遠程RFID技術(shù)探討

摘要：RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是利用射頻通信實(shí)現的一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)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(shí)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(dòng)識別系統中的讀寫(xiě)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(wèn)題。
關(guān)鍵詞：RFID；遠程；Binary；Aloha

RFID是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，使得RFID技術(shù)在國內外得到了廣泛的應用?，F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。RFID雖然得到了巨大的發(fā)展，但對于遠程的RFID還是存在著(zhù)傳輸距離、防碰撞算法等一些問(wèn)題。本文通過(guò)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(gè)部分：電子標簽(TAG)、讀寫(xiě)器(Reader)和計算機及其應用軟件。電子標簽主要由內置天線(xiàn)和電路芯片組成的，功能是與射頻天線(xiàn)之間完成通信；讀寫(xiě)器主要由天線(xiàn)、控制單元、射頻收發(fā)前段和通信接口這四個(gè)部分組成的，主要功能是讀取或寫(xiě)入電子標簽的信息；計算機和應用軟件的功能則是通過(guò)讀寫(xiě)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(shí)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(xiě)器(Reader)與電子標簽(TAG)組成了應答器(Transponder)，其工作原理是。Reader發(fā)射一特定頻率的無(wú)線(xiàn)電波能量給Transponder用以驅動(dòng)Transponder電路將內部的數據送出，此時(shí)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(diǎn)
目前無(wú)源遠距離遠程RFID系統有兩種工作頻段UHF和2．45 GHz。無(wú)源超高頻系統的讀寫(xiě)距離可以長(cháng)達十米以上，比2．45 GHz系統要遠很多，因此已經(jīng)成為了遠程識別系統的主流部分。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：
1)實(shí)時(shí)性：可以實(shí)時(shí)響應，自動(dòng)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(lián)網(wǎng)性：通過(guò)計算機的網(wǎng)絡(luò )對物流進(jìn)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(shí)，只需要數元；
6)可靠性：適應惡劣環(huán)境條件，如：多塵、潮濕等；
7)壽命長(cháng)：使用時(shí)不需要電池，只需無(wú)源卡，并且終身免維修；
由于遠程RFID系統采用的是無(wú)線(xiàn)傳輸模式，無(wú)線(xiàn)環(huán)境又極其復雜，因此有很多因素都會(huì )影響遠程RFID系統讀寫(xiě)距離，主要有如下幾方面：
1)影響射頻卡讀寫(xiě)距離的因素是讀寫(xiě)器的RF輸出功率、反射的能量和射頻卡的功耗、讀寫(xiě)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(xiàn)的有效接收和反射截面積，讀寫(xiě)器的接收天線(xiàn)有效面積；
3)在視場(chǎng)范圍同樣的條件下，當頻率升高時(shí)，無(wú)源RFID系統的作用距離就會(huì )減小。

3 遠程RFID關(guān)鍵性技術(shù)
遠程RFID系統采用的一種無(wú)線(xiàn)傳輸方式，在傳遞信息時(shí)是通過(guò)電磁波來(lái)發(fā)送和接收的。電磁波以天線(xiàn)為圓心，向周?chē)臻g發(fā)射。發(fā)射過(guò)程中當電磁波遇到不同目標時(shí)，電磁波能量的一部分被目標吸收，而另一部分會(huì )向各個(gè)方向，以不同的強度散射開(kāi)。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線(xiàn)。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(gè)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(xiě)器的發(fā)射功率，GTX為發(fā)射天線(xiàn)的增益，R是標簽到讀寫(xiě)器天線(xiàn)之間的距離，EIRP為天線(xiàn)的有效輻射功率，是指讀寫(xiě)器發(fā)射功率和天線(xiàn)增益的乘積。
當電子標簽與發(fā)射天線(xiàn)兩部分的狀態(tài)最佳，同時(shí)極化方向匹配時(shí)，電子標簽吸收的最大功率就會(huì )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為電子標簽的有效面積如公式(3)：

無(wú)源RFID系統的電子標簽是通過(guò)電磁場(chǎng)供電，因此標簽有很大的功耗，當讀寫(xiě)的距離越短時(shí)，其性能就會(huì )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(shí)也決定了無(wú)源RFID系統的識別距離。但隨著(zhù)集成電路工藝的不斷發(fā)展，射頻電子標簽芯片的功耗也在來(lái)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(wú)線(xiàn)電發(fā)射功率受到限制，但無(wú)源電子標簽的識別距離可以過(guò)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(gè)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(cháng)等。電子標簽在空間的某個(gè)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，電子標簽反射電磁波的能量如公式(5)：

