1、物聯網核心技術RFID技術的重要應用摘要： RFID(Radio Frequency Identification)技術是利用射頻通信實現的一種非接觸式自動識別技術。擁有廣闊的發展前景和巨大的市場潛力。本文介紹了RFID技術的原理、特點，深入分析了信號傳輸時所采取的反方向散射的調制方式，影響傳輸距離的因素，最后介紹了在遠程RFID自動識別系統中的讀寫沖突和防沖突算法，更好的解決了遠程RFID系統存在的沖突問題。關鍵詞：RFID 電子標簽 讀寫器 RFID是一種非接觸的自動識別技術。隨著無線網絡技術的不斷發展，使得RFID技術在國內外得到了廣泛的應用。現在IBM公司提出的智慧地球和中國的物聯網技

2、術的發展，又極大促進了RFID功能。因此，RFID技術架起了數字世界和物理世界之間的橋梁，為物聯網的發展奠定了基礎。RFID雖然得到了巨大的發展，但對于遠程的RFID還是存在著傳輸距離、防碰撞算法等一些問題。本文通過對RFID的相關概念和技術進行分析，使人們更加全面的了解RFID，促使RFID技術有更好的發展和應用。0 / 15目錄1遠程RFID原理22遠程RFID系統的特點23. 遠程RFID關鍵性技術34遠程RFID系統的沖突問題34.1 Binary多卡沖突仲裁34.2 Aloha算法 4 5應用之一智能居家 55.1智能居家系統 55.2 系統硬件設計 65.3系統軟件設計 75.4

3、系統功能 106結束語 117參考文獻 111遠程RFID原理1.1 遠程RFID的組成在探討遠程RFID的原理之前，我們必須先要研究一下RFID的組成。RFID的系統包括以下3個部分：電子標簽(TAG)、讀寫器(Reader)和計算機及其應用軟件。電子標簽主要由內置天線和電路芯片組成的，功能是與射頻天線之間完成通信;讀寫器主要由天線、控制單元、射頻收發前段和通信接口這四個部分組成的，主要功能是讀取或寫入電子標簽的信息;計算機和應用軟件的功能則是通過讀寫器的通信接口而連接外部計的算機，或者是連接上位機主系統，從而實現數據的交換。RFID系統組成如圖1所示。1.2 遠程RFID的工作原理讀寫器(

4、Reader)與電子標簽(TAG)組成了應答器(Transponder)，其工作原理是。Reader發射一特定頻率的無線電波能量給Transponder用以驅動Transponder電路將內部的數據送出，此時Reader便依序接收解讀數據，送給應用程序做相應的處理。工作原理如圖2所示。2遠程RFID系統的特點目前無源遠距離遠程RFID系統有兩種工作頻段UHF和2.45 GHz。無源超高頻系統的讀寫距離可以長達十米以上，比2.45 GHz系統要遠很多，因此已經成為了遠程識別系統的主流部分。其優點主要有以下幾點：1)實時性：可以實時響應，自動讀出ID號，得到其信息;2)防偽性：形成的微波標示是不可

5、偽造、更改和不可復制的;3)聯網性：通過計算機的網絡對物流進行監控;4)準確性：讀出信息的準確率非常高，可以高達99.99%;5)低成本：使用時，只需要數元;6)可靠性：適應惡劣環境條件，如：多塵、潮濕等;7)壽命長：使用時不需要電池，只需無源卡，并且終身免維修;由于遠程RFID系統采用的是無線傳輸模式，無線環境又極其復雜，因此有很多因素都會影響遠程RFID系統讀寫距離，主要有如下幾方面：1)影響射頻卡讀寫距離的因素是讀寫器的RF輸出功率、反射的能量和射頻卡的功耗、讀寫器的接收的能量和接收靈敏度;2)影響上述指標的是射頻卡天線的有效接收和反射截面積，讀寫器的接收天線有效面積;3)在視場范圍同樣

