RFID电子标签（精选10篇）
RFID电子标签 篇1
0 引言
无线射频识别技术(Radio Frequency dentification,RFID)是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性[1],实现对被识别物体的自动识别。
从RFID的发展历史上来看,它直接继承了雷达的概念,早在1948年哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。RFID技术的发展可按10年期划分如下:1941~1950年:雷达的改进和应用催生了RFID技术;1951~1960年:早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究。1961~1970年:RFID技术的理论得到了发展开始了一些应用尝试。1971~1980年:RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速,出现了一些最早的RFID应用。1981~1990年:RFID技术及产品进入商业应用阶段,各种规模应用开始出现。1991~2000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视,RFID产品得到广泛采用,RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001年至今。标准化问题日趋为人们所重视,RFID产品种类更加丰富,有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展,电子标签成本不断降低,规模应用行业扩大。
RFID的工作原理[2]是在射频识别系统的基本模型中,电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体;阅读器又称为读出装置,扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)[3]。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合,在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递、数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。其一是电感耦合。变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律。其二是电磁反向散射耦合。雷达原理模型发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统[4]。典型的工作频率有:125,225和13.56 MHz。识别作用距离小于1 m,典型作用距离为10~20 cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有:433,915,2.45和,5.8 GHz。识别作用距离大于1 m,典型作用距离为3~l0 m。运用RFID技术把天线和IC封装到塑料基片上,就形成了新型的电子卡片。
它具有数据存储量大、无线无源、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁和安全防伪等特点[5]。它是近几年发展起来的新型产品,是未来几年代替条形码走进“物联网”时代的关键技术之一。因此,在我国大力发展物联网的背景下,RFID电子标签的应用将非常迅速和广泛。
1 RFID电子标签系统的基本组成
RFID系统由电子标签、阅读器(Reader)和数据管理系统三部分组成。电子标签通过标签的方式附置在被识别的物体上。它是RFID系统的数据载体,存储着被识别物体的信息[6]。阅读器是读或写/读设备,取决于所使用的结构和技术。它用来读取电子标签中的信息,并将信息传输给数据管理系统。可写阅读器还能向电子标签中写入数据。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件(包括线圈和微波天线)。此外,许多阅读器还都有附加的接口(如RS232,RS485,usb),以便将读取的数据传输给数据管理系统,进行存储、统计、分类等处理。具体的RFID的原理图如图1所示。射频识别技术的发展,一方面受到应用需求的驱动,另一方面射频识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说,射频识别术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说,射频识别技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用需求[7]。RFID中有几个重要技术点,包括编码和调制,基带中的编码,数字调制、双工方式及检错纠错等。
1.1 编码和调制
典型的RFID通信系统如下图2,说明了一个数字通信系统的基本构成。类似的,对射频识别系统来说,阅读器与应答器之间的数据传输也需要三个主要的功能模块:发送器、信息通道和接收器。从阅读器到应答器的数据传输方向看:发送器由阅读器中的信号编码(信号处理)和调制器(载波电路)组成,信息通路即传输介质,接收器由应答器中的解调电路(载波回路)和信号译码器(信号处理)组成。如果反过来从应答器到阅读器的数据传输来看也是一样。
1.2 基带中的编码
编码就是用不同形式的代码来表示二进制的‘l’和‘0’。射频识别系统中通常使用的编码类型包括:NRZ码、曼侧斯特码、单极性归零码、差动双向码、米勒编码和变形米勒码等。
1.3 数字调制法
能量从天线以电磁波的形式发射到周围的空间,改变电磁波的三种信号参数(功率、频率和相位)中的任何一种,信息都可以被编码,并传送到空间任一点去。信息(数据)对电磁波的影响过程称之为调制,未调制的电磁波被称作载波。分析空间任一点电磁波的性能,从测得的接收功率、频率或相位的变化中可以重建此信息,这种过程称之为解调。射频识别系统采用的调制方法主要有振幅键控(AKS),频移键控(FSK)和相移键控),另外还采用副载波的调制方法。
1.4 双工方式
阅读器和应答器之间进行数据的传输,通常有两种方法:全双工和半双工。
半双工法(HXD):从应答器到阅读器的数据传输和从阅读器到应答器的数据传输是交替进行的,当工作频率低于300MHz时,常使用这种方法,有没有副载波也无所谓,电路一般也很简单。
全双工法(FXD):数据在应答器和阅读器之间的双向传输是同时进行的,其中应答器发送数据采用“分谐波”法,即发送频率是阅读器的几分之一,或是用一种完全独立的“非谐波”频率。不过这两种方法有一个共同的特点,即:从阅读器到应答器的能量传输是连续的,与数据传输的方向无关。对于射频识别来说,应答器获取能量的方式有很多种:电感藕合、电磁反向散射以及密藕合。
1.5 检错纠错
使用RFID技术传输数据时,很容易受到外界干扰,使传输数据发生改变导致错误。检错和纠错是用以识别并以一定的措施进行校正处理的办法。常见的有奇偶校验。
奇偶校验码是一种最简单的检错码,分为横向奇偶校验、纵向奇偶校验和横向纵向奇偶校验。通常纵向奇偶校验以字符为单位进行分组。横向奇偶校验或纵向奇偶校验分别只能检查出数据在横向方向或纵向方向的码字错误,而不能检查出哪一位有错。若将横向方向和纵向方向的校验法联合运用,就构成横纵奇偶校验,也称交叉校验。这种码具有较强的检错能力,它能检查出的错误类型如下:
(1)可检查出某行、某列的所有奇数个错误。
(2)能发现大部分偶数个错误。如某个码字(列向)发生偶数个位的错误时,虽然不能由纵向奇偶校验码检查出来,但却可以由横向奇偶校验检查出来。
(3)能发现突发长度<n十1n(为行数,即字符长度)的突发错误。
(4)可以纠正不能同时满足行、列校验关系的1位错误。因为1位错了,对应的行和列能够同时发现,从而能定出差错的位置(即坐标),从而加以纠正。但是,这种码不能检查出某些互相补偿的偶数个错误,因为它既不破坏横向奇偶但是,这种码不能检查出某些互相补偿的偶数个错误。
2 RFID的应用特点
根据RFID的频段不同,其应用范围也有所差异,下表说明了RFID在不同频段的优缺点,根据这些优缺点,可以把RFID应用到不同背景的电子标签中。RFID技术在国外发展非常迅速,产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部,该技术被广泛应用于经济科学的各个领域。而在我国,由于射频识别技术起步较晚,应用的领域不是很广,除了在中国铁路应用的车号自动识别系统外,主要应用仅限于射频卡。目前,RFID产业受到了政府部门和研究机构的重视,各项支持政策逐步出台,支持力度逐步加大;同时,随着我国物联网事业的发展和进步,政府也大力推动了RFID在行业的应用。
3 RFID在电子标签中的应用
目前RFID已在国内得到广泛的应用,主要集中于身份识别、公共交通管理、物流管理等领域,具体的应用有如下一些方面。
3.1 身份识别
电子标签可以通过嵌入到身份证、护照、工作证的各种证件中,用作人员身份识别,是目前RFID技术应用最为广泛和成熟的领域之一。在国内的最主要应用是中国第二代居民身份证,二代证芯片采用智能卡技术,内含有RFID芯片,此芯片无法复制,高度防伪。优点是芯片存储容量大,写入的信息可划分安全等级,分区存储,包括姓名,地址,照片等信息。按照管理需要授权读写,也可以将变动信息(如住址变动)追加写入;芯片使用特定的逻辑加密算法,有利于证件制发、使用中的安全管理,增强防伪功能;芯片和电路线圈在证卡内封装,能够保证证件在各种环境下正常使用,寿命在10年以上;并且具有读写速度快,使用方便,易于保管,以及便于各用证部门使用计算机网络核查等优点。
3.2 商品防伪
