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（RadioFrequencyIdenfication）的簡稱，它是利用無線電技術(shù)在閱讀器和電子標簽之間建立通信，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，條碼標簽必須清潔無磨損，且條碼與閱讀器之間必須保持適當?shù)慕嵌�；再者，條碼標簽的內(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,但RFID頻段的選擇還受各國無線管理規(guī)定的約束。
●功率限制：雖然與無源標簽相比，有源標簽的發(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個標簽的閱讀能力為限，假定閱讀一次每個標簽大約需要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，勢必標簽的電池消耗大，將縮短標簽的使用壽命；再者，通信時間短也能夠提高單位時間內(nèi)訪問標簽的數(shù)量，增強其實用性。為此，設(shè)計如下標簽的工作機制。
該工作機制中定義了標簽的四種工作狀態(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，標簽的所有部件均停止工作。
●信道查詢態(tài)：是指標簽被某事件喚醒后，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，標簽處在休眠狀態(tài)。此時，標簽上幾乎所有的部件均停止工作，但定時器正常工作。當其計數(shù)到休眠喚醒時間后，將標簽喚醒，進入信道查詢態(tài)。處在信道查詢態(tài)的標簽，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)。當半休眠態(tài)的標簽被喚醒時，依然進入信道查詢態(tài)。當標簽進入通信態(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檢測標志將被置起，然后標簽進入休眠態(tài)。標簽按照上述機制，便能夠?qū)崿F(xiàn)一次完整的通信。
檢測后，再進入休眠態(tài)的標簽相應(yīng)的ID檢測標志是為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簽的多次訪問，但如果該標志一直不變，將影響其他閱讀器對該標簽的訪問。因此，在休眠一定時間后，必須強行地將ID檢測標志清除。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簽數(shù)據(jù)傳輸，當閱讀器和標簽建立起通信，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，如何降低標簽的功耗是一個關(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：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)集裝箱電子標簽示范線建設(shè)。在示范線上，智能標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簽實時信息交換功能的集裝箱電子標簽全業(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：集裝箱電子標簽、道口電子標簽讀寫設(shè)備、碼頭吊運設(shè)備上的電子標簽讀寫設(shè)備、流動吊運設(shè)備上的電子標簽讀寫設(shè)備、手持電子標簽讀寫設(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簽系統(tǒng)的港區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)、基于集裝箱電子標簽自動識別系統(tǒng)的集裝箱實時信息交換平臺、支持集裝箱電子標簽系統(tǒng)的電子標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。
