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(天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司，天津 300399)

引 言

射頻識(shí)別系統(tǒng)包括標(biāo)簽和讀寫(xiě)器。射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行射頻識(shí)別，并向目標(biāo)對(duì)象獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。這種識(shí)別操作無(wú)須人工干預(yù)，可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境，同時(shí)射頻識(shí)別技術(shù)可以對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，且可同時(shí)對(duì)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，操作起來(lái)方便快捷。

現(xiàn)有的射頻識(shí)別系統(tǒng)包括：無(wú)源射頻識(shí)別系統(tǒng)和有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，兩者的本質(zhì)區(qū)別在于前者的標(biāo)簽從讀寫(xiě)器的發(fā)射波形中獲取能量，后者的標(biāo)簽自身具有能源供應(yīng)。

在無(wú)源射頻識(shí)別系統(tǒng)中，射頻識(shí)別系統(tǒng)的沖突包括讀寫(xiě)器信號(hào)沖突和標(biāo)簽信號(hào)沖突。針對(duì)標(biāo)簽側(cè)沖突，ISO18000-6B/C協(xié)議、國(guó)標(biāo)協(xié)議的防碰撞算法都明確給出了解決標(biāo)簽的碰撞問(wèn)題。而讀寫(xiě)器側(cè)的碰撞，由于標(biāo)簽是無(wú)源的，沒(méi)有防讀寫(xiě)器碰撞機(jī)制，因此在多讀寫(xiě)器環(huán)境下同時(shí)向同一標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)時(shí)，標(biāo)簽無(wú)法解碼碰撞的讀寫(xiě)器信息，造成讀寫(xiě)器無(wú)法識(shí)讀到標(biāo)簽。

1 讀寫(xiě)器碰撞場(chǎng)景分析

1.1 載波同向

圖1 兩讀寫(xiě)器載波同向干擾示意圖

如圖1所示，R1和R2是2個(gè)相鄰讀寫(xiě)器，當(dāng)兩個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)工作時(shí)，其電磁場(chǎng)存在相互重疊的部分，即A區(qū)域。在此區(qū)域的標(biāo)簽，存在漏讀的可能。這是因?yàn)槿糇x寫(xiě)器R1和R2同時(shí)工作，在A區(qū)域的標(biāo)簽因?yàn)橥瑫r(shí)收到R1和R2的射頻信號(hào)，這兩個(gè)讀寫(xiě)器的射頻信號(hào)相互疊加，使得標(biāo)簽解調(diào)后的基帶波形因相互疊加而變形，造成標(biāo)簽側(cè)譯碼錯(cuò)誤。因此標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別讀寫(xiě)器的空口指令，造成讀寫(xiě)器R1和R2均無(wú)法識(shí)讀該標(biāo)簽。

另一種可能引起漏讀的情況是：當(dāng)R1和R2分時(shí)發(fā)射電磁波，但處于相同的session中時(shí)，R1識(shí)讀到重疊區(qū)A的標(biāo)簽，當(dāng)R1結(jié)束識(shí)讀后關(guān)閉電磁波，此時(shí)R2開(kāi)啟電磁波，造成標(biāo)簽無(wú)法掉電。因此在讀寫(xiě)器R1下一輪識(shí)讀時(shí)，因?yàn)闃?biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器值很大，無(wú)法識(shí)讀到標(biāo)簽。同理，讀寫(xiě)器R2也存在無(wú)法識(shí)讀到標(biāo)簽的情況。

1.2 載波相對(duì)

圖2 兩讀寫(xiě)器載波相對(duì)干擾示意圖

如圖2所示，讀寫(xiě)器R3和R4相互朝對(duì)方發(fā)射電磁波，此時(shí)重疊區(qū)域是B。當(dāng)R3和R4同時(shí)發(fā)射載波時(shí)，載波信號(hào)會(huì)相互疊加。在B區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽同樣會(huì)因?yàn)樾盘?hào)相互疊加變形而無(wú)法正確譯碼，造成讀寫(xiě)器R3和R4識(shí)讀標(biāo)簽失敗。

