劉彩利

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

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 遠程RFID 原理

1.1 遠程RFID 的組成

在探討遠程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）和計算機及其應(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；計算機和應(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的算機，或者是連接上位機主系統(tǒng)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。RFID 系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 RFID 模塊讀寫器系統(tǒng)構(gòu)成簡化示意圖Fig.1 RFID reader module system structure simplified schematic diagram

1.2 遠程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。

圖2 遠程RFID 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Remote RFID system working principle diagram

2 遠程RFID 系統(tǒng)的特點

目前無源遠距離遠程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十米以上，比2.45 GHz 系統(tǒng)要遠很多，因此已經(jīng)成為了遠程識別系統(tǒng)的主流部分。其優(yōu)點主要有以下幾點：

1）實時性：可以實時響應(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：通過計算機的網(wǎng)絡(luò)對物流進行監(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 遠程RFID 關(guān)鍵性技術(shù)

遠程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）：

式中，Ae為電子標(biāo)簽的有效面積如公式（3）：

GTag為電子標(biāo)簽的天線增益，如公式（4）：

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墓ぷ鳎瑫r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）：

返回閱讀器的功率密度為公式（6）：

接收天線的有效面積為公式（7）：

式中，GRX為天線的增益。

可以得出，閱讀器接收的標(biāo)簽反射信號的總功率為公式（8）：

根據(jù)以上計算可知，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)的速度和運動范圍，與系統(tǒng)的頻率選擇無關(guān)。對接收機和標(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 遠程RFID 系統(tǒng)的沖突問題

遠距離無源RFID 系統(tǒng)具有作用距離遠且視場范圍大的特點，但同時也容易出現(xiàn)一個多機或多卡的現(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)機的方式來實現(xiàn)多卡讀寫仲裁機制，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。

圖3 多卡讀寫仲裁狀態(tài)機Fig.3 CARDS，speaking，reading and writing more than the state machine

關(guān)于Binary 多卡沖突仲裁方法和Aloha 算法都有其優(yōu)缺點。而Binary 信道利用率可高達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。

[1]譚民，劉禹，曾雋芳，等.RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]葉吉波，黃言態(tài).RFID技術(shù)在圖書管理中的應(yīng)用及實現(xiàn)[J].機電工程，2009（4）：104-106.YE Ji-bo，HUANG Yan-tai.RFID technology in library management application and realization [J].Mechanical and electrical engineering，2009（04）：104-106.

[3]王睿，趙龒.RFID技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的研究[J].通信技術(shù)，2009（05）：116-118.WANG Rui，ZHAO Long.RFID technology and structure ofIts Application systems [J].communication technology，2009（05）：116-118.

[4]崔沂峰，陳平，張景元.RFID電子標(biāo)簽防碰撞算法的研究[J].微計算機信息：嵌入式與SOC，2007，23（8.2）：233-234.CUI Yi-feng，CHEN Ping，ZHANG Jing-yuan.RFID tag anti collision algorithm [J].In micro computer information，embedded with SOC，2007，23（8.2）：233-234.

[5]劉冬生，薛雪成，李泳生，等.射頻識別系統(tǒng)中的防碰撞算法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2006，34（9）：57-59 LIU Dong-sheng，XUE Xue-cheng，LI Yong-sheng，et al.Radio frequency identification system in the anti collision algorithm[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology，2006，34（9）：57-59.

[6]吳泳.無線射頻技術(shù)（RFID）及應(yīng)用[J].長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，5（1）：45-50.WU Yong.Radio frequency technology（RFID）and applications [J].Journal of Changsha Tel &Tec Vocational College，2006，5（1）：45-50.