提高RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率的設(shè)計 - 全文

　　1 引言

　　射頻(Radio Frequency) 專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。射頻識別技術(shù) (Radio Frequency Identification)是20 世紀90 年代開始興起的一種非接觸的自動識別技術(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，實現(xiàn)對被識別物 體的自動識別。 但是，就目前來看， RFID 的發(fā)展仍然存在較多瓶頸，數(shù)據(jù)讀取率不高就是其中主要瓶 頸之一。

　　本文將通過對RFID 系統(tǒng)基本組成和工作原理的介紹，對RFID 系統(tǒng)進行分析。結(jié)合RFID 系統(tǒng) 在實際應(yīng)用中遇到的問題以及針對閱讀器識讀范圍存有盲區(qū)、不同閱讀點存有多余數(shù)據(jù)、閱讀器相互干擾 等因素而導致系統(tǒng)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(shè)計、發(fā)揮中間件作用和融合 其它技術(shù)四個方面來提高RFID 系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率。

　　2 RFID 系統(tǒng)基本組成

　　RFID 系統(tǒng)至少由電子標簽（E-Tag/Transponder，也稱智能標簽）和閱讀器（Reader /Interrogator，也稱讀寫器）兩部分組成。

　　電子標簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子標簽由標簽天線和標簽專用芯片組成。 電子標簽依據(jù)供電方式的不同分為有源電子標簽(Active tag)、無源電子標簽(Passive tag) 和半無源電子標簽(Semi—passive tag)；依據(jù)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(jù)封裝形式的不同分為*標簽、線形標簽、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(jù)其工作模式不同分為主動標簽和 被動標簽。

　　閱讀器是用于讀取或?qū)懭腚娮訕撕?a target="_blank">信息的設(shè)備，根據(jù)具體使用環(huán)境和需求可設(shè)計成多類 產(chǎn)品。 閱讀器通過天線與電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對電子標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀 出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

　　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。 當然，RFID 系統(tǒng)在實際應(yīng)用時，還需要計算機等其他硬件設(shè)備以及軟件的支持。圖1 為典型的RFID 系統(tǒng)組成圖。

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圖1 RFID系統(tǒng)組成

　　3 RFID 系統(tǒng)基本模型

　　RFID 系統(tǒng)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耦合元 件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù) 據(jù)的交換。

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圖2 RFID系統(tǒng)基本模型

　　4 RFID系統(tǒng)讀取率問題探討

　　通過對 RFID 系統(tǒng)的介紹，我們認為導致RFID 系統(tǒng)讀取率不高的原因主要在于：閱讀 器的識讀范圍存有盲區(qū)，不同閱讀點存有多余數(shù)據(jù)，閱讀器相互干擾等。針對上述問題，我 們從以下四種方面展開探討。

　　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問題。那就是你真正的“需求是什么”。不要盲目認為 “價格貴、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(chǔ)之上，可以選擇與實際需求相符的硬件設(shè)備。

　　同時考慮將所有的RFID 標簽和 閱讀器看作一個完整的“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)”，做到合理優(yōu)化硬件配置，從而使整個系統(tǒng)發(fā)揮最大的功 效。 以門禁系統(tǒng)為例，為了防止閱讀器的識讀范圍存有盲區(qū)，導致出現(xiàn)漏讀的情況，可采取 通過增加閱讀器或天線的個數(shù)來補償閱讀器識讀范圍存在盲區(qū)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的辦法來避免相互干擾。此外，根據(jù)實際需求， 通過適當調(diào)整天線布局和天線發(fā)射功率等方法，也可以提高RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取率。

