JP7164227B2 - 低消費電力の無線周波数識別方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）の分野に関し、更に詳しくは、低消費電力の無線周波数識別方法と装置（Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｄｅｖｉｃｅ ｔｈｅｒｅｏｆ）に関する。

無線周波数識別（英語：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、ＲＦＩＤ）は無線通信技術の一種であり、無線信号により特定の目標を識別すると共に関連データを読み書し、識別システムと特定の目標との間に機械的または光学的接触を構築する必要はない。無線信号は無線周波数に調整した電磁場であり、データを物品に装着しているタグからアップロードして送信し、前記物品を自動識別し追跡する。あるタグは識別時に識別装置から発射する電磁場中からエネルギーを取得するため、電池が不要である。タグ本体に電源を有し、無線電波を能動的に発射するものもある。タグは電子的に保存した情報を含み、数ｍの範囲内ならば識別可能である。バーコードとの違いは、無線周波数タグは識別装置の視角内に位置する必要がなく、追跡される物体内に嵌入されていてもよい。

無線周波数識別の用途は極めて広範に及び、多くの業界で無線周波数識別技術を運用している。例えば、無線周波数タグを製造中の車両に装着し、メーカーが製造ライン上でのその車両の進捗を追跡する、倉庫での薬品の位置を追跡する、無線周波数タグを家畜やペットに装着し、家畜やペットを積極的に識別する（複数の家畜が同じＩＤを使用するのを防止する）、社員が無線周波数識別のＩＤ識別カードを使用して建築物の施錠エリアに進入する、車両の無線周波数トランスポンダにより有料道路及び駐車場の料金を徴収する等である。

しかしながら、上述のこれらの応用では、無線周波数識別を読み取る装置は全て固定電源（商用電源）に接続する装置に属し、相対的に電力消費を考慮する必要がなかった。図１は従来の無線周波数識別方法を示す操作波形図である。図１に示されるように、この例では一般的に常用される無線周波数識別タグであるＥＭ４１００／４２００を例としている。その通信プロトコルは下記表１に示す。

９ヘッダービット及び３２データビットを有している。ＥＭ４１００／４２００のビット周期（Ｂｉｔ Ｐｅｒｉｏｄ）は５１２ｕｓであり、６４ ｂｉｔｓのデータビットを完全に復号するには３２ｍｓ必要であり、９ ヘッダービット（ｈｅａｄｅｒ ｂｉｔｓ）を完全に復号するには ４．６ｍｓ必要であるが、実際に要する検出時間は上述の数値よりも長い。仮に開始時間Ｔｏｆｆを１００ｍｓとし、消費電力を５ｍＡとする場合、開始時間Ｔｏｎは３２ｍｓであり、消費電力は４５ｍＡであり、平均消費電力（１００＊５＋３６．６＊４５）／１３６．６≒１５．７ｍＡが得られる。

しかしながら、無線周波数識別技術を電池を有している装置に適用する場合、このような消費電力量は受け入れられなかった。上述の技術にとって、消費電力を減らせば開始時間Ｔｏｆｆを延長できるが、反応速度が低下するという副作用があった。

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低消費電力の無線周波数識別方法と装置を提供することにある。換言すれば、電源が限られる状況で消費電力量を減らし、装置に長時間動作を維持させる。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の低消費電力の無線周波数識別方法は、無線周波数識別タグ読み取り装置に適用し、
常態スリープモードに進むステップＡと、
各所定時間にウェイクアップシーケンスを実行し、且つコイルから検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を送信するステップＢと、
前記コイルのエネルギーの大きさが閾値未満か否かを検出するステップＣと、
前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合、ステップＡに戻るステップＤと、を含む。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別方法において、前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合にステップＡに戻る前に、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替する閾値補正シーケンスを実行するステップをさらに含む。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別方法において、前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値未満である場合、搬送波信号を持続的に送信するステップと、タグが返信した返信データを受信するステップと、前記返信データを復号するステップと、をさらに含む。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別方法において、前記返信データを復号した後、無線周波数識別コードを取得したか否かを判断するステップと、否と判断した場合、閾値補正シーケンスを実行し、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替するステップと、をさらに含む。