将RFID用于商品中,当含有RFID技术的电子标签被贴到包装上,该包装内的商品便具有了全球惟一的电子身份证,同时,标签还可以写入其他的信息。标签内的信息可由厂家自己编写并加密,有效地防止随意篡改信息。因此,造假难度很高,可以有效地遏制造假行为。企业在配制RFID设备时,除了生产线的RFID设备或出库管理设备能够实现读写的功能外,其他RFID终端设备只有读取功能,也就是说,只有厂家可以通过加密的指令写入更改每瓶酒的标签信息,而这些信息都在服务器的数据库内存放,其他终端读写器只能读取标签内部被授权的部分,使用时只要将终端获取的数据与数库的数据核对便可完成产品真伪的鉴定(对于厂方设置在地区的机构经授权后也可以得到服务器的有关只数据,便于及时进行产品鉴别),极大地降低了企业内外部人为篡改信息的几率。在产品的生产和销售的各个环节,企业通过不同终端获取标签内部的信息便可实现产品的跟踪控制。另外,还可以跟市场监管如工商税等政府部门合作,加强假冒伪劣产品的监管打击力度。厂家只要将授权的终端设备提供给当地的监管部门,当有消费者怀疑商品的真伪时可直接到相关权威部门进行查验,同时,监管部门也可带上该设备到市场上进行检查,既可以提高真假辨别的准确度,又可以提高工作效率,还能提升企业在市场上的可信度和知名度。
3.3 智能交通
目前,RFID技术已经被应用于装有射频标签的汽车能被自动识别,无须停车缴费,大大提高了行车速度和效率。虽然我国很多地区高速公路都采用了射频卡,但是大部分还是应用人工停车收费的方式。最近,锦山的一条高速公路上应用了射频卡自动收费,但是与香港“驾易通”相比,差距显而易见。利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向,人工收费包括CI卡的停车收费方式也终将被淘汰。货物的跟踪、管理及监控方面:澳大利亚和英国的西思罗机场将射频识别技术应用于旅客行李管理中,大大提高了分拣效率,降低了出错率。在几年前,欧共体就要求从1997年开始生产的新车型必须具有基于射频识别技术的防盗系统。而我国铁路行包自动追踪管理系统还只是在计划推广之中,真正应用还要假以时日射频卡应用方面:1996年1月韩国就在汉城的600辆公共汽车上安装射频识别系统用于电子月票,实现了非现金结算,方便了市民出行。而德国汉莎航空公司则开始试用射频卡作为飞机票,改变了传统的机票购销方式,简化了机场人关的手续。在我国,射频卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。在未来的一、两年,我国射频卡应用最大的项目将是第二代公民身份证。
3.4 供应链的应用
供应链合作关系一般是指:在供应链内部两个或两个以上独立的成员之间形成的一种协调关系,以保证实现某个特定的目标或效益。建立供应链合作伙伴关系的目的,在于通过提高信息共享水平,减少整个供应链间企业产品的库存总量、人员沟通成本等,降低成本和提高整个供应链的运作绩效。
随着市场需求不确定性的增强,合作各方要尽可能削弱需求不确定性的影响和风险。供应链合作伙伴关系绝不应该仅考虑企业之间的交易价格本身,还有很多方面值得双方关注。比如,制造商总是期望他的供应商完善服务,搞好技术创新,实现产品的优化设计等。
RFID组成的物联网典型,在供应链上的应用达到了最典型。供应链中的各企业的员工卡、车辆通行证、产品信息等RFID电子标签,在各个企业中都能进行有效的识别。比如,员工出差到供应链中的其他单位,只需要简单的授权,员工卡就可以在出差地使用并进行消费;当产品的中下游企业发现产品可能存在质量问题时,可以直接刷产品RFID标签,即可以追溯产品生产的各个流程情况,及时找到原因及对策。
在产品生产制造过程中,供应链中的各个企业也可以查询到产品的加工制造情况,及时按排产能,大大提高企业间的协调配合能力,从而实现了供应链战略合作RFID一卡通系统。
3.5 RFID电子标签在图书馆的应用
RFID技术在国外图书馆的发展较早也较快,尤其是在美国、新加坡、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。目前全美已有超过300家大学图书馆装备了RFID系统。新加坡国立图书馆是世界上第一个全面应用RFID系统的智能图书馆,该馆运用了WAVEX TECHNOLOGIES公司图书馆解决方案。通过贴在书籍上的可以让读者使用放在柜台上的一个简单的扫描器就能完成借出及归还的手续,通过一个和书籍以及查询相连的书架,就能让读者方便地找到所需要的书籍。图书馆还根据这些智能化服务积累的读者数据,分析不同地区、年龄段读者对图书的偏好,用于在各个馆合理地分派图书,以及进行采购的趋势分析。RFID电子标签的应用在国内还刚刚起步。今年初厦门集美大学诚毅学院建成国内第一家使用RFID智能馆藏管理系统的图书馆。该系统包含了馆员服务系统、芯片转换系统、自助借书系统、自助还书系统、馆藏盘查系统、通道侦测系统等子系统。通过跟电脑连接的读取器,只需5s秒钟即可处理出租、归还的业务,还可快速处理新书入库、藏书确认等事宜,有效提高服务品质。它的建成给师生们带来了耳目一新的图书借阅模式,也简化了图书借阅流程,大大提高了读者服务工作的效率。据悉,目前深圳图书馆已完成RFID项目招标,其实施将是新馆开馆的一大亮点。上海图书馆也计划在5年内实现“电子标签”借阅,实现“无所不在”的阅读。
3.6 飞机维护和轮船定位
将RFID标签置入飞机的部件内,标签可以及时提供部件维修保养数据,以便及时对飞机进行维护。基于RFID的船舶自动识别系统主要应用在轮船的定位和识别上。轮船能够向过往船只连续不断地发射自己的识别码、航向、航速、船位等信息,供对方驾驶员参考。同时,陆地相关部门也可通过这一系统随时掌握海上船舶的航行动态,为海上救助提供第一时间的决策依据。为保障航海安全,我国交通部海事局已经要求我国特定船只配备船舶自动识别系统。
4 结束语
RFID技术虽产生较早,近20年有了很大的发展,在我国大力发展物联网的背景下,RFID在电子标签中将会有越来越广泛的应用。随着经济的发展,RFID制造和应用成本的不断下降,RFID技术肯定会在各行业得到快速发展。其作用范围将覆盖到人类生活的方方面面,它在各领域广泛应用的趋势是不可抵挡的,其产生的经济价值和带来的相关产业发展将为我国建设和综合国力的提高作出重要贡献。
摘要：基于RFID技术,分析RFID电子标签系统的基本组成,对RFID中的编码调制、基带编码、数字调制法、双工方式、检错纠错等重要技术点进行了描述。根据不同频率说明了RFID在不同波段的优缺点。最后,提出RFID在电子标签几个重要领域的应用特点,最后详细描述了RFID在电子标签中应用的几个典型方面,包括身份识别、商品防伪、智能交通、商品供应链以及图书馆电子标签等,并给出应用方法和意义。
关键词：无线射频识别,电子标签,无线系统,应用
参考文献
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[5]刘立冬,张晓凌,耿志刚.RFID在产品防伪应用中的关键技术研究[J].电脑应用技术,2008(01):19-25.
[6]王俊宇,刘丹,魏鹏,等.基于射频识别的防伪系统研究与开发[J].计算机工程,2008(15):265-266.
[7]马玉秋,沈树群,吴京松,等.射频识别系统中数字处理核心模块的研究[J].北京邮电大学学报,2005(06):123-127.
RFID电子标签 篇2
由于最近几年，企业内部的盗窃行为愈演愈烈，美国的专业机构发表数称，每年沃尔玛超市因为员工的监守自盗的损失超过几十亿美金。而在诸如运输、石油、矿山、化工、金融、海关、铁路、货柜、制药、外贸商检等行业，由于内部人员的过失而造成的损失不下几百亿美金，在此时，防止偷盗泄露就变成一件非常棘手的事情了。结合其他多种技术手段，电子封条能够实现在多个领域的验证运输货物完整性的先进应用。企业级的典型应用模式如下所示：
电子封条锁安装在车厢开关处，使用方法跟传统锁具差别不大，只是在发运前需要一个远距离阅读器的施封动作。驾驶室安装一个整合RFID和GPRS通讯模块的通讯箱（必要时可以加上GPS定位模块），用于跟电子封条锁保持通讯并实时发送封条锁状态信息至后台监控中心。电子封条锁和通讯盒都采用反暴力拆解报警技术：一旦这两款设备遭遇外来暴力拆解将主动发出报警信息至监控中心。具体运用流程如下：在始发地，发货方在装完运输货物后，用sLock-100锁上货柜门(按下插销)，并用固定式或手持式阅读器发送一串经过加密的指令对其施封。施封成功后，封条锁会主动回馈一个信号，表示封条锁已经被成功封上。在货物的运输过程中，电子封条锁不停发送状态信号到通讯盒，通讯盒通过内置的GPRS模块将信息发送到后台监控中心。如果中途发生状态改变，则货主或者运输商可以第一时间收到报警信息并迅速采取相应措施，此时后台监控中心将完整了解该批货物的批次、数量、当班驾驶员和押运员，开锁时间等等，如果通讯盒加载了GPS模块，还能知晓开锁的地点，这对其采取相应的安全措施具有非常重要的意义。货物到达目的地以后，收货方根据接收到的开锁指令开锁（开锁指令由监控中心统一发送或者根据一个公用密钥体系在各个终端生成使用）。
北京旭航电子新技术有限公司开发了一套RFID智能电子封条管理软件，该系统包括客户终端系统和手持终端两部分；实现对智能一次性挂锁的各级签发和认证、对智能挂锁的安全管理，对操作人员的规范操作管理等功能；系统可以单机运行，也支持网络化操作，还可以也客户原有的系统相整合作为一个子系统嵌入到原有的管理系统中。
方案特点：
内嵌GPRS无线通讯模块，可以实时了解货物运输状况，第一时间获悉异常状况
高可靠性，工作温度-40℃~85℃，防水，防冲击。
高抗干扰：对现场各种干扰源无特殊要求，安装方便简单。
全球开放的ISM微波频段，无须申请和付费。
超低功耗：对人体更安全、更健康。
安装、维修方便，不必外接电源，产品安装设计已经考虑国内绝大多数的货柜、集装箱特点。锁体结构紧凑，外壳坚硬，不易遭到破坏。
RFID,从电子钱包到物联网 篇3
而一个月前的2月6日，中国移动推出了最新的手机支付，北京移动的客户只需要在当地的移动营业厅将手机卡更换为RFID－SIM卡，并为与SIM卡绑定的电子钱包充值，就可以在物美和美廉美超市的收银台刷手机结账了。
手机支付只是RFID的一个基础应用，RFID将支撑整个物联网产业从虚幻的概念到切实的应用。
RFID是Radio Frequency IDentification的英文缩写，即射频识别，又称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术。它通过无线电讯号识别特定的目标，并读写相关的数据，而不需要识别系统与这个目标有机械或者是光学接触。它无须人工干预，可用于各种恶劣环境，可识别高速运动的物体，可同时识别多个标签，操作快捷方便。第二代身份证、奥运门票都内置RFID芯片，而高速公路上的ETC电子不停车收费系统也使用了RFID技术。
埃森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。”
