引言

物聯(lián)網(Internet of Things，IOT)是近年來形成并迅速發(fā)展的新概念，是新一代信息技術的組成部分。物聯(lián)網的產生是信息社會及其經濟貿易發(fā)展的智慧結晶，是高科技領域的一項新技術，該技術將給自動識別技術行業(yè)帶來一場革命。

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)作為一種新穎的非接觸式自動識別技術，具有讀取距離遠、傳輸速度快、可大批量讀取等優(yōu)點，因而在物流供應鏈、智能交通、生產自動化、商品零售等眾多物聯(lián)網領域獲得廣泛應用，并成為了物聯(lián)網中的核心技術。然而，在復雜的物聯(lián)網環(huán)境下，密集標簽應用環(huán)境中的多標簽、多讀寫器、各種外部噪聲、電子標簽所附物體介質(如金屬)等對標簽讀取率的影響以及所引起的RFID讀寫設備故障等，往往會帶來RFID系統(tǒng)的碰撞問題，并很大程度上影響到RFID技術的大規(guī)模應用。因此,有必要對RFID系統(tǒng)的碰撞過程進行系統(tǒng)分析，提出合理的解決方案，并提供一種動態(tài)測試手段，以提高產品防碰撞測試的效率，降低測試成本。

本文首先介紹了物聯(lián)網的總體架構以及RFID與物聯(lián)網的關系，然后分析了近年來幾種常見的RFID防碰撞算法，最后探討了RFID系統(tǒng)動態(tài)測試技術的最新進展。文中提出了一種新型RFID防碰撞動態(tài)測試實驗平臺的硬件和軟件框架，并通過仿真驗證了平臺的部分功能，從而為提高RFID系統(tǒng)動態(tài)防碰撞提供了有效的測試手段。

1物聯(lián)網與RFID系統(tǒng)

物聯(lián)網就是物物相連的網絡，它是架構在現有或下一代公網或專用網絡的基礎上，利用RFID等傳感器技術和互聯(lián)網技術,構造的一個實現全球物品信息實時共享的網絡。物聯(lián)網中的各種信息傳感設備（如射頻識別設備、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等），與互聯(lián)網結合起來形成一個巨大網絡，其目的就是讓所有的物品都與網絡連接在一起，以便識別和管理。

物聯(lián)網的總體架構如圖1所示。從邏輯層面上看，物聯(lián)網總體架構可分為感知層、接入層、處理層、應用層四個層面。感知層是指各種傳感器或終端設備等組成的傳感網絡，主要用于實現對物品的感知、識別、檢測或數據采集，以及反應與控制等；接入層是指各種有線或無線節(jié)點、固定與移動網關組成的各種通信網絡與互聯(lián)網的融合體，主要用于數據的進一步處理與傳輸；處理層即中間件層,主要對海量的信息進行智能化處理（接收、處理、整合），實現對應用層的支持；應用層主要將物聯(lián)網與各種具體行業(yè)相結合，實現其在各領域的智能化應用。

圖1 物聯(lián)網總體架構

作為物聯(lián)網核心技術之一，RFID技術的原理就是利用射頻信號的空間耦合或反射來自動識別目標對象，并獲取相關信息。它不需要人工接觸或光學可視即可完成信息的快速輸入和批量處理，是一種高效的自動識別技術，并成為了物聯(lián)網感知領域的關鍵技術之一。RFID系統(tǒng)包括射頻前端、中間件與后臺的計算機信息管理系統(tǒng)，其中射頻前端完成系統(tǒng)的采集與存儲工作，中間件則提供信息格式的轉換與傳輸，計算機信息管理系統(tǒng)可對獲取的信息進行應用處理。

射頻前端至少包括電子標簽與讀寫器兩部分。電子標簽由標簽芯片與天線封裝組成，依據電子標簽供電方式的不同，電子標簽可分為有源電子標簽（Activetag）、無源電子標簽（Passivetag）和半無源電子標簽（Semi-passivetag）三種，它是射頻識別的數據載體；讀寫器由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成，主要通過無線收發(fā)模塊與電子標簽進行通信,進而將所獲得的信息傳輸給后臺并進行處理。

