物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下RFID防碰撞及動(dòng)態(tài)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)是近年來(lái)形成并迅速發(fā)展的新概念，是新一代信息技術(shù)的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生是信息社會(huì)及其經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展的智慧結(jié)晶，是高科技領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)將給自動(dòng)識(shí)別技術(shù)行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命。

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)作為一種新穎的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有讀取距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、可大批量讀取等優(yōu)點(diǎn)，因而在物流供應(yīng)鏈、智能交通、生產(chǎn)自動(dòng)化、商品零售等眾多物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并成為了物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)。然而，在復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，密集標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境中的多標(biāo)簽、多讀寫器、各種外部噪聲、電子標(biāo)簽所附物體介質(zhì)(如金屬)等對(duì)標(biāo)簽讀取率的影響以及所引起的RFID讀寫設(shè)備故障等，往往會(huì)帶來(lái)RFID系統(tǒng)的碰撞問(wèn)題，并很大程度上影響到RFID技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。因此,有必要對(duì)RFID系統(tǒng)的碰撞過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出合理的解決方案，并提供一種動(dòng)態(tài)測(cè)試手段，以提高產(chǎn)品防碰撞測(cè)試的效率，降低測(cè)試成本。

本文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)以及RFID與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，然后分析了近年來(lái)幾種常見(jiàn)的RFID防碰撞算法，最后探討了RFID系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的最新進(jìn)展。文中提出了一種新型RFID防碰撞動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件和軟件框架，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了平臺(tái)的部分功能，從而為提高RFID系統(tǒng)動(dòng)態(tài)防碰撞提供了有效的測(cè)試手段。

1物聯(lián)網(wǎng)與RFID系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，它是架構(gòu)在現(xiàn)有或下一代公網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用RFID等傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)造的一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)中的各種信息傳感設(shè)備（如射頻識(shí)別設(shè)備、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等），與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，其目的就是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，以便識(shí)別和管理。

物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)如圖1所示。從邏輯層面上看，物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)可分為感知層、接入層、處理層、應(yīng)用層四個(gè)層面。感知層是指各種傳感器或終端設(shè)備等組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的感知、識(shí)別、檢測(cè)或數(shù)據(jù)采集，以及反應(yīng)與控制等；接入層是指各種有線或無(wú)線節(jié)點(diǎn)、固定與移動(dòng)網(wǎng)關(guān)組成的各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合體，主要用于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理與傳輸；處理層即中間件層,主要對(duì)海量的信息進(jìn)行智能化處理（接收、處理、整合），實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用層的支持；應(yīng)用層主要將物聯(lián)網(wǎng)與各種具體行業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)其在各領(lǐng)域的智能化應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一，RFID技術(shù)的原理就是利用射頻信號(hào)的空間耦合或反射來(lái)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)信息。它不需要人工接觸或光學(xué)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(dòng)識(shí)別技術(shù)，并成為了物聯(lián)網(wǎng)感知領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。RFID系統(tǒng)包括射頻前端、中間件與后臺(tái)的計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)，其中射頻前端完成系統(tǒng)的采集與存儲(chǔ)工作，中間件則提供信息格式的轉(zhuǎn)換與傳輸，計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)可對(duì)獲取的信息進(jìn)行應(yīng)用處理。

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

在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附在待識(shí)別的目標(biāo)表面，讀寫器則通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)利用自身能量或因感應(yīng)電流產(chǎn)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(tái)進(jìn)行相關(guān)處理，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物品的目的。射頻識(shí)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(shù)研究