中国移动推出的RFID－SIM卡类似于北京等地的公交一卡通卡，通过内部集成的RFID芯片记录手机钱包的余额，交换刷卡消费的数据。商户的手机支付POS机就是阅读器，而消费者手机的RFID芯片就是标签。事实上，公交一卡通卡，也内置RFID芯片，而不同的是手机钱包可以通过移动运营商与银行的合作，实现无线充值和远程结算，这样从充值到消费的所有过程都可以通过一部手机来完成。
实际上通过RFID手机，移动运营商起到了一个消费支付平台的作用，这有点类似于在电脑上使用淘宝的支付宝、腾讯的财付通等互联网第三方支付平台。但是手机的普及性和易用性远远超过电脑，再加上规模庞大的用户群，一旦手机支付像日本和韩国一样走向成熟，运营商的巨额的资金沉淀效益和手续费收入可想而知。运营商通过手机这个载体，将用户直接接入电子商务市场，完成电子商务的各项功能。
2010年上海世博会，我们可以携带一部安装RFID－SIM卡的手机，先去星巴克或者麦当劳“刷”机购早餐，之后刷手机乘坐地铁，到达世博园区后，刷手机验证电子门票，在场馆内参观时如果渴了，也可以在自动购物机上刷手机购买饮料和水，这就是手机支付，手机卡已经集公交卡、超市卡甚至是银行卡于一身。而这仅仅只是RFID的一个基础的应用，RFID将支持整个物联网行业的兴起。
简单地说，物联网就是“物物相连的互联网”。物联网基于互联网，其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间。物联网通过RFID装置、GPS等信息传感设备，按照对应的通讯协议，把任何的物品和互联网相连接，进行通信和信息交换，以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理。
RFID技术在物联网应用的领域非常的广泛，经常提到的包括物流和供应链管理、电子病历、邮件追踪、ETC电子自动收费系统、门禁控制、电子客票、圖书馆管理、农产品原产地追溯、钞票防伪、野生动物识别与保护。RFID技术可以实现从产品设计、原料采购、半成品和成品的生产、运输、仓储、物流、销售，甚至是退换货处理和售后服务等所有供应链环节的实时监控，准确掌握产品的各种信息，包括生产地点、出厂日期、数量、颜色、尺寸、到达地点、收货人等等。美国食物和药物管理局FDA甚至允许VeriChip公司把RFID芯片直接植入人体，让使用者不需携带卡片也可被识别。
实际上，RFID在中国也并不是个“新鲜事物”，目前许多领域都得到了实际运用。比如，北京首都国际机场三号航站楼拥有世界上最先进的行李传送系统，这套系统可以每小时分拣传送超过19000件行李，并且以每秒11米的速度高速传送，在不到25分钟的时间内就可以将每一件行李从值机柜台准确传送到远停机坪的飞机上。怎样保证行李在高速情况下不掉出传送带呢，系统将行李装入安装着RFID标签的托盘小车中，实时监测，在托盘小车飞快地驶向正确的登机口之前，旅客的信息和行李的目的地信息在瞬间已经被预先写入RFID标签中。
随着中国企业信息化的进程的推进，RFID技术将逐渐扩大到更加广泛的领域，而RFID的成本也会随着应用的推广和市场的扩大而逐步降低。
RFID电子标签 篇4
在一些弹药仓库、技术阵地等国防地下工程以及各种矿井中,均要求对工作人员的出入及其活动区域进行严格管控。这些地下工程、矿井一般为坑道式结构,具有累计纵深长、分支多的特点,常用的视频监控系统由于监控存在死角、对违规现象须人工识别、不能自动报警、对照明系统依赖程度高等原因,未能实现对人员的实时有效管控。因此,亟需建立一种适用于地下工程建筑、具有自动报警功能的人员管控系统,对工作人员进行定位和管控。
目前常用的建筑内定位技术主要有基于红外线的定位技术、基于超声波的定位技术、基于超宽带的定位技术和射频识别定位技术等。文献[1]～文献[3]认为:射频识别定位技术便于实现、定位精度较高,且造价较低,用在室内定位系统中较为适合,其中又以ZigBee技术尤其适合,但对于ZigBee的室内定位系统的设计改进还有待于研究开发,它将是研究RFID技术的良好案例和应用。
射频表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围在300 kHz～30 GHz之间,射频电磁波在空间特别是在建筑内部空间受各种传播环境的影响显著,一种单一的传播模型无法准确描述在不同环境下发射机与接收机之间的传播特性,必须根据不同的建筑内部环境使用不同的模型[4]。
1 人员管控系统简介
无线传感器网络是由大量散布于待监测地域的传感器节点通过自组织方式形成的网络,网络中的各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后,通过相邻节点接力传送的方式传送回汇聚节点,再通过汇聚节点以有线网络连接等方式传送给最终用户。结合了FRID技术的ZigBee无线传感器网络,可以较好地实现地下工程内人员管控系统功能[5]。人员管控系统结构如图1所示。
该系统由中心数据库、无线传感器网络和射频电子标签等组成。中心数据库用于存储工作人员的指纹、脸部特征、允许活动区域以及所配备电子标签的编码等信息;在该地下工程各区域的天花板或墙壁上固定安装传感器节点,其位置已知;有源电子标签定时采集传感器节点所发送的位置信息和RSSI值并写入定位模块,分析计算得到自身位置后再发送给邻近传感器节点,并经由无线传感器网络发往监控中心,经过相关软件处理后,实现以下功能:
① 实时监控:监控中心实时显示工作人员的位置信息;
② 查找人员:输入工作人员姓名,立即显示此人当前所在区域;
③ 禁区报警:如果有人进入权限规定以外区域,系统自动报警,并显示违规人员名单;
④ 考勤统计:统计工作人员到岗时间、离岗时间、出勤率等[6]。
此外,在应用于弹药仓库时也可为重要区域的无线传感器网络节点配置温湿度传感器,实现温湿度环境监测,或为重要武器装备配备有源电子标签,加强对武器装备的管控。
系统中,有源电子标签的发射功率直接决定其待机时间长短;在传感器节点接收灵敏度一定的情况下,发射功率还决定了有源电子标签与传感器节点间的最远可靠传输距离,从而影响到实现有效管控所需的无线传感器网络规模。对有源电子标签所需发射功率进行估算,一个重要问题是分析传播路径损耗,这方面有多种计算模型,不同的模型适用于不同传播环境,得出的损耗值差别很大,这就需要根据地下工程的结构特点,选择合适的传播损耗模型,以下对几种主要的传播损耗模型进行比较分析。
2几种传播损耗模型分析
2.1由空间传播损耗模型
自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波随着传播距离的增大,能量的自然扩散而引起的损耗,不考虑传播介质对电磁能量的吸收影响,反映了球面波的扩散损耗。当探测器与无线发送装置之间距离为d时,自由空间传播损耗为[7]:
或:
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m), (2)
式中,d为传播距离,λ为工作波长,f为工作频率。
这种传播模型,计算参数易于测得且不依赖于经验值,但仅用于当发射机与接收机之间没有任何阻碍,能进行视距传播时的路径损耗值估算。
2.2分隔损耗模型
在实际情况下,电磁波还要受到诸如地面的吸收、反射和障碍物的阻挡等影响,因此,自由空间传播损耗模型并不适用。地下工程内的障碍物包括钢筋混凝土墙壁、安全门和地板等。各种不同的障碍物电气特性差异很大[8]。文献[9]研究了室内频率为2.4 GHz的电磁波对几种常见障碍物的穿透损耗。该测量使用矢量网络分析仪,中心频率为2.4 GHz,带宽为160 MHz,垂直极化和水平极化。在发射点和接收点之间放置各种不同类型物料的障碍物,测出穿透损耗的值如表1所示。
分隔损耗模型认为电磁波在室内传播时的路径损耗L近似于自由空间直接传播时的路径损耗Lf加上室内墙壁或障碍物的穿透损耗Lw(Lw与工作频率和墙体材料有关):
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m)+Lw。 (3)
分隔损耗模型用于估算无线传播损耗时计算较为简便,适用于单层或内部分隔较少的建筑。当建筑层数或障碍物数目增加时,损耗值并不是简单地呈倍数增长,这就需要具体测量不同障碍物数目时的分隔损耗值或使用其他的传播损耗模型。
2.3衰减因子模型
多楼层间的无线传播损耗包括建筑物的类型影响以及阻挡物引起的变化等,此时的路径损耗可以用衰减因子模型来估算[10]:
式中,L(d0)是发射点到参考距离的路径损耗(称为“参考路径损耗”);nsf表示同层测试的指数值、FAF表示楼层衰减因子,均与具体的环境和工作频率有关。文献[11]给出了一栋四层办公楼在2.4 GHz频率下,楼层衰减因子的测量值:穿过楼层数为一、二、三的楼层衰减因子分别为25.73 dB、33.85 dB和45.54 dB。
这一模型灵活性很强,预测路径损耗与测量值的标准偏差较小,适用于多层建筑内的无线传播损耗估算,但针对不同类型建筑情况下不同频段范围的衰减因子的测量工作尚未完成,还需继续深入进行。
3 实例分析
假设某地下工程从上至下共分三层,中间一层包括人员通道和各工房,是工作人员的主要活动区域,传感器节点也都固定安装于这一层;中间层与下层为混凝土地板隔断,与上层为天花板隔断;中间层的人员通道与各工房之间为一堵混凝土墙隔断,墙上有门。电磁波在发射机与接收机之间传播时所穿透的障碍物最多为一扇门或一堵混凝土墙,依据以上分析,并对比分隔损耗模型的适用条件,认为某地下工程可用分隔损耗模型进行模拟。
在自由空间传播模型中,距离发射天线d处的功率密度为:
此处接收天线的接收功率为:
式中,Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;Ae接收天线的有效接收面积,最佳接收状态下
在分隔损耗模型中,由式(3)得:
不妨取极限情况,即距离发射天线d m处的接收天线的接收功率为接收灵敏度Pr,则此时发射天线的发射功率至少为:
或
Pt(dBm) = Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB) 。 (10)
