用于物流追蹤的雙向通信系統的制作方法

本發明涉及使用雙向無線通信系統的物流管理方法，特別涉及基于有源RFID技術來監控貨物位置的方法，所述有源RFID技術使用低功耗RFID標簽和握手通信協議。

背景技術：

傳統的基于RFID技術的物流追蹤系統可以通過有源RFID標簽或無源RFID標簽來實施。已知的有源RFID標簽自身擁有電源和發射器，使得標簽能夠廣播信號。與無源RFID標簽相比，有源RFID標簽的性能包括更廣的讀取范圍以及更強的存儲能力。但是，為了獲得更強大的讀取范圍和存儲能力，則需要更高的電源功率要求。通常，有源RFID標簽是由長壽命電池提供電力，其可以持續供電若干年，但最終仍需更換電池。

已知有兩種不同類型的有源RFID標簽，它們是應答機(transponder)和信標(beacon)。有源RFID應答機只在有讀取器(reader)的詢問信號出現時，才進行通信，所以當標簽處于讀取器覆蓋范圍之外時，能夠節約電力，有助于延長電池壽命。有源RFID應答機通常用于保安接駁控制以及收費亭支付系統。

用作為有源RFID標簽的信標，在用戶設定的時間間隔內周期性地發送識別信息，而RFID讀取器通過天線捕獲信號并利用后端軟件確定該標簽的位置。這種類型的有源RFID標簽，常用于實時定位系統(RTLS)，這在室外運輸堆場和整個供應鏈過程里比較常見。一些有源RFID標簽在理想室外環境下能達到100米的讀取范圍。

所有這些額外的功能都將導致成本的增加。有源RFID標簽的價格取決于標簽承受惡劣條件的能力以及標簽的其它重要功能。

低功耗藍牙(BLE)技術是一種適用于有源RFID應用的已知無線系統。iBeacon是一種由Apple開發的基于BLE的協議，許多供應商制作了兼容iBeacon的硬件發射器，其通常被稱為信標，是一種廣播其識別碼到附近便攜式電子裝置的BLE設備。iBeacon技術使智能電話、平板電腦和其它裝置能夠在其靠近一個iBeacon標簽時執行某些操作。一旦檢測到iBeacon標簽，移動電話會利用接收到的iBeacon信息和位置信息，根據情境搜索(contextual search)激活相關的移動應用。在此例子里，不同的iBeacon標簽能夠激活不同的移動應用，以便提供促銷或廣告宣傳活動信息給使用移動電話的用戶。

iBeacon使用BLE的接近傳感器技術廣播一個通用唯一識別碼，該識別碼會被具有兼容應用或運行系統的一個讀取器接捕獲。該識別碼以及與其一起發送的數據可以被用來確定該設備的物理位置、客戶追蹤、或觸發該設備上一個基于位置的操作，如在社交媒體簽到，或者推送通知。

然而，如果將BLE的iBeacon用于有源RFID應用，需要克服一些障礙。目前用于有源RFID應用的iBeacon方案的一些限制有：

1、BLE標準提供40個頻道。其中只有三個廣播頻道(37、38和39)能夠用于iBeacon應用。在沒有信號沖突的情況下，可以產生最多400個時隙(根據iBeacon廣播間隔100ms，和大約0.75毫秒的廣告包時間，即(100/0.75)×3廣播頻道)。對于標簽讀取器要讀取潛在上千個有源RFID標簽的應用來說，使用BLE的iBeacon方案不可行，因為信號沖突的概率會隨著iBeacon標簽數目的上升而增加。

2、無論是否存在標簽讀取器，iBeacon方案都會持續廣播。這將造成電池電力的浪費，縮短電池壽命，增加有源RFID標簽的更換速率，從而增加使用成本。此外，在FAA規則下，要求禁止在飛行中的飛機上設備有RF信號發射，因此使用該廣播方案的RFID將不被允許應用在飛機上。

3、iBeacon方案沒有可靠的標簽和讀取器之間的數據交互。使用iBeacon方案的標簽不知道標簽讀取器是否已經成功獲取其數據，因為讀取器不會發送應答給標簽。因此標簽不得不周期性地持續廣播其數據。

4、iBeacon方案沒有數據安全性，因為任何BLE裝置都能夠嗅探(sniff)和聽到由標簽廣播的數據。

因此，對于有源RFID應用，有必要以一個增強的方式使用BLE技術，以便既能利用其低成本和低功耗的優勢，又能克服傳統iBeacon方案的缺點。

此外，如果標簽讀取器能夠讀取其覆蓋范圍內無限數目的標簽，這將是優選的。如果標簽讀取器能夠迅速且可靠地從標簽提取身份識別有效載荷(identification payload)，就會更好。如果能延長標簽的電池壽命以持續很多年，又會更好。

