淺析RFID系統數據讀取率提高方案

1 引言

射頻(Radio Frequency) 專(zhuān)指具有一定波長(cháng)可用于無(wú)線(xiàn)電通信的電磁波。射頻識別技術(shù) (Radio Frequency Identification)是20 世紀90 年代開(kāi)始興起的一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)， 它是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實(shí)現對被識別物 體的自動(dòng)識別。 但是，就目前來(lái)看， RFID 的發(fā)展仍然存在較多瓶頸，數據讀取率不高就是其中主要瓶頸之一。

本文將通過(guò)對 RFID 系統基本組成和工作原理的介紹，對 RFID 系統進(jìn)行分析。結合 RFID 系統在實(shí)際應用中遇到的問(wèn)題以及針對閱讀器識讀范圍存有盲區、不同閱讀點(diǎn)存有多余數據、閱讀器相互干擾等因素而導致系統讀取率不高的原因，提出從合理優(yōu)化硬件配置、完善軟件設計、發(fā)揮中間件作用和融合 其它技術(shù)四個(gè)方面來(lái)提高 RFID 系統數據讀取率。

2 RFID 系統基本組成

RFID 系統至少由電子標簽（E-Tag/Transponder，也稱(chēng)智能標簽）和閱讀器（Reader /Interrogator，也稱(chēng)讀寫(xiě)器）兩部分組成。

電子標簽是射頻識別系統的數據載體，電子標簽由標簽天線(xiàn)和標簽專(zhuān)用芯片組成。 電子標簽依據供電方式的不同分為有源電子標簽(Active tag)、無(wú)源電子標簽(Passive tag) 和半無(wú)源電子標簽(Semi―passive tag)；依據頻率的不同分為低頻電子標簽、高頻電子標簽、 超高頻電子標簽和微波電子標簽；依據封裝形式的不同分為*標簽、線(xiàn)形標簽、紙狀標簽、玻璃管標簽、圓形標簽及特殊用途的異形標簽等；根據其工作模式不同分為主動(dòng)標簽和被動(dòng)標簽。

閱讀器是用于讀取或寫(xiě)入電子標簽信息的設備，根據具體使用環(huán)境和需求可設計成多類(lèi)產(chǎn)品。 閱讀器通過(guò)天線(xiàn)與電子標簽進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，可以實(shí)現對電子標簽識別碼和內存數據的讀 出或寫(xiě)入操作。

典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線(xiàn)。 當然，RFID 系統在實(shí)際應用時(shí)，還需要計算機等其他硬件設備以及軟件的支持。圖1 為典型的 RFID 系統組成圖。

3 RFID 系統基本模型

RFID 系統的基本模型如圖2 所示。作為射頻載體的電子標簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元 件實(shí)現射頻信號的空間(無(wú)接觸)耦合，在耦合通道內，根據時(shí)序關(guān)系，實(shí)現能量的傳遞、數據的交換。

4 RFID 系統讀取率問(wèn)題探討

通過(guò)對 RFID 系統的介紹，我們認為導致 RFID 系統讀取率不高的原因主要在于：閱讀器的識讀范圍存有盲區，不同閱讀點(diǎn)存有多余數據，閱讀器相互干擾等。針對上述問(wèn)題，我 們從以下四種方面展開(kāi)探討。
4.1 合理優(yōu)化硬件配置

在硬件方面，首先必須要弄清一個(gè)問(wèn)題。那就是你真正的“需求是什么”。不要盲目認為 “價(jià)格貴、讀取范圍越大、頻率越高就越好”。正所謂“量體裁衣”，“適合”自己的才是最好的。 在此認知基礎之上，可以選擇與實(shí)際需求相符的硬件設備。