在實際應用中，電子標簽附在待識別的目標表面，讀寫器則通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號。當標簽進入磁場時，其內部將產生感應電流，同時利用自身能量或因感應電流產生的能量發(fā)送出其所攜帶的信息，讀寫器讀取信息并解碼后,傳送給后臺進行相關處理，從而達到自動識別物品的目的。射頻識別系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理

2RFID系統(tǒng)防碰撞技術研究

RFID技術的一個重要優(yōu)點就是多目標同時識別。如果要實現多目標的同時識別，就要解決多標簽對應一個讀寫器或多個讀寫器時產生的信號干擾問題，即碰撞問題。碰撞問題可分為標簽碰撞和讀寫器碰撞兩種。標簽碰撞是指當多個標簽對應一個讀寫器時，標簽同時向讀寫器發(fā)送數據，信號之間相互碰撞，使讀寫器無法正確獲取相關信息；讀寫器碰撞是指當多個標簽對應多個讀寫器時，因讀寫器工作頻率發(fā)生重疊而使標簽無法選擇合適的讀寫器，從而無法建立標簽與讀寫器之間的通信鏈路。

在標簽防碰撞方面，考慮到標簽內部的復雜程度與成本問題，實際中用到的電子標簽大部分都是無源標簽，因此，人們主要關注無源標簽的防碰撞問題即可。目前，最常用的防碰撞算法可以分為兩類：一種是以ALOHA算法為代表的概率算法（ISO/IEC18000-6TypeA標準定義的標簽），另一種是以Tree算法為代表的確定性算法（ISO/IEC18000-6TypeB標準定義的標簽）。

在概率算法中，最常用的就是時隙ALOHA算法。如果把時間分成多段固定時隙，固定時隙的長度由系統(tǒng)時鐘決定，并規(guī)定只能在每個時隙的臨界處，電子標簽才會主動向讀寫器發(fā)送數據，發(fā)送數據的時間都固定在每個時隙內，這樣數據要么發(fā)送成功，要么完全沖突，等待下一個時隙再次發(fā)送,這樣就能有效避免數據的部分沖突問題。時隙ALOHA的原理圖如圖3所示。

圖3中有四個標簽，在第一個時隙，標簽1和標簽2同時向讀寫器發(fā)送數據，兩個標簽的數據發(fā)生碰撞，發(fā)送失敗,標簽1和標簽2經過一定的時延會再次發(fā)送；在第二個時隙,標簽3發(fā)送數據，過程中沒有與其他標簽的數據發(fā)生碰撞,發(fā)送成功；在第三個時隙，標簽2再次發(fā)送的數據與標簽4發(fā)送的數據發(fā)生碰撞，發(fā)送失敗，標簽2和標簽4經過一定的時延后再次發(fā)送；在第四個時隙，標簽1再次發(fā)送的數據沒有與其他標簽的數據發(fā)生碰撞，發(fā)送成功，依此類推。

圖3 時隙ALOHA算法原理圖

ALOHA算法比較簡單，便于實現，適用于低成本RFID系統(tǒng)。但由于該類算法的時隙是隨機分配的，即存在某一標簽在相當長一段時間內無法識別的可能性，所以這類方法又被稱為概率方法。

在確定性算法中，最常用的是Tree算法。Tree算法的基本思路是讀寫器發(fā)送包含全序列號ID的請求命令，標簽群收到請求命令后，將自身的序列號與ID進行比較，若符合要求,則返回數據；如果發(fā)生碰撞，讀寫器則根據序列號的碰撞位置將標簽分離。Tree算法的原理如圖4所示。

圖4 Tree算法原理圖

假如圖4所示的系統(tǒng)中有6個標簽，ID分別是0010、0100、0101、1001、1110、1111。從父節(jié)點開始查詢，讀寫器向標簽發(fā)送信息0,所有ID第一位為0的標簽響應，并向讀寫器發(fā)送響應信號，即在0節(jié)點發(fā)生碰撞；讀寫器再次向響應標簽發(fā)送信息00,只有標簽0010響應，即此標簽被識別；讀寫器再次發(fā)送信息01，標簽0100、0101響應，讀寫器發(fā)送響應信號，即在01節(jié)點發(fā)生碰撞；讀寫器再次發(fā)送信息010,標簽0100、0101響應，讀寫器發(fā)送響應信號，即在010節(jié)點發(fā)生碰撞；讀寫器再次向響應標簽發(fā)送信息0100,只有標簽0100響應，即此標簽被識別；讀寫器再次向響應標簽發(fā)送信息0101，只有標簽0101響應，即此標簽被識別。至此，0節(jié)點的標簽查詢完畢，1節(jié)點的標簽查詢與此相同。