本發明將能滿足這些需要。

【發明概述】

本發明的特征在于獨立權利要求的特征部分。本發明的其他實施例在獨立權利要求里也有描述。

根據本發明的第一方面，提供一種在多個通信設備之間運行雙向通信系統的方法，雙向通信系統包括至少一個通信控制器和多個節點，其包括第一節點。本方法包括：經由第一主機的一個信道，在一個廣播間隔時間內，從所述通信控制器周期性地廣播一個信標信號；所述信標信號包含所述通信控制器的第一地址。本方法還包括：所述第一節點周期性地掃描所述第一主機的信標信號，一旦所述第一節點檢測到所述信標信號，所述第一節點就發送一個身份識別有效載荷到所述通信控制器，一旦所述通信控制器接收到所述身份識別有效載荷，就發送一個應答信號到所述第一節點。

根據一個最優實施例，所述應答信號還包含指令，其指示所述第一節點執行至少一個隨后操作。其中一個隨后操作，就是所述第一節點進入睡眠模式，持續一段指定時間。其中另一個隨后操作，就是所述第一節點被關機。

根據一個最優實施例，所述第一節點在接收到所述應答信號之后，就進入睡眠模式，持續第一睡眠時間。

根據一個最優實施例，所述第一節點在發送所述身份識別有效載荷之后，如果在一個預定時間內沒有接收到所述應答信號，所述第一節點就進入睡眠模式，持續第二睡眠時間。特別是，第一睡眠持續時間長于第二睡眠持續時間。

根據一個最優實施例，所述通信控制器在相同的廣播間隔時間內，經由所述第一主機上具有不同廣播頻率的其它信道，在多個時隙內周期性廣播所述信標信號。

根據一個最優實施例，所述通信控制器在相同的廣播間隔時間內，在第二主機的一個信道上，周期性地廣播至少另一個信標信號，其包含所述通信控制器的至少另一個地址。在不同主機中的相同信道的廣播頻率是相同的。根據又一個最優實施例，所述通信控制器包括至少兩個主機，每個主機周期性地廣播三個信標信號；各主機包含了該通信控制器的不同地址，不同主機上的相同信道的廣播頻率是相同的。

根據一個最優實施例，所述通信控制器包含8個主機，對于一個廣播信道來說，由所述通信控制器使用不同時隙廣播所述8個主機的信標信號，總廣播時間等于或小于30％的所述廣播間隔時間。

根據一個最優實施例，在一個廣播周期時間內，所述第一主機的一個信標信號后面緊跟著(followed immediately)所述第二主機在一個廣播周期內具有相同廣播頻率的信標信號。

根據一個最優實施例，所述第一主機的信標信號和所述第二主機上具有相同頻率的信標信號被一個預設時間間隔隔開。

根據一個最優實施例，所述通信控制器包含16個主機。對于一個廣播信道來說，由所述通信控制器使用不同時隙廣播所述16個主機的信標信號，總廣播時間等于或小于60％的所述廣播間隔時間。

根據一個最優實施例，所述第一節點一旦檢測到所述信標信號，且僅在下一個廣播間隔時間內檢測到信標信號出現在同一信道上，才發送所述身份識別有效載荷到所述通信控制器。

根據一個最優實施例，當第一節點接收到的信標信號的信號強度很低時，所述第一節點將立刻連接到其接收到信標信號的所述通信控制器的所述地址。否則，第一節點將被連接到所述通信控制器的一個替代地址。

根據一個最優實施例，所述通信控制器是一個標簽讀取器，所述多個節點是標簽。特別地，所述雙向通信系統是一個低功耗藍牙系統。所述信標信號被設置為有限發現模式。

根據本發明的第二方面，提供一個用于物流追蹤的雙向通信系統。所述通信系統包括至少一個通信控制器和多個節點，其包括第一節點。所述通信控制器經由第一主機的一個信道，按照一個固定的廣播間隔時間周期性地廣播一個信標信號。所述信標信號包含所述通信控制器的第一地址。所述第一節點周期性地掃描所述至少一個主機的所述信標信號。所述第一節點一旦檢測到所述信標信號，就發送第一節點的身份識別有效載荷到所述通信控制器。所述通信控制器一旦接收到所述身份識別有效載荷，就發送一個應答信號到所述第一節點。

