張秋艷，黃海松，陳偉興，徐叢國

（1.貴州大學 現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

射頻識別技術（RFID）是利用射頻通訊實現(xiàn)的非接觸識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象[1]，可快速地進行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換，具有閱讀速度快、存儲空間大、抗污能力強等優(yōu)點。然而RFID無線通信信道十分復雜，既有路徑傳輸損耗，又有多徑引起的傳輸衰落，且極易受到干擾，最終導致不可靠地識別標簽或物體，造成巨大的經(jīng)濟損失，直接影響大規(guī)模部署RFID系統(tǒng)[2]。

射頻識別技術在白酒上應用日益的廣泛，因此可靠性問題也成為關注的焦點。通過采集系統(tǒng)的運行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)標簽在酒瓶的位置嚴重影響了標簽的識別率；同時閱讀器在讀取多個標簽時，識別時間增加。因此文章從標簽的閱讀距離及標簽的碰撞二者出發(fā)，運用MATLAB實驗仿真，得出距離和碰撞對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性的影響。從而，為進一步的理論研究奠定基礎。

1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成及工作原理

RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由閱讀器、電子標簽、天線、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。標簽一般是由線圈、天線、存儲器、控制器組成的低壓電路，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲及處理，如圖1所示。

RFID系統(tǒng)的工作原理是基于電磁反向散射類似于雷達的工作原理，即電磁波通過天線向周圍空間發(fā)射時，會遇到不同的目標，到達目標的電磁波能量的一部分會被目標吸收，另一部分則以不同的強度散射到各個方向上去，反射能量的一部分最終會返回到發(fā)射天線[3]。

圖1 RFID系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)可靠性

1.2.1 可靠性定義

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性是指在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，物理閱讀器成功識別到電子標簽的能力，系統(tǒng)的識別率是系統(tǒng)可靠性的一個測度[4]。

一個完整的RFID系統(tǒng)是通過耦合器件將閱讀器發(fā)射的電磁信號轉(zhuǎn)換成電能，部分被電子標簽吸收供自身電路工作，電子標簽被激活攜帶自身的信息給閱讀器，因此電子標簽吸收的電能大小影響著系統(tǒng)的可靠性。假設電子標簽吸收的電能為P1，標簽的最小功率門限為P2，當P1>P2時標簽被成功識別的概率高，當P1

1.2.2 可靠性測度

射頻識別系統(tǒng)的可靠性對企業(yè)有至關重要的作用，識別率作為系統(tǒng)可靠性的信度被廣泛的應用，識別率根據(jù)實際情況可以分為以下三種。

基本識別率Pbt：單個閱讀器成功讀取和識別一個標簽的概率，基本識別率反應了系統(tǒng)的可靠性。

標簽識別率Pt：是指現(xiàn)場布置多個互不影響的閱讀器，其中至少有一個能成功讀取標簽的概率。如果現(xiàn)場部署n個相同的閱讀器，每個閱讀器的基本識別概率Pbt都一樣，那么標簽識別率Pt與基本識別率Pbt之間存在如下的關系：

其中n表示閱讀器的個數(shù)。

圖2 標簽識別率與基本識別率關系

由式(1)可知，當n=1時，Pt1時，Pt>Pbt。從圖2也可以明顯看出隨著基本識別率的提高，標簽識別率也隨之升高；對于不同數(shù)量閱讀器情況下，閱讀器越多基本識別率在很小的情況下標簽識別率迅速達到100%，并趨于穩(wěn)定。

物品識別率Pb：指一個物體上黏貼有多個標簽時，此物品被一個閱讀器成功識別的概率。如果一個物體黏貼多個標簽對Pbt影響不大，則物品識別率Pb與標簽識別率Pt存在如下關系：

其中m為物體上標簽的個數(shù)。Pb是Pt的增函數(shù)隨Pt的增加而增加。

2 閱讀距離對RFID采集系統(tǒng)識別率影響

2.1 標簽閱讀距離與誤碼率

基于Frris自由傳播方程，可以得出距離和誤碼率之間的關系，如圖3所示。

圖3 距離和信噪比關系

由圖3可知，閱讀距離與信噪比呈減函數(shù)關系。隨著閱讀距離的增大，信噪比逐漸的降低；直到閱讀距離在0.9附近時，信噪比為1，此時傳輸?shù)挠行盘枖?shù)據(jù)為0。

在加性高斯白噪聲信道中，RFID采集系統(tǒng)采用OOK調(diào)制，其誤碼率和歸一化信噪比之間存在如下的關系：

Pe：為誤碼率，Q( )：為Q函數(shù)，為信噪比。其關系如圖4所示。

圖4 信噪比與誤碼率關系

由4圖可以看出信噪比和誤碼率成減函數(shù)關系，隨信噪比的增大誤碼率在逐漸的降低。

由信噪比和誤碼率、距離和信噪比的關系，可以得出距離與誤碼率之間的關系曲線如圖5所示。

圖5 距離和誤碼率之間關系

由圖5可以得出，隨著標簽閱讀距離的增大，誤碼率也隨之升高，其范圍時在0～1之間變動。當距離增大到一定數(shù)值時，誤碼率接近100%，并趨于穩(wěn)定。

2.2 誤碼率和識別率轉(zhuǎn)換

由于誤碼率在一定程度上反應了RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，但不能直接反應系統(tǒng)的可靠性。因此我們需要在誤碼率和識別率之間進行轉(zhuǎn)換，清晰表達系統(tǒng)可靠性能。

