淺析提高RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率

1 引言

射頻(Radio Frequency) 專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。射頻識別技術(shù) (Radio Frequency Identification)是20 世紀(jì)90 年代開始興起的一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)， 它是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物 體的自動(dòng)識別。 但是，就目前來看， RFID 的發(fā)展仍然存在較多瓶頸，數(shù)據(jù)讀取率不高就是其中主要瓶頸之一。

本文將通過對 RFID 系統(tǒng)基本組成和工作原理的介紹，對 RFID 系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合 RFID 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題以及針對閱讀器識讀范圍存有盲區(qū)、不同閱讀點(diǎn)存有多余數(shù)據(jù)、閱讀器相互干擾等因素而導(dǎo)致系統(tǒng)讀取率不高的原因，提出從合理優(yōu)化硬件配置、完善軟件設(shè)計(jì)、發(fā)揮中間件作用和融合 其它技術(shù)四個(gè)方面來提高 RFID 系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率。

2 RFID 系統(tǒng)基本組成

RFID 系統(tǒng)至少由電子標(biāo)簽（E-Tag/Transponder，也稱智能標(biāo)簽）和閱讀器（Reader /Interrogator，也稱讀寫器）兩部分組成。

電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成。 電子標(biāo)簽依據(jù)供電方式的不同分為有源電子標(biāo)簽(Active tag)、無源電子標(biāo)簽(Passive tag) 和半無源電子標(biāo)簽(Semi—passive tag)；依據(jù)頻率的不同分為低頻電子標(biāo)簽、高頻電子標(biāo)簽、 超高頻電子標(biāo)簽和微波電子標(biāo)簽；依據(jù)封裝形式的不同分為*標(biāo)簽、線形標(biāo)簽、紙狀標(biāo)簽、玻璃管標(biāo)簽、圓形標(biāo)簽及特殊用途的異形標(biāo)簽等；根據(jù)其工作模式不同分為主動(dòng)標(biāo)簽和被動(dòng)標(biāo)簽。

閱讀器是用于讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽信息的設(shè)備，根據(jù)具體使用環(huán)境和需求可設(shè)計(jì)成多類產(chǎn)品。 閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀 出或?qū)懭氩僮鳌?/P>

典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。 當(dāng)然，RFID 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要計(jì)算機(jī)等其他硬件設(shè)備以及軟件的支持。圖1 為典型的 RFID 系統(tǒng)組成圖。

3 RFID 系統(tǒng)基本模型

RFID 系統(tǒng)的基本模型如圖2 所示。作為射頻載體的電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元 件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。

4 RFID 系統(tǒng)讀取率問題探討

通過對 RFID 系統(tǒng)的介紹，我們認(rèn)為導(dǎo)致 RFID 系統(tǒng)讀取率不高的原因主要在于：閱讀器的識讀范圍存有盲區(qū)，不同閱讀點(diǎn)存有多余數(shù)據(jù)，閱讀器相互干擾等。針對上述問題，我 們從以下四種方面展開探討。

4.1 合理優(yōu)化硬件配置

在硬件方面，首先必須要弄清一個(gè)問題。那就是你真正的“需求是什么”。不要盲目認(rèn)為 “價(jià)格貴、讀取范圍越大、頻率越高就越好”。正所謂“量體裁衣”，“適合”自己的才是最好的。 在此認(rèn)知基礎(chǔ)之上，可以選擇與實(shí)際需求相符的硬件設(shè)備。

同時(shí)考慮將所有的 RFID 標(biāo)簽和閱讀器看作一個(gè)完整的“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)”，做到合理優(yōu)化硬件配置，從而使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最大的功效。 以門禁系統(tǒng)為例，為了防止閱讀器的識讀范圍存有盲區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)漏讀的情況，可采取 通過增加閱讀器或天線的個(gè)數(shù)來補(bǔ)償閱讀器識讀范圍存在盲區(qū)的缺陷；為了防止閱讀器相互 干擾，可采取在空間上相對隔離閱讀器或天線的辦法來避免相互干擾。此外，根據(jù)實(shí)際需求， 通過適當(dāng)調(diào)整天線布局和天線發(fā)射功率等方法，也可以提高RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取率。

4.2 完善軟件設(shè)計(jì)

目前，通過優(yōu)化配置的 RFID 系統(tǒng)的硬件設(shè)施基本都可以滿足數(shù)據(jù)讀取率的需要，而且 隨著閱讀器價(jià)格下降，最終用戶已經(jīng)可以在他們的應(yīng)用場所輕松部署大量閱讀器，這不僅解 決了漏讀問題，同時(shí)還可以從這些系統(tǒng)中獲取更多有用信息。 但是隨之而來的新問題是：多余的數(shù)據(jù)讀入或者交叉數(shù)據(jù)讀入。簡單描述這個(gè)問題，就是“一個(gè)不該在某位置被讀取的標(biāo)簽被一臺不該識讀這枚標(biāo)簽的閱讀器讀到了”。

LV 定位邏 輯的核心是基于“從空間位置上挑出需要的讀出數(shù)據(jù)同時(shí)過濾掉不需要的讀出數(shù)據(jù)”。結(jié)果是正確和精確的標(biāo)簽位置從全部RFID 閱讀器所獲取的結(jié)果中析取出來。簡而言之，LV 定位 邏輯就是根據(jù)整個(gè)閱讀器系統(tǒng)駐留的數(shù)據(jù)集合而形成的一個(gè)基于消除“多余”讀出數(shù)據(jù)的軟件算法。 對于多個(gè)閱讀器之間由于工作范圍重疊造成沖突的問題，Colorwave 算法給出了很好的解決。