根據本發明的第三方面，提供一個用于物流追蹤的雙向通信系統，包括至少一個通信控制器和多個與庫存有關的節點，其包括第一節點；所述通信控制器經由第一主機的一個信道，按照一個固定的廣播間隔時間周期性地廣播一個信標信號，所述信標信號包含所述通信控制器的第一地址；其中所述第一節點周期性地掃描所述第一主機上的信標信號；其中所述第一節點一旦檢測到所述信標信號，就發送第一節點的身份識別有效載荷到所述通信控制器；所述通信控制器一旦接收到所述身份識別有效載荷，就發送一個應答信號到所述第一節點。

特別地，所述用于物流追蹤的雙向通信系統還包括一個本地服務器，用于收集并記錄來自所述通信控制器的所述多個節點的出現信息。

特別地，所述用于物流追蹤的雙向通信系統還包括一個遠程服務器，用于收集并記錄來自所述通信控制器的所述多個節點的出現信息。

根據本發明的第四方面，提供一個用于物流追蹤的數據網絡，其包括至少一個通信控制器和多個與庫存有關的節點，其包括第一節點；所述通信控制器經由第一主機的一個信道，按照一個固定的廣播間隔時間周期性地廣播一個信標信號，所述信標信號包含所述通信控制器的第一地址；其中所述第一節點周期性地掃描第一節點上的信標信號；其中所述第一節點一旦檢測到信標信號，就發送第一節點的身份識別有效載荷到所述通信控制器；其中所述通信控制器一旦接收到所述身份識別有效載荷，就發送一個應答信號到所述第一節點。

根據本發明的第五方面，提供一個數據網絡里的通信控制器，所述數據網絡還包括多個節點，其包含第一節點，所述通信控制器包括：一個處理器，一個提供代碼到所述處理器的存儲器，以及一個由所述處理器控制的接口：所述通信控制器經由第一主機的一個信道，按照一個固定的廣播間隔時間周期性地廣播一個信標信號，所述信標信號包含所述通信控制器的第一地址，一旦接收到來自所述第一節點的所述身份識別有效載荷，就發送一個應答信號到所述第一節點。

根據本發明的第六方面，提供一個在數據網絡里的第一節點，所述數據網絡還包括一個通信控制器和多個節點，其包含第一節點。所述第一節點包括：一個處理器，一個提供代碼到所述處理器的存儲器，以及一個由所述處理器控制的接口：第一節點周期性地掃描由所述通信控制器的第一主機廣播的信標信號，并在檢測到所述信標信號后就發送一個身份識別有效載荷到所述通信控制器，所述第一節點在接收到應答信號之后，就進入睡眠模式，并持續第一睡眠時間，如果所述第一節點在發送身份識別有效載荷之后，沒能在一個預設時間內收到應答信號，就進入睡眠模式，并持續第二睡眠時間。

【附圖說明】

現結合以下的附圖，描述本發明的具體實施例。

圖1是本發明一個實施例的系統示意圖。

圖2是本發明一個實施例的標簽讀取器的模塊示意圖。

圖3是本發明一個實施例的標簽的模塊示意圖。

圖4是本發明一個實施例的在標簽讀取器和標簽之間的消息流程圖。

圖5a是本發明一個實施例的具有多個主機的標簽讀取器的廣播信標持續時間和間隔的信號示意圖。

圖5b是本發明另一實施例的具有多個主機的標簽讀取器的廣播信標持續時間和間隔的信號示意圖。

圖6是本發明一個實施例的在掃描階段用于檢測廣播廣告信標的標簽掃描窗口的信號示意圖。

圖7是本發明一個實施例的在掃描階段標簽喚醒周期的時間線。

圖8是本發明一個實施例的在連接階段標簽執行的步驟流程圖。

圖9是本發明一個實施例的物流系統應用的示意圖。

【發明詳述】

本發明提供一種改進的物流追蹤方法。雖然以下已經描述了本發明的不同實施例，但本發明并不受限于這些實施例，這些實施例的變形將落在由權利要求書所限制的本發明范圍內。

本發明可以結合任何無線通信系統一起應用，如低功耗藍牙(BLE)、藍牙、ANT、ANT+、ZigBee、Wi-Fi、和近場通信(NFC)標準等。

根據本發明一個實施例，BLE技術以增強方式用于有源RFID應用，從而利用其低成本和低功耗的優勢，又克服傳統iBeacon方法的缺陷。

用于讀取廣播信息的標準低功耗藍牙應用，就是使用iBeacon方案廣播信息到智能電話、平板電腦和其它裝置。但是，低功耗藍牙標準僅有3個廣播信道。在有源RFID應用中，由于iBeacon方案最多只能提供400個廣播時隙(根據100毫秒的iBeacon廣播間隔和0.75毫秒的iBeacon包發送時間)，而不能被采用。盡管理論上最多有400個廣播時隙，但由于當在覆蓋范圍內有非常多數量的標簽(如上千個)時就有可能發生信道沖突，從而使獲取完整無缺的廣播信標的成功率會大大降低。除此之外，iBeacon方法也不可靠，這是因為它缺少一個數據被接收到以后的應答信號。還有，由于iBeacon方案是采用持續廣播的方法，因此標簽的電池壽命不能被優化，且當大量標簽集中在一起時，沖突問題仍然存在。而且，在FAA規則下，要求禁止在飛行中的飛機上的設備有RF信號發射，因此使用該廣播方案的RFID將不被允許應用在飛機上。

