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

        無源射頻標簽內部沒有電池供電，依靠讀寫器發來的電磁波來工作，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；有源射頻標簽內部有電池供電，能夠依靠自身的能量發射信號，因此傳輸距離較遠、抗干擾能力較強、存儲空間較大，還可以與傳感器結合起來，組成功能復雜的傳感器射頻標簽。但是隨著標簽內部電池電量的消耗，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部電池的單次放電壽命。

        傳統的有源標簽低功耗設計

        傳統的有源射頻標簽主要由3部分構成，分別是甚高頻射頻電路、單片機系統和電池。單片機系統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”，然后監聽是否有數據包接收到。如果沒有接收到數據包，則進入省電的“睡眠”狀態；如果接收到數據包，則進入數據包處理環節，相應接收到的數據包，提取出命令，發送響應的命令回應數據包，當數據包處理結束后進入省電的“睡眠”狀態。睡眠狀態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，達到節省電能的目的。

        采用這種省電機制的有源射頻標簽，電路設計簡單，程序穩定，但應用不太靈活。我們把有源射頻標簽從一次“蘇醒”的結束到下次“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是處于“睡眠周期”和“蘇醒周期”周而復始的循環。“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”，而大多數的“蘇醒”周期并沒有接收到數據包，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過讀寫器的場合。因此，傳統有源射頻標簽省電機制設計的關鍵是，在特定應用場合中應該尋找到一個適當的睡眠深度。

        雙頻有源標簽設計

        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中，引入了另一個射頻讀寫設備—激勵器，如圖３。

        １、雙頻有源標簽的硬件設計

        雙頻有源射頻標簽內部由甚高頻射頻電路、低頻激勵電路、單片機系統以及電池組成，與傳統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”，甚高頻射頻電路全部關閉，基本上不消耗電能；低頻激勵電路處于接收狀態，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，僅接收來自低頻電路的中斷信號。

        當低頻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，等待讀寫器對它的操作，超時后回到“休眠狀態”。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。

        當低頻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，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轉移設計

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

        標簽所處的省電常態為“休眠”或“偵聽”，“休眠”狀態須通過激勵器激勵后進入待命狀態，再接受讀寫器的讀寫器命令。工作于“偵聽”狀態下的有源標簽，類似于傳統意義上的有源標簽，甚高頻射頻電路周期性的“蘇醒”，監聽讀寫器的讀寫指令。標簽的省電常態可以根據需要由讀寫器通過標簽狀態轉移指令進行設置。

        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。當單片機系統控制低頻激勵電路關閉時，雙頻有源射頻標簽就變成了傳統的有源射頻標簽，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為例，描述雙頻有源射頻標簽的使用模式。

        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。當帶有射頻標簽的C06號汽車經過車道2收費口時，車上的射頻標簽被車道2上的激勵器所激活，主動發送數據包聯絡附近的讀寫器，進行一次數據交互，完成交費過程。這時，讀寫器通過標簽發來的數據包以及射頻標簽與車輛的綁定關系，不僅能知道哪輛車經過了收費口，還能通過發來的激勵器ID號知道經過了哪個車道，具有車道定位功能。

        簡約功能低功耗設計

        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送一次自身的ID數據包，沒有復雜的狀態轉換邏輯，不監聽外部的讀寫信號，平均功耗也可以得到控制。

        芯片選擇及電路設計

        在電路設計中，如果芯片的工作電壓與電池的放電電壓不一致，就需要電壓轉換電路來進行匹配。但是電壓在轉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品，單片機的選擇度也越來越大。例如Microchip公司的PIC系統，Texas Instruments公司的MSP430系統以及臺灣一些廠家的產品。

        電路設計中，盡量設計可由單片機控制的關斷電路，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據量。因此，在軟件的設計上，盡量減少空中通信次數，盡量協議編碼技術，減少通信信息流量，這些都沒有絕對的，需要取實驗折中優選方案。

        隨著物聯網及射頻識別技術在我國的興起，有源射頻標簽的應用領域將越來越寬，不可避免地要解決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、工作模式設計、電路設計、軟件設計以及生產工藝等諸多方面。設計有源標簽時，需要根據實際的應用模式，設計出最適合的方案。在有源射頻標簽省電機制的設計上，大都是功能與功耗的矛盾，只有最適合的方案，沒有最優的方案，這就需要設計者在充分分析應用需求的前提下，給出一種最優選的方案。