在目前已有的ZigBee无线传感器网络方案中,基于CC2430/31的ZigBee解决方案以其快速性、廉价性最具竞争力。CC2430/31芯片具有卓越的射频性能,包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力,该型芯片工作频率范围:2 400～2 483.5 MHz;接收机模式下电流损耗27 mA;发射机模式下电流损耗25 mA;输出功率高至0 dBm;灵敏度-92 dBm;工作电压范围2.0～3.6 V。下面分析在人员管控系统中将CC2430用于ZigBee网络的传感器节点在发射功率方面的可行性。
根据使用要求,有源电子标签被工作人员携带且位置固定时,无论发射天线朝向如何,它所发送的信息均应能被临近传感器节点的接收天线接收到,且接收功率一致。即要求发射天线能将能量均匀地向各个方向辐射出去,发射天线的方向性系数D=1[7],取天线效率
Gt=DηA=0.8 dB。 (11)
由于传感器节点均安装于天花板上,其接收天线用于接收来自其他传感器节点和下方有源电子标签发射的电磁波,因而不要求具有全方向性,可以取Gr=1 dB。
传感器节点CC2430芯片工作频率f=2 400 MHz,结合系统中发射机与接收机之间最多隔一堵混凝土墙的实际情况,由表1得LW=21.601 dB。
由式(10)得分隔损耗模型中发射功率为:
Pt(dBm) =Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB)=
-30.14+20lgd(m)。 (12)
发射功率Pt与发射端到接收端距离d的关系如图2所示。
由图2可知,有源电子标签所需发射功率随路径长短d呈对数关系增长,当路径d从10 m增加到20 m时,Pt从-10 dBm增加到-4 dBm,d从20 m增加到40 m时,Pt从-4 dBm增加到2 dBm,即路径d每增加1倍,Pt增加6 dB;当有源电子标签的发射功率Pt为-10 dBm时,可靠传输距离d仅10 m,Pt为0 dBm时,可靠传输距离d可达30 m。
最远可靠传输距离为20 m、30 m和50 m时有源电子标签所需发射功率Pt与传感器节点接收灵敏度Pr之间的关系曲线如图3所示。
由图3可知,在给定接收灵敏度的情况下,有源电子标签所需发射功率随最远可靠传输距离的增大而增大。Pr为-100 dBm时,距离20 m、30 m和50 m处所需的Pt分别为-14.13 dBm、-10.60 dBm和-6.17 dBm,此时接收灵敏度高,对芯片的要求较高,不够经济;当接收灵敏度Pr降低至-80 dBm时,不同距离处的Pt分别增大为5.88 dBm、9.40 dBm和13.83 dBm,对电子标签的发射功率提出了更高的要求,不利于实现长时间待机。
假设坑道式地下工程宽5 m、高4 m,则无线信号最大可靠传输距离为30 m时能以较小的无线传感器网络规模实现对人员的有效管控。选择接收灵敏度为-92 dBm的CC2430芯片用于传感器节点,选定发射端到接收端最远可靠传输距离d=30 m时,要求有源电子标签的发射功率不小于-2.6 dBm,同时不大于5 dBm,因而可以选择具有定位模块且发射功率高至0 dBm的CC2431芯片用于电子标签。鉴于电子标签须由工作人员随身携带,且发射功率要求不高,可以采用锂离子电池供电。
4结束语
针对各种地下工程和矿井提出为工作人员配备有源电子标签,采用基于ZigBee的射频识别定位技术对有源电子标签进行定位以实现人员定位和实时管控的方法,这种方法可以在较大范围内对目标进行识别和定位。通过分析比较几种典型无线传播损耗模型,得出各模型优缺点和适用范围,选择在分隔损耗模型的基础上,对人员管控系统中有源电子标签所需的最小发射功率进行估算。研究了电子标签发射功率与传播距离、传感器节点接收灵敏度之间的关系,从而为有源电子标签的设计选型提供了依据。这些研究对类似室内定位系统的规划和设计有一定的借鉴意义。
摘要：针对一些坑道式地下工程需要实现对工作人员实时管控的需求,构建了基于智蜂(ZigBee)无线传感器网络和射频识别(Radio Frequency Identification,FRID)技术的人员管控系统。电子标签的发射功率估算是人员管控系统设计的重要方面,在分析几种典型无线传播模型的基础上,得出了各模型的优缺点和适用范围。就适于地下工程的分隔损耗模型,分析了电子标签发射功率与无线传播距离和传感器节点接收灵敏度之间的关系,并对有源电子标签所需的最小发射功率进行了估算,结果表明,选用最大发射功率为0 dBm,接收灵敏度为-92 dBm的无线芯片便可以满足有源电子标签的设计需求。
关键词：无线传感器网络,射频识别,传播模型,功率估算
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RFID电子标签 篇5
关键词:RFID;电子标签;传统条形码;物联网;应用
中图分类号:TP319 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0071-01
一、RFID 电子标签概述
(一)RFID 电子标签的基本原理。RFID又称为电子标签、远距离IC卡、远距离射频卡、射频标签等,其基本工作原理是标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息,或者主动发送某一频率的信号。然后由解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
(二)RFID电子标签的系统组成构架。RFID电子标签系统由数据采集端、信息处理端和数据传输端构成。其中,信息采集端由读写器、天线和标签构成,负责前端的数据采集;信息处理端是指管理PC与服务器,负责信息的处理与备份;数据传输端是指由交换机、网线构成的一个局域网,负责信息的传送。
整个系统分两部分:一是硬件设备,包括RFID标签卡(及其传感器,如:温度、湿度、光敏、压力、开关量等)、RFID读写设备、报警及其他辅助设备;二是软件系统,包括RFID中间件软件和应用系统管理软件。其中,RFID电子标签系统组成构架结构图如下图所示。
二、RFID 电子标签不同于传统条形码的优点
(一)扫描快速。RFID辨识器可同时辨识读取数个 RFID标签,而传统条形码一次只能扫描一个条形码。
(二)体积小、形状多样。RFID电子标签在读取上并不受形状和尺寸大小的限制,而且,RFID电子标签这些年在逐步往小型化与多样化的当下发展,进而可以应用于不同的产品。
(三)抗污染性能好。传统条形码由于是以纸张为载体,因此比较容易受到污染,但 RFID电子标签由于材质特殊对很多的污染物品具有很强的抵抗性。而且,传统的条形码多是附于外包装纸箱或塑料袋上的,所以特别容易受到折损。相比之下,RFID电子标签是将数据保存在芯片中,因此可以免受污损。
(四)可重复使用。传统条形码印刷上去之后就不能再更改了,而RFID数字标签则可以重复地新增、修改、删除RFID芯片内储存的数据,可重复使用。
(五)穿透性好。条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下,才可以辨读条形码。相比较,RFID数字标签在被覆盖的情况下也能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质,并能够进行穿透性通信。
(六)数据存储容量大。一般而言,RFID数字标签的最大容量有数MB。随着数据存储技术的不断发展,RFID数字标签的数据容量也在不断扩大。
(七)安全性高。由于 RFID数字标签存储的是电子式信息,其数据内容可经由密码保护,从而可以使其内容不易被伪造和篡改。
三、RFID电子标签在物联网中的应用
RFID在物联网各行业中的应用涉及到物流、仓储、零售、制造业、军事、交通、电力、食品与环境等相关领域。以下以车辆识别系统和物流管理系统为例就RFID 电子标签在物联网中的应用进行说明。
(一)RFID 电子标签在车辆识别系统中的应用
1.需求背景。本系统根据不同管理需求,在道路,车库,出入路口设置监控点,主要利用RFID 电子标签实现以下监控功能:车辆自动识别和车辆自动出入。针对不同车辆及交通路况实现智能交通等。对黑车、套牌车及非法营运车辆的识别监督。
2.实现原理。在需要监管的车辆上发放标签,结合道路,车库,出入路口安装的读卡器,通过后台系统的智能判断识别,可实时车辆出入、车辆识别,智能调度。
3.系统架构。系统分为:管制车辆(附着RFID 电子车辆标签),监控设备(包括读写器,天线),后台控制系统(包括网络传输,交换器,中间件,服务器等)。
4.系统的功能。(1)自动识别。RFID 电子标签读写设备识别到电子标签的信息后,通过后台管理系统实时显示车辆信息,就可以自动跟踪车辆的活动,轻松实现对车辆行踪的实时监控,可实现对公共服务车辆的交通管制。(2)自动出入。车辆出入监控点时无需停车,所有的识别,判断均由系统远距离自动实现,无需人工干预,杜绝失误和作弊。(3)智能决策。根据识别车辆的信息实现公交优先、智能调度。根据车辆量大小决策红绿灯闪烁时间。
(二)RFID 电子标签在物流管理系统中的应用
1.系统概述。系统包含了智能立体仓库管理、物资仓库自动化出入库管理、在途物资可视化、大型货场物资可视化管理和全资可视化管理,通过系统智能控制技术,实现物资交互性监控,体现现代化物资运输管理水平。
2.认识集装箱智能标签。安装在集装箱门上,采用RFID技术、传感器技术,实时监测集装箱运输过程中开关门状态、震动信息、温湿度信息、光感信息,并以主动报警、被自动查询等方式发送给车载、手持、固定读写设备。
集装箱标签分为标签组件、传感器组件及固定装置三部份组成。其中标签组件需要与外部进行数据交换故放于集装箱体机外边,传感器组件需要与勘测箱体内部环境变化,故置于箱体的内部。
3.系统功能。系统主要通过条形码技术、无线射频识别技术,以及相关硬件设备和信息管理系统,物资存储管理信息化、运输途中物资态势透明化、保障管理中心可视化等功能。
可查询冷链物流中集装箱内的温度、湿度,开关门信息,并可用光敏实现对集装箱内物资的防拆御防盗。结合GPS和GIS系统可实时查询在运车辆的位置,并可对其进行轨迹回放跟踪。
四、结束语
这些年来,RFID电子标签因其所具备的高储存量以及远距离读取等特性而备受瞩目。其在物联网中的应用不仅可以帮助提高一个企业的大幅货物和信息管理的效率,还可以更加准确地接收反馈信息,控制需求信息,实现货物供应链的优化。
参考文献:
[1]徐雷.基于RFID电子标签的物联网物流管理系统[J].微计算机系统,2006(03).
[2]潘丽娜.从传统条形码看物联网时代的电子标签[J].广东印刷,2012(09).