當(dāng)R3和R4不同時(shí)發(fā)射載波，但處于相同的session中時(shí)，R3識(shí)讀到B區(qū)域的標(biāo)簽，關(guān)閉載波，此時(shí)R4發(fā)射載波，由于B區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽沒(méi)有掉電，標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器值很大而無(wú)法識(shí)讀到該標(biāo)簽。

2 讀寫(xiě)器防碰撞方法

傳統(tǒng)解決干擾的方法主要有三種：時(shí)分復(fù)用(TDMA)、頻分復(fù)用(FDMA)、碼分復(fù)用(CDMA) 。

TDMA為時(shí)分多址技術(shù)，其是把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，在滿足定時(shí)和同步的條件下，發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各接收端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)而不混擾。

FDMA為頻分多址技術(shù)，通過(guò)把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的頻道分配給不同的設(shè)備，由于各設(shè)備占用不同的頻率，即采用不同的載波頻率，接收時(shí)通過(guò)濾波器選取特定頻段的信號(hào)并抑制無(wú)用干擾，從而接收到正確信號(hào)。

CDMA為碼分多址技術(shù)，其原理是將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息的數(shù)據(jù)用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把帶寬信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。

上述多址機(jī)制不能直接應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中,這是因?yàn)椋?/p>

① 在FDMA 方式中, 讀寫(xiě)器使用不同的頻率和射頻標(biāo)簽通信。由于射頻標(biāo)簽沒(méi)有頻率調(diào)諧電路, 因此射頻標(biāo)簽不能選擇一個(gè)特定的讀寫(xiě)器與其通信。如果射頻標(biāo)簽增設(shè)頻率調(diào)諧電路功能, 將大大增加射頻標(biāo)簽的成本, 因此FDMA不適合應(yīng)用在射頻識(shí)別系統(tǒng)中。

② 在TDMA 方式中, 讀寫(xiě)器被分配不同的時(shí)隙, 以避免讀寫(xiě)器同時(shí)詢問(wèn)/發(fā)送射頻信號(hào)。這就要求讀寫(xiě)器之間互聯(lián)互通，并且有一定的算法。在移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)中, 沒(méi)有干擾的讀寫(xiě)器因?yàn)橄嗷タ拷霈F(xiàn)干擾, 需要重新分配時(shí)隙。動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙降低了RFID 系統(tǒng)識(shí)讀速率。

③ 在CDMA方式中，要求電路上有更為復(fù)雜的標(biāo)簽電路, 標(biāo)簽的使用數(shù)量往往非常大，考慮到成本因素，標(biāo)簽電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單, 所以一般不會(huì)采用CDMA。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

圖3 讀寫(xiě)器干擾解決方案示意圖

如圖3所示，讀寫(xiě)器1連接天線A和天線B，讀寫(xiě)器2連接天線C和天線D。其中天線A對(duì)應(yīng)車(chē)道1，天線B對(duì)應(yīng)車(chē)道2，天線C對(duì)應(yīng)車(chē)道3，天線D對(duì)應(yīng)車(chē)道4，天線B和天線C是不同讀寫(xiě)器的相鄰天線，存在相互干擾的情況。

為了讓讀寫(xiě)器1和讀寫(xiě)器2互不干擾，需要將二者完全分時(shí)工作。本文給出了一種設(shè)計(jì)思想，通過(guò)讀寫(xiě)器的GPIO端口協(xié)調(diào)兩臺(tái)相鄰車(chē)道的讀寫(xiě)器分時(shí)工作，具體就是用一根線連接讀寫(xiě)器1和讀寫(xiě)器2的GPIO端口。這根線起到為兩臺(tái)讀寫(xiě)器通信的作用，代表讀寫(xiě)器的空閑和工作兩種狀態(tài)，比如低電平表示空閑，高電平表示工作。