RFID技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是多目標(biāo)同時(shí)識(shí)別。如果要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別，就要解決多標(biāo)簽對(duì)應(yīng)一個(gè)讀寫器或多個(gè)讀寫器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)干擾問(wèn)題，即碰撞問(wèn)題。碰撞問(wèn)題可分為標(biāo)簽碰撞和讀寫器碰撞兩種。標(biāo)簽碰撞是指當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)一個(gè)讀寫器時(shí)，標(biāo)簽同時(shí)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，信號(hào)之間相互碰撞，使讀寫器無(wú)法正確獲取相關(guān)信息；讀寫器碰撞是指當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)多個(gè)讀寫器時(shí)，因讀寫器工作頻率發(fā)生重疊而使標(biāo)簽無(wú)法選擇合適的讀寫器，從而無(wú)法建立標(biāo)簽與讀寫器之間的通信鏈路。

在標(biāo)簽防碰撞方面，考慮到標(biāo)簽內(nèi)部的復(fù)雜程度與成本問(wèn)題，實(shí)際中用到的電子標(biāo)簽大部分都是無(wú)源標(biāo)簽，因此，人們主要關(guān)注無(wú)源標(biāo)簽的防碰撞問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)簽），另一種是以Tree算法為代表的確定性算法（ISO/IEC18000-6TypeB標(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)簽）。

在概率算法中，最常用的就是時(shí)隙ALOHA算法。如果把時(shí)間分成多段固定時(shí)隙，固定時(shí)隙的長(zhǎng)度由系統(tǒng)時(shí)鐘決定，并規(guī)定只能在每個(gè)時(shí)隙的臨界處，電子標(biāo)簽才會(huì)主動(dòng)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間都固定在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，這樣數(shù)據(jù)要么發(fā)送成功，要么完全沖突，等待下一個(gè)時(shí)隙再次發(fā)送,這樣就能有效避免數(shù)據(jù)的部分沖突問(wèn)題。時(shí)隙ALOHA的原理圖如圖3所示。

圖3中有四個(gè)標(biāo)簽，在第一個(gè)時(shí)隙，標(biāo)簽1和標(biāo)簽2同時(shí)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，兩個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，發(fā)送失敗,標(biāo)簽1和標(biāo)簽2經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延會(huì)再次發(fā)送；在第二個(gè)時(shí)隙,標(biāo)簽3發(fā)送數(shù)據(jù)，過(guò)程中沒(méi)有與其他標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞,發(fā)送成功；在第三個(gè)時(shí)隙，標(biāo)簽2再次發(fā)送的數(shù)據(jù)與標(biāo)簽4發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，發(fā)送失敗，標(biāo)簽2和標(biāo)簽4經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延后再次發(fā)送；在第四個(gè)時(shí)隙，標(biāo)簽1再次發(fā)送的數(shù)據(jù)沒(méi)有與其他標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，發(fā)送成功，依此類推。

圖3 時(shí)隙ALOHA算法原理圖

ALOHA算法比較簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，適用于低成本RFID系統(tǒng)。但由于該類算法的時(shí)隙是隨機(jī)分配的，即存在某一標(biāo)簽在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法識(shí)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(hào)ID的請(qǐng)求命令，標(biāo)簽群收到請(qǐng)求命令后，將自身的序列號(hào)與ID進(jìn)行比較，若符合要求,則返回?cái)?shù)據(jù)；如果發(fā)生碰撞，讀寫器則根據(jù)序列號(hào)的碰撞位置將標(biāo)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(gè)標(biāo)簽，ID分別是0010、0100、0101、1001、1110、1111。從父節(jié)點(diǎn)開始查詢，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送信息0,所有ID第一位為0的標(biāo)簽響應(yīng)，并向讀寫器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，即在0節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞；讀寫器再次向響應(yīng)標(biāo)簽發(fā)送信息00,只有標(biāo)簽0010響應(yīng)，即此標(biāo)簽被識(shí)別；讀寫器再次發(fā)送信息01，標(biāo)簽0100、0101響應(yīng)，讀寫器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，即在01節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞；讀寫器再次發(fā)送信息010,標(biāo)簽0100、0101響應(yīng)，讀寫器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，即在010節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞；讀寫器再次向響應(yīng)標(biāo)簽發(fā)送信息0100,只有標(biāo)簽0100響應(yīng)，即此