RFID电子标签 篇6
现有的RFID防碰撞算法都是基于TDMA算法,可划分为Aloha防碰撞算法和基于二进制搜索BS(Binary search)算法两大类[2,3]。Aloha是一种随机接入算法,这种算法多采取“标签先发言”的方式,即标签一旦进入阅读器的阅读区域就自动向阅读器发送其自身的ID,随即标签和阅读器间开始通信。在标签发送数据的过程中,若有其他标签也在发送数据,将发生信号重叠从而导致完全冲突或部分冲突,阅读器检测接收到的信号来判断有无冲突。如果发生冲突,阅读器将发送命令让标签停止发送,随机等待一段时间后再重新发起查询。该算法特点是:算法简单、便于实现,适用于低成本RFID系统。但是由于该算法的时隙是随机分配的,当大量标签并存时,帧冲突严重[4]。而基于BS算法是通过多次比较,不断筛选出不同的标签号,时分复用地进行读写器和射频卡之间的信号交换,以一个独特的序列号识别射频卡为基础。为了从一组射频卡中选出其中的一个,读写器需要发出一个请求命令,有意识地将射频卡序列号传输时的数据碰撞引导到读写器上,即让读写器来判断是否发生碰撞。如发生碰撞,则缩小范围进行进一步搜索。这类算法虽然识别效率高,但是算法比较复杂,识别时间较长[5,6]。本文在二进制防碰撞算法的基础上提出一种改进的防碰撞算法。
1 两种典型的二进制防碰撞算法的分析
1.1 二进制搜索算法
实现BS算法系统的必要前提是能够辨认出在读写器中数据冲突位的准确位置,因此必须选用合适的编码。曼彻斯特编码能够按位识别出碰撞位,这样可以根据碰撞的位置,按一定的规则重新搜索标签。因此,使用曼彻斯特编码是实现二进制搜索防碰撞算法的必要前提[7,8]。BS算法的工作流程如下:
(1)电子标签进入读写器的作用范围时,读写器发送命令REQUEST(≤11111111),所有满足此条件的电子标签响应此命令,并将自己的EPC号传给读写器。
(2)读写器对比电子标签响应的EPC码相同位数上的数,根据Manchester编码规则,若出现不一致现象,即可判断出该比特位有碰撞。
(3)当确定有碰撞后,将此次发生碰撞的最高位置“0”,最高碰撞位之前的比特位不变,最高碰撞位后的所有比特位都置“1”,并产生新的请求命令REQUEST,依次排除序列号大的标签,直到读写器对比电子标签响应的序列号中相同位数上的数完全一致时,则说明无碰撞。此时,使用选择命令(SELECT)选出一个唯一的标签。
(4)选出唯一的标签后,使用READ-DATA命令完成读写器与该电子标签的数据交换。并使用选择命令(UNSELECT)进入“无声”状态,此时在读写器范围内不再响应(重新进入读写器范围可再次响应)。为了重新激活电子标签,必须进行复位操作。
(5)重复前4个步骤,并选择剩余的电子标签数据交换。多次循环后即可完成所有电子标签的读取。
1.2 动态二进制搜索算法(DBS)
在BS搜索算法中,从读写器和单个电子标签的数据流可以看出,读写器发出的请求命令中,最高碰撞位后的所有比特位都被置“1”,对标签的识别不能提供任何的信息。而标签返回的数据中,最高碰撞位以前的比特位及最高碰撞位不包含给读写器的补充信息,因为这些位是已知且给定的,属于多余的重复信息。基于此人们提出了动态二进制搜索算法(DBS)[9],当读写器检测到碰撞后,下一次读写器在请求命令中只发送搜索序列号中的最高位和最高碰撞位之间的部分作为搜索依据,然后中断传输,所有在与最高位和最高碰撞位之间的部分相同的电子标签响应并送回它们序列号的剩余各位,即最高碰撞位之后的比特位作为应答。因此,DBS算法避免了序列号中多余部分的传输,数据传输时间明显缩短。DBS算法较BS算法在传输数据量和所需时间上可减少50%[10]。
2 改进的二进制搜索算法
2.1 算法约定
鉴于BS算法的缺点,本文提出了一种改进的二进制搜索算法,算法约定如下:
(1)采用曼彻斯特编码的电子标签序列号每个比特位上的取值不是“0”就是“1”。因此,如果当读写器探测到仅有一位碰撞位时,读写器不需要发送请求命令,可以直接识别出2个标签。
(2)读写器如果检测到有N个碰撞位,则说明这N个碰撞位的比特位对读写器来说是未知的,而其他的比特位对读写器来说是已知的。因此读写器只需要对未知的碰撞位处理,而不需要传输那些已知的比特位,从而减少传输时延。
为了便于描述以及实现该算法,给出如下防碰撞命令:
(1)查询命令request(DX,MX;DX1,MX1)。参数DX、DX1分别为检测到碰撞位的最高位和次高位,参数MX、MX1为0、1的二维排列组合,例如检测到1?1?00?1,那么读写器发送request(D6,0;D4,0)符合条件的标签响应并返回冲突位及相关信息。
(2)退出选择命令unselect。取消事先选中的电子标签,使标签进入“无声”状态。在这种状态下标签完全是非激活的,对收到的request命令不做应答。为了重新激活标签,必须暂时离开读写器的作用范围,然后再次进入该读写器范围。
2.2 算法原理
下面以读写器作用范围内的8个编码为8 bit的标签为例说明该算法,8个标签的编码如下:tag1:01001000,tag2:01010100,tag3:01011010,tag4:01000000,tag5:01000010,tag6:01010000,tag7:01001010,tag8:01011000。
(1)request≤11111111命令,读写器作用范围内的所有标签应答,读写器译码的结果为010????0碰撞位为D4,D3,D2,D1,最高碰撞位为D4,次高碰撞位为D3,因此下次查询命令为request(D4,0;D3,0)。
(2)读写器发送查询命令request(D4,0;D3,0),标签通过比较各自的D4、D3位,与之相同的标签则发送自己的相关信息给读写器。通过比较后标签4和标签5响应,编码后得到010000?0,读写器检测到仅只有一位碰撞,可以直接识别出标签4和标签5。读写器正确识别它们之后,执行unselect命令,使标签4和标签5处于“无声”状态。
(3)读写器发送查询命令request(D4,0;D3,1),标签1和标签7响应,编码后得到010010?0,读写器检测到仅只有一位碰撞,可以直接识别出标签1和标签7。读写器正确识别它们之后,执行unselect命令,使标签1和标签7处于“无声”状态。
(4)读写器发送查询命令request(D4,1;D3,0),标签2和标签6响应,编码后得到01010?00,读写器检测到仅只有一位碰撞,可以直接识别出标签2和标签6。读写器正确识别它们之后,执行unselect命令,使标签1和标签7处于“无声”状态。
(5)读写器发送查询命令request(D4,1;D3,1),标签3和标签8响应,编码后得到010110?0,读写器检测到仅只有一位碰撞,可以直接识别出标签3和标签8。读写器正确识别它们之后,执行unselect命令,使标签1和标签7处于“无声”状态。至此,读写器作用范围内的所有标签都别正确识别完毕。算法流程如图1所示。
3 算法性能比较
假设读写器作用范围内有N个电子标签,则BS算法完成所有标签识别的搜索命令次数S(N)为:
系统的吞吐率η1为:
DBS算法识别所有标签的搜索次数为:
系统的吞吐率为:
对于改进的二进制搜索算法,当读写器作用范围内N个电子标签,探测到n个碰撞位时(N=2n),可以知道当读写器作用范围内有2个电子标签仅探测到1位碰撞,总的查询次数为:
当读写器作用范围内有4个电子标签,探测到2个比特位发生碰撞,那么总的查询次数为:
通过数学归纳法可以得到当读写器作用范围内有n个标签,探测到n个碰撞位时,总的查询次数为:
系统的吞吐率为:
对三种算法采用Matlab软件进行仿真,其结果如图2所示。
通过理论和仿真比较可见,采用改进后的二进制搜索算法较其他两个算法有三个方面的优势:其一减少了查询标签次数,使计算时间减小;其二减少了系统数据传输量,提高了标签的识别速率;其三较大地提高了系统的吞吐率。
本文对BS算法及DBS算法过程进行了分析,找出了其中的不足之处,在此基础上提出了一种改进的二进制搜索算法,并通过Matlab仿真得到该算法的查询次数和吞吐率方面的数据。通过实验数据表明,该改进算法可以减少系统的查询次数,提高系统的吞吐率。从而验证了该改进算法的优越性。
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RFID电子标签 篇7
本文设计开发的RFID电子标签和阅读器应达技术参数指标如表1和表2所示。
1 硬件设计
1.1 总体方案
本文设计开发的射频收发系统的组成如图1所示。计算机通过异步串口向ARM控制器传送指令;ARM控制器再通过n RF24L01按照一定通信协议[2]将信号发送给指定地址的标签;若标签处于阅读器范围内[3],经外部触发后,会发送标签的一些相关信息给阅读器;阅读器部分的无线收发模块通过串口将接收到的数据上传至上位机进行数据显示处理。
1.2 电路设计
1.2.1 低功耗电子标签
单片机与n RF24L01连接电路设计如图2所示。
MSP430F149单片机的P1.6引脚接收来自n RF24L01的中断,低电平有效;由P1.7引脚控制n RF24L01的CE端,CE端的电平决定n RF24L01工作在接收模式还是发送模式;由P5.0引脚控制n RF24L01的片选使能CSN,CSN为低后SPI接口等待执行指令,每一条指令的执行都必须经过一次CSN由高到低的变化;MISO和MOSI分别为串行输入和输出,分别由P5.1和P5.2引脚控制。
1.2.2 阅读器
