1 　引言 

現(xiàn)代社會生活中,對于信息的需求日益增長,例如在貨運中對貨物相關(guān)信息的查詢、門禁系統(tǒng)對于進出人員的查詢、收費路口對于車輛的查詢等。如果采用傳統(tǒng)的手工方式,即耗費人力又耗費時間,所以現(xiàn)在越來越多地借助電子技術(shù)來完成信息的查詢。常見的方法主要是條形碼和RFID ,其中RFID是射頻識別(Radio Frequency Idenfication) 的簡稱,它是利用無線電技術(shù)在閱讀器和電子標(biāo)簽之間建立通信,達到信息查詢的目的。盡管條形碼廣泛應(yīng)用,但其局限性也顯而易見。首先,在閱讀器和條形碼之間不能有障礙物;其次,條碼標(biāo)簽必須清潔無磨損,且條碼與閱讀器之間必須保持適當(dāng)?shù)慕嵌?再者,條碼標(biāo)簽的內(nèi)容無法隨意修改。相比之下,RFID 的技術(shù)優(yōu)勢就更明顯了。RFID 不需要光源,能在惡劣的環(huán)境下閱讀,讀取距離遠,可同時處理多個標(biāo)簽,而且其信息可以修改。因此,RFID 將比條形碼的發(fā)展空間更為廣闊。 

根據(jù)實現(xiàn)的方式不同,RFID 可分為兩類———有源RFID和無源RFID。無源RFID 的電子標(biāo)簽上不帶電池,其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的閱讀器發(fā)送的電磁波而獲得,所以其閱讀器的發(fā)射功率一般較大。與之相反,有源RFID的電子標(biāo)簽自身具備電池,可提供全部器件工作的電源,因而相應(yīng)閱讀器的發(fā)射功率要求不高,而且有效閱讀距離也較前者有所增加。本文著重介紹有源RFID ,就其技術(shù)特點以及相關(guān)應(yīng)用作深入的分析和詳細的介紹。 

2 　頻段的選擇 

有源RFID 系統(tǒng)的主要性能參數(shù)有兩個:最大通信距離和無線信號的傳播。 

眾所周知,相同發(fā)射功率下,低頻電磁波比高頻電磁波的傳播距離長。電磁波在媒質(zhì)中傳播時的衰減與其波長有直接關(guān)系,波長越短衰減越大。例如,信號A 傳播10 米后其功率衰減10 % ,那么信號B的頻率如果只有它的一半,則傳播20米后,功率才衰減10 %。因此,頻率在100MHz 以下的應(yīng)該作為首選。盡管這樣,100MHz 在使用上還存在許多實際因素的制約。使用低頻的系統(tǒng),如使用13. 56MHz ,其信息的交互主要依靠電感耦合,但電感耦合的距離非常有限,最多只能達到6 米。當(dāng)然,可以考慮一些能夠支持遠距離傳輸?shù)碾姼旭詈显O(shè)備,但它們在抗噪方面不夠理想。 

在復(fù)雜環(huán)境中,電磁波的傳播與它的波長和頻率有關(guān)。在倉庫、車站和碼頭等地方,RFID 信號在有障礙物時能否有效地傳播是非常重要的。更特別的是,這些障礙物大多都是金屬的,如汽車和金屬架等,電磁波通常無法穿透這些障礙物,只能依靠衍射來繞過它們。衍射的效果與電磁波的波長和障礙物的物理尺寸兩者的比例有關(guān)系。例如,選用433MHz的頻段,其波長大約為1 米,能夠較容易地繞過汽車和集裝箱等大型的障礙物。如果選用2. 4GHz 的頻段,其波長僅為0. 1米左右,相應(yīng)的衍射能力就有限多了,較使用前者的系統(tǒng)可能會多一些盲點,有效范圍也會略微小一些。 

盡管從純理論角度看,100MHz 至1GHz 頻段內(nèi)最適合用于RFID ,具體數(shù)據(jù)如圖1 所示。但RFID 頻段的選擇還受各國無線管理規(guī)定的約束。[1 - 3 ] 