Tree算法比較復雜，識別時間較長，但不存在某一標簽在相當長時間內無法識別的問題，故被稱為確定性方法。

3RFID系統(tǒng)動態(tài)測試

在實際應用中，RFID技術由于應用環(huán)境中的溫度變化、各種噪聲、電子標簽所附物體介質（如金屬）等對標簽讀取率的影響以及所引起的RFID讀寫設備故障等，很大程度上影響到RFID技術的大規(guī)模應用。初步研究發(fā)現，隨著干擾功率的增大，特別是干擾功率比較大的時候，誤碼率會隨著信噪比的減小而急劇上升。在工程實踐中，可通過增加天線的增益、改善天線的方向圖或減小讀寫器主板內部的白噪聲，來達到提高信噪比的目的，從而改善低信噪比條件下RFID系統(tǒng)的防碰撞性能。但是，目前國內關于RFID系統(tǒng)的動態(tài)測試主要還是模擬實際物聯(lián)網環(huán)境（如物流分揀環(huán)節(jié)、車輛運行、進出庫等），這樣的測試不僅在場地占用、操作性、費用等方面困難較大，而且需要對實際環(huán)境中的標簽信號、干擾信號、射頻反射、環(huán)境噪聲等進行大量的預測試。因此，RFID測試技術成為RFID技術研發(fā)和應用實施過程中的重要技術保障。RFID測試技術的研究以及動態(tài)檢測平臺設計已成為一個急需解決的問題。

3.1動態(tài)測試的關鍵技術

在依據不同場合和實際環(huán)境需求搭建RFID軟硬件動態(tài)測試平臺時，主要應當圍繞兩個關鍵技術問題開展測試。

3.1.1RFID基本通信性能測試

目前，RFID基本通信性能測試大致可分為三類:一是標簽和讀寫器的物理特性測試，二是空中接口一致性測試，三是RFID系統(tǒng)互操作性測試。因為不同的調制解調、編碼解碼方法、頻段適用于不同的環(huán)境，所以在建立測試體系時，要依據實際環(huán)境選擇合適的方法和頻段，來建立所需的測試體系。建立的測試體系不應該只適用于單獨的產品，而應該面對同類產品的基本通信功能。

對于標簽，應該在電源適應能力、噪聲、安全、電磁兼容、環(huán)境適應性和可靠性等方面進行全方位測試，得出其主要指標，如頻率響應和品質因數Q。對于讀寫器，應該對其電路、輸出功率、頻譜、調制解調、空中接口等方面進行測試以得出結論。最后，對于標簽和讀寫器進行互操作性測試，以確保RFID系統(tǒng)的兼容性。

3.1.2 RFID應用系統(tǒng)動態(tài)測試

動態(tài)仿真測試技術的研究就是用來仿真RFID系統(tǒng)在實際應用環(huán)境中各種因素影響下的實際性能，因此，實際應用環(huán)境中各種影響因素的建模是仿真測試技術中的關鍵一環(huán)?？紤]實際應用環(huán)境時，必須全面考慮信號、噪聲、電磁兼容及不同的運動速度、標簽數量、讀寫速度等對于RFID系統(tǒng)穩(wěn)定性及實用性的影響。

目前，國內關于RFID系統(tǒng)的動態(tài)測試主要還是模擬實際物聯(lián)網環(huán)境，這樣的測試不僅在場地占用、操作性、費用等方面困難較大，而且需要對實際環(huán)境中的標簽信號、干擾信號、射頻反射、環(huán)境噪聲等進行大量的預測試。