ARM系列单片机STR711FR2芯片与n RF24L01连接电路设计如图3所示。由单片机的P0.7引脚来控制CE端;由P0.10引脚接收来自n RF24L01的中断;由P1.9引脚控制n RF24L01的片选使能CSN;由P0.12引脚控制串行输出口MOSI;由P0.13引脚控制串行输入口MISO。STR711FR2采用16 MHz有源晶振,与上位机采用串口通信。
2 软件设计
2.1 通信协议和串口中断
本文所设计的RFID通信模块实现的功能包括广播识别、读/写标签编号、读/写标签密码、读/写标签数据信息。该通信协议如表3所示。
若在通信协议中设置较短的地址和校验可以提高传输的效率,同时为增强程序的运行效率,阅读器采用UART全局接收中断模式,以保证即时接收到上位机的指令。阅读器串口中断子程序如下:
2.2 软件流程图
2.2.1 阅读器指令发送子程序
阅读器上电后,检查阅读器与上位机通信是否正常,当调试好串口工作后,按如图4所示的发送主程序流程进行指令发送。首先进行初始化,将n RF24L01的工作模式、通信地址及通信速率等参数配置好,然后等待上位机的数据包。阅读器在对上位机发送来的指令校验无误后,会向指定标签发送数据包,标签收到数据包后会发送一帧应答数据包,阅读器接收到应答数据包后,在PDA显示出来,至此完成一次数据的传递。
当有多个标签时,阅读器采用分时发送识别指令方式,可知道哪个标签没有在阅读器范围内。但应注意的是,阅读器每次向标签发送指令后,都应随后再发送一包指令来清理标签自动应答缓冲区(W_ACK_PAYLOAD),避免下次发送不同的指令时出现应答错误。
2.2.2 标签指令接收子程序
标签上电后,首先进行初始化,使标签完成一些配置寄存器的设置,然后进入待机模式,当标签进入阅读器的范围内,经阅读器唤醒后,标签会产生接收中断跳入监听指令子程序,即从低功耗模式转入工作模式,开始监听空中的数据包。当自动应答有效时,ACK消息将被发回。标签指令接收子程序流程图如图5所示。
2.3 电子标签低功耗模式软件编程实现
低功耗标签子程序设计如下所示:
3 标签测试结果与分析
标签设计可根据需要设计出两种天线形式,本次测试设计出板载天线[4]和外置天线两种电路板。测试时可将毫安表串联于电路中,观察标签的功耗变化,在不同的功耗下分别进行测试。测试结果表明,外置天线和板载天线都能满足使用者要求。外置标签通信测试结果如图6所示。
从图中可以看出,功耗在12.3 m A时,随着阅读器与电子标签距离的增加,到达10 m处通信成功率恒定为100%,此时标签一直处于接收模式;设置并调整软件中相关参数使得标签功耗为6 m A左右时,随着距离的增加,在6 m以内通信成功率为100%,大于6 m时通信成功率会有一定的下降,但能保证在90%以上;设置并调整软件相关参数使得功耗降低到1.2 m A左右时,随着距离的增加通信成功率会明显降低,但在10 m以内仍能保证较高的通信成功率,此时功耗已降到最低,通过重复2~3次识别,其成功率完全能满足使用需求。
本文设计了一种由单片机控制、以n RF24L01为无线射频收发芯片的RFID通信方案,其特点是通信快速和功耗较低。电子标签在不工作情况下,功耗可降到1.2 m A左右。该设计还适用于多个电子标签场合,阅读器采用分时向标签发送指令的方式,每次发送后应再发送一包指令清理标签自动应答缓冲区(W_ACK_PAYLOAD),以避免下次出现应答错误。
该设计所研制的样机具有功耗低、通信快速、误码率低、抗干扰性好、能识别多个标签等特点,能满足对体积和功耗要求较高的油田开发设备的实际使用要求。
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RFID标签的轻量级加密 篇8
本文重点描述针对RFID标签的轻量级加密方案, 并检测现存各种加密方案在安全性和隐私等级方面存在的可能风险, 同时从硬件和软件着手改进, 对RFID下一步在实践中的应用提出了指导意见。
1 RFID及加密
当今社会对通信的要求是易接入、数据共享以及快速安全, 轻小智能设备正是在这种需求下得到了推广与应用。随着对轻小智能设备需求的增长, 选择或是开发何种加密方式来保证该类受限设备的安全性引起密码学者的高度关注。在这些设备中, RFID标签 (起于二战时期) 已经得到了普遍的应用开发, 比如代替条形码以及生物特征识别技术在市场上的广泛应用。RFID技术开拓了一种对物品或者人认证的简单方法。其通信方式为, RFID标签直接与RFID读写器通信, 而读写器始终与后方数据服务器永久保持连接。
RFID标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据供电方式的不同, 可分为有源、无源和半无源标签。有源标签内装有电池, 无源标签内没有装电池, 半无源标签内部分依靠电池工作。
1.1 隐私安全问题
随着RFID标签应用的推广, 与之相关的安全隐私问题也随之而来。比如, 用于识别某物品的标签遭到攻击者的攻击, 该攻击者可以通过与标签建立通信而读取其识别码, 进而可推测出与之相关的物品的属性。
即使是更低级的攻击也会造成RFID标签的隐私泄露。敌手可以使用痕迹追踪, 把同一个标签与事先准备好的多个协议相匹配, 从而判定该标签所使用的协议类型。该类攻击成功与否取决于受攻击标签的类型以及攻击者的能力, 攻击者可能成功篡改标签并获取标签的内部密码以及临时存储内容。
1.2 针对RFID系统的一种隐私模型
Serge Vaudenay为RFID系统提出了一种直观的隐私模型, 即任何隐私的泄漏是由协议信息泄漏引起的。它为RFID系统定义了一种安全隐私, 即使攻击者掌握了整个系统交互信息也无法推测出任何隐私信息。它为系统抵御伪装攻击定义了一种隐私安全模型, 在伪装攻击中敌手试图使非法的读写器读取标签中的内容。
实践证明, 将隐私安全用数学语言表示出来很困难, 研究者提出了很多种方法。比如, Ari Juels和Stephen Weis提出如果没有敌手可以在他们已经筛选出来的两个可能标签之间指出哪个标签是协议正在通信的一个, 则认为该协议隐私安全。Robert Deng和他的同事给出了一种更广义的定义, 他们要求标签的通信是“零知识” (zero-knowledge) , 利用此法, 敌手无法获得某标签交互过程中的任何信息。[6,7]
但是, 前面的两种定义均没有考虑敌手利用多个标签同时攻击隐私安全的情况。此种情况下, 可论证Vaudenay的定义更有意义。但是, 用数学的方法公式化该想法仍然与主观意义不匹配。定义中阐述如下, 作为敌手的仿真器产生相同的输出, 但是无法获取协议信息。正因为此种不相匹配, 研究者认定找出完全满足双向单边认证 (标签认证自身, 双向认证是由标签和阅读器互相向对方认证自身完成的) 的更高级别的隐私安全是不可行的。Khaled Ouafi提出一种观点来修复该定义, 他认为给仿真器提供敌手的所有情况来判断某个申请是否是无效的。
Vaudenay的模型给出了最糟糕的情况:敌手已经完全控制了整个系统。敌手可以激发协议实例, 发送信息给读写器和标签, 还可以获取协议的输出结果。该种行为引起的一种典型实例就是打开一扇门或者是通过了基于RFID存取系统的某种门限。更为甚者, 敌手可以自行创建标签并选取他们的识别器, 或者篡改标签以及重置标签内的隐私资料和临时存储区内的内容。 (目前的cold-boot攻击已经证明敌手从临时存储区比如动态RAM中擦除数据是可行的。)
1.3 隐私安全等级
但是, 并不是所有的RFID标签均具有同等保护自身信息不被篡改的能力。弱安全性的标签, 在没有实施硬件损害的情况下, 信息可被篡改, 其自身也不可能伪装成敌手去篡改或破坏其他标签。标签之间的这种不同导致了几种不同的安全隐私等级。弱隐私是为不能篡改标签的敌手准备的。前向隐私安全, 保证即使敌手攻破了标签的防护, 也无法知道标签过去的任何行为。强隐私安全等级应该应用在比较弱的标签中, 比如, 敌手可以攻破并读取标签隐私的情况。显然, 因为比较弱的标签的防御机制比较弱, 所以假定有一较强能力的攻击者出现, 那么该标签就需要较高强度的安全部件来保护标签。
我们可以在标签上使用一个伪随机函数 (PRF) 来完成标签的弱隐私, 通过一个就像AES之类的安全密钥来启用PRF。假定公钥和对称密码是独立的, 前向隐私安全需要使用公钥加密。强隐私安全需要更加先进的密码学理论。一种就如RSA-OAEP (RSA-Optimal Asymmetric Encryption Padding) 的IND-CCA公钥编码体制, 其满足前向隐私安全, 但是不足以构建一种强隐私等级协议。相反, 一种如Cramer-Shoup加密系统的明文公钥体制可提供最强的隐私安全。
2 一种具有贡献意义的解决方案:HB协议
就如我们前面提到的, 早期经典的加密方案不适合RFID标签。即使最新提出的基础性简单的标准解决方案也很难满足RFID安全以及运行需求。所以, 我们急需更加创新的解决方案。
其中一种可供选择的密码学解决方案就是基于NP完全问题。我们可发现该领域已经有很多可供借鉴的研究成果。这种研究奠定了公钥密码学的基础, 同时也使“易计量”的计算机安全密码体系得到发展。