6、的條件下，當頻率升高時，無源RFID系統的作用距離就會減小。3. 遠程RFID關鍵性技術遠程RFID系統采用的一種無線傳輸方式，在傳遞信息時是通過電磁波來發送和接收的。電磁波以天線為圓心，向周圍空間發射。發射過程中當電磁波遇到不同目標時，電磁波能量的一部分被目標吸收，而另一部分會向各個方向，以不同的強度散射開。反射能量的一部分最終返回發射天線。采用反向散射調制的能量傳輸方式主要標簽到閱讀器的能量傳輸和存在于閱讀器到標簽的能量傳輸這兩個方向上。無源RFID系統的電子標簽是通過電磁場供電，因此標簽有很大的功耗，當讀寫的距離越短時，其性能就會越差。電子標簽的工作電壓決定了RFID電子標簽能否正常的工

7、作，同時也決定了無源RFID系統的識別距離。但隨著集成電路工藝的不斷發展，射頻電子標簽芯片的功耗也在來斷的降低。目前，比較典型的低功耗電子標簽，其標簽本身的功耗可以低至數十微瓦到數微瓦，這種標簽的工作電壓為1.2 V左右。這種無線電發射功率受到限制，但無源電子標簽的識別距離可以過到10 m以上。2)電子標簽到閱讀器的能量傳輸電子標簽返回的能量取決于它的雷達散射截面面積，并和其成正比，它是目標反射電磁波能力的測度。散射面積是主要取決于兩個參數，其一是本身的物體特性如目標的大小、材料、表面結構和材料，其二是反射電磁波的特性，比如電磁波的極化方向和波長等。4遠程RFID系統的沖突問題遠距離無源RFI

8、D系統具有作用距離遠且視場范圍大的特點，但同時也容易出現一個多機或多卡的現象，從而導致系統讀寫多標簽出現沖突。所以有必要采取一些好的防沖突地區的技術。多卡沖突仲裁就是在同一時間只能有一個卡響應，這就需要用讀寫器命令進行控制。仲裁的方法主要有兩種：Binary和Aloha。4.1 Binary多卡沖突仲裁Binary多卡沖突仲裁，主要是通過采用狀態機的方式來實現多卡讀寫仲裁機制，其中主要有4種狀態，如圖3所示。其中的狀態解釋如下：Power-OFF狀態：指的是識別卡處于關機狀態，即讀寫器此時不能被激活識別卡;Ready狀態：當識別卡第一次被讀寫器激活時，識別卡就會處于Ready狀態;ID狀態：如

9、果識別卡試圖傳送識別信息給讀寫器時，識別卡就會處于ID狀態;Data_Exchange狀態：如果讀寫器識別并被選中識別卡時，識別卡就會處于Data_Exchange狀態。為了支持仲裁沖突，識別卡上有兩個硬件電路：8bit計數器Counter和1bit隨即數發生器(只有兩個可能的值：0和1)。當所有的或一部分讀寫器射頻電磁場上的識別卡參與沖突仲裁時，讀寫器上的Group_Unselect和Group_Select命令就會運行沖突仲裁算法。4.2 Aloha算法ALOHA協議是一種防碰撞的沖突仲裁算法。如果在隨機的時間間隔中有多個標簽發送數據包，并且這個數據包發生了碰撞，那么標簽就會等待一個隨機的

10、時間，然后再次發送數據。這種算法吞吐率低，適用于只讀標簽的應用場景。于是就出現了時隙Aloha算法。時隙Aloha算法改善了Aloha算法的吞吐率。它采用讀寫器控制的隨機TDMA方法。這種方法是將信道分為很多個時隙，并且讓每一個時隙就剛好能傳送一個分組。而時隙的長度能過系統的時鐘進行控制，每個控制單元要與此時鐘同步。在RFID系統中，標簽只能在其規定的同步時隙內傳輸數據包。與Aloha算法相比，提高了吞吐率，為了善在多標簽環境下的性能，隨后又提出了動態時隙Aloha算法。動態時隙Aloha算法，是一種可以動態調整時隙數量的算法。如果讀寫器在等待的狀態中的循環時隙段中發送了請求命令，就會有12個

