提升通信保密的等级，从而满足国家机关和军队中（例如军事物资管理和军事物流等）各种应用的需要。
（6）通过自动时分，频分和码分的方式，解决了在短时间内处理海量标签信息的难题：
（7）通过将区域定位（Cell-ID）和精确定位有机结合的方式，交互式智能电子标签成功地将射频识别（RFID）和精确定位(RTLS)两个具有一定差异的功能集于一身。并通过使用西谷公司独创的变发射功率的定位技术，很好地解决了有限定位空间中的信号反射问题。
（8）结构简单成本低体积小：与一般最简单的有源电子标签在硬件上没有任何差别，仅仅在软件上采用了完全不同的控制方法。
（9）已经经过5年多应用实践的考验，从河南高速公路车辆路径识别严格的实验室和多次现场的实际测试，到上海浦东亚洲最大公交车停车场智能化车辆管理项目的实施；从银行金库的人员自动管理系统项目的正式启动，到北京城市供暖系统的自动温度采集系统的全面铺开，再到大批量城市单灯自动控制系统的定单需求等，……众多的生产应用实践和权威机构的严格测试，无一不证明这种交互式智能标签技术的实践性，先进性和巨大市场应用前景。
4. 结论
为了减少能耗，当今大多数有源电子标签使用的都是单向发射ID的方式，其唯一的目的就是识别和定位，而没有考虑信号拥堵和碰撞，以及一系列因此而产生的其它各种问题；同时，它们也不能满足各种应用领域急剧增长的需求，特别是物联网信息传输的急迫需要。实际上，现有有源射频识别技术以及当今物联网末端信息采集和控制存在的问题，都可以简单归结为如何解决公网以下，几米到上千米的距离范围内，各种信息的超低成本，超低功耗，灵活可靠的无线传输的问题。而交互式智能电子标签技术，就是经过实践验证的一种简单和切实可行的解决方案。
参考文献：
1．智能电子标签系统 国内专利申请号：200710196801X
2．有源电子标签及其应用系统和方法 国际专利申请号：PCT/CN2009/075227； 国内专利申请号：200910252922.0；200910252920.1
3．一种精确实用的射频定位新技术 国际专利申请号： PCT/CN2010/070041； 国内专利申请号：009100580453