為使檢測方便實用，江蘇省標準化研究院聯(lián)合南京航空航天大學應用物理系的研究人員，提出了一種半物理仿真驗證平臺。該方法一方面搭建模擬物聯(lián)網實際使用環(huán)境的硬件檢測平臺，另一方面通過計算機仿真（軟件）給系統(tǒng)施加背景噪聲、電路干擾、電磁干擾等信號，然后檢測RFID系統(tǒng)在各種復雜外部干擾下的實際防碰撞性能，并結合理論模型完成對RFID系統(tǒng)通信可靠性的全面評估。該方法的關鍵技術在于利用射頻、信號處理、控制、軟件等技術手段產生仿真信號和各種干擾源，并用信號模擬的方式來構造測試環(huán)境，通過對典型信號、干擾信號分別建模，同時利用軟件和硬件控制產生典型的測試信號，從而完成對物聯(lián)網實際使用環(huán)境的模擬。

3.2動態(tài)測試新技術研究

鐵路車號自動識別系統(tǒng)（AutomaticTrainIdentificationSystem，ATIS）是利用地面識別系統(tǒng)識別正在運行的列車上的電子標簽，獲得電子標簽上記錄的列車信息，然后將其傳輸給后臺計算機處理系統(tǒng)，從而達到實時跟蹤與管理列車的目的。鐵路車號自動識別系統(tǒng)一般要受到RFID系統(tǒng)通信質量、標簽性能、列車運行速度、周邊電磁環(huán)境等影響。目前，學者的研究主要放在相位、運行速度等對識別率的影響，并將此影響加入到ATIS的硬件系統(tǒng)中來提高識別率。理論上，對于車號的識別準確率可達到99%,基本可以實現跟蹤與管理。

郵政分揀系統(tǒng)則是將RFID技術用于郵件處理中心，實現郵件的自動分揀，以便有效解決速遞包裹在交接和分揀等生產環(huán)節(jié)中長期存在的生產效率低、勞動強度大和識別率低等問題。當附有電子標簽的郵袋經過RFID讀取區(qū)時，天線會讀取標簽上帶有的信息，并將信息傳遞到主要的控制系統(tǒng)，完成郵件的分揀。過程中出現分揀錯誤時，輸送帶指示燈會報錯并將郵袋導入正確的輸送帶上。整個過程在高速傳送狀態(tài)下完成自動讀取，不需要人為監(jiān)視。研究人員通過對郵件分揀的測試結果證明，其裝卸車識別率為99.4%,分揀識別率為100%，完全能夠適用于郵件處理中心的工作環(huán)境。

生產流水線RFID技術主要用于生產環(huán)節(jié)中對物流數據自動、及時和準確地采集。這一方面不僅可實現物流與信息流之間真正的無縫集成，另一方面，在對所采集的數據進行分析與處理后，可實現對物流及相關業(yè)務更精細化的管理和控制，有利于減少實際與計劃之間的偏差。

以江蘇省科技廳“江蘇省射頻識別技術公共服務平臺”和江蘇省質量技術監(jiān)督局“江蘇省射頻識別產品質檢中心”為依托，江蘇省標準化研究院聯(lián)合南京航空航天大學應用物理系研究人員，開展了“低信噪比條件下RFID通信性能測試方法”的課題研究，在多標簽環(huán)境和有噪聲干擾的低信噪比條件下，研究如何確定出接收信號的調制方式、頻偏和其它信號參數的檢測手段，以便為信號分析和開展RFID通信性能檢測提供依據。研究所提出的一種半物理仿真驗證平臺，主要用于對物聯(lián)網環(huán)境下RFID主要通信性能參數（識別率、誤碼率、識別距離等）進行檢測。該平臺分為硬件檢測平臺和仿真軟件兩部分，初步設計的小型硬件檢測平臺主要用于演示和模擬物流分揀環(huán)境下的RFID通信過程，并為防碰撞算法研究提供依據。該平臺主體結構為兩個環(huán)形輸送線直段（每個長2m）和兩個180。轉彎段，工作高度為750mm，轉彎段轉彎半徑為500mm；采用塑料平頂鏈輸送物料，寬度85mm:承載20kg/m:速度可以在5~25m/min范圍內變頻調速，動力裝置采用臺灣產優(yōu)質減速電機；輸送線周邊設2個天線架、1個電控柜和1個急停開關。該檢測平臺的CAD設計圖如圖5所示。