11、時隙給可能存在的標簽使用。當但多個標簽在兩個時隙內發生了碰撞，那么就要通過請求命令增加時隙數量，以供標簽使用，直到發現一個唯一的標簽為止。對于Aloha算法、時隙Aloha算法還是動態時隙Aloha算法，其標簽發送數據都是隨機的，因此不能保證整個系統的可靠性，且信道的利用率較低。關于Binary多卡沖突仲裁方法和Aloha算法都有其優缺點。而Binary信道利用率可高達43%，識別率較高，也不存在錯誤判決問題，但其因時延長，而安全性較差。Aloha算法實現簡單，但其信道利用率最大為36%，出存在一些錯誤判斷問題，所以不適合應用于大量標簽的場合。在設計系統時要根據系統的應用場合選擇合適的防碰撞算

12、法。5應用之一智能居家近年來，RFID 技術在零售業.圖書館服務.供應鏈管理等領域得到廣泛使用.同時，RFID 技術也逐步應用于電力系統用以構筑智慧電網.傳統居民用戶信息采集系統的主站一般設置在供電局，用戶要了解用電信息需采用賬單查詢.上網查詢或電話查詢等方式.這些方式不夠便捷，難以滿足用戶需求且只能查詢用電總額，無法知道各個用電終端的用電情況，出現故障也無法及時排除.與此同時，現代人對于提高家用電器的智能控制能力及家庭安防保障等也提出了更高的要求.根據我國當前智能電網的發展趨勢，為了有效監控家庭用電終端，維護用電安全，本文構建了一個基于RFID 技術與各種探測傳感器相融合的智能家庭用電信息系

13、統.該系統可解決如下問題：(1) 完成家庭照明設備的開.關.亮度調節及狀態顯示;(2) 實現對家庭中所有家用電器的統一控制與管理;(3) 溫濕度采集傳感器根據家庭內外溫濕度的變化，自動調節窗簾的開合.空調的啟停;(4) 安裝的煙霧傳感器.煤氣傳感器發現危險信息時，能自動報警并及時給家庭成員發送報警信息;(5) 分析報告各個用電設備用電狀況，指導用戶合理用電，提醒用戶及時充值.5.1智能居家系統典型的RFID 系統由標簽(Tag).讀卡器(Reader).中間件(Middleware) 和控制計算機及軟件等稱為應用(Application)的四部分組成.智能家庭用電信息平臺利用標簽獲取用電終端的

14、用電狀況及各探測傳感器的狀態，安裝在房間特定區域的讀卡器根據接收到的標簽數據對家居環境進行監控，通過計算機網絡將接收到的標簽數據經過預處理之后存入系統數據庫中.監控用戶可以使用電腦.智能手機等實時了解用電終端的工作狀況，必要的報警信息還會觸發外設的聲光報警器.圖1 所示是該平臺的系統拓撲結構.本系統中的標簽分為兩種類型：電能計量標簽與用電設備插頭相連，實時探測用電設備電能消耗，控制用電設備功率大小;環境監測標簽由溫濕度.煙霧及煤氣傳感器等組成，安裝在室內外特定區域，實時監測室內外環境.標簽定時將探測到的數據發送給讀卡器.讀卡器通過天線控制覆蓋接收信號的范圍，接入家庭網絡，將轉發的標簽數據存入系

15、統數據庫中.標簽數據在數據庫中進行合并.去冗余.挖掘特征信息等處理.系統監控用戶通過瀏覽器獲取這些處理過的信息，從而知道用電終端的用電狀況，家庭內外的環境狀況，同時，當家庭安防出現異常情況時，系統會通過郵件推送技術給用戶發送郵件.根據需要，系統還可以方便地進行功能擴展，比如在室內外特定區域安裝攝像機，報警信息觸發外部聲光報警器等.智能家庭用電信息系統硬件部分使用有源RFID 設備.軟件部分依照瀏覽器/ 服務器(Browser/Server, B/S) 框架結構，使用開源而廣泛使用的LAMP(Linux + Apache + MySQL+ PHP) 作為解決方案包.服務器是后臺控制軟件，提供閱讀