圖1描述本發明一個實施例的物流追蹤系統100。物流追蹤系統100包括一個通信控制器，如標簽讀取器110，和多個節點，如標簽120、121、122等。標簽120、121和122是自供電的，并周期性地從睡眠模式喚醒以檢測標簽讀取器110的出現，從而建立無線通信，并發送身份識別數據到標簽讀取器110。標簽讀取器110會記錄從標簽120、121和122接收到的身份識別數據，并通過一個網絡(圖中未顯示)發送數據到其它讀取器或中央監控站。這些數據可以用于監控與標簽120、121和122相關聯的物體的位置，也可以用于產生顯示物體位置信息的消息。在標簽120、121、122和標簽讀取器110之間的數據傳輸是以可靠安全的方式進行的。根據本發明一個實施例，即使用BLE拓撲技術以支持在一個以標簽讀取器110為中心的半徑高達50米的空間覆蓋范圍內讀取大量標簽。

圖2描述本發明一個實施例的標簽讀取器200的硬件模塊示意圖。標簽讀取器200包括一個具有運行系統和控制軟件的處理器210，處理器210與BLE信標通信器220進行通信，以建立與標簽(圖中未顯示)的無線通信，標簽讀取器200還包括蜂窩數據適配器230和WLAN模塊240

圖3描述本發明一個實施例的標簽300的硬件模塊示意圖。標簽300包括一個控制器310，其與BLE通信器320進行通信。通過BLE通信器320，標簽300能夠建立與標簽讀取器(圖中未顯示)的無線通信，從而能夠掃描信標信號，并發送身份識別信號，同時接收應答信號和指令等。控制器310控制標簽300在不同模式下的操作，如掃描模式、連接模式和睡眠模式。控制器310的功能可以通過硬件邏輯或處理器執行的軟件而實施。

圖4顯示本發明一個實施例的在標簽讀取器410和標簽420之間的消息流程圖。標簽讀取器410在一個BLE主機的廣告信道上以廣播員的身份廣播信標信號401。如BLE標準所定義的，一個BLE主機包含3個廣播信道，即信道37、38和39。如果廣播間隔時間被設置成20毫秒，那么每20毫秒最多能發送3個信標信號，這意味著每個BLE主機每秒廣播總共150個信標。在藍牙技術手冊規范v4.0第6卷第4.4.2節有詳細解釋廣播協議和廣播狀態時序。另一方面，標簽420被周期性地喚醒并在一個掃描間隔時間內檢測是否有來自信標讀取器410的信標信號401的出現。掃描間隔時間(喚醒時長)取決于標簽420要多快被標簽讀取器410檢測到，以及所期待的標簽420的電池壽命。

一旦信標信號被標簽420檢測到，標簽420就啟動和標簽讀取器410的連接，發送其身份識別有效載荷402到標簽讀取器410。為了應答收到身份識別有效載荷，標簽讀取器410會發射一個應答包403(acknowledgement packet)到該標簽420以確認收妥。廣播過程和連接設置過程中的信道配置將進一步描述如下。

根據本發明一個實施例，BLE信道37、38和39被分配給廣播和連接設置用途。具體地，BLE在有限發現模式(BLE Limited Discoverable Mode)下，通過設置可連接消息包上的“有限標志位”，可以使用BLE有限發現模式，從而使信道37、38和39能夠在廣播階段和連接設置階段運行。在藍牙技術手冊規范v4.0第3卷第9.2.3節有詳細討論GAP層上的有限發現模式。

在廣播階段，信道37、38、39被設置作為廣播信道，僅允許下行通信。標簽讀取器410在信道37、38、39上發送可連接消息包。在連接設置階段，信道37、38、39被設置為支持雙向通信。

在標簽側，使用有限發現進程來尋找附近的任何在有限發現模式下工作的標簽讀取器410。當發現有標簽讀取器410時，標簽420就嘗試與它連接。根據BLE標準，連接設置過程是通過這3個廣播信道37、38、39進行的。在完成連接之后，標簽讀取器410和標簽420將在由BLE標準定義的37個數據信道(0-36)中的一個可用信道上交互數據(如身份識別有效載荷)。連接設置過程在藍牙技術手冊規范v4.0第6卷第4.4.4節有詳細討論(啟動狀態和連接狀態)。

