劉猛,徐展

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,成都610054)

劉猛(碩士研究生),主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、射頻識別、射頻定位等。

引 言

RFID技術(shù)的應(yīng)用在生活中已經(jīng)隨處可見,比如公交卡、第二代居民身份證等,內(nèi)部都嵌入了RFID芯片。然而隨著RFID技術(shù)的越來越廣泛的應(yīng)用,對其功能也提出了更高的要求。拿工作頻率在13.5 MHz左右的公交卡來說,只有將卡放到離閱讀器很近的位置才能識別,而且不能兩個卡同時識別,這將限制其應(yīng)用的領(lǐng)域。為此,人們對RFID研究得更加深入?？傮w來說,RFID應(yīng)用最重要的兩個方面是射頻識別和射頻定位。隨著工作頻率的提高,電磁場攜帶能量的能力和電波傳輸數(shù)據(jù)的速度也隨之提高,其閱讀的有效距離也隨著增加。比如達到860～960 MHz的時候,其有效距離最遠可達10 m左右,這樣在有效距離內(nèi)就有可能出現(xiàn)多個標簽,就要求閱讀器有識別多標簽的能力。如果能夠?qū)崿F(xiàn)多標簽識別,將在很多領(lǐng)域改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。

1 多標簽識別中的缺陷

在多標簽識別的過程中,一般會有碰撞發(fā)生,為此人們提出了多種算法。其主要思路是,讓標簽之間嚴格同步并且使用曼徹斯特編碼的通信方式讓讀卡器能夠檢測到碰撞并確定碰撞的位數(shù),根據(jù)位數(shù)設(shè)置相應(yīng)的命令,讓一部分標簽停止響應(yīng),接著再繼續(xù)檢測,發(fā)現(xiàn)碰撞則再讓一部分標簽停止響應(yīng),如此反復(fù)直到辨別出唯一的標簽,然后再逐次返回直到所有的標簽被確認。這樣雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多標簽識別,但是在遇到數(shù)量比較多的標簽或者標簽的序列號比較長時,其效率是比較低的。比如某產(chǎn)品有100萬件,則由220=1 048 576得到,需要的最短的序列號長度是20位。在碰撞檢測的過程中由于要按位進行讀取、檢測,發(fā)生碰撞時再一位一位地進行比對,每次比對都需要閱讀器與標簽進行一次對話,這樣就花費了大量的時間,而且隨著標簽數(shù)目的增加,解決碰撞所需要的時間更是成倍增加。為了解決這個問題,提出了分組方法,將大量的標簽分成不同的小組,然后再在小組內(nèi)用比較成熟的防碰撞算法,則可以大大提高識別的速度。

2 標簽改進以及算法實現(xiàn)

2.1 無源芯片的工作過程

對于無源的標簽,閱讀器首先發(fā)出電磁波信號,其周圍也因此形成電磁場。當無源標簽進入閱讀器的磁場范圍后,由于電磁感應(yīng),標簽內(nèi)部的線圈將電磁場的能量轉(zhuǎn)換為電能,當電磁場變強時其感應(yīng)電壓也隨之增加,當達到需要的電壓值時,芯片內(nèi)部的電路就會被激活。由此可以得出,標簽內(nèi)的感應(yīng)電壓會隨著與閱讀器距離的變化而變化,距離閱讀器越遠感應(yīng)電壓越低,直到低于電路工作電壓,則認為其離開閱讀器閱讀范圍;而離閱讀器越近,感應(yīng)電場越強,得到的能量則越多,感應(yīng)電壓也越高。這一原理也是實現(xiàn)射頻定位的重要依據(jù)。在標簽內(nèi)部,其發(fā)射的信號強度隨著感應(yīng)電壓的強弱而改變,通過閱讀器得到標簽發(fā)射回來的信號強度,然后根據(jù)距離與信號強度的關(guān)系來判斷標簽的坐標。

2.2 物理硬件實現(xiàn)

根據(jù)上述關(guān)系,在一個標簽內(nèi)部印制一排晶體管放大器,其物理實現(xiàn)如圖1所示。為了簡化分析和討論,這里假設(shè)有5個放大器(現(xiàn)在工藝已可以比較容易集成成百上千個)。其中,每個與晶體管連接的匹配電阻阻值是不相同的,目的是讓它們之間的導(dǎo)通電壓互不相同。其導(dǎo)通電壓根據(jù)感應(yīng)電壓進行設(shè)置,具體方法如下:

由于閱讀器的識別范圍一般在10 m以下,因此假設(shè)其范圍是10 m,則可以進行實際工程測量,在0～1 m處其感應(yīng)電壓大約是多少,1～2 m處其感應(yīng)電壓是多少,以此類推,然后得到標簽感應(yīng)電壓與閱讀距離的大致關(guān)系,根據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)置圖1中的晶體管以及與其連接的電阻,使其導(dǎo)通電壓分布在感應(yīng)電壓的范圍之內(nèi)。這樣,當標簽進入閱讀器范圍產(chǎn)生感應(yīng)電壓以后,由于感應(yīng)電壓在一部分晶體管的導(dǎo)通電壓之內(nèi),這些晶體管就會導(dǎo)通,在晶體管的輸出端就會得到根據(jù)距離閱讀器遠近不同而不同的高低電平(高電平為1,低電平為0)。由此就可以得到一串數(shù)字信號,不妨稱其為感應(yīng)電壓指示串。對于產(chǎn)生的不同的高低電平,將產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓指示串。比如,如果晶體管3以下的晶體管導(dǎo)通,以上的是截止狀態(tài),則將輸出11000。根據(jù)得到的指示串可以知道其距離閱讀器的粗略的空間半徑。