不幸的是, 大部分基于NP-complete的架构均已被攻破。所以, 研究者又将目光重新放到了未证实的NP-complete问题上, 比如因式分解和离散对数问题上。而很少有人在已证实的NP-complete问题上寻求解决方案, 但是最近几年少量的基于LPN (learning paritywith noise) 和LWE (learningwitherrors) 的创新方案被提出, 安全效果明显。而且两者都属于已证实的NP-complete问题。特别应指出的是, 研究者已将这些方法应用在设计HB家族协议上, 实现了对RFID系统的高效认证。LPN (噪声环境下的学习校验) 问题是为数不多的“矢量子集求和”困难问题, 对计算量和存储量要求不高, 适合标签这样的设备。
2.1 HB协议
就人类的操作而言 (我们可以使用笔和纸来完成此类操作) , HB协议仅仅需要非常简单的操作即可完成。在每次认证中, 通信双方只计算1bit的数据作为二元向量输出, 而验证方随机输出v来模拟LPN的噪声参数。发出信号方重复上述操作r次, 如果验证成功的次数大于某个最低限度。该类协议在通信信道中仅存在被动窃听时可以保护信道安全通信。
2.2 HB+协议
再没有比Juels和Weis提出的使用HB协议对RFID系统进行认证更容易操作的协议。基于上述原因他们提出了可以抵抗主动攻击的HB+协议 (对于RFID系统, 该协议的前提条件是, 假定敌手可以直接和标签和读写器相互通信, 但不是同时进行) 。不幸的是, 如果敌手同时进入通信双方, 该协议将对系统失去保护能力, 就如GRS (Gilbert, Robshaw, and Sibert) 的攻击模式。
2.3 HB#协议
在一系列对HB+的修改尝试后, 针对如何抵抗上述的GRS攻击, Henri Gilbet和他的同事们提出了HB#协议。他们提出只要LPN问题难解该协议可以有效防止诸如GRS类的攻击。另外, 也推测了HB#协议亦可有效防止中间人攻击。但是, 该推测最终被证实是错误的, 文献14中展示了针对HB#协议的OOV攻击 (Ouafi, Overbeck, and Vaudenay) 。[7]目前为止, 还没有任何针对HB#协议的修正协议被提出。
3 针对RFID标签是否存在中间人攻击
上述的GRS以及OOV攻击提醒我们注意一个关于RFID标签安全性的问题:中间人攻击是否是一种真正意义上的威胁?大多数现实中的标签只有在几个厘米的距离时方可被访问。敌手在如此近的距离试图控制信息的交换是很困难的。特别是在受距离限制的协议中, 此问题更突出, 因为认证过程中, 阅读器证实和它通信的标签是离它很近的方有效。
但是, 此类攻击仍有可能存在。一种此类攻击就是在一个RFID阅读器上附着一个很小的芯片, 用该芯片来阻止阅读器的通信。当然, 前面的讨论显然不适用更加复杂精细的可实现更远距离通信的标签。
4 结语
密码学家假设了一种最坏的情况, 比如敌手控制了整个通信。此情况下, 我们可以放眼整个市场, 可发现目前还没有能够满足该安全性的复杂计算设备。所以, 我们必须找到折中的办法。
在硬件方面, 磁性存储可能要取代传统存储。随着科学家开发出新类型的磁性存储硬件, 密码学者可以尝试使用该存储设备的特性来提高安全性。从硬件和软件着手改进, 在将来, 密码学者可能把安全和隐私等级提升到一种更高的水平。
参考文献
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一种RFID标签阻抗的测量方法 篇9
近年来,射频识别(RFID,Radio Frequency I-dentification)技术的研究日益受到关注,尤其是远距离的UHF频段(860 MHz-960 MHz)RFID技术发展迅速。典型的UHF频段RFID系统由RFID读写器和标签两部分组成,RFID无源标签依靠RFID读写器发射的电磁信号供电,并通过反向散射调制连续载波信号与读写器通信[1]。因此,RFID标签成为RFID系统中的关键部分。
1 RFID标签结构
RFID标签分为RFID标签芯片和RFID标签天线两部分,其结构示意图如图1所示。
RFID标签阻抗又分为标签芯片阻抗和标签天线阻抗,如图2所示。标签天线与标签芯片连接不匹配时会有反射波Γtag产生。RFID标签天线的阻抗Zant是否与标签芯片的阻抗Ztag相匹配,即天线阻抗与芯片阻抗互为共轭,直接决定了RFID标签的供电效率和天线的灵敏度,也即决定了标签的读写距离和识别成功率[2]。
RFID标签阻抗的测量分为标签芯片阻抗和标签天线阻抗的测量。普通天线设计的阻抗目标是实部50Ω或75Ω,虚部为0Ω,方便与天线馈线相匹配。而RFID标签芯片的阻抗却没有统一的标准。因此在设计标签天线之前,一定要知道标签芯片的阻抗值。由于标签芯片体积较小,通常必须使用标准的平衡双线式探针测量其阻抗值。本文通过自制校准件和测量板来实现标签芯片阻抗值的测量。由于标签天线的阻抗直接与标签芯片共轭匹配,可能为任意值,不能与基于50Ω系统的平衡器直接相接,因此必须采用特殊的方法测量标签天线的阻抗,就是后面讲到的加反射板的方法。
2 RFID标签芯片阻抗的测量
现通过自制校准件和测量板来实现对Aliens公司ALL—9238 tag strap芯片阻抗值进行测量,这是一款可用于超高频的无源射频识别标签芯片。所使用的测量仪器为矢量网络分析仪Agilent 8753ET(300 k Hz~3 GHz),板材为FR4 PCB(εr=4.6,基材厚度=1.6 mm,覆铜厚度=0.03 mm,损耗角正切tanδ=0.003 4)。
在实际测量前,必须对矢量网络分析仪进行校准。由于网络分析仪自带的校准件只能将校准平面设定为网络分析仪与待测电路的接口平面,为了将校准平面平移到50欧姆微带线末端,本文采用“单端口反射校准”,校准面如图3所示,专门制作的校准工具如图4所示。其中,每个端口的短路(Short)、开路(Open)与匹配负载(Load)端微带线的长度均为15 mm,宽度为3 mm,这样微带线就为50Ω微带线。50Ω的匹配负载(Load)是由两个电阻值为100Ω0402尺寸的贴片电阻并联而成,用来降低电感效应。
待测标签芯片阻抗实际测量如图5所示,一端接于50Ω微带线末端,另一端接于穿孔接地点上。
由于测量电路板的终端为开路,会有电荷的积累,因而其末端效应等效为引入一并联电容,即在物理结构上出现电容效应[3],称开路效应(Open End Effect)。所以图2所测得的标签芯片的输入阻抗值Zm eas为标签芯片阻抗Ztag与开路效应ZO.C并联的结果,如图6所示。
假设SMA接头与微带线接点的反射损耗可忽略不计,那么测量不准度就仅剩来自微带线端点的开路效应。如果可以将开路效应先行测量出来,再将标签芯片连接在开路端和穿孔接地点间做测量,将测得的结果删除预先测得的开路效应,利用公式(1)~式(3)即可得到芯片的阻抗。
其中YO.C.为校准面终端为开路时所测量到的阻抗。
现用图4所示的校准具校准,用图5所示的电路板进行多次测量,得到该芯片的输入阻抗,最后计算得到考虑开路效应之后标签芯片在915 MHz处的阻抗修正值,如表1所示。
由于测量电路板精度不高,实验室测量环境不理想,导致测量结果易受外界干扰,不可避免存在误差。
3 标签天线阻抗测量
一般的天线阻抗特性测量是用电缆连接天线和网络分析仪,在网络分析仪上直接读取天线的阻抗和反射系数等特性参数。RFID标签天线由标签芯片直接馈电,是一种平衡式天线结构,同轴线为不平衡馈电结构,标签天线与同轴线直接相连会引起一系列后果,影响测量精度[4]。因此同轴线与标签天线相连时,必须接入一种维持系统平衡的器件,即平衡器。而本文介绍的测量标签天线的方法就是加反射板的方法,如图7所示。将半个天线结构放在一块很大的金属反射板上,金属反射板是由一块1 m×1 m大小的不锈钢板和一块16 cm×16cm大小的铜板组成的,这是为了方便标签天线在反射板上的安装和卸载。金属反射板背面有同轴线将天线和网络分析仪相连接[5]。
天线振子不管极化如何,在有反射板之后,由于它对天线是对称放置的,而且也能阻止馈线上的电流往下流,客观上也起了平衡器的作用,或者说降低了对平衡器的要求。也就是说,有反射板后,不用平衡器问题也不大。利用E面对称性测得的半天线结构的输入阻抗即为标签天线输入阻抗的一半。
偶极子标签天线由于具有结构简单、效率高的优点,被广泛应用于RFID标签天线的设计[6],本文设计一款弯折偶极子标签天线[7,8],该标签芯片阻抗为以上测得的阻抗值29.3-j72.2Ω,标签天线在915 MHz处的输入阻抗的仿真值为30.5+j70.1Ω。利用加反射板方法测天线阻抗,将天线与金属板连接,如图8所示。天线的馈电点通过金属板中间的小孔与SMA头的探针相连,SMA头的接地管脚与金属板相连。测量得半天线结构在915 MHz的输入阻抗为16.8+j39.1Ω,故标签天线的输入阻抗为33.6+j78.2Ω。将测量结果与仿真结果进行比较,误差约为10%,验证了这种测量方法的可行性。
4 实际制作与测试
有了前面的准备工作,最后我们在介电常数εr=4,厚度为0.24 mm的白卡纸基板上镀铜膜制作弯折偶极子RFID标签天线,实物图如图9所示。
使用AWID公司的MPR—3014读写器,在空旷环境中,辐射功率4 W的条件下在(860-960)MHz频谱范围内对RFID标签实物进行识别操作,结果如表2所示。
从表2中可以看出,该RFID标签天线实物在867 MHz和915 MHz频率上具有较远的读写距离,其性能基本达到欧洲和美国两地RFID系统的实际应用要求。
5 结论
本文介绍了RFID系统天线设计过程中涉及到的测量问题。通过自制校准件和测量板的方法测得了芯片阻抗,为标签天线的设计提供了目标阻抗。以最常见的弯折偶极子标签天线为例,介绍了一种加反射板测量标签天线阻抗的方法。尽管测量结果存在一定误差,此种方法还是可行的,部分解决了标签阻抗难以测量的问题,具有一定的实际应用价值。对于电场面不对称的标签天线,其阻抗测量方法有待进一步探究。
