遠程RFID技術探討

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摘要：RFID(Radio Frequency Identification)技術是利用射頻通信實現的一種非接觸式自動識別技術。擁有廣闊的發展前景和巨大的市場潛力。本文介紹了RFID技術的原理、特點，深入分析了信號傳輸時所采取的反方向散射的調制方式，影響傳輸距離的因素，最后介紹了在遠程RFID自動識別系統中的讀寫沖突和防沖突算法，更好的解決了遠程RFID系統存在的沖突問題。
關鍵詞：RFID；遠程；Binary；Aloha
RFID是一種非接觸的自動識別技術。隨著無線網絡技術的不斷發展，使得RFID技術在國內外得到了廣泛的應用。現在IBM公司提出的智慧地球和中國的物聯網技術的發展，又極大促進了RFID功能。因此，RFID技術架起了數字世界和物理世界之間的橋梁，為物聯網的發展奠定了基礎。RFID雖然得到了巨大的發展，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的相關概念和技術進行分析，使人們更加全面的了解RFID，促使RFID技術有更好的發展和應用。
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的系統包括以下3個部分：電子標簽(TAG)、讀寫器(Reader)和計算機及其應用軟件。電子標簽主要由內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、射頻收發前段和通信接口這四個部分組成的，主要功能是讀取或寫入電子標簽的信息；計算機和應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，從而實現數據的交換。RFID系統組成如圖1所示。

1．2 遠程RFID的工作原理
讀寫器(Reader)與電子標簽(TAG)組成了應答器(Transponder)，其工作原理是。Reader發射一特定頻率的無線電波能量給Transponder用以驅動Transponder電路將內部的數據送出，此時Reader便依序接收解讀數據，送給應用程序做相應的處理。工作原理如圖2所示。


2 遠程RFID系統的特點
目前無源遠距離遠程RFID系統有兩種工作頻段UHF和2．45 GHz。無源超高頻系統的讀寫距離可以長達十米以上，比2．45 GHz系統要遠很多，因此已經成為了遠程識別系統的主流部分。其優點主要有以下幾點：
1)實時性：可以實時響應，自動讀出ID號，得到其信息；
2)防偽性：形成的微波標示是不可偽造、更改和不可復制的；
3)聯網性：通過計算機的網絡對物流進行監控；
4)準確性：讀出信息的準確率非常高，可以高達99．99％；
5)低成本：使用時，只需要數元；
6)可靠性：適應惡劣環境條件，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系統采用的是無線傳輸模式，無線環境又極其復雜，因此有很多因素都會影響遠程RFID系統讀寫距離，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，當頻率升高時，無源RFID系統的作用距離就會減小。
3 遠程RFID關鍵性技術
遠程RFID系統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送和接收的。電磁波以天線為圓心，向周圍空間發射。發射過程中當電磁波遇到不同目標時，電磁波能量的一部分被目標吸收，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射天線。采用反向散射調制的能量傳輸方式主要標簽到閱讀器的能量傳輸和存在于閱讀器到標簽的能量傳輸這兩個方向上。
1)閱讀器到標簽的能量傳輸
當距離閱讀器的距離為R的電子標簽處的功率密度為公式(1)：

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

無源RFID系統的電子標簽是通過電磁場供電，因此標簽有很大的功耗，當讀寫的距離越短時，其性能就會越差。電子標簽的工作電壓決定了RFID電子標簽能否正常的工作，同時也決定了無源RFID系統的識別距離。但隨著集成電路工藝的不斷發展，射頻電子標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簽，其標簽本身的功耗可以低至數十微瓦到數微瓦，這種標簽的工作電壓為1．2 V左右。這種無線電發射功率受到限制，但無源電子標簽的識別距離可以過到10 m以上。
2)電子標簽到閱讀器的能量傳輸
電子標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，它是目標反射電磁波能力的測度。散射面積是主要取決于兩個參數，其一是本身的物體特性如目標的大小、材料、表面結構和材料，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。電子標簽在空間的某個位置接收到閱讀器發射的電磁波后，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，電子標簽反射電磁波的能量如公式(5)：

根據以上計算可知，天線方向圖和增益G的要求與系統的頻率選擇無關，而讀寫器天線的“視場”大小的要求，取決于目標的速度和運動范圍，與系統的頻率選擇無關。對接收機和標簽的靈敏度的要求和頻率也是無關，所以當頻率增高，作用距離就會變小。如果保持同樣的作用距離，那么UHF系統的基站發射功率P比2．45 GHZ系統低7倍，5．8 GHz系統需要高40倍。
4 遠程RFID系統的沖突問題
遠距離無源RFID系統具有作用距離遠且視場范圍大的特點，但同時也容易出現一個多機或多卡的現象，從而導致系統讀寫多標簽出現沖突。所以有必要采取一些好的防沖突地區的技術。多卡沖突仲裁就是在同一時間只能有一個卡響應，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機的方式來實現多卡讀寫仲裁機制，其中主要有4種狀態，如圖3所示。

其中的狀態解釋如下：
Power-OFF狀態：指的是識別卡處于關機狀態，即讀寫器此時不能被激活識別卡；
Ready狀態：當識別卡第一次被讀寫器激活時，識別卡就會處于Ready狀態；
ID狀態：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；
Data_Exchange狀態：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。
為了支持仲裁沖突，識別卡上有兩個硬件電路：8bit計數器Counter和1bit隨即數發生器(只有兩個可能的值：0和1)。當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簽發送數據包，并且這個數據包發生了碰撞，那么標簽就會等待一個隨機的時間，然后再次發送數據。這種算法吞吐率低，適用于只讀標簽的應用場景。于是就出現了時隙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的時鐘進行控制，每個控制單元要與此時鐘同步。在RFID系統中，標簽只能在其規定的同步時隙內傳輸數據包。與Aloha算法相比，提高了吞吐率，為了善在多標簽環境下的性能，隨后又提出了動態時隙Aloha算法。
動態時隙Aloha算法，是一種可以動態調整時隙數量的算法。如果讀寫器在等待的狀態中的循環時隙段中發送了請求命令，就會有1～2個時隙給可能存在的標簽使用。當但多個標簽在兩個時隙內發生了碰撞，那么就要通過請求命令增加時隙數量，以供標簽使用，直到發現一個唯一的標簽為止。對于Aloha算法、時隙Aloha算法還是動態時隙Aloha算法，其標簽發送數據都是隨機的，因此不能保證整個系統的可靠性，且信道的利用率較低。
關于Binary多卡沖突仲裁方法和Aloha算法都有其優缺點。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，所以不適合應用于大量標簽的場合。在設計系統時要根據系統的應用場合選擇合適的防碰撞算法。