圖1 RFID標簽中的晶體管陣列

2.3 時序管理

在ALOHA防碰撞算法中,標簽是根據(jù)接收到的閱讀器信號的Q值,設(shè)置隨機延遲時間發(fā)送信號的。在此根據(jù)不同的感應(yīng)電壓指示串值,控制標簽天線延遲不同的時間進行數(shù)據(jù)傳送。由于標簽發(fā)送1個ID所需要的時間極短,因此延遲時間之間的間隔可以非常短并且保證不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。具體實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 分組標簽一幀時序構(gòu)成

A組內(nèi)的標簽在ta內(nèi)傳輸數(shù)據(jù),B組內(nèi)的標簽從b點開始發(fā)送數(shù)據(jù),在tb時間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,然后C組標簽再開始傳輸,以此類推。這樣,閱讀器在一幀內(nèi)根據(jù)不同的時間確定分組輪片閱讀不同的標簽。

2.4 可行性分析

上述方案是否可行主要是考慮成本、技術(shù)和功率消耗問題。上述方案只是印制了數(shù)量不多的晶體管和電阻,與內(nèi)部需要復(fù)雜的存儲器、寄存器和能夠執(zhí)行一系列指令系統(tǒng)(中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2004年發(fā)表了中國EPC標準草案,其中的指令系統(tǒng)需要比較復(fù)雜的器件才能夠?qū)崿F(xiàn))的硬件實現(xiàn)相比,其成本微乎其微,大批量生產(chǎn)中甚至可以忽略。技術(shù)方面只需要最基本的晶體管和電阻印刷,這類基本阻抗元件的能量消耗也不是問題。因此,該方案是可行的。

3 與其他算法的對比

3.1 具體實現(xiàn)

如圖 3所示,假設(shè)閱讀器的有效閱讀半徑是10 m,以閱讀器為半徑將其劃為A 、B、C、D、E 五個區(qū)域,即每 2 m為一個分割單位。假設(shè)其感應(yīng)電壓如表1所列。

圖3 閱讀器感應(yīng)范圍內(nèi)區(qū)域劃分

表1 感應(yīng)電壓與所在區(qū)域的關(guān)系 mV

設(shè)置1、2、3、4、5晶體管的導(dǎo)通電壓分別為30 mV 、20 mV、15 mV、10 mV 、5 mV 。當標簽進入不同的區(qū)域后,其感應(yīng)電壓不同,則晶體管組產(chǎn)生的串組是不同的。如進入C區(qū)的標簽,其產(chǎn)生的串組是11000,則天線根據(jù)這個序號進行適當?shù)臅r間延遲。當然,延遲時間應(yīng)該大于閱讀器辨別1個標簽所需要的時間。這樣,位于不同區(qū)域的標簽就可以認為分成了不同的組,它們在不同的時間段傳輸數(shù)據(jù),相互之間互不影響(類似TDMA)。如果有200個標簽,則被分成 5組,隨機組個數(shù)設(shè)為 40、60、80、20。

3.2 效率對比

二進制搜索算法和動態(tài)搜索算法識別1個標簽需要的平均查詢次數(shù)為(log2n+1)次,則識別200個標簽需要200×(log2200+1)=1 740次。如果用分組的方法,則所需次數(shù)為 40×(log240+1)+60×(log260+1)+80×(log280+1)+20×(log220+1)=252+414+584+106=1 356次。顯然,在同樣的算法下分組識別要優(yōu)于不分組的識別。為了更形象地說明,在Matlab下仿真,分組比例和算法都保持不變,標簽100～5 000個,如圖4所示。

圖4 分組與不分組的標簽在同樣算法下查詢次數(shù)對比

可見,用分組的方法,無論標簽多少,其效率都優(yōu)于未分組的方法。當然,在實際中由于可以集成晶體管的數(shù)量眾多,因此可以很容易分幾十組至幾百組,甚至更多,其查詢次數(shù)會大大減少;在一般實際應(yīng)用過程中,如果分組靈敏度足夠高,甚至可以避免碰撞的發(fā)生,多標簽的識別瞬間就可完成,閱讀器和標簽中也可以取消相關(guān)的防碰撞寄存器等復(fù)雜硬件。

結(jié) 語

人們對于防碰撞問題提出了多種算法,但很少將標簽識別與標簽的空間位置聯(lián)系起來分析,并且相關(guān)的算法也需要增加標簽的功能和指令,這需要更高的成本。本文的方法對于標簽制作來說其成本增加極為微小,批量生產(chǎn)中甚至可以忽略,但是對于實際應(yīng)用的意義卻是相當巨大的。將位置關(guān)系與標簽識別一起考慮,不但對于防碰撞識別有重要的意義,對于射頻定位這一難題也有很大的幫助(如閱讀器只根據(jù)標簽的延遲發(fā)送時間就可知道其大致范圍),而且又有利于解決多標簽定位中的沖突。這相對于只是單一從防碰撞角度考慮而增加標簽復(fù)雜度的方法來講,應(yīng)該更有優(yōu)勢。

[1]康東,石喜勤,李永鵬.射頻識別核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例 [M].北京:人民郵電出版社,2008:55-59,170-185.

[2]廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994,1-3.

[3]周曉光,王曉華,王偉.RFID系統(tǒng)實際、仿真與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2008:9-13,80-83

[4]Law C,Lee K,Siu K.Efficient memoryless protocol for tag identification[OL].[2009-08].http://web.mit.edu/kylee/www/papers/dialm00.pdf.

[5]芬肯澤.射頻識別(RFID)技術(shù)——無線電感應(yīng)的應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[M].陳大才,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2001:140-143.

[6]劉佳,張有光.基于時隙的RFID防碰撞算法分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007(5):93-102.