圖5 RFID通信性能檢測平臺

圖6給出了RFID通信性能檢測平臺中測量天線的設計方法。圖6中左、右兩部分從兩個角度用實心線和方塊表示在檢測平臺中測量天線的位置，這里采用了按正方形布置的四天線檢測區(qū)，中間為貼標簽物品傳輸通道，這樣更便于識別和捕獲從不同角度標簽發(fā)出的射頻信號。

圖6 RFID通信性能檢測平臺中的測量天線

圖7所示是檢測流程示意圖。該檢測流程依據國際上最新的EPCglobal標準進行設計，依次檢測標簽貼于物品不同位置后通過讀寫器天線（檢測區(qū)）的一系列通信性能參數（識別率、誤碼率、識別距離等），以求能獲得最大防碰撞性能的最佳標簽粘貼位置和數量。

圖7 檢測流程示意圖

半物理仿真驗證平臺的仿真軟件主要用于定量模擬實際物聯(lián)網環(huán)境中的各種干擾噪聲(多標簽、多讀寫器、金屬反射、電磁干擾等)，即采用信號模擬的方式半物理地構造測試環(huán)境,并將基于軟件生成的信號接入信號發(fā)生器，通過射頻電纜連到讀寫器上，定量檢測RFID系統(tǒng)防碰撞能力，其仿真軟件原理圖如圖8所示。從圖8可以看到，電子標簽進入監(jiān)測區(qū)域的信息檢測仿真系統(tǒng)中的二進制信源經編碼調制后經過信道，在信道中又因各種影響因素(介質、電磁環(huán)境、速度等)產生噪聲，然后將經過解調解碼得到的信息再與信源作比較，即可得出誤碼率。在此過程中，可以用小波分析等方法去噪，再對去噪后的信號進行調整，這樣可大大降低系統(tǒng)誤碼率。

圖8 仿真軟件原理圖

圖9所示是在一個典型RFID通信系統(tǒng)中加入噪聲以及去噪后的信號。

圖9 典型RFID系統(tǒng)信號去噪仿真

這里取一組隨機RFID信號序列“1010100110”，采用差動雙向編碼并經過FSK調制和加噪處理后，再經濾波器去噪后重新獲得RFID信號。這一仿真過程模擬了RFID通信系統(tǒng)的加噪和去噪信號處理，若隨機加噪信號是RFID讀寫器通過RFID標簽真實獲取的，則經過該軟件系統(tǒng)，就能有效評估RFID系統(tǒng)的防碰撞性能。換言之，圖8所示的仿真軟件與圖5所示的RFID通信性能檢測平臺相結合，就能實現RFID系統(tǒng)防碰撞能力的定量檢測。

4結語

本文簡要介紹了物聯(lián)網的總體架構，隨后敘述了RFID系統(tǒng)防碰撞問題以及動態(tài)仿真測試技術的最新進展，最后列舉了幾個動態(tài)測試技術的應用實例，并給出了一種新型RFID系統(tǒng)防碰撞半物理仿真驗證平臺的結構框架和相關仿真結果。

隨著RFID技術的發(fā)展，多種標準并存的局面已經形成。因各種標準中信號參數各不相同，故而給多標準間的通信互聯(lián)帶來很大障礙。日益復雜的通信環(huán)境對RFID系統(tǒng)防碰撞性能提出了更高的要求，分析物聯(lián)網環(huán)境下的RFID系統(tǒng)防碰撞性能已成為RFID動態(tài)測試中的研究熱點。RFID產品檢測的最終目標是建立自動化的模擬現場通用檢測平臺，而實際現場環(huán)境比實驗室環(huán)境要更復雜。因此，一方面要搭建模擬物聯(lián)網實際使用環(huán)境的硬件檢測平臺，另一方面，則可以通過計算機仿真(軟件)給系統(tǒng)施加背景噪聲、電路干擾、電磁干擾等信號，然后檢測RFID系統(tǒng)在各種復雜外部干擾下的實際防碰撞性能，并結合理論模型完成對RFID系統(tǒng)通信可靠性的全面評估，這已成為實現物聯(lián)網環(huán)境下RFID系統(tǒng)防碰撞性能動態(tài)測試的最新發(fā)展方向。

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