根據以上計算可知，天線(xiàn)方向圖和增益G的要求與系統的頻率選擇無(wú)關(guān)，而讀寫(xiě)器天線(xiàn)的“視場(chǎng)”大小的要求，取決于目標的速度和運動(dòng)范圍，與系統的頻率選擇無(wú)關(guān)。對接收機和標簽的靈敏度的要求和頻率也是無(wú)關(guān)，所以當頻率增高，作用距離就會(huì )變小。如果保持同樣的作用距離，那么UHF系統的基站發(fā)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(wèn)題
遠距離無(wú)源RFID系統具有作用距離遠且視場(chǎng)范圍大的特點(diǎn)，但同時(shí)也容易出現一個(gè)多機或多卡的現象，從而導致系統讀寫(xiě)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(shù)。多卡沖突仲裁就是在同一時(shí)間只能有一個(gè)卡響應，這就需要用讀寫(xiě)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(guò)采用狀態(tài)機的方式來(lái)實(shí)現多卡讀寫(xiě)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(xiě)器此時(shí)不能被激活識別卡；
Ready狀態(tài)：當識別卡第一次被讀寫(xiě)器激活時(shí)，識別卡就會(huì )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(xiě)器時(shí)，識別卡就會(huì )處于ID狀態(tài)；
Data_Exchange狀態(tài)：如果讀寫(xiě)器識別并被選中識別卡時(shí)，識別卡就會(huì )處于Data_Exchange狀態(tài)。
為了支持仲裁沖突，識別卡上有兩個(gè)硬件電路：8bit計數器Counter和1bit隨即數發(fā)生器(只有兩個(gè)可能的值：0和1)。當所有的或一部分讀寫(xiě)器射頻電磁場(chǎng)上的識別卡參與沖突仲裁時(shí)，讀寫(xiě)器上的Group_Unselect和Group_Select命令就會(huì )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(shí)間間隔中有多個(gè)標簽發(fā)送數據包，并且這個(gè)數據包發(fā)生了碰撞，那么標簽就會(huì )等待一個(gè)隨機的時(shí)間，然后再次發(fā)送數據。這種算法吞吐率低，適用于只讀標簽的應用場(chǎng)景。于是就出現了時(shí)隙Aloha算法。
時(shí)隙Aloha算法改善了Aloha算法的吞吐率。它采用讀寫(xiě)器控制的隨機TDMA方法。這種方法是將信道分為很多個(gè)時(shí)隙，并且讓每一個(gè)時(shí)隙就剛好能傳送一個(gè)分組。而時(shí)隙的長(cháng)度能過(guò)系統的時(shí)鐘進(jìn)行控制，每個(gè)控制單元要與此時(shí)鐘同步。在RFID系統中，標簽只能在其規定的同步時(shí)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(huán)境下的性能，隨后又提出了動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法。
動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法，是一種可以動(dòng)態(tài)調整時(shí)隙數量的算法。如果讀寫(xiě)器在等待的狀態(tài)中的循環(huán)時(shí)隙段中發(fā)送了請求命令，就會(huì )有1～2個(gè)時(shí)隙給可能存在的標簽使用。當但多個(gè)標簽在兩個(gè)時(shí)隙內發(fā)生了碰撞，那么就要通過(guò)請求命令增加時(shí)隙數量，以供標簽使用，直到發(fā)現一個(gè)唯一的標簽為止。對于A(yíng)loha算法、時(shí)隙Aloha算法還是動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法，其標簽發(fā)送數據都是隨機的，因此不能保證整個(gè)系統的可靠性，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B(niǎo)inary信道利用率可高達43％，識別率較高，也不存在錯誤判決問(wèn)題，但其因時(shí)延長(cháng)，而安全性較差。Aloha算法實(shí)現簡(jiǎn)單，但其信道利用率最大為36％，出存在一些錯誤判斷問(wèn)題，所以不適合應用于大量標簽的場(chǎng)合。在設計系統時(shí)要根據系統的應用場(chǎng)合選擇合適的防碰撞算法。