同時(shí)考慮將所有的 RFID 標簽和閱讀器看作一個(gè)完整的“數據網(wǎng)絡(luò )”，做到合理優(yōu)化硬件配置，從而使整個(gè)系統發(fā)揮最大的功效。 以門(mén)禁系統為例，為了防止閱讀器的識讀范圍存有盲區，導致出現漏讀的情況，可采取 通過(guò)增加閱讀器或天線(xiàn)的個(gè)數來(lái)補償閱讀器識讀范圍存在盲區的缺陷；為了防止閱讀器相互 干擾，可采取在空間上相對隔離閱讀器或天線(xiàn)的辦法來(lái)避免相互干擾。此外，根據實(shí)際需求， 通過(guò)適當調整天線(xiàn)布局和天線(xiàn)發(fā)射功率等方法，也可以提高RFID 系統的數據讀取率。

4.2 完善軟件設計

目前，通過(guò)優(yōu)化配置的 RFID 系統的硬件設施基本都可以滿(mǎn)足數據讀取率的需要，而且 隨著(zhù)閱讀器價(jià)格下降，最終用戶(hù)已經(jīng)可以在他們的應用場(chǎng)所輕松部署大量閱讀器，這不僅解 決了漏讀問(wèn)題，同時(shí)還可以從這些系統中獲取更多有用信息。 但是隨之而來(lái)的新問(wèn)題是：多余的數據讀入或者交叉數據讀入。簡(jiǎn)單描述這個(gè)問(wèn)題，就是“一個(gè)不該在某位置被讀取的標簽被一臺不該識讀這枚標簽的閱讀器讀到了”。

LV 定位邏 輯的核心是基于“從空間位置上挑出需要的讀出數據同時(shí)過(guò)濾掉不需要的讀出數據”。結果是正確和精確的標簽位置從全部RFID 閱讀器所獲取的結果中析取出來(lái)。簡(jiǎn)而言之，LV 定位 邏輯就是根據整個(gè)閱讀器系統駐留的數據集合而形成的一個(gè)基于消除“多余”讀出數據的軟件算法。 對于多個(gè)閱讀器之間由于工作范圍重疊造成沖突的問(wèn)題，Colorwave 算法給出了很好的解決。

對于電子標簽沖突，在高頻頻段，標簽的防沖突算法一般采用經(jīng)典ALOHA 協(xié)議。使 用ALOHA 協(xié)議的標簽，通過(guò)選擇經(jīng)過(guò)一個(gè)隨機時(shí)間向閱讀器傳送信息的方法，來(lái)避免沖突； 在超高頻頻段，主要采用樹(shù)分叉算法來(lái)避免沖突。 此外，可以對軟件進(jìn)行其他優(yōu)化設置。譬如，在電子門(mén)票系統中，閱讀器的掃描時(shí)間間 隔可以通過(guò)軟件設計成自適應調節掃描時(shí)間的方式工作。對于人流量較大的情況下，通過(guò)軟件控制讓閱讀器的掃描頻率加快工作，防止漏讀；而在人流量較少的情況下，可以將其掃描 頻率相對降低，從而避免冗余數據的出現。

4.3 發(fā)揮中間件作用

RFID 中間件在各項 RFID 產(chǎn)業(yè)應用中居于神經(jīng)中樞。RFID 中間件是一種面向消息的中 間件（Message-Oriented Middleware，MOM），信息是以消息的形式，從一個(gè)程序傳送到另 一個(gè)或多個(gè)程序。RFID 中間件扮演RFID 標簽和應用程序之間的中介角色，從應用程序端 使用中間件所提供的一組通用應用程序接口(API)，即能連到閱讀器，讀取標簽數據。

因此，即使存儲RFID 標簽信息的數據庫軟件或后端應用程序增加或改由其他軟件取代， 甚至 RFID 閱讀器種類(lèi)增加等情況發(fā)生時(shí)，應用端也不需修改。這不僅有效解決了數據讀取率的問(wèn)題，而且也省去多對多連接的維護復雜性等其他問(wèn)題。RFID 中間件未來(lái)在面向服務(wù) 的架構（SOA：Service Oriented Architecture Based RFID）和商業(yè)信息安全問(wèn)題應用方面都 會(huì )有非常好的發(fā)展前景。

4.4 融合其它技術(shù)