また、本発明の別の態様は、低消費電力の無線周波数識別装置である。この装置は、
コイルを含むＬＣ共振回路と、
前記ＬＣ共振回路に接続しているウェイクアップ回路と、を備え、
前記低消費電力の無線周波数識別装置は常態スリープモードに運用し、
各所定時間でウェイクアップシーケンスを実行し、且つ前記コイルから検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を送信し、
前記ウェイクアップ回路が前記コイルのエネルギーの大きさが閾値未満か否かを検出し、前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合、前記常態スリープモードに戻る。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別装置において、ウェイクアップ回路はピーク検出器と、フィルター回路と、比較回路と、を備えている。ピーク検出器は前記コイルの電圧ピーク値の検出に用い、ピーク信号を出力する。フィルター回路は前記ピーク検出器に接続し、前記ピーク信号を受信し、ローパスフィルタを実行し、フィルター信号を出力する。比較回路は前記フィルター信号を受信する第一入力端及び閾値信号を受信する第二入力端を含み、比較回路が出力する比較信号が第一状態にある時間が閾値時間より長い場合、前記低消費電力の無線周波数識別装置を前記常態スリープモードに戻るように制御し、且つ背景値に基づいて前記閾値信号を調整する補正シーケンスを実行する。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別装置において、比較回路が出力する比較信号が第一状態にある時間が閾値時間より短い場合、前記低消費電力の無線周波数識別装置が搬送波信号を持続的に送信するように制御し、タグが返信した返信データを受信し、前記返信データを復号する。

また、本発明に係る低消費電力の無線周波数識別装置において、前記ウェイクアップ回路は、前記閾値信号を出力するためのデジタル－アナログ変換回路をさらに備えている。前記低消費電力の無線周波数識別装置が前記補正シーケンスを実行する際に、前記デジタル－アナログ変換回路が入力したデジタル閾値を調整し、前記閾値信号が調整されている。

本発明の精神は、常態スリープモードを利用し、搬送波信号（検出信号）を短時間送信し、コイルのエネルギーの大きさを検出することで、コイルに無線周波数タグがあるか否か判断し、これにより無線周波数識別読み取り装置の消費電力量を減らす。よって、本発明が電池を使用している装置に適用可能になる。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

従来の無線周波数識別方法を示す操作波形図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置を示す回路ブロック図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップを示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置のウェイクアップ回路２０２を示す回路図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがない操作波形図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがある操作波形図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがない操作波形図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがある操作波形図である。 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置のウェイクアップ回路２０２を示す回路図である。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。

図２は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置を示す回路ブロック図である。図２を参照すれば、低消費電力の無線周波数識別装置は制御回路２００と、ＬＣ共振回路２０１と、ウェイクアップ回路２０２と、を備えている。ＬＣ共振回路２０１はスイッチ回路２０３と、コイルＬ１と、静電容量Ｃ１と、を含む。ウェイクアップ回路２０２は前記ＬＣ共振回路に接続している。説明のために、本発明は電池で駆動する無線周波数タグ読み取り装置を例にする。省電力を達成するため、この無線周波数タグ読み取り装置は平時は常態スリープモードで運用している。１００ｍｓ のような各所定時間でウェイクアップシーケンスを１回実行する。

無線周波数タグ読み取り装置がウェイクアップした場合、制御回路２００がコイルＬ１から検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）ＰＢを送信するようにＬＣ共振回路２０１を制御する。この検出信号ＰＢは２５０ｕｓのような極短い搬送波信号である。また、ウェイクアップ回路２０２がコイルＬ１のエネルギーの大きさ（一般的には、コイルの信号のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐ）で判断するが、本発明はこの限りではない）が閾値未満か否かを検出する。閾値は主にコイルＬ１に無線周波数タグがあるか否かを判断するために用いている。コイルＬ１に無線周波数タグがある場合、コイルＬ１が送信する検出信号ＰＢのエネルギーを無線周波数タグが消費する。よって、検出信号ＰＢが上述の閾値より低い場合、コイルＬ１に無線周波数タグがあると判定する。コイルＬ１上のエネルギーの大きさ（コイルＬ１のエンベロープ）が閾値を超えている場合、コイルＬ１に無線周波数タグがないと判定する。この際、制御回路２００は本発明の実施例に係る低消費電力の無線周波数識別装置を常態スリープモードに戻るように制御する。上述の実施例について、検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）ＰＢが２５０ｕｓしかないため、磁場を持続的に提供する従来の方式に比べ、１００ｍｓ毎に信号を１回送信する条件では、消費電力を約１／４００に減少させる。仮に共振電流（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）が４５ｍＡである場合、先行技術に比べて５．１１２５ｍＡに減少する。この値はほぼ待機電流に相当する。全時間待機する状況に比較し、消費電力は約１００ｕＡ／ｓ増加するのみである。

図３は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法を示すフローチャートである。図３に示すように、本実施例では、低消費電力の無線周波数識別方法は下記ステップを含む。
ステップＳ３０１：開始。
ステップＳ３０２：常態スリープモードに進む。
ステップＳ３０３：各所定時間にウェイクアップシーケンスを実行し、且つコイルから検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を送信する。
ステップＳ３０４：コイルのエネルギーの大きさが閾値未満か否か検出する。コイルのエネルギーの大きさが閾値を超えている場合、ステップ３０２に戻り、常態スリープモードを持続する。コイルのエネルギーの大きさが閾値未満である場合、コイルのタグが上述の検出信号のエネルギーを消費したことを示し、ステップＳ３０５に進む。
ステップＳ３０５：復号シーケンスを実行する。