對于電子標(biāo)簽沖突，在高頻頻段，標(biāo)簽的防沖突算法一般采用經(jīng)典ALOHA 協(xié)議。使 用ALOHA 協(xié)議的標(biāo)簽，通過選擇經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)時(shí)間向閱讀器傳送信息的方法，來避免沖突； 在超高頻頻段，主要采用樹分叉算法來避免沖突。 此外，可以對軟件進(jìn)行其他優(yōu)化設(shè)置。譬如，在電子門票系統(tǒng)中，閱讀器的掃描時(shí)間間 隔可以通過軟件設(shè)計(jì)成自適應(yīng)調(diào)節(jié)掃描時(shí)間的方式工作。對于人流量較大的情況下，通過軟件控制讓閱讀器的掃描頻率加快工作，防止漏讀；而在人流量較少的情況下，可以將其掃描 頻率相對降低，從而避免冗余數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

4.3 發(fā)揮中間件作用

RFID 中間件在各項(xiàng) RFID 產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中居于神經(jīng)中樞。RFID 中間件是一種面向消息的中 間件（Message-Oriented Middleware，MOM），信息是以消息的形式，從一個(gè)程序傳送到另 一個(gè)或多個(gè)程序。RFID 中間件扮演RFID 標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的中介角色，從應(yīng)用程序端 使用中間件所提供的一組通用應(yīng)用程序接口(API)，即能連到閱讀器，讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

因此，即使存儲(chǔ)RFID 標(biāo)簽信息的數(shù)據(jù)庫軟件或后端應(yīng)用程序增加或改由其他軟件取代， 甚至 RFID 閱讀器種類增加等情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)用端也不需修改。這不僅有效解決了數(shù)據(jù)讀取率的問題，而且也省去多對多連接的維護(hù)復(fù)雜性等其他問題。RFID 中間件未來在面向服務(wù) 的架構(gòu)（SOA：Service Oriented Architecture Based RFID）和商業(yè)信息安全問題應(yīng)用方面都 會(huì)有非常好的發(fā)展前景。

4.4 融合其它技術(shù)

與傳感器技術(shù)融合

在未來幾年，RFID 的一個(gè)重要應(yīng)用趨勢是將RFID 與傳感器（如測量溫度和壓力的傳 感器）組合在一起應(yīng)用的設(shè)備，目前國外已經(jīng)開始實(shí)施。由于RFID 抗干擾性較差，而且有 效距離一般小于數(shù)10m，這對它的應(yīng)用是個(gè)限制。將WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）同 RFID 結(jié)合起來，利用前者高達(dá)100m 的有效半徑，形成WSID 網(wǎng)絡(luò)，這將大大彌補(bǔ)RFID 系統(tǒng)自身 的不足。

與 WIMAX、3G、GPS 等通信技術(shù)的融合

WiMAX（微波接入全球互通）簡單定義就是無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。WiMAX 的無線 服務(wù)范圍在城市地區(qū)保持高數(shù)據(jù)流量的情況下可以遠(yuǎn)至幾公里，它的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的無 線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在定向通信連接中服務(wù)范圍在保持一定數(shù)據(jù)流量的情況下可以達(dá)到50 km，由 于其極高的性能，WiMAX 技術(shù)被認(rèn)為是DSL UMTS 連接的最佳的備用方案。

WiMAX、3G、GPS 與 RFID 的融合，正在各方的積極參與中而不斷前進(jìn)。RFID 標(biāo)簽 具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識別、移動(dòng)識 別、多目標(biāo)識別、定位及長期跟蹤管理。成本的節(jié)約和效率的提升，促使RFID 技術(shù)成為各 個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化的重要切入點(diǎn)。它們將構(gòu)建一個(gè)能夠滿足多種應(yīng)用環(huán)境需求、生成豐富應(yīng) 用的無線寬帶網(wǎng)，擴(kuò)大了RFID 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

與生物特征識別融合

生物特征識別技術(shù)是為了進(jìn)行身份驗(yàn)證而采用自動(dòng)技術(shù)測量其身體特征或個(gè)人行為特點(diǎn)，并將這些特征或特點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，完成認(rèn)證的一種解決方案。生物特 征識別系統(tǒng)捕捉到生物特征的樣品，惟一的特征將會(huì)被提取并且被轉(zhuǎn)化成數(shù)字的符號，這些 符號被存成個(gè)人的特征模板。人們同識別系統(tǒng)進(jìn)行交互，認(rèn)證其身份，以確定匹配或不匹配。 目前常用的生物特征識別技術(shù)有指紋、掌紋、人臉、語音、視網(wǎng)膜、簽名識別等等。

總之，RFID 系統(tǒng)與其他技術(shù)融合勢在必行，目前已取得了巨大的成果。解決了 RFID 系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率不高的問題，必定會(huì)使RFID 技術(shù)被廣泛采用，最終將同條碼技術(shù)一樣深入 并慢慢延伸到各行業(yè)的方方面面，對行業(yè)提高作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益起到關(guān)鍵性作用，從而促 進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)的全新飛躍，對人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

5 結(jié)語

整體看來，RFID 系統(tǒng)在未來的發(fā)展會(huì)越來越好，雖然目前仍然存在諸如讀取率不高等 一些技術(shù)和應(yīng)用上的問題，但我們相信，通過硬件優(yōu)化配置、完善軟件設(shè)計(jì)、發(fā)揮中間件作 用和融合其他技術(shù)等一系列措施克服 RFID 目前存在的問題并不難。在強(qiáng)大的市場導(dǎo)向下， RFID 技術(shù)在世界范圍內(nèi)必將引起一場重大變革，它將成為未來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，也將最終 成為中國企業(yè)發(fā)展方向的最大信息技術(shù)支持?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，作為全球的制造業(yè)基地，中國將是未來全球最大的 RFID 應(yīng)用市場。這對于國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)將是一次難得的機(jī)遇。