一般的，不同場合對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求不同，從側(cè)面反映了對誤碼率的要求級別不相同，如話音業(yè)務要求誤碼率在10-4量級，數(shù)據(jù)業(yè)務則要求10-5的量級[5]。為此，參照A律對數(shù)壓縮，針對裝備制造業(yè)RFID技術應用對通信鏈路誤碼率的要求，構(gòu)造出通信鏈路誤碼率和系統(tǒng)識別率之間的一個關系：圖6可知直觀的看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，并在誤碼率

圖6 誤碼率和識別率關系

Pe<1×10-6系統(tǒng)的識別率為100%，誤碼率Pe>1×10-4系統(tǒng)的識別率為0，在中間范圍時，隨著誤碼率的增加逐漸減小。

2.3 識別率與距離的關系

圖7 閱讀距離與識別率關系

由圖7得出，隨閱讀距離的增加，系統(tǒng)識別率在逐漸的降低。因此可根據(jù)此仿真實驗圖來安排標簽在酒瓶上的位置。

3 標簽的碰撞對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)識別率影響

除了標簽的閱讀距離以外，文章還考慮標簽的碰撞對數(shù)據(jù)采集的影響。標簽的碰撞就是在同一時間兩個及兩個以上的標簽以相同的頻率發(fā)送給閱讀器，出現(xiàn)閱讀器無法識別，認為標簽不在閱讀范圍之內(nèi)，而出現(xiàn)的誤碼率，即為標簽碰撞對系統(tǒng)可靠性的影響。

1）標簽的碰撞的概率

假設所有的標簽與閱讀器的距離都是相同的，標簽的數(shù)據(jù)幀比特長為L，數(shù)據(jù)的傳輸速率為C，則數(shù)據(jù)的幀時長為。因此數(shù)據(jù)在時域范圍內(nèi)，標簽碰撞的窗口寬度為2T0。當在閱讀器范圍內(nèi)有N個標簽，標簽身份數(shù)據(jù)發(fā)送的時間是相互獨立并成指數(shù)分布：

ti：為第i個標簽發(fā)送的時間，λ：為隨機變量ti均值的倒數(shù)，：為的概率。因此可以得出碰撞的概率為：

圖8 標簽碰撞窗口

2）標簽的誤拒絕率、識別率

由于標簽的碰撞引起標簽的誤拒絕率：

tx：為閱讀器兩次接收到標簽數(shù)據(jù)時的時間間隔，ta：為閱讀器讀取標簽的時間。

當RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)查詢區(qū)域內(nèi)有N個標簽時，可能出現(xiàn)碰撞且碰撞次數(shù)未知。因此標簽的誤拒絕率可用下式來計算：

圖9 碰撞情形

則上式可變?yōu)椋?/p>

如果標簽身份數(shù)據(jù)流是一個泊松過程，那么讀卡器在大于的時間接收到第i個數(shù)據(jù)幀的概率，等于讀卡器在時間間隔內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)小于或等于i-1的概率，則式(9)變?yōu)椋?/p>

由式(4)和式(10)可知，系統(tǒng)的識別率為：

圖10 識別時間與識別率關系

由于標簽的碰撞，引起閱讀器對標簽識別時間增加。從圖10可以得出，隨著識別時間的增加，系統(tǒng)識別率也提高，然而會降低系統(tǒng)的識別效率。因此，要平衡數(shù)據(jù)的碰撞和識別效率間的關系。

4 結(jié)論

1）通過仿真實驗，得出閱讀距離與系統(tǒng)識別率的關系，驗證了標簽閱讀距離的增大時，系統(tǒng)識別率降低，誤碼率提高。因此，要合理安排標簽位置。

2）由于標簽的碰撞，使得標簽識別時間增加。當識別時間達到一定值時，識別率趨于穩(wěn)定。因此要合理的控制閱讀器識別范圍內(nèi)標簽的個數(shù)，為采集系統(tǒng)中白酒輸送速度研究打下基礎。

[1] 郎為民.射頻識別（RFID）技術原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] Floerkemeier C. Issues with RFID usage in ubiquitous computing applications[C].Pervasive Computing:Second International Conference,vol. 3001 of LNCS:2005:188-193.

[3] 劉春偉.RFID閱讀器的多天線模式研究[D].重慶大學,2007.

[4] 李睿,俞濤,方明倫.制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性管理研究與實現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2005,11(3):358-363.

[5] Cao X H, Xiao H B. Propagation prediction model and performance analysis of RFID system under metallic container pro-duction circumstance[J].Microelectronics Journal,2011,42(2):247-252.