図４は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法を示すフローチャートである。図３と図４を参照すれば、図４の実施例では、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替する閾値補正シーケンスを実行するステップＳ４０１を別途増加している。ユーザーが不注意で導体または他の物品をコイル付近に置いた場合、検出信号のエネルギーが吸収され、低消費電力の無線周波数識別装置が誤判定を下す確率が上昇する。誤判定が起こる確率を低下させるため、この実施例では、背景値にさらに基づいて閾値を補正し、誤判定の発生を回避している。

図５は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップを示すフローチャートである。図５を参照すれば、ステップＳ３０５のサブステップを下記に示す。
ステップＳ５０１：搬送波信号を持続的に送信する。コイルにタグがあると判断した場合、搬送波信号を持続的に送信し、タグにエネルギーを供給すると共にタグからの返信データを待つ。
ステップＳ５０２：タグが返信した返信データを受信する。
ステップＳ５０３：上述の返信データを復号する。
ステップＳ５０４：無線周波数識別コードを取得したか否かを判断する。否と判断した場合、ステップＳ３０４において誤判定があったことを示し、閾値に問題がある可能性があり、修正が必要となり、ステップＳ５０５に進む。取得したと判断した場合、ステップＳ５０６に進む。
ステップＳ５０５；否と判断した場合、閾値補正シーケンスを実行し、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替する。その後、ステップＳ３０２に戻り、持続的にスリープ省電力モードに進む。閾値が修正された後には誤判定が容易に起こらなくなり、ウェイクアップが実行されず、さらなる省電力効果を達成させる。
ステップＳ５０６；取得したと判断した場合、ウェイクアップを実行すると共にタグが対応する動作を行う。

図６は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置のウェイクアップ回路２０２を示す回路図である。図６を参照すれば、このウェイクアップ回路２０２はピーク検出器６０１と、フィルター回路６０２と、比較回路６０３と、を備えている。ピーク検出器６０１はこの実施例では、ダイオード、電気抵抗、及び静電容量で実施し、コイルＬ１の電圧ピーク値の検出に用い、ピーク信号ＶＰを出力する。フィルター回路６０２はこの実施例では、電気抵抗及び静電容量で実施し、ピーク検出器６０１に接続し、ピーク信号ＶＰを受信し、ローパスフィルタを実行し、フィルター信号ＶＦを出力する。比較回路６０３はフィルター信号ＶＦを受信する第一入力端及び閾値信号（この実施例では基準電圧）Ｖｒｅｆを受信する第二入力端を含み、比較回路の出力端からは比較信号ＣＰを出力する。

図７Ａは本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがない操作波形図である。図７Ｂは本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがある操作波形図である。図７Ａと図７Ｂを参照すれば、ＰＢは検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を示し、ＶＦはフィルター信号を示す。無線周波数識別タグがない状況ではフィルター信号ＶＦが殆ど減衰しないが、無線周波数識別タグがある状況ではフィルター信号ＶＦが大きく減衰することが分かる。

図８Ａは本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがない操作波形図である。図８Ｂは本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置に無線周波数タグがある操作波形図である。図８Ａと図８Ｂを参照すれば、上述のように、無線周波数識別タグがない状況ではフィルター信号ＶＦが殆ど減衰せず、よって、フィルター信号ＶＦが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい状態が長時間続き、比較信号ＣＰが正飽和状態に長時間維持される。無線周波数識別タグがない状況ではフィルター信号ＶＦが大きく減衰し、よって、フィルター信号ＶＦが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい状態は短時間しか続かず、比較信号ＣＰが正飽和状態に短時間しか維持されない。制御回路２００は比較信号ＣＰが正飽和状態に維持される時間の長さによって、コイルＬ１にタグがあるか否か判断する。

図９は本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力の無線周波数識別装置のウェイクアップ回路２０２を示す回路図である。図６と図９を参照すれば、この２つの回路の差異は、このウェイクアップ回路２０２にはデジタル－アナログコンバーター９０１を別途増設している点である。本実施例では、低消費電力の無線周波数識別装置が背景値に基づいて上述の補正シーケンスを実行する際に、この基準電圧は、内部のデジタル閾値を上述のデジタル－アナログコンバーター９０１に出力し、デジタル－アナログコンバーター９０１によりデジタル閾値をアナログの基準電圧Ｖｒｅｆに変換し、これによりこの基準電圧を閾値信号の代表としている。