與傳感器技術(shù)融合

在未來(lái)幾年，RFID 的一個(gè)重要應用趨勢是將RFID 與傳感器（如測量溫度和壓力的傳 感器）組合在一起應用的設備，目前國外已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。由于RFID 抗干擾性較差，而且有 效距離一般小于數10m，這對它的應用是個(gè)限制。將WSN（無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )）同 RFID 結合起來(lái)，利用前者高達100m 的有效半徑，形成WSID 網(wǎng)絡(luò )，這將大大彌補RFID 系統自身 的不足。

與 WIMAX、3G、GPS 等通信技術(shù)的融合

WiMAX（微波接入全球互通）簡(jiǎn)單定義就是無(wú)線(xiàn)寬帶數據傳輸系統。WiMAX 的無(wú)線(xiàn) 服務(wù)范圍在城市地區保持高數據流量的情況下可以遠至幾公里，它的性能遠遠超過(guò)現有的無(wú) 線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，在定向通信連接中服務(wù)范圍在保持一定數據流量的情況下可以達到50 km，由 于其極高的性能，WiMAX 技術(shù)被認為是DSL UMTS 連接的最佳的備用方案。

WiMAX、3G、GPS 與 RFID 的融合，正在各方的積極參與中而不斷前進(jìn)。RFID 標簽 具有體積小、容量大、壽命長(cháng)、可重復使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫(xiě)、非可視識別、移動(dòng)識 別、多目標識別、定位及長(cháng)期跟蹤管理。成本的節約和效率的提升，促使RFID 技術(shù)成為各 個(gè)行業(yè)實(shí)現信息化的重要切入點(diǎn)。它們將構建一個(gè)能夠滿(mǎn)足多種應用環(huán)境需求、生成豐富應 用的無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)，擴大了RFID 技術(shù)的應用領(lǐng)域。

與生物特征識別融合

生物特征識別技術(shù)是為了進(jìn)行身份驗證而采用自動(dòng)技術(shù)測量其身體特征或個(gè)人行為特點(diǎn)，并將這些特征或特點(diǎn)與數據庫的模板數據進(jìn)行比較，完成認證的一種解決方案。生物特 征識別系統捕捉到生物特征的樣品，惟一的特征將會(huì )被提取并且被轉化成數字的符號，這些 符號被存成個(gè)人的特征模板。人們同識別系統進(jìn)行交互，認證其身份，以確定匹配或不匹配。 目前常用的生物特征識別技術(shù)有指紋、掌紋、人臉、語(yǔ)音、視網(wǎng)膜、簽名識別等等。

總之，RFID 系統與其他技術(shù)融合勢在必行，目前已取得了巨大的成果。解決了 RFID 系統數據讀取率不高的問(wèn)題，必定會(huì )使RFID 技術(shù)被廣泛采用，最終將同條碼技術(shù)一樣深入 并慢慢延伸到各行業(yè)的方方面面，對行業(yè)提高作業(yè)效率和經(jīng)濟效益起到關(guān)鍵性作用，從而促 進(jìn)全球經(jīng)濟的全新飛躍，對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生深遠影響。

5 結語(yǔ)

整體看來(lái)，RFID 系統在未來(lái)的發(fā)展會(huì )越來(lái)越好，雖然目前仍然存在諸如讀取率不高等 一些技術(shù)和應用上的問(wèn)題，但我們相信，通過(guò)硬件優(yōu)化配置、完善軟件設計、發(fā)揮中間件作 用和融合其他技術(shù)等一系列措施克服 RFID 目前存在的問(wèn)題并不難。在強大的市場(chǎng)導向下， RFID 技術(shù)在世界范圍內必將引起一場(chǎng)重大變革，它將成為未來(lái)新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，也將最終 成為中國企業(yè)發(fā)展方向的最大信息技術(shù)支持?？梢灶A見(jiàn)，在不久的將來(lái)，作為全球的制造業(yè)基地，中國將是未來(lái)全球最大的 RFID 應用市場(chǎng)。這對于國內的科研機構和企業(yè)將是一次難得的機遇。