每臺(tái)讀寫(xiě)器都在同時(shí)工作，但是當(dāng)工作天線是兩個(gè)讀寫(xiě)器相鄰車(chē)道的天線(簡(jiǎn)稱碰撞天線)時(shí)，就需要判斷另一臺(tái)讀寫(xiě)器碰撞天線的狀態(tài)(空閑或者工作)。若另一臺(tái)讀寫(xiě)器空閑，則可以下發(fā)標(biāo)簽識(shí)讀指令，否則需要等待，直到另一臺(tái)讀寫(xiě)器碰撞天線狀態(tài)為空閑。當(dāng)然，等待需要有個(gè)超時(shí)時(shí)間，不然就會(huì)存在一臺(tái)讀寫(xiě)器一直工作、另一臺(tái)讀寫(xiě)器不工作的情況。超時(shí)時(shí)間的數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定。

3.2 設(shè)計(jì)流程

圖4給出了解決讀寫(xiě)器相互干擾的具體流程。流程如下：

① 當(dāng)前讀寫(xiě)器開(kāi)啟一輪識(shí)讀時(shí)，首先判斷當(dāng)前天線是否是另一臺(tái)讀寫(xiě)器的碰撞天線，若不是，則進(jìn)入正常的識(shí)讀流程。

② 若當(dāng)前天線是另一臺(tái)讀寫(xiě)器的碰撞天線，需要獲取連接兩臺(tái)讀寫(xiě)器的GPIO電平，這里假設(shè)低電平表示另一臺(tái)讀寫(xiě)器處于空閑狀態(tài)，高電平表示另一臺(tái)讀寫(xiě)器處于工作狀態(tài)。

③ 若GPIO電平為低電平，說(shuō)明另一臺(tái)讀寫(xiě)器的碰撞天線處于空閑態(tài)，需要配置該端口GPIO為高電平，表示當(dāng)前讀寫(xiě)器在工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置工作超時(shí)定時(shí)器，以防止當(dāng)前讀寫(xiě)器一直工作下去。開(kāi)始下發(fā)識(shí)讀指令，獲取標(biāo)簽信息。若當(dāng)前天線識(shí)讀完畢或者工作超時(shí)，定時(shí)器時(shí)間到，配置GPIO為低電平，表示當(dāng)前天線工作完畢，狀態(tài)是空閑態(tài)。

④ 若GPIO電平為高電平，此時(shí)說(shuō)明另一臺(tái)讀寫(xiě)器碰撞天線處于工作態(tài)，需要不斷查詢GPIO電平，直到電平變成低電平，說(shuō)明另一臺(tái)讀寫(xiě)器碰撞天線停止工作，當(dāng)前讀寫(xiě)器可以啟動(dòng)工作。再重復(fù)步驟③。

圖4 讀寫(xiě)器相互干擾解決方案流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境框圖如圖2所示，準(zhǔn)備兩臺(tái)超高頻讀寫(xiě)器，工作頻率為922 625 MHz，空口協(xié)議采用EPC協(xié)議，前反向速率分別是80 kbps和160 kbps，反向編碼方式是FM0。每臺(tái)讀寫(xiě)器連接一個(gè)天線，天線發(fā)射電磁波方向相向。在兩天線電磁場(chǎng)的重疊區(qū)放置一個(gè)射頻標(biāo)簽，分別對(duì)比了使用本文第3節(jié)解決方案前后讀寫(xiě)器的識(shí)讀情況，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 讀寫(xiě)器使用本方案前后識(shí)讀次數(shù)對(duì)比圖

從表1給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：使用本方案后，讀寫(xiě)器1和讀寫(xiě)器2均能識(shí)讀到重疊區(qū)標(biāo)簽，相比未用本方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出大大提高了識(shí)讀成功率，規(guī)避了標(biāo)簽漏讀情況，完全解決了讀寫(xiě)器相互干擾而無(wú)法識(shí)讀重疊區(qū)標(biāo)簽的問(wèn)題。這說(shuō)明讀寫(xiě)器輪動(dòng)工作，相當(dāng)于先進(jìn)行沖突檢測(cè)，在沒(méi)有沖突的情況下，再進(jìn)行識(shí)讀操作，大大提高了識(shí)讀成功率。

結(jié) 語(yǔ)