1引言
現(xiàn)代社會(huì)生活中，對(duì)于信息的需求日益增長(zhǎng)，例如在貨運(yùn)中對(duì)貨物相關(guān)信息的查詢、門(mén)禁系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)出人員的查詢、收費(fèi)路口對(duì)于車(chē)輛的查詢等。如果采用傳統(tǒng)的手工方式，即耗費(fèi)人力又耗費(fèi)時(shí)間，所以現(xiàn)在越來(lái)越多地借助電子技術(shù)來(lái)完成信息的查詢。常見(jiàn)的方法主要是條形碼和RFID,其中RFID是射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdenfication）的簡(jiǎn)稱，它是利用無(wú)線電技術(shù)在閱讀器和電子標(biāo)簽之間建立通信，達(dá)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(jiàn)。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(wú)磨損，且條碼與閱讀器之間必須保持適當(dāng)?shù)慕嵌龋辉僬�，條碼標(biāo)簽的內(nèi)容無(wú)法隨意修改。相比之下，RFID的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)，可同時(shí)處理多個(gè)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(shí)現(xiàn)的方式不同，RFID可分為兩類(lèi)———有源RFID和無(wú)源RFID。無(wú)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(diǎn)以及相關(guān)應(yīng)用作深入的分析和詳細(xì)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(gè)：最大通信距離和無(wú)線信號(hào)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(zhǎng)。電磁波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的衰減與其波長(zhǎng)有直接關(guān)系，波長(zhǎng)越短衰減越大。例如，信號(hào)A傳播10米后其功率衰減10%,那么信號(hào)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(shí)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(dá)到6米。當(dāng)然，可以考慮一些能夠支持遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾姼旭詈显O(shè)備，但它們?cè)诳乖敕矫娌粔蚶硐搿?br>
在復(fù)雜環(huán)境中，電磁波的傳播與它的波長(zhǎng)和頻率有關(guān)。在倉(cāng)庫(kù)、車(chē)站和碼頭等地方，RFID信號(hào)在有障礙物時(shí)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(chē)和金屬架等，電磁波通常無(wú)法穿透這些障礙物，只能依靠衍射來(lái)繞過(guò)它們。衍射的效果與電磁波的波長(zhǎng)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(zhǎng)大約為1米，能夠較容易地繞過(guò)汽車(chē)和集裝箱等大型的障礙物。如果選用2.4GHz的頻段，其波長(zhǎng)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(huì)多一些盲點(diǎn)，有效范圍也會(huì)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,但RFID頻段的選擇還受各國(guó)無(wú)線管理規(guī)定的約束。
●功率限制：雖然與無(wú)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(shí)其發(fā)射功率上仍然相差較大。例如，選用433MHz時(shí)，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(shí)間：無(wú)源RFID的標(biāo)簽沒(méi)有電源，依靠對(duì)閱讀器發(fā)射信號(hào)的反射來(lái)實(shí)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(yuǎn)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(shí)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(kuò)頻通信。這些都會(huì)在一定程度上增加標(biāo)簽和整個(gè)系統(tǒng)的成本。根據(jù)我國(guó)在無(wú)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(kuò)譜的調(diào)制方式，從而達(dá)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(gè)環(huán)節(jié)，幾乎左右了整個(gè)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(jī)制和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行討論。[4-7]
1.調(diào)制方式。
因?yàn)镽FID的數(shù)據(jù)量要求不高，一般而言，以每秒20個(gè)標(biāo)簽的閱讀能力為限，假定閱讀一次每個(gè)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(shí)不需要使用調(diào)制效率很高的方式（如16QAM等）。另外，鑒于我國(guó)在2.4GHz頻段（即ISM頻段）上對(duì)于發(fā)射功率的要求，所以選擇擴(kuò)頻的方式是最佳的。常見(jiàn)的擴(kuò)頻方式有直接擴(kuò)譜（DS）和跳頻（FH）兩種，由于同頻段中藍(lán)牙使用的是跳頻，所以應(yīng)該選擇直接擴(kuò)譜，在最大程度上保持與藍(lán)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(gè)信道，每個(gè)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(gè)信道的處理增益近似可達(dá)到125,能使信噪比得到很大的改善。為進(jìn)一步提高傳輸速率，為今后擴(kuò)展提供裕量，實(shí)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(shí)傳輸信息。擴(kuò)頻碼可以選用32chip的PN碼。完全采用上述設(shè)計(jì)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率可達(dá)到250kb/s。
2.通信機(jī)制。
在通信機(jī)制的設(shè)計(jì)中需要兼顧兩個(gè)問(wèn)題：可靠性高和通信時(shí)間短。前者是由其應(yīng)用的范圍所決定的，因?yàn)镽FID通常用于門(mén)禁、物流和交通收費(fèi)等應(yīng)用，其差錯(cuò)率要求在極小的范圍內(nèi)。后者主要是從功耗和檢測(cè)速度上考慮的，如果通信時(shí)間長(zhǎng)，勢(shì)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(shí)間短也能夠提高單位時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)標(biāo)簽的數(shù)量，增強(qiáng)其實(shí)用性。為此，設(shè)計(jì)如下標(biāo)簽的工作機(jī)制。
該工作機(jī)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(shí)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(hào)。
●半休眠態(tài)：如果與其他標(biāo)簽發(fā)生碰撞，暫時(shí)休眠一段時(shí)間。