在連接設置之后，在數據信道(0-36)上的所有數據傳輸(如身份識別有效載荷)將根據L2CAP連接上的GATT配置而建立。所述連接可被加密以增強安全性。在連接設置之后的通信協議在藍牙技術手冊規范v4.0第3卷第F部分屬性協議(ATT)和G部分通用屬性配置(GATT)里有詳細討論。

根據本發明另一個實施例，應答包403還包括一個控制字節，其允許標簽讀取器指示標簽420執行隨后的動作。例如，為了優化標簽功耗，控制字節可以指示一個預設的睡眠持續時間，之后標簽420才會被喚醒以再次檢測廣播信標。在另一個例子里，該控制字節可以指示標簽關機。

根據本發明一個實施例，標簽讀取器可以由交流電源供電，在此情況下功耗考量不太重要。圖5a是本發明一個實施例的具有多個主機510、520等的標簽讀取器的廣播信標持續時間和間隔時間的信號示意圖。在標簽讀取器上的BLE信標通信器包含一組8個獨立的BLE主機模塊，這些BLE主機模塊的藍牙地址中的3個LSB位不同，被固定為0-7(如圖1和圖2)。每個BLE主機模塊(如510)的信道，都在由BLE標準定義的20毫秒的最短間隔時間內，獨立廣播一個唯一信標ID(如511)。不同主機上的相同廣播信道具有相同的頻率。例如，第一主機510的信道37與第二主機520的信道37具有相同的頻率。不同主機在相同廣告信道上的信標在時域上最好不要重疊，以避免相互干擾。根據每個BLE主機每20毫秒的3個信標(511、512、513)，每個BLE主機每秒中可有150個信標廣播。由于有8個BLE主機，標簽讀取器每秒中共有1200個信標廣播。因此，標簽成功連接到標簽讀取器上8個BLE主機信道中一個可用信道的機會能夠被大幅提高。有8個獨立BLE主機的標簽讀取器的數量與被掃描的標簽數量的比率，取決于在標簽讀取器覆蓋范圍內出現最大數量的標簽時所需的檢測時間。

根據本發明一個實施例，信標包持續時間大約是750微秒，廣播間隔時間被設置成20毫秒，因此最多可提供20/0.75×3＝80個廣播信道，即理論上能夠使用80個BLE廣播時隙。但是，由于使用同一時隙的信標之間有發生沖突的可能性，所以最好限制在覆蓋范圍內標簽的數目。在僅有一個標簽讀取器(具有8個主機)的情況下，對于每個廣播信道來說，即利用了8x3/80＝30％的廣播時隙。當在覆蓋范圍內標簽讀取器的數量增加時，可通過增加廣播間隔時間至20毫秒以上，以使廣播時隙的利用率對每個廣播信道來說，仍保持在30％或更小，從而使信標沖突概率位于合理的低水平，進而實現高標簽讀取速率和低信標沖突率之間的最佳平衡。

根據本發明另一個實施例，當一個標簽讀取器具有16個BLE主機時，每個廣播信道的廣播時隙利用率可以高達60％，而不會產生明顯的信標沖突問題。將每個主機的廣播間隔時間設置為20毫秒作為最優配置，能使信標沖突概率位于合理的低水平，從而實現高標簽讀取速率和低信標沖突率之間的最佳平衡。

對于大多數的典型使用例子，當一個標簽讀取器具有8個主機，每個主機的廣播間隔時間被設置為20毫秒以達到30％廣播時隙利用率(對于每個廣播信道來說)時，就已經足夠獲取合理的讀取速率。另一方面，對于需要以最快讀取速率檢測相當大數量標簽的情景，16個主機的60％廣播時隙利用率(對于每個廣播信道來說)，就是最好的實施了。

根據本發明一個實施例，不同主機模塊上的相同信道的信標次序在時域上是相關聯的，要使得一個主機模塊510在一個廣播周期時間內，在信道37(在第一廣播頻率)上的第一信標511后緊跟著另一主機模塊520在一個廣播周期時間內，在信道37(相同的第一廣播頻率)上的第一信標514。換句話說，在不同主機的相同廣播信道上的信標會一個緊跟一個。

圖5b是本發明另一實施例的具有多個主機510、520等的標簽讀取器的廣播信標持續時間和時間間隔的信號示意圖。不同主機模塊上的相同信道的信標次序在時域上是相關聯的，使得一個主機模塊510在信道37(第一廣播頻率)上的第一個信標515與另一主機模塊520在信道37(相同的第一廣播頻率)上的第一個信標516之間，被一個預設時間分開。換句話講，在不同主機的相同廣播信道上的信標被一個預設時間分開。

