遠(yuǎn)程RFID技術(shù)探討

摘要：RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的一種非接觸式自動識別技術(shù)。擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場潛力。本文介紹了RFID技術(shù)的原理、特點(diǎn)，深入分析了信號傳輸時所采取的反方向散射的調(diào)制方式，影響傳輸距離的因素，最后介紹了在遠(yuǎn)程RFID自動識別系統(tǒng)中的讀寫沖突和防沖突算法，更好的解決了遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)存在的沖突問題。
關(guān)鍵詞：RFID；遠(yuǎn)程；Binary；Aloha

RFID是一種非接觸的自動識別技術(shù)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得RFID技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在IBM公司提出的智慧地球和中國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，又極大促進(jìn)了RFID功能。因此，RFID技術(shù)架起了數(shù)字世界和物理世界之間的橋梁，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。RFID雖然得到了巨大的發(fā)展，但對于遠(yuǎn)程的RFID還是存在著傳輸距離、防碰撞算法等一些問題。本文通過對RFID的相關(guān)概念和技術(shù)進(jìn)行分析，使人們更加全面的了解RFID，促使RFID技術(shù)有更好的發(fā)展和應(yīng)用。

1 遠(yuǎn)程RFID原理
1．1 遠(yuǎn)程RFID的組成
在探討遠(yuǎn)程RFID的原理之前，我們必須先要研究一下RFID的組成。RFID的系統(tǒng)包括以下3個部分：電子標(biāo)簽(TAG)、讀寫器(Reader)和計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件。電子標(biāo)簽主要由內(nèi)置天線和電路芯片組成的，功能是與射頻天線之間完成通信；讀寫器主要由天線、控制單元、射頻收發(fā)前段和通信接口這四個部分組成的，主要功能是讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽的信息；計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件的功能則是通過讀寫器的通信接口而連接外部計(jì)的算機(jī)，或者是連接上位機(jī)主系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。RFID系統(tǒng)組成如圖1所示。

1．2 遠(yuǎn)程RFID的工作原理
讀寫器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)組成了應(yīng)答器(Transponder)，其工作原理是。Reader發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder用以驅(qū)動Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。工作原理如圖2所示。

2 遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)
目前無源遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)有兩種工作頻段UHF和2．45 GHz。無源超高頻系統(tǒng)的讀寫距離可以長達(dá)十米以上，比2．45 GHz系統(tǒng)要遠(yuǎn)很多，因此已經(jīng)成為了遠(yuǎn)程識別系統(tǒng)的主流部分。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：
1)實(shí)時性：可以實(shí)時響應(yīng)，自動讀出ID號，得到其信息；
2)防偽性：形成的微波標(biāo)示是不可偽造、更改和不可復(fù)制的；
3)聯(lián)網(wǎng)性：通過計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)對物流進(jìn)行監(jiān)控；
4)準(zhǔn)確性：讀出信息的準(zhǔn)確率非常高，可以高達(dá)99．99％；
5)低成本：使用時，只需要數(shù)元；
6)可靠性：適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，如：多塵、潮濕等；
7)壽命長：使用時不需要電池，只需無源卡，并且終身免維修；
由于遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)采用的是無線傳輸模式，無線環(huán)境又極其復(fù)雜，因此有很多因素都會影響遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)讀寫距離，主要有如下幾方面：
1)影響射頻卡讀寫距離的因素是讀寫器的RF輸出功率、反射的能量和射頻卡的功耗、讀寫器的接收的能量和接收靈敏度；
2)影響上述指標(biāo)的是射頻卡天線的有效接收和反射截面積，讀寫器的接收天線有效面積；
3)在視場范圍同樣的條件下，當(dāng)頻率升高時，無源RFID系統(tǒng)的作用距離就會減小。

3 遠(yuǎn)程RFID關(guān)鍵性技術(shù)
遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)采用的一種無線傳輸方式，在傳遞信息時是通過電磁波來發(fā)送和接收的。電磁波以天線為圓心，向周圍空間發(fā)射。發(fā)射過程中當(dāng)電磁波遇到不同目標(biāo)時，電磁波能量的一部分被目標(biāo)吸收，而另一部分會向各個方向，以不同的強(qiáng)度散射開。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線。采用反向散射調(diào)制的能量傳輸方式主要標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸和存在于閱讀器到標(biāo)簽的能量傳輸這兩個方向上。
1)閱讀器到標(biāo)簽的能量傳輸
當(dāng)距離閱讀器的距離為R的電子標(biāo)簽處的功率密度為公式(1)：

式中，PTX為讀寫器的發(fā)射功率，GTX為發(fā)射天線的增益，R是標(biāo)簽到讀寫器天線之間的距離，EIRP為天線的有效輻射功率，是指讀寫器發(fā)射功率和天線增益的乘積。
當(dāng)電子標(biāo)簽與發(fā)射天線兩部分的狀態(tài)最佳，同時極化方向匹配時，電子標(biāo)簽吸收的最大功率就會與閱讀器發(fā)射信號的功率的密度S成正比，如公式(2)：
PTag=AeS (2)
式中，Ae為電子標(biāo)簽的有效面積如公式(3)：