16、器訪問.通信協議解析.標簽數據存儲和數據庫管理等服務;瀏覽器作為人機交互工具，提取數據庫中數據，進行合理引用處理，使得任何網絡終端設備都可以實現對用電終端設備監控;數據庫起到樞紐作用，作為系統核心，連接后臺解析的數據，響應前臺Web 網頁訪問請求.智能用電信息系統后臺軟件使用JAVA 語言開發，采用基于TCP/IP 協議的套接字(Socket) 技術實現上位機(host) 與讀卡器直接的通信，利用JAVA 語言中JDBC 與系統數據庫交互.該系統前臺部分使用PHP 語言開發，整合Ajax(AsynchronousJavaScript and XML) 技術，實現頁面實時刷新.5.2 系統硬件設

17、計系統硬件部分主要包括標簽和閱讀器.標簽的硬件構成如圖2 所示.它集成微處理器.電源管理模塊.數據存儲模塊.射頻通信模塊和數據采集接口于一體.根據數據采集接口中使用傳感器的不同，標簽可以劃分為不同的類型.在本系統使用了兩種類型標簽，電能計量標簽和環境監測標簽.電能計量標簽的數據采集接口基于美國凌云邏輯公司的單相雙向電能芯片CS5460A.該芯片符合IEC.JIS 工業標準，能夠測量瞬時電壓.瞬時電流.瞬時功率，同時具有相位補償及系統自動校準功能8.與用電設備插頭相連的電能計量標簽采集電壓信號及電流信號，采集的電壓.電流信號通過相應的互感器之后進入流/ 壓變換電路，作為CS5460A 電能采集芯

18、片的輸入.CS5460A進行電能計量，通過串行外設接口 (SerialPeripheral Interface, SPI) 與微處理器進行數據交互.環境監測標簽在本系統中主要用來監測家庭環境信息，其子類別包括溫度采集標簽.濕度采集標簽.煙霧濃度采集標簽和煤氣濃度采集標簽.它們的功能原理都是實時采集環境參數，通過與微處理器內置的基準參數比對，獲得趨近于實際環境情況的參數值.微處理器內部還可以預設范圍閾值，當采集的參數超過閾值范圍時，就可以得到報警信號.微處理器將數據采集接口采集到的信號按照一定的編碼規則進行整合與處理，將整合之后的數據通過射頻通信模塊以射頻信號方式發射出去.接收時再按照與編碼規則

19、相同的解碼規則對數據進行解碼.讀卡器作為數據交換的一環，將前端標簽采集的家庭現場環境信息傳遞給后端的計算機網絡.一方面，通過天線與標簽進行無線通信，實現讀取標簽采集的數據和設置標簽的設備參數.另外一方面，讀卡器又通過計算機網絡與上位機系統相連，轉發接收到的標簽信息，由上位機系統實現對標簽數據的存儲.管理和控制.本系統使用的讀卡器使用2.4 GHz 微波與標簽雙向通信，預留RS232.RJ45 接口.讀卡器配置TCP Server.TCPClient.UDP 以及COM 協議棧，上位機系統可以方便選擇一種協議棧接收讀卡器轉化的標簽數據.為了實現同時對多個標簽進行識別，讀卡器執行防碰撞算法.該讀卡

20、器還內置兩個繼電器，繼電器可以與電源開關相連，也可以與報警器相連.當系統中出現緊急情況時，觸發繼電器斷開電源開關或者觸發外部報警器提醒用戶，從而保障用電安全.5.3系統軟件設計根據模塊化的設計原則，在功能上把系統軟件劃分為三層，即數據服務層.邏輯處理層和用戶表示層.數據服務層將標簽采集到的各設備的數據信息存儲到磁盤上;邏輯處理層提供一系列數據處理接口，根據系統的要求將各種類信息進行歸并.去冗余等操作;用戶表示層與系統用戶直接交互，接受用戶的訪問請求，出現異常情況及時向用戶報告.5.3.1 數據服務層智能家庭用電信息系統使用關系型數據庫MySQL 存儲數據信息.圖3 所示是其數據庫表結構.本系統