圖6顯示本發明一個實施例的在掃描階段的用于檢測廣播信標的標簽掃描窗口的信號示意圖。信標檢測速率取決于標簽的掃描間隔周期時間610以及掃描窗口持續時間620。設置不同的掃描窗口持續時間620，會改變標簽檢測到信標的概率。一個較長的掃描窗口時間能夠確保信標被更早地檢測到，而一個較短的掃描窗口時間會增加檢測不到信標的機會，這是因為標簽有可能會在一個沒有信標出現的時間窗口內進行掃描。而另一方面，較長的掃描窗口時間對標簽的功耗影響巨大，因為功耗與無線電路必須被開啟的時間長短密切相關。掃描間隔周期時間610和掃描窗口持續時間620參數決定了一個掃描器裝置(如標簽)會每隔多久和多長時間去聽潛在的廣播信標包。和廣播間隔時間一樣，這些數值對功耗影響深遠，因為它們直接與無線電路必須被開啟的時間長短密切相關。

系統設計時的一個考量就是節省標簽的功耗(低占空比的RF活動)，這是因為標簽最好使用小尺寸電池，如紐扣電池，以方便安裝在貨物上。而由于讀取器通常是在固定位置上運行，因此可以連接到外部電源，所以對讀取器來說，功耗不是問題。出于這個原因，讀取器可以承擔更強大的CPU和更高占空比的RF活動。標簽的掃描間隔周期時間610和掃描窗口持續時間620可以被設置以優化其電池壽命，同時通過調節標簽讀取器的積極廣播時間間隔(最快每20毫秒)，從而提高標簽檢測的速率。

根據本發明一個實施例，一個信標廣播持續時間大約是750微秒。信道37、38和39的廣播信標被連續發送。這3個信標的總廣播時間大約是750微秒×3＝2.25毫秒。為了優化標簽的電池壽命，可以將標簽的掃描窗口持續時間設置為3毫秒，并以每2秒喚醒一次的周期(即每2秒的掃描間隔周期時間)進行掃描。由于3毫秒可以覆蓋3個廣播廣告信標的持續時間，這樣標簽有足夠的機會去檢測到標簽讀取器(有8個BLE主機)中的一個主機的其中一個廣播信標。

也有可能有這樣的情況，標簽的掃描窗口持續時間與廣播信標時隙并不一致。在這種情況下，標簽將睡眠，在2秒后喚醒以再次掃描廣播信標。根據標簽讀取器的每個BLE主機的廣播信標間隔時間20毫秒，8個BLE主機將占用2.25毫秒×8＝18毫秒的時隙時間。特別是當在標簽讀取器范圍內有很多標簽時，一個具有3毫秒掃描窗口持續時間的標簽檢測到標簽讀取器(有8個BLE主機)中的至少一個BLE主機的信標的概率就會非常高。一旦標簽檢測到標簽讀取器的廣播信標，它就認為出現了標簽讀取器。標簽的下一步就是從掃描階段進展到連接階段，這將在以下圖8做進一步描述。

圖7是本發明一個實施例的在掃描階段的標簽喚醒周期的時序圖。標簽需要能夠檢測到標簽讀取器的信標ID，以便啟動與標簽讀取器的該特定BLE主機的連接。在步驟701，標簽周期性地喚醒以檢測是否出現包含信標ID的信標信號。如果沒有檢測到信標信號，標簽行進到步驟702，回到睡眠狀態，直到掃描周期間隔時間結束。在掃描階段期間，僅開啟標簽300的接收電路，以檢測信標ID，而標簽300的發射器是關閉的。這對于確保延長標簽電池壽命以及在飛機上能打開RFID標簽應用是非常重要的。在機艙里，由于沒有標簽讀取器，標簽300檢測不到信標ID，因此標簽將進入睡眠階段，在整個飛行過程中將不會開啟發射器電路以發送身份識別有效載荷。在另一個實施例中，標簽將不進入睡眠階段，而是被設置進入發射器電路被關閉的掃描階段。由于標簽300的發射器電路在飛行過程中始終處于關閉狀態，因此符合FAA規定，能夠在機艙里使用。為了優化標簽的電池壽命，至少可以實施以下一種方法。

根據本發明一個實施例，可以通過增加標簽讀取器的數量(即增大讀取器和需要被讀取的標簽數量之間的比率)，來確保有足夠的BLE主機能被標簽訪問到，并上載單個標簽有效載荷到標簽讀取器。標簽發送其有效載荷越快，其進入睡眠就越快，從而延長電池壽命。越多BLE主機(越多標簽讀取器)和越少連接重試，會提升標簽的電池壽命。