●功率限制:雖然與無源標(biāo)簽相比,有源標(biāo)簽的發(fā)射功率小很多,但采用不同頻率時其發(fā)射功率上仍然相差較大。例如,選用433MHz 時,如果有效距離設(shè)定為100 米,那么發(fā)射功率要求1mW左右;若選用900MHz ,大致需要100mW。 
●工作時間:無源RFID 的標(biāo)簽沒有電源,依靠對閱讀器發(fā)射信號的反射來實現(xiàn)通信,所以必須連續(xù)工作。而有源RFID 是用自身的電池供電,可以支持遠距離通信,因而標(biāo)簽和閱讀器的通信方式能夠比較靈活。有源RFID 數(shù)據(jù)通信的時間可以控制在10 %左右,當(dāng)然也可以根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸速率和系統(tǒng)可靠性等指標(biāo)的需要靈活調(diào)整。 
●調(diào)制方式:調(diào)制方式在不同的頻段中具體的要求都不同。例如在2. 4GHz 的頻段,大多要求采用擴頻通信。這些都會在一定程度上增加標(biāo)簽和整個系統(tǒng)的成本。根據(jù)我國在無線頻段管理上的相關(guān)規(guī)定,能夠使用的頻段在2. 4GHz ,且應(yīng)該采用擴譜的調(diào)制方式,從而達到低功率的要求。 

3 　通信方式 

在有源RFID 系統(tǒng)中,通信方式是最重要的一個環(huán)節(jié),幾乎左右了整個系統(tǒng)的性能,下面以2. 4GHz 頻段為例,分別從調(diào)制方式、通信機制和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)等三個方面對其進行討論。[4 - 7 ] 
1. 調(diào)制方式。 
因為RFID 的數(shù)據(jù)量要求不高,一般而言,以每秒20 個標(biāo)簽的閱讀能力為限,假定閱讀一次每個標(biāo)簽大約需要1000 比特的數(shù)據(jù)量,那么總共的數(shù)據(jù)速率為20kb/ s ,屬于低數(shù)率通信的范疇。因此,傳輸時不需要使用調(diào)制效率很高的方式(如16QAM等) 。另外,鑒于我國在2. 4GHz 頻段(即ISM頻段) 上對于發(fā)射功率的要求,所以選擇擴頻的方式是最佳的。常見的擴頻方式有直接擴譜(DS) 和跳頻(FH) 兩種,由于同頻段中藍牙使用的是跳頻,所以應(yīng)該選擇直接擴譜,在最大程度上保持與藍牙設(shè)備的兼容性。2. 4GHz 頻段的帶寬為83. 5MHz ,可將其分割成16 個信道,每個信道約占5MHz。那么,假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸信道編碼的效率是1/ 2 ,每個信道的處理增益近似可達到125 ,能使信噪比得到很大的改善。為進一步提高傳輸速率,為今后擴展提供裕量,實際采用的調(diào)制方式可以選擇O - QP2SK,并且在I 通道和Q 通道上同時傳輸信息。擴頻碼可以選用32chip 的PN 碼。完全采用上述設(shè)計,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率可達到250kb/ s。 
2. 通信機制。 
在通信機制的設(shè)計中需要兼顧兩個問題:可靠性高和通信時間短。前者是由其應(yīng)用的范圍所決定的,因為RFID 通常用于門禁、物流和交通收費等應(yīng)用,其差錯率要求在極小的范圍內(nèi)。后者主要是從功耗和檢測速度上考慮的,如果通信時間長,勢必標(biāo)簽的電池消耗大,將縮短標(biāo)簽的使用壽命;再者,通信時間短也能夠提高單位時間內(nèi)訪問標(biāo)簽的數(shù)量,增強其實用性。為此,設(shè)計如下標(biāo)簽的工作機制,如圖2 所示。 

