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射频识别技术及其防冲突算法浅析

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        近年来,自动识别技术在许多服务领域,如,在货物销售与后勤分配方面、在商业部门与生产企业以及材料流通领域等都得到了快速的普及和推广。自动识别技术的任务和目的是提供关于识别目标,如个人、动物、货物和商等信息。
     由于条形码本身具有的一些缺陷,各国企业一直在探求一种更新更完善的信息解决方案,射频识别技术“电子标签”由此应运而生。射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是从90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境,而且RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。 短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,可在这样的环境中替代条形码,例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上,识别距离可达几十米,如自动收费或识别车辆身份等。作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点,避免了条码的局限性,是一种市场前景和应用规模巨大的高新技术,这种技术的应用将给商店的销售方式和消费者的采购方式带来革命性变化。
正是由于RFID技术相对于其他识别技术的优点,目前在各个领域内都成为了很热门的应用技术,对于这样一个新技术,我们应当加强学习力度,希望能够尽早普及它,利用它,提高我们的工作效率和经济效益。
在学习射频识别之前,我们首先要了解自动识别系统(AIDC),AIDC包括许多技术,可以提供处理不同的信息收集、传递问题的方法。这些技术包括条形码技术、光学符识别技术、生物计数测量法、磁卡技术、无线射频识别等等。通过对它们进行分析与比较,我们可以看出射频识别技术更先进,优越。
        在了解了基本的识别技术之后,接着分析RFID系统的组成、分类、特点及在各个领域内的应用。RFID系统根据不同的应用目的和应用环境,系统的组成会有所不同。但从RFID系统的工作原理来看,基本系统一般都由应答器和阅读器两部分组成。
        在RFID 系统中,应答器部分为了不同的应用目的,会以不同的形式存在,典型的形式是标签(TAG)。标签相当于条码技术中的条码,用来存储需要识别传输的信息,另外,与条码不同的是,标签必须能够自动或在外力的作用下,把存储的信息主动发射出去。应答器一般是带有天线、存储器与控制模块的集成电路,而且几个主要模块集成到一块芯片中,完成与阅读器的通信功能。其中存储器用来存储识别号码或其他的特征信息,容量从几个比特到几兆比特不等。
         阅读器是连接应答器和应用系统的桥梁,一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件(天线)。此外,许多阅读器还都有附加的接口(RS232,RS485等),以便将所获得数据进一步传输给另外的应用系统(个人计算机、机器人控制装置等)。
         在RFID系统中,根据支持的应答器类型不同与完成的功能不同,阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是对标签进行数据读取。另外,阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外,还必须含有一定的附加信息,如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起,并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和解调后,阅读器通过特定的算法决定是否需要标签对发送的信号重发一次,或者知道标签停止发信号,这就是“命令响应协议”。使用这种协议,即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签,也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。
正是由于射频系统的功能众多,使其具有广泛的应用。下面再论述射频识别技术的工作原理,来进一步了解射频系统的特点,工作的过程如下:
(1)阅读器在一个区域内发射能量形成电磁场,区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。
(2)应答器进入这个区域时,接收到阅读器的射频脉冲,经过桥式整流后给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。
(3)数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分。逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。
(4)如需要发送数据,则将数据调制然后从收发模块发送出去。
此外,RFID技术还基于很多的通信技术:RFID系统是一个数字通信系统,当然其数据传输就要遵循通信系统地要求。阅读器与应答器之间进行通信要解决三个主要问题:即发送端和接收端的信号编码与调制;传输数据的完整性;以及数据的安全性。
RFID系统根据不同标准可以分为好几类:
(1) 按应答器中有无电池可分为有源系统和无源系统。
(2) 按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统。
(3) 按读写方式将应答器分成三种:可读写(RW)、一次写入多次读出(WORM)和只读(RO)。
(4) 按工作距离分为远程、近程和超近程系统
(5) 根据RFID系统完成的功能不同,可以粗略地把RFID系统分成四种类型:EAS系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。
由于RFID的突出优点,目前射频识别系统的发展很快。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域(汽车、火车等交通监控);高速公路自动收费系统;停车场管理系统;物品管理;流水线生产自动化;安全出入检查;仓储管理;动物管理;车辆防盗等等。
实现RFID系统的实际应用,解决的重点问题是多目标的防碰撞机制及算法实现。本文论述了多路存取法、二进制搜索算法、时隙ALOHA算法。
在阅读器的作用范围内有多个应答器的数据同时传输给阅读器。这种通信形式称作多路存取。在无线电技术中,多路存取的问题是众所周知的。例如,对通信卫星或移动电话网来说,问题是许多用户试图访问同一个卫星或同一个基站。因此,为了把不同的用户信息相互分开,发展了许多方法。基本上有三种不同的方法:空分多路(SDMA)法、频分多路(FDMA)法以及时分多路(TDMA)法。使用这些典型的方法,将不间断的数据流传输给用户,一次分配的通路容量应保持足够长的时间,如同通信所需的那样(例如在一次通话的整个交谈过程中)。
二进制搜索算法,是以一个独特的序列号来识别应答器为基础。为了从一组应答器中选择其中之一,阅读器发出一个读卡命令有意识地将应答器序列号传输时的数据碰撞引导到阅读器上,即通过阅读器判断是否有碰撞发生。如果有碰撞,则进一步搜索。在二进制搜索算法的实现中起决定作用的是:阅读器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。Manchester 编码具有这种优点。所以被作为上行基带数据编码方式(应答器到读阅读器)。
二进制搜索算法是由一个阅读器和多个应答器之间规定的一组命令和应答规则构成。目的在于从多个应答器中选出任意一个实现数据通信。
该算法有三个关键要素:1)选用适当的基带编码(易于识别碰撞)。2)利用应答器序列号唯一的特性。3)设计一组有效的指令规则,高效、迅速实现选卡。
与二进制搜索算法有本质底不同,基于时隙的防碰撞算法通过一组指令序列将场中的应答器固定分配在一个与其它不同的时隙值,各个应答器分别在自己的时隙内完成与阅读器的数据交换(读卡号、读内容,写卡等),这里的关键在于:在一轮操作中,为某个应答器迅速、有效地分配一个固定的且与其它应答器相异的时隙。在时隙ALOHA系统中,信道时间分成许多时隙。数据包传送时间T精确的等于时隙宽度。也就是说,数据包必须时定长的,且不得大于时隙宽度。系统中的所有用户都必须在时隙的开始时刻,即时地发射其数据包。主时钟的同步信息要向所有用户广播,以使网内所有用户都与主时钟同步。只要在一个数据包长时间内,或一个时隙中,无两个或两个以上的数据到达信道,就可成功发射。这是一种降低碰撞的有效措施。
由于水平有限,本论文只能浅显地对射频识别技术作一个简单论述。旨在通过学习,能进一步了解RFID技术的特点及其实际应用,另外对一些实用的防碰撞算法加以探讨及学习。
 

Tags:RFID 射频

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