以上を総合すると、本発明の精神は、常態スリープモードを利用し、搬送波信号（検出信号）を短時間送信し、且つコイルのエネルギーの大きさを検出することで、コイルに無線周波数タグがあるか否かを判断することにより無線周波数識別読み取り装置の消費電力量を減らし、本発明を電池を使用する装置に適用可能にしている。また、好ましい実施例において、背景値に基づいて持続的に閾値を改変する方式により、無線周波数タグ読み取り装置の判定をさらに正確にしている。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。

２００ 制御回路
２０１ ＬＣ共振回路
２０２ ウェイクアップ回路
２０３ スイッチ回路
Ｌ１ コイル
Ｃ１ 静電容量
ＰＢ 検出信号
Ｓ３０１ 本発明の好ましい実施形態に係る低電力無線周波数識別方法のステップ
Ｓ３０２ 本発明の好ましい実施形態に係る低電力無線周波数識別方法のステップ
Ｓ３０３ 本発明の好ましい実施形態に係る低電力無線周波数識別方法のステップ
Ｓ３０４ 本発明の好ましい実施形態に係る低電力無線周波数識別方法のステップ
Ｓ３０５ 本発明の好ましい実施形態に係る低電力無線周波数識別方法のステップ
Ｓ４０１ 閾値補正シーケンスを実行する
Ｓ５０１ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
Ｓ５０２ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
Ｓ５０３ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
Ｓ５０４ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
Ｓ５０５ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
Ｓ５０６ 本発明の好ましい実施形態に係る低消費電力無線周波数識別方法の３０５ステップのサブステップ
６０１ ピーク検出器
６０２ フィルター回路
６０３ 比較回路
ＶＰ ピーク信号
ＶＦ フィルター信号
ＣＰ 比較信号
Ｖｒｅｆ 閾値信号（基準電圧）
９０１ デジタル－アナログコンバーター

Claims (5)

1. 無線周波数識別タグ読み取り装置に適用している低消費電力の無線周波数識別方法であって、
   常態スリープモードに進むステップＡと、
   各所定時間にウェイクアップシーケンスを実行し、且つコイルから検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を送信するステップＢと、
   前記コイルのエネルギーの大きさが閾値未満か否かを検出するステップＣと、
   前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合、ステップＡに戻るステップＤと、を含み、
   前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値未満である場合、
   搬送波信号を持続的に送信するステップと、
   タグが返信した返信データを受信するステップと、
   前記返信データを復号するステップと、をさらに含み、
   前記返信データを復号した後、
   無線周波数識別コードを取得したか否かを判断するステップと、
   否と判断した場合、閾値補正シーケンスを実行し、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替するステップと、をさらに含むことを特徴とする、低消費電力の無線周波数識別方法。
2. 前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合にステップＡに戻る前に、背景値に基づいて補正閾値を提供し、且つ前記補正閾値により前記閾値を代替する閾値補正シーケンスを実行するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の低消費電力の無線周波数識別方法。
3. コイルを含むＬＣ共振回路と、
   前記ＬＣ共振回路に接続しているウェイクアップ回路と、を備え、
   低消費電力の無線周波数識別装置は常態スリープモードに運用し、
   各所定時間でウェイクアップシーケンスを実行し、且つ前記コイルから検出信号（Ｐｒｏｂｅ Ｓｉｇｎａｌ）を送信し、
   前記ウェイクアップ回路が前記コイルのエネルギーの大きさが閾値未満か否かを検出し、
   前記コイルのエネルギーの大きさが前記閾値を超えている場合、前記常態スリープモードに戻り、
   比較回路出力の比較信号が第一状態にある時間が閾値時間より短い場合、
   前記低消費電力の無線周波数識別装置が搬送波信号を持続的に送信するように制御し、
   タグが返信した返信データを受信し、
   前記返信データを復号すること、を特徴とする、低消費電力の無線周波数識別装置。
4. 前記ウェイクアップ回路は、
   前記コイルの電圧ピーク値の検出に用い、ピーク信号を出力するピーク検出器と、
   前記ピーク検出器に接続し、前記ピーク信号を受信し、ローパスフィルタを実行し、フィルター信号を出力するフィルター回路と、
   前記フィルター信号を受信する第一入力端及び閾値信号を受信する第二入力端を含む比較回路と、を備え、
   比較回路が出力する比較信号が第一状態にある時間が閾値時間より長い場合、前記低消費電力の無線周波数識別装置を前記常態スリープモードに戻るように制御し、且つ、背景値に基づいて前記閾値信号を調整する補正シーケンスを実行することを特徴とする、請求項３に記載の低消費電力の無線周波数識別装置。
5. 前記ウェイクアップ回路は、
   前記閾値信号を出力するためのデジタル－アナログ変換回路をさらに備え、
   前記低消費電力の無線周波数識別装置が前記補正シーケンスを実行する際に、前記閾値信号が調整するように前記デジタル－アナログ変換回路が入力されたデジタル閾値を調整することを特徴とする、請求項４に記載の低消費電力の無線周波数識別装置。

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