該工作機制中定義了標(biāo)簽的四種工作狀態(tài):休眠態(tài),信道查詢態(tài),半休眠態(tài)和通信態(tài)。 

●休眠態(tài):是指除定時器外,標(biāo)簽的所有部件均停止工作。 
●信道查詢態(tài):是指標(biāo)簽被某事件喚醒后,查詢信道上的有效閱讀器信號。 
●半休眠態(tài):如果與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞,暫時休眠一段時間。 
●通信態(tài):建立了與閱讀器有效的連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 

大多數(shù)情況下,標(biāo)簽處在休眠狀態(tài)。此時,標(biāo)簽上幾乎所有的部件均停止工作,但定時器正常工作。當(dāng)其計數(shù)到休眠喚醒時間后,將標(biāo)簽喚醒,進入信道查詢態(tài)。處在信道查詢態(tài)的標(biāo)簽,查詢可能的信道,檢測是否存在閱讀器發(fā)出的有效信號。如果存在,且ID 檢測標(biāo)志為0 ,則在相應(yīng)的信道上發(fā)送申請信號,申請與閱讀器通信。當(dāng)收到閱讀器返回的確認信號后,即建立了有效的連接,進入信道查詢態(tài)。如果在一定的時間內(nèi)沒有收到閱讀器的回應(yīng),則認為與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞,根據(jù)一定的算法,休眠一段時間,即進入半休眠狀態(tài),等待再次喚醒。由此可見,半休眠態(tài)與休眠態(tài)之間的差別是兩者的喚醒時間間隔不同,前者較短,而后者較長。如果閱讀器信號存在,且ID 檢測標(biāo)志為1 ,表示它已經(jīng)被閱讀,立即返回休眠態(tài)。如果閱讀器信號不存在,則認為在閱讀器有效范圍之外,立即進入休眠態(tài)。當(dāng)半休眠態(tài)的標(biāo)簽被喚醒時,依然進入信道查詢態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽進入通信態(tài)后,按照閱讀器所發(fā)送的命令,傳送所攜帶的信息供閱讀器訪問。通信結(jié)束后, ID 檢測標(biāo)志將被置起,然后標(biāo)簽進入休眠態(tài)。標(biāo)簽按照上述機制,便能夠?qū)崿F(xiàn)一次完整的通信。 

檢測后,再進入休眠態(tài)的標(biāo)簽相應(yīng)的ID 檢測標(biāo)志是為1的,這將阻止它與閱讀器之間通信。這種措施,主要是為了減少一個閱讀器對于同一個標(biāo)簽的多次訪問,但如果該標(biāo)志一直不變,將影響其他閱讀器對該標(biāo)簽的訪問。因此,在休眠一定時間后,必須強行地將ID 檢測標(biāo)志清除。在通信態(tài),如果在一定的時間中無法收到閱讀器的合法命令,通信失敗,立即返回休眠態(tài)。 

由于2. 4GHz 頻段并非RFID 獨占,因此必須考慮與其他短距離無線設(shè)備兼容,相應(yīng)地解決方法有三種:信道的自適應(yīng)選擇、縮短通信時間和重傳機制。信道的自適應(yīng)選擇是在信道查詢態(tài)完成的,閱讀器會檢測所有的信道,選擇噪聲最小的信道作為通信信道,也既是選擇了對其他設(shè)備影響最小的信道?？s短通信時間是在信道查詢態(tài)和通信態(tài)中需要注意的,查詢態(tài)中主要是指鏈路建立的時間要盡可能地短,通信態(tài)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間要短。重傳機制是一種無奈之舉,可以改進通信態(tài)對于通信失敗的處理,返回信道查詢態(tài),再次試圖建立通信。 

3. 數(shù)據(jù)幀格式 
在通信時,數(shù)據(jù)的幀格式如下: 