根據本發明一個實施例，標簽讀取器有8個主機，它的廣播信標間隔周期被優化設置成20毫秒乘以標簽讀取器數量，以保持30％的廣播時隙利用率(對于每個廣播信道來說)。

根據本發明另一實施例，標簽讀取器有16個主機，它的廣播信標間隔周期被設置成20毫秒乘以標簽讀取器數量，以保持60％的廣播時隙利用率(對于每個廣播信道來說)。

設置更長的廣播包的廣播間隔周期，能夠降低信標沖突的概率，但同時也將降低標簽被發現和連接的速率。這就需要在主機信道數量和針對標簽檢測速率的廣播間隔周期之間取得平衡。根據本發明一個實施例，選擇20毫秒被選擇作為最短廣播間隔周期，以獲得可能的最快標簽檢測速率，而信標沖突概率又處于合理的低水平。

根據本發明另一實施例，可以通過調整標簽周期性掃描標簽讀取器信標ID的喚醒間隔周期，可以優化標簽的電池壽命。當使用紐扣電池時，用來掃描信標ID的喚醒間隔周期的最優值是2秒。在步驟703，標簽從睡眠模式喚醒，開始掃描信標ID。當標簽發現了標簽讀取器時，前進到步驟704，發送身份識別有效載荷，并進入睡眠模式。同時喚醒間隔時間被設置為幾分鐘，以便其他標簽有更多機會與標簽讀取器連接。一旦設置的睡眠時間結束，標簽將喚醒并執行步驟705，再次掃描廣播信標。

圖8是本發明一個實施例的標簽在連接階段執行的步驟流程圖。為了建立一個連接，標簽首先從步驟801開始掃描標簽讀取器上已經被檢測到信標的BLE主機。這個額外的掃描步驟是為了確保在連接之前，主機仍然可用，未被其它裝置連接占用。

根據本發明一個實施例，掃描窗口和掃描間隔周期都被設置成30毫秒，總共時間是90毫秒，以允許標簽能夠完成掃描特定BLE主機的所有3個廣播信道(步驟803-808)。如果在90毫秒時間結束時仍未檢測到該信標，就進入步驟810，標簽將以隨機方式對標簽讀取器的8個BLE主機的其余7個，重復該掃描過程。如果成功檢測到一個信標，標簽將行進到步驟809，發送連接請求到該BLE主機，隨后完成發送有效載荷到標簽讀取器(步驟812)。如果在嘗試完標簽讀取器的所有8個主機之后，仍然沒有成功檢測到信標(步驟811)，那么標簽將行進到步驟813進入睡眠狀態，并在2秒之后喚醒以再次檢測廣播信標。

根據本發明一個實施例，設置掃描窗口和掃描間隔周期為相同數值，將使得BLE標簽能夠在同一主機的3個廣告信道上持續掃描。剛開始，廣播器(讀取器)和掃描器(標簽)可能并不在同一信道上。這也是為什么在設置總掃描時間時需要考慮3個廣播信道時間間隔。根據BLE技術手冊規范，在每個廣播周期期間，一個隨機的時移(time shift)會被添加到廣播包開始時間，從而避免在不同主機之間廣播包的持續沖突。根據本發明一個實施例，不設置20毫秒乘以3作為總掃描時間，而是使用30毫秒乘以3就是為了配合時移的要求。掃描協議和掃描狀態時間在藍牙技術手冊規范v4.0第6卷第4.4.3節有詳細說明。

根據本發明另一實施例，通過標簽讀取器的應答包里的控制字節，標簽可以被設置以睡眠，并持續一個可調整的睡眠時間，或進入關機狀態。當標簽已經成功發送其身份識別有效載荷到標簽讀取器時，標簽讀取器將發送一個包含一個控制字節的應答包到標簽，以確認收妥。控制字節內有設置標簽的喚醒時間或指示標簽關機的參數。在標簽成功發送其身份識別有效載荷之后，設置該標簽進入更長的喚醒間隔時間，將能夠有效避免該標簽與其它標簽競爭接入標簽讀取器的BLE主機。標簽喚醒間隔時間的數值可以由標簽讀取器根據其預設的目標來確定。通常，喚醒時間默認值是至少5分鐘。為了更好地管理標簽的電池壽命，當被標簽的貨物離開倉儲區域并通過陸、海或空運輸時，標簽讀取器也可以利用該標簽ID來確定運輸中轉時間。標簽讀取器可以使用蜂窩數據網絡或WiFi來查詢中央服務器，以確定其當前位置，同時通過被標簽貨物要送達的下一個倉儲區域的標簽讀取器所感應到被標簽貨物的時間，以確定被標簽貨物最短運輸時間。當被標簽的貨物已經到達其最終目的地時，標簽讀取器會指示標簽關機，從而在其被送回到原始標簽分配處的過程期間不會消耗電力。在物流供應鏈里，估計標簽僅需要15％的時間用于主動掃描標簽讀取器。通過使用標簽讀取器來控制標簽的睡眠時間和關機次序，可使靠紐扣電池運行的標簽的電池壽命延長至4-6年，然后才需要更換電池或替換標簽。因此，一個利用本發明的有源RFID BLE標簽系統的運行成本，在實際運用中非常經濟實惠。