摘要：介绍了射频识别系统天线设计过程中涉及到的测量问题。通过自制校准件和测量板的方法测得了芯片阻抗,为标签天线的设计提供了目标阻抗。制作了一款弯折偶极子RFID标签天线,以此介绍了一种加反射板测量标签天线阻抗的方法。并将测量结果与仿真结果进行了比较,验证了这种测量方法的可行性。
关键词：RFID,阻抗,标签芯片,标签天线,测量
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RFID电子标签 篇10
无线射频识别技术 (Radio Frequency Identification, 简称RFID) 是一种非接触的自动识别技术, 其基本原理是利用射频信号或空间耦合 (电感或电磁耦合) 的传输特性, 实现对物体或商品的自动识别。RFID技术同其它的自动识别技术 (条形码技术、光学识别和生物识别技术, 包括虹膜、面部、声音和指纹) 相比, 具有抗干扰能力强、信息量大、非视觉范围读写和寿命长等特点, 被广泛应用于物流、供应链、动物和车辆识别、门禁系统、图书管理、自动收费和生产制造等领域[1]。RFID系统主要的难题在于多标签碰撞时较低的标签数据识读率, 多标签碰撞是指当多个标签同时存在于同一个射频信道内时, 阅读器无法读取标签数据的现象。目前, 解决RFID标签阅读冲突问题最广泛的是帧时隙ALOHA算法和二进制搜索算法。由于简单实用, 帧时隙ALOHA算法应用更为频繁[2], 例如ISO/IEC18000-6 Type A协议和EPC Class1协议都是使用帧时隙ALOHA算法。
2 基本算法研究
2.1 帧时隙ALOHA算法
帧时隙ALOHA (Framed Slotted ALOHA, FSA) 算法是一种随机时分多址方式的用户信息通信收发算法。该算法将信道用信息帧表示, 其中, 帧是指由阅读器要求的包含若干时隙的时间间隔。信息帧可以分成多个时隙, 其中, 时隙是指标签发送自身标识的时间长度。当一个时隙只被一个标签占有时, 阅读器才会正确识别该标签, 而当一个时隙内有2个或2个以上标签时, 会发生碰撞, 读写器无法正确识别, 若时隙为空则跳过[3]。
ALOHA算法吞吐率低, 仅为18.4%。帧时隙ALOHA算法FSA (Framed Slotted ALOHA) 是基于ALOHA算法的扩展, FSA算法在帧长约等于未识别的标签数目时吞吐率最大, 约为36.8%[4]。基于ALOHA算法的一些改进算法如动态帧时隙ALOHA算法ALOHA (Dynamic Slotted ALOHA) [5]是根据标签数量来动态调整帧长的方法以保证最大吞吐效率的。因此在标签数量少时这类概率性防碰撞算法的识别效率不高, 而且消耗时隙量大。
2.2 二进制搜索算法
二进制搜索算法又称为二叉树搜索算法, 它要求能够在阅读器中确定数据碰撞位的准确位置。因此, 必须要有合适的位编码法。曼彻斯特码用上升沿表示0, 用下降沿表示1, 在数据传输过程中不允许/没有变化0的状态。如果采用ASK调制方式, 当2个 (或多个) 应答器同时发送的数据位为不同的值, 则对应的曼彻斯特码的上升沿和下降沿互相抵消, 接收到的副载波就是不间断的, 造成一种错误的状态, 从而可以确定碰撞位置。
基于二进制的防碰撞算法, 国外的研究有很多, 比如BBT (bit-by-bit tree) [6]算法。BBT算法的基本思想是:阅读器发送请求命令, 请求标签回送序列号。响应的标签每次只发送1位序列号。如果阅读器端没有发生冲突, 则在内存中保存该接收位, 然后请求下一位;如果阅读器处发生冲突, 则将该冲突位分为2支, 即分支0和分支1, 从中选择一个分支, 然后请求下一位。阅读器重复上述过程直至序列号的每一位都被识别。国内主要研究的有:基于后退式的二进制搜索算法[7], 当识别出一个标签后, 算法根据上一次请求命令参数来获得下一个请求命令, 以此来极大地缩短识别过程;动态二进制搜索算法和多状态二进制搜索算法[8]等, 主要通过减少基本算法中阅读器命令和标签响应信息中存在的大量冗余数据来提高识别效率。虽然这类确定性防碰撞算法识别率高, 适应大规模标签数量的场合, 但是这类算法需要发送全部或部分标签EPC进行搜索, 对于标签代码位数较多的情况, 存在标签与阅读器之间的通信量过大的问题[9]。
3 基于模运算标签分类的RFID标签防碰撞识别方法
为了提高大量标签存在时的识别效率, 提出了一种基于模运算标签分类的RFID标签防碰撞识别方法, 采用逐级分组机制, 每一组只有少量标签, 一般可将每组标签数控制在少于4个。本方法构造出一种有利于标签识别的碰撞环境, 使得每组的标签具有大量相同位和少量碰撞位的特征, 结合曼彻斯特编码的特征和二进制搜索算法的特点可以高效的识别标签。阅读器识别标签的具体步骤如图1所示
3.1标签数量估计
阅读器初始化, 使所有标签进入激活状态。接着阅读器选择一个数估计帧长, 一般选择较大的数, 例如25 6。阅读器向可读取范围内的所有标签发送标签预估命令-Estimate命令, 标签根据最大帧长的ALOHA算法发送各自EPC编码, 阅读器统计碰撞时隙, 空闲时隙和成功识别时隙个数, 利用概率知识估算标签数量。
3.2标签分组
3.2.1阅读器发送分组次数
阅读器计算标签分组次数k, k的计算方法:
其中N为第一步估计出的标签数量。阅读器将k作为参数附加请求与命令Query一起发送给所有标签, 作为这一帧的开始。假设经过第一轮的标签估计, 标签数量为N=100, 计算标签分组次数k=6。阅读器设置这一帧的时隙个数为2k=64, 即帧长L为64。
3.2.2标签分组计算
根据上文计算出的分组次数k, 对标签的EPC编码进行k次摸2运算, 根据运算结果对标签进行分组。下面详细说明:标签收到RFID阅读器发送的k值后, 将计数器的值设为k。开始进行k次取模运算。由于标签ID模2运算相当于右移一位操作, 下文将以标签ID位数来更直观的说明, 如图2所示。第1次分组, 将余数为0的分为一组, 在前32个时隙发送, 余数为1的分为另一组, 在后32个时隙发送, 相当于将EPC编码最低位为0和最低位为1的标签分开。执行该次运算后, 标签将0或1存储在临时寄存器的最高位, 计数器值减一。第2次分组, 标签EPC编码模22运算, 将次低位分别为0和1的ID分开, 即分为“00”, “10”, “01”, “11”四组, 标签将0或1存储在临时寄存器的次高位, 依此类推, 通过6次分组后, 100个标签被分为64组, 分别在64个时隙里发送。通过比较标签ID和时隙的对应关系可以发现, EPC编码的后k位数和发送的时隙之间存在逆序关系, 例如ID后6位为101100的标签将在第001101 (即十进制数13) 个时隙发送。将经过逆序处理之后的标签分组序列存储在临时寄存器中, 以供标签匹配。
3.2.3标签按时隙发送
标签分组完成后, 检测当前时隙号和标签临时寄存器中存储的分组号是否匹配, 若匹配则标签发送信息, 若不匹配则标签设为silence状态。
4 仿真分析
在RFID系统中, 吞吐率和系统识别率是衡量RFID系统好坏的主要指标。而吞吐率和系统识别率这两个参数是紧密联系的, 故在此仅讨论系统识别率。系统识别率公式:
其中α为系统识别率, NT为标签数量, S为总时隙数。下面结合具体实例进行分析。假设第1到20时隙的分组结果为:
表中第一列为时隙号, 其余列的每行为在该时隙发送的标签的EPC编码。由于时隙号对应EPC编码, 因此标签只需发送部分EPC编码即可。例如第2个时隙中的标签, 其后6位的编码为100000 (逆序) , 所以EPC编码为928的标签只需发送前4位1110即可 (EPC编码10位情况下) 。
再根据曼切斯特编码的特性结合二进制搜索算法, 以第2个时隙为例, 阅读器收到标签信息后, 得到信号为X1XX, 阅读器再次发送Query Adjust命令附加参数0111, 当前时隙的三个标签收到该命令后, 检测发送编码是否小于0111, 小于则计数器置0并回复EPC编码, 大于则计数器置1并转为wait状态。阅读器成功识别编码为0110 (416) 的标签后, 再次发送Query Adjust命令附加参数1111, 剩余两个标签计数器置0并回复, 接下来的过程和二进制搜索算法相同。在第2个时隙中, 需要阅读器与标签5回合的交互来完成识别。当时隙中标签数量为2个时, 则只需要3回合的交互。
阅读器通过这一帧64个时隙后, 识别全部标签, 整个读取过程结束。
下面通过计算机对ALOHA算法、二叉树后退式索引算法和本文所提出的算法进行Matlab仿真实验, 实验条件相同, 标签为100-1000个。在仿真中, 横坐标为标签数目, 纵坐标为系统识别率, 可得仿真结果如图2所示。
如图2所示, 经过Matlab仿真计算, 在相同标签数目条件下, 本文提出的方案系统识别率较高。
5 结论
本方法可以对大量标签进行快速分组, 同时对标签进行排序, 不断减少同组标签的碰撞位, 以利用曼彻斯特编码的性质一次识别两个标签。通过标签分组序列号和时隙号的对应关系, 减少标签发送编码的长度。由于分组中的标签数量非常少, 而且标签具有大量相同的位, 因此本方法很好的发挥了曼彻斯特编码的特性和二进制后退式搜索算法的特点, 提高了多标签识别效率。
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