●通信態(tài)：建立了與閱讀器有效的連接，實(shí)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(shí)，標(biāo)簽上幾乎所有的部件均停止工作，但定時(shí)器正常工作。當(dāng)其計(jì)數(shù)到休眠喚醒時(shí)間后，將標(biāo)簽喚醒，進(jìn)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(cè)是否存在閱讀器發(fā)出的有效信號(hào)。如果存在，且ID檢測(cè)標(biāo)志為0,則在相應(yīng)的信道上發(fā)送申請(qǐng)信號(hào)，申請(qǐng)與閱讀器通信。當(dāng)收到閱讀器返回的確認(rèn)信號(hào)后，即建立了有效的連接，進(jìn)入信道查詢態(tài)。如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到閱讀器的回應(yīng)，則認(rèn)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(shí)間，即進(jìn)入半休眠狀態(tài)，等待再次喚醒。由此可見(jiàn)，半休眠態(tài)與休眠態(tài)之間的差別是兩者的喚醒時(shí)間間隔不同，前者較短，而后者較長(zhǎng)。如果閱讀器信號(hào)存在，且ID檢測(cè)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(hào)不存在，則認(rèn)為在閱讀器有效范圍之外，立即進(jìn)入休眠態(tài)。當(dāng)半休眠態(tài)的標(biāo)簽被喚醒時(shí)，依然進(jìn)入信道查詢態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)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(wèn)。通信結(jié)束后，ID檢測(cè)標(biāo)志將被置起，然后標(biāo)簽進(jìn)入休眠態(tài)。標(biāo)簽按照上述機(jī)制，便能夠?qū)崿F(xiàn)一次完整的通信。
檢測(cè)后，再進(jìn)入休眠態(tài)的標(biāo)簽相應(yīng)的ID檢測(cè)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(gè)閱讀器對(duì)于同一個(gè)標(biāo)簽的多次訪問(wèn)，但如果該標(biāo)志一直不變，將影響其他閱讀器對(duì)該標(biāo)簽的訪問(wèn)。因此，在休眠一定時(shí)間后，必須強(qiáng)行地將ID檢測(cè)標(biāo)志清除。在通信態(tài)，如果在一定的時(shí)間中無(wú)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(dú)占，因此必須考慮與其他短距離無(wú)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(shí)間和重傳機(jī)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(huì)檢測(cè)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(duì)其他設(shè)備影響最小的信道�？s短通信時(shí)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(shí)間要盡可能地短，通信態(tài)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間要短。重傳機(jī)制是一種無(wú)奈之舉，可以改進(jìn)通信態(tài)對(duì)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(shí)，數(shù)據(jù)的幀格式如下：
前導(dǎo)碼是為了讓接收機(jī)作同步使用，接下來(lái)數(shù)據(jù)部分，包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)負(fù)荷和校驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)閱讀器而言，數(shù)據(jù)負(fù)荷是狀態(tài)、命令和相應(yīng)的參數(shù)；對(duì)標(biāo)簽而言，數(shù)據(jù)負(fù)荷是其存儲(chǔ)的信息。閱讀器的狀態(tài)主要表示是否在進(jìn)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(lèi)：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(jì)
在有源RFID系統(tǒng)中，如何降低標(biāo)簽的功耗是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。總結(jié)前面內(nèi)容中相關(guān)的部分，大致有以下幾點(diǎn)：一，信號(hào)的調(diào)制方式是O-QPSK且I、Q通道同時(shí)使用，在相同信息的條件下，較二進(jìn)制傳輸?shù)膫鬏敃r(shí)間縮短了，減小了功耗；二，采用擴(kuò)頻技術(shù)縮短了同步時(shí)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(duì)簡(jiǎn)單，所以相應(yīng)的電路功耗較小。
4應(yīng)用實(shí)例
最近在國(guó)內(nèi)，上海國(guó)際港務(wù)集團(tuán)有限公司在其數(shù)字化港口建設(shè)中，對(duì)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(dòng)了內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標(biāo)簽示范線建設(shè)。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(xiě)設(shè)備安裝在集裝箱運(yùn)行通道和集裝箱吊運(yùn)設(shè)備上，讀寫(xiě)器可以向電子標(biāo)簽讀寫(xiě)集裝箱運(yùn)輸中的信息，并通過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到集裝箱的自動(dòng)識(shí)別和實(shí)時(shí)管理。
內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標(biāo)簽示范線主要是在兩個(gè)港口和一條航線上，完成國(guó)內(nèi)首個(gè)基于集裝箱電子標(biāo)簽實(shí)時(shí)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(yàn)，包括進(jìn)口、進(jìn)場(chǎng)、查詢、出場(chǎng)、裝船、清點(diǎn)、航運(yùn)、卸船、進(jìn)場(chǎng)、查詢、出場(chǎng)、出口。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)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(yùn)輸?shù)恼鎸?shí)環(huán)境下的工作情況將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)輸線的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，這在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上尚屬首次。
整個(gè)示范線的建設(shè)將依靠自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)研制和開(kāi)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(xiě)設(shè)備、碼頭吊運(yùn)設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備、流動(dòng)吊運(yùn)設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備、手持電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備、吊運(yùn)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(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、基于集裝箱電子標(biāo)簽自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的集裝箱實(shí)時(shí)信息交換平臺(tái)、支持集裝箱電子標(biāo)簽系統(tǒng)的電子標(biāo)簽中間件平臺(tái)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(zhǎng)、傳輸數(shù)據(jù)量大，可靠性高和兼容性好等特點(diǎn)，與無(wú)源RFID相比，在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)非常明顯。正因?yàn)槿绱�，它被廣泛地應(yīng)用到公路收費(fèi)、港口貨運(yùn)管理等應(yīng)用中。希望RFID能夠成為一個(gè)契機(jī)，讓我國(guó)在現(xiàn)代物流等若干領(lǐng)域縮短與世界先進(jìn)國(guó)家的差距。