無源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽是通過電磁場供電，因此標(biāo)簽有很大的功耗，當(dāng)讀寫的距離越短時，其性能就會越差。電子標(biāo)簽的工作電壓決定了RFID電子標(biāo)簽?zāi)芊裾５墓ぷ?，同時也決定了無源RFID系統(tǒng)的識別距離。但隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，射頻電子標(biāo)簽芯片的功耗也在來斷的降低。目前，比較典型的低功耗電子標(biāo)簽，其標(biāo)簽本身的功耗可以低至數(shù)十微瓦到數(shù)微瓦，這種標(biāo)簽的工作電壓為1．2 V左右。這種無線電發(fā)射功率受到限制，但無源電子標(biāo)簽的識別距離可以過到10 m以上。
2)電子標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸
電子標(biāo)簽返回的能量取決于它的雷達(dá)散射截面面積，并和其成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測度。散射面積是主要取決于兩個參數(shù)，其一是本身的物體特性如目標(biāo)的大小、材料、表面結(jié)構(gòu)和材料，其二是反射電磁波的特性，比如電磁波的極化方向和波長等。電子標(biāo)簽在空間的某個位置接收到閱讀器發(fā)射的電磁波后，將其中的一部分吸收用于提供自身工作的能量，而另外一部分被反射回去，電子標(biāo)簽反射電磁波的能量如公式(5)：

根據(jù)以上計(jì)算可知，天線方向圖和增益G的要求與系統(tǒng)的頻率選擇無關(guān)，而讀寫器天線的“視場”大小的要求，取決于目標(biāo)的速度和運(yùn)動范圍，與系統(tǒng)的頻率選擇無關(guān)。對接收機(jī)和標(biāo)簽的靈敏度的要求和頻率也是無關(guān)，所以當(dāng)頻率增高，作用距離就會變小。如果保持同樣的作用距離，那么UHF系統(tǒng)的基站發(fā)射功率P比2．45 GHZ系統(tǒng)低7倍，5．8 GHz系統(tǒng)需要高40倍。

4 遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的沖突問題
遠(yuǎn)距離無源RFID系統(tǒng)具有作用距離遠(yuǎn)且視場范圍大的特點(diǎn)，但同時也容易出現(xiàn)一個多機(jī)或多卡的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)讀寫多標(biāo)簽出現(xiàn)沖突。所以有必要采取一些好的防沖突地區(qū)的技術(shù)。多卡沖突仲裁就是在同一時間只能有一個卡響應(yīng)，這就需要用讀寫器命令進(jìn)行控制。仲裁的方法主要有兩種：Binary和Aloha。
4．1 Binary多卡沖突仲裁
Binary多卡沖突仲裁，主要是通過采用狀態(tài)機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)多卡讀寫仲裁機(jī)制，其中主要有4種狀態(tài)，如圖3所示。

其中的狀態(tài)解釋如下：
Power-OFF狀態(tài)：指的是識別卡處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，即讀寫器此時不能被激活識別卡；
Ready狀態(tài)：當(dāng)識別卡第一次被讀寫器激活時，識別卡就會處于Ready狀態(tài)；
ID狀態(tài)：如果識別卡試圖傳送識別信息給讀寫器時，識別卡就會處于ID狀態(tài)；
Data_Exchange狀態(tài)：如果讀寫器識別并被選中識別卡時，識別卡就會處于Data_Exchange狀態(tài)。
為了支持仲裁沖突，識別卡上有兩個硬件電路：8bit計(jì)數(shù)器Counter和1bit隨即數(shù)發(fā)生器(只有兩個可能的值：0和1)。當(dāng)所有的或一部分讀寫器射頻電磁場上的識別卡參與沖突仲裁時，讀寫器上的Group_Unselect和Group_Select命令就會運(yùn)行沖突仲裁算法。
4．2 Aloha算法
ALOHA協(xié)議是一種防碰撞的沖突仲裁算法。如果在隨機(jī)的時間間隔中有多個標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且這個數(shù)據(jù)包發(fā)生了碰撞，那么標(biāo)簽就會等待一個隨機(jī)的時間，然后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這種算法吞吐率低，適用于只讀標(biāo)簽的應(yīng)用場景。于是就出現(xiàn)了時隙Aloha算法。
時隙Aloha算法改善了Aloha算法的吞吐率。它采用讀寫器控制的隨機(jī)TDMA方法。這種方法是將信道分為很多個時隙，并且讓每一個時隙就剛好能傳送一個分組。而時隙的長度能過系統(tǒng)的時鐘進(jìn)行控制，每個控制單元要與此時鐘同步。在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽只能在其規(guī)定的同步時隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包。與Aloha算法相比，提高了吞吐率，為了善在多標(biāo)簽環(huán)境下的性能，隨后又提出了動態(tài)時隙Aloha算法。
動態(tài)時隙Aloha算法，是一種可以動態(tài)調(diào)整時隙數(shù)量的算法。如果讀寫器在等待的狀態(tài)中的循環(huán)時隙段中發(fā)送了請求命令，就會有1～2個時隙給可能存在的標(biāo)簽使用。當(dāng)?shù)鄠€標(biāo)簽在兩個時隙內(nèi)發(fā)生了碰撞，那么就要通過請求命令增加時隙數(shù)量，以供標(biāo)簽使用，直到發(fā)現(xiàn)一個唯一的標(biāo)簽為止。對于Aloha算法、時隙Aloha算法還是動態(tài)時隙Aloha算法，其標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)都是隨機(jī)的，因此不能保證整個系統(tǒng)的可靠性，且信道的利用率較低。
關(guān)于Binary多卡沖突仲裁方法和Aloha算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。而Binary信道利用率可高達(dá)43％，識別率較高，也不存在錯誤判決問題，但其因時延長，而安全性較差。Aloha算法實(shí)現(xiàn)簡單，但其信道利用率最大為36％，出存在一些錯誤判斷問題，所以不適合應(yīng)用于大量標(biāo)簽的場合。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合選擇合適的防碰撞算法。