21、對用戶的電表.系統的用電設備.環境監測位置及用戶信息進行統一編號，并以編號作為唯一標識符連接各個實體.系統包括六張表：系統信息表存儲用戶家庭用電總體信息，系統以固定的時間間隔計算系統的電量消耗情況，因而時間作為主鍵.其他的字段信息包括總用電量.月用電量.停電閾值和剩余電量.設備信息表存儲系統監測設備的相關信息，本系統為每個用電設備預設了最大的消耗電量值.該表以設備編號為主鍵，同時對設備位置.設備名稱及購買時間等信息也進行了存儲.電能計量標簽采集的數據存儲到設備用電信息表中，該表以設備編號和計量時間作為聯合主鍵，實時反映設備用電信息.環境監測標簽采集的數據存入家居安防信息表中，實時存儲檢測到的溫

22、濕度.煙霧濃度及煤氣濃度信息.為保障系統安全，系統為其設計了用戶信息表，該表存儲具有訪問權限的用戶信息及用戶級別.當系統出現異常情況需要報警時，相關的信息會存入報警信息表中.它具有處理標識，如果該報警信息已經被用戶處理了，則不再重復報警.為了使系統各層具有高內聚.低耦合特性，同時方便數據庫操作，本設計集成Hibernate 框架于系統中進行對象實體關系映射.同時，Hibernate 對JDBC 進行了輕量級對象封閉，使得Java 程序員可以使用面向對象的思維來操作關系數據庫.另外，系統還對數據庫中每一張數據表建立了一個數據訪問對象(Data Access Object,DAO)，并由DAO 作

23、為訪問數據庫的統一接口，因而隱藏了數據庫具體實現細節.5.3.2 邏輯處理層邏輯處理層為系統提供數據訪問操作接口，具體劃分為如圖4 所示的四個業務子模塊，即業務接口模塊.業務處理模塊.數據接口模塊和數據緩沖模塊.業務接口模塊接收從用戶觸發的訪問請求事件，將事件傳遞.解析，根據訪問請求的事件類型調用業務處理模塊中對應的功能模塊.業務處理模塊定義本系統所要做工作，包括電能計量.電價查詢.家庭安防及異常報警等.數據接口模塊直接面向數據庫，提供數據庫查詢訪問及數據篩選等工作，之后將數據交給數據緩沖模塊進行數據的分析和封裝.這樣一個流程之后，用戶就能獲得所訪問的結果.家庭智能用電系統的各個模塊分工合作，

24、完成各自任務，實現系統功能，圖5 所示是其程序流程.程序開始運行之后獲取各個標簽的狀態量，這些狀態量包括家庭各用電設備的電流電壓功率.室內外環境中溫濕度.室內外環境中煙霧及煤氣濃度，然后判斷這些狀態量中是否存在有異常情況.如果有異常，則判斷異常屬于哪種情況，將相關信息寫入數據庫并提示報警;反之，則直接通過Internet連接供電局得到當前階段電價.程序根據階段電價信息計算用戶當前所用電量電費，如果用戶預存入的電費余額不多，也把相關信息寫入數據并提醒用戶及時充值.5.3.3 用戶表示層為了適應當前移動平臺發展趨勢，本系統以B/S 作為框架結構，并以PHP 語言結合CSS.HTML 來開發用戶表示

25、層.為了保證系統具有良好的響應機制，在實施的過程中采用Ajax 技術.使用Ajax 技術，系統在對用戶請求進行響應過程中建立異步請求對象，避免了客戶端和服務器間直接交互.用戶請求的數據信息交由Ajax 引擎完成，使用戶操作和服務器響應異步化，減少冗余數據的重載，縮短了用戶的等待時間.為本系統開發的一個官方微博能自動發布消息.進入互聯網提供商的應用開發平臺創建應用后申請App Key 和AppSecret 這兩個與授權相關的信息，下載與開發語言相對應的SDK( 本系統使用Java 版本)，里面有demo,把App Key 及App Secret 填入配置文件，根據想要實現的功能編寫和修改demo.借助甲骨文公司提供的JavaMail API,利用谷歌郵箱作為發送者，使用簡單郵件傳輸協議(Simple Mail TransferProtocol, STMP)，實現系統郵件自動推送.5.4 系統