　　4.2 完善軟件設(shè)計

　　目前，通過優(yōu)化配置的RFID 系統(tǒng)的硬件設(shè)施基本都可以滿足數(shù)據(jù)讀取率的需要，而且 隨著閱讀器價格下降，最終用戶已經(jīng)可以在他們的應(yīng)用場所輕松部署大量閱讀器，這不僅解 決了漏讀問題，同時還可以從這些系統(tǒng)中獲取更多有用信息。 但是隨之而來的新問題是：多余的數(shù)據(jù)讀入或者交叉數(shù)據(jù)讀入。簡單描述這個問題，就 是“一個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(shù)據(jù)同時過濾掉不需要的讀出數(shù)據(jù)”。結(jié)果是 正確和精確的標簽位置從全部RFID 閱讀器所獲取的結(jié)果中析取出來。簡而言之，LV 定位 邏輯就是根據(jù)整個閱讀器系統(tǒng)駐留的數(shù)據(jù)集合而形成的一個基于消除“多余”讀出數(shù)據(jù)的軟 件算法。 對于多個閱讀器之間由于工作范圍重疊造成沖突的問題，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，通過選擇經(jīng)過一個隨機時間向閱讀器傳送信息的方法，來避免沖突； 在超高頻頻段，主要采用樹分叉算法來避免沖突。 此外，可以對軟件進行其他優(yōu)化設(shè)置。譬如，在電子門票系統(tǒng)中，閱讀器的掃描時間間 隔可以通過軟件設(shè)計成自適應(yīng)調(diào)節(jié)掃描時間的方式工作。對于人流量較大的情況下，通過軟 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(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

　　4.3 發(fā)揮中間件作用

　　RFID 中間件在各項RFID 產(chǎn)業(yè)應(yīng)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，從一個程序傳送到另 一個或多個程序。RFID 中間件扮演RFID 標簽和應(yīng)用程序之間的中介角色，從應(yīng)用程序端 使用中間件所提供的一組通用應(yīng)用程序接口(API)，即能連到閱讀器，讀取標簽數(shù)據(jù)。

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

　　4.4 融合其它技術(shù)

　　與傳感器技術(shù)融合

　　在未來幾年，RFID 的一個重要應(yīng)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(yīng)用的設(shè)備，目前國外已經(jīng)開始實施。由于RFID 抗干擾性較差，而且有 效距離一般小于數(shù)10m，這對它的應(yīng)用是個限制。將WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）同RFID 結(jié) 合起來，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(tǒng)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）簡單定義就是無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。WiMAX 的無線 服務(wù)范圍在城市地區(qū)保持高數(shù)據(jù)流量的情況下可以遠至幾公里，它的性能遠遠超過現(xiàn)有的無 線網(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(shù)據(jù)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。RFID 標簽 具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識 別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。成本的節(jié)約和效率的提升，促使RFID 技術(shù)成為各 個行業(yè)實現(xiàn)信息化的重要切入點。它們將構(gòu)建一個能夠滿足多種應(yīng)用環(huán)境需求、生成豐富應(yīng) 用的無線寬帶網(wǎng)，擴大了RFID 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　與生物特征識別融合

　　生物特征識別技術(shù)是為了進行身份驗證而采用自動技術(shù)測量其身體特征或個人行為特 點，并將這些特征或特點與數(shù)據(jù)庫的模板數(shù)據(jù)進行比較，完成認證的一種解決方案。生物特 征識別系統(tǒng)捕捉到生物特征的樣品，惟一的特征將會被提取并且被轉(zhuǎn)化成數(shù)字的符號，這些 符號被存成個人的特征模板。人們同識別系統(tǒng)進行交互，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、語音、視網(wǎng)膜、簽名識別等等。

　　總之，RFID 系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率不高的問題，必定會使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 進全球經(jīng)濟的全新飛躍，對人類社會產(chǎn)生深遠影響。

　　5 結(jié)語

　　整體看來，RFID系統(tǒng)在未來的發(fā)展會越來越好，雖然目前仍然存在諸如讀取率不高等 一些技術(shù)和應(yīng)用上的問題，但我們相信，通過硬件優(yōu)化配置、完善軟件設(shè)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目前存在的問題并不難。在強大的市場導向下， RFID技術(shù)在世界范圍內(nèi)必將引起一場重大變革，它將成為未來新的經(jīng)濟增長點，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(yù)見，在不久的將來，作為全球的制造業(yè) 基地，中國將是未來全球最大的RFID 應(yīng)用市場。這對于國內(nèi)的科研機構(gòu)和企業(yè)將是一次難 得的機遇。

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