前導(dǎo)碼是為了讓接收機作同步使用,接下來數(shù)據(jù)部分,包括數(shù)據(jù)長度,數(shù)據(jù)負荷和校驗數(shù)據(jù)。對閱讀器而言,數(shù)據(jù)負荷是狀態(tài)、命令和相應(yīng)的參數(shù);對標(biāo)簽而言,數(shù)據(jù)負荷是其存儲的信息。閱讀器的狀態(tài)主要表示是否在進行標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)閱讀器和標(biāo)簽建立起通信,該狀態(tài)為1 ,反之則為0 ,這樣可以在一定程度上減少碰撞。命令包含兩大類:讀數(shù)據(jù)命令和編輯數(shù)據(jù)命令,讀數(shù)據(jù)命令在大多數(shù)情況下發(fā)送,完成數(shù)據(jù)查詢功能;編輯數(shù)據(jù)命令僅在一些特定情況下使用,完成標(biāo)簽信息的生成。 

4. 低功耗的設(shè)計 
在有源RFID 系統(tǒng)中,如何降低標(biāo)簽的功耗是一個關(guān)鍵技術(shù)?？偨Y(jié)前面內(nèi)容中相關(guān)的部分,大致有以下幾點:一,信號的調(diào)制方式是O - QPSK且I、Q 通道同時使用,在相同信息的條件下,較二進制傳輸?shù)膫鬏敃r間縮短了,減小了功耗;二,采用擴頻技術(shù)縮短了同步時間;三,半雙工的工作方式,減少了功耗;四,由于調(diào)制方式相對簡單,所以相應(yīng)的電路功耗較小。 

4 　應(yīng)用實例 

最近在國內(nèi),上海國際港務(wù)集團有限公司在其數(shù)字化港口建設(shè)中,對集裝箱電子標(biāo)簽技術(shù)尤為重視。在上海市的大力支持下啟動了內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標(biāo)簽示范線建設(shè),其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。在示范線上,智能標(biāo)簽安裝在集裝箱的箱體表面,天線和讀寫設(shè)備安裝在集裝箱運行通道和集裝箱吊運設(shè)備上,讀寫器可以向電子標(biāo)簽讀寫集裝箱運輸中的信息,并通過數(shù)據(jù)接口用有線傳輸和天線傳輸方式與集裝箱管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換,達到集裝箱的自動識別和實時管理。 

內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標(biāo)簽示范線主要是在兩個港口和一條航線上,完成國內(nèi)首個基于集裝箱電子標(biāo)簽實時信息交換功能的集裝箱電子標(biāo)簽全業(yè)務(wù)示范線工業(yè)性試驗,包括進口、進場、查詢、出場、裝船、清點、航運、卸船、進場、查詢、出場、出口。在實驗過程中,對集裝箱電子標(biāo)簽示范線所有相關(guān)系統(tǒng)一和產(chǎn)品在航線上運輸?shù)恼鎸嵀h(huán)境下的工作情況將進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的記錄和錄像,以獲得基于電子標(biāo)簽系統(tǒng)的內(nèi)貿(mào)港口集裝箱運輸線的系統(tǒng)運營經(jīng)驗,這在國內(nèi)乃至國際上尚屬首次。 

整個示范線的建設(shè)將依靠自主的知識產(chǎn)權(quán)研制和開發(fā)大量的設(shè)備和軟件,其中包括:集裝箱電子標(biāo)簽、道口電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、碼頭吊運設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、流動吊運設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、手持電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、吊運設(shè)備操作室的顯示控制終端以及支持集裝箱電子標(biāo)簽系統(tǒng)的港區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)、基于集裝箱電子標(biāo)簽自動識別系統(tǒng)的集裝箱實時信息交換平臺、支持集裝箱電子標(biāo)簽系統(tǒng)的電子標(biāo)簽中間件平臺等大型系統(tǒng)軟件。 

5 　結(jié)論 

有源RFID 具備低發(fā)射功率、通信距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大,可靠性高和兼容性好等特點,與無源RFID 相比,在技術(shù)上的優(yōu)勢非常明顯。正因為如此,它被廣泛地應(yīng)用到公路收費、港口貨運管理等應(yīng)用中。希望RFID 能夠成為一個契機,讓我國在現(xiàn)代物流等若干領(lǐng)域縮短與世界先進國家的差距。 

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