能量高效的可计算无线射频识别标签研究

As a promising technology, computational RFID, CRFID, is a kind of passive tag compliant with current EPC Global C1G2 standard. Comparing with current passive tags, CRFID tags have much powerful capabilities on computation and sensing, which are exactly suitable for applications in Internet of Things. Existing CRFID tags, however, cannot be directly applied in real applications as the inefficiency of energy restricts the communication range, computation and sensing capabilities. In this project, we systematically investigate the issue of energy inefficiency on CRFID tags, and propose a novel methodology to significantly improve the energy efficiency, i.e. "Harvest More and Save More Energy". Furthermore, we accordingly introduce an innovative hardware design as well as event-driven architecture for highly efficient energy harvesting and saving, respectively. Meanwhile, we reconstruct the firmware of CRFID tags to fulfill requirements of newly proposed hardware design, and further promote the efficiency of energy availability from the aspect of software. To enhance the flexibility of CRFID applications, we also study real-time program control and wireless re-programming on CRFIDs. Through this project, we think that a comprehensive new clue may be nominated to solve the energy issue on CRFIDs, which may solidly fund its future evolving and use.

可计算RFID标签（Computational RFID, CRFID）是一项新兴的RFID技术，CRFID标签无需电源，能兼容现有的EPC Global C1G2标准，比普通被动式标签有计算和感知能力，能进行较为复杂的计算和环境感知，尤其符合物联网对计算和感知的要求，具有极其广泛的应用前景。但是，现在的CRFID标签由于其能量效率低下的原因，限制了其通信距离、计算和感知能力，尚不能应用在实际场景中。本课题系统性的研究了CRFID标签能量效率低下的原因，采用对能量"开源节流"的方法来提高标签能量采集和利用效率，并率先提出全新的高效能量采集和事件驱动节能架构的研究思路。同时，为适应全新的硬件设计，本课题还从软件层面研究能量高效的标签固件，及标签内程序实时控制和无线重编程的方法，为解决CRFID能量问题提供了全面系统的解决方案和研究思路，并对CRFID标签技术的成熟和实际应用提供了有力支持。

可计算式射频识别（CRFID）标签将计算能力引入到RFID标签中，构建了轻量级且低成本的解决方案，适用于物联网环境感知、安全计算等应用领域，有令人瞩目的应用前景。CRFID标签目前面临的主要挑战为能量紧缺。能量限制了CRFID标签计算的复杂性、感知的精度和通信的距离等，使得标签无法满足许多实际应用场景需求。因此，本课题组以“开源节流”为基本思路来缓解CRFID标签的能量问题。“开源”指的是增强CRFID标签的能量采集能力，为系统负载提供更多可利用能量支持。“节流”意为降低CRFID标签负载能耗，增加能量利用效率以提升系统性能。我们构建了实际的CRFID系统，系统地分析了标签在工作时的能耗分布，研究了能量采集和能量消耗之前的平衡关系，并做出了一批研究成果。..在“开源”方面，我们提出双天线能量采集架构用于提高CRFID标签的射频能量采集效率，弥补了单天线能量采集和反向散射通信之间无法兼顾的缺陷。在“节流”方面，我们设计了一套轻量级CRFID标签能量管理机制，优化了能量管理效率，将能量利用率提高了30.2%。在系统性研究CRFID标签能量问题的同时，课题组也扩展了CRFID标签可用性。我们解决了CRFID标签固件切换问题，使得一个标签内可以集成多个固件功能模块，赋能CRFID标签可以适时适应地根据应用需求运行对应模块。随后，基于固件切换的研究，我们实现了对CRFID标签无线重编程的功能，能够通过无线电直接更新和修改标签内的固件模块。无线重编程提升了CRFID标签的可维护性，特别是那些已部署在人员难以靠近位置的标签。..另外，在本课题支持下，项目组还进行了无线与智能安全领域、社交网络、智能感知和车联网等领域进行了研究，获得了一批研究成果。