圖9是本發明一個實施例的物流系統900應用的示意圖。根據有源RFID系統的應用，在本發明一個實施例里，標簽902可以被設置以在相同/更長時間間隔內喚醒或被關閉。在本發明另一實施例里，當有源RFID追蹤系統被用于檢測所追蹤貨物的停留時間/轉移時，標簽902可以被設置以持續喚醒。當標簽讀取器901、903連接到一個后端系統905時，后端系統905通過收集這方面的信息，就可以知道被標簽貨物的行程和日程安排，例如何時貨物被檢測到在一個機場倉庫里，何時被移動到發貨倉庫以便運輸到另一個地方。在出貨站，標簽讀取器903可以設置標簽904在飛行或運輸到目的地的時間持續睡眠，從而延長標簽的電池壽命。

當被標簽的貨物已經到達其目的地時，到貨區的標簽讀取器能夠設置標簽關機，以便標簽能夠延長電池壽命，在送回到貨物分配中心后被再次開啟，并分配給另一個項目來進行系統追蹤。

根據本發明另一個實施例，標簽將依據所接收到的由該標簽讀取器的主機上發射的廣播包信標信號的強度，推算出接受信號強度指示(RSSI)。

當有上千個標簽在標簽讀取器覆蓋范圍內的情況下，標簽將會競爭以便能安全連接到標簽讀取器的8個BLE主機。當標簽掃描到標簽讀取器的一個信標時，便獲取了該特定BLE廣播信道的一個藍牙地址，通過對相應的藍牙地址的映射，便可推斷出標簽讀取器上其余的BLE廣播信道。與檢測到信標的RSSI數據信息一起，標簽可判定標簽讀取器是遠離還是靠近。

更具體地，可以利用標簽讀取器的RSSI數值和藍牙LSB固定地址，使標簽能夠執行隨機標簽讀取器信道連接，從而實現對標簽讀取器8個BLE主機的BLE信道的有效利用。當有大量標簽在標簽讀取器覆蓋范圍內時，多個標簽檢測到同一個特定BLE主機的信標的機會就很大，特別是當一些BLE主機的RF發射器比其它信道的發射信號更強時。如果多個標簽試圖連接到同一BLE主機，很可能大部分標簽會失敗，且會重復嘗試。這將導致信道被占用(channel hogging)，而多次重試將縮短標簽的電池壽命。為了減少這種“信道占用”行為，標簽將使用預先分配給標簽讀取器藍牙地址(BLE主機的LSB，被固定為0-7)，根據當前廣播信標的藍牙地址以推斷出可用的8個BLE主機并嘗試連接。標簽還可根據檢測到的信標的RSSI數值，來判定標簽讀取器是遠離還是靠近標簽。

使用檢測到的信標的RSSI和藍牙地址信息，標簽可以選擇兩種安全連接到標簽讀取器的方法。如果RSSI數值很好，就意味著標簽到讀取器的距離很近。這時，標簽可以采用隨機信道連接方法，隨機的使用標簽讀取器8個藍牙地址中的任何一個進行連接，從而降低信道占用(標簽嘗試連接到同一主機)。尤其是，標簽會首先使用當前檢測到的BLE主機進行連接。如果連接不成功，將根據隨機散列算法選用不同BLE主機進行重試。這個過程將持續到已經嘗試了所有8個BLE主機，或標簽的身份識別有效載荷被成功發送到標簽讀取器為止。這樣，可以避免標簽相互競爭以獲取同一信道連接，從而提高連接標簽讀取器的成功率。

另一方面，如果檢測到的信標的RSSI數值不好，說明標簽可能連接不到其它主機，這時標簽將僅使用當前檢測到的BLE主機來設置連接，而不會重試其他7個BLE主機進行連接。這樣可以避免由于嘗試連接其它可能連接不到的BLE主機而縮短電池壽命。

雖然本發明已經結合不同實施例進行了描述，但應該理解，本發明并不局限于這些實施例，同時也適用于本領域技術人員在不脫離本發明范圍的情況下對這些實施例作出替換、改進和變化。例如，標簽讀取器可以由軟件實施，通過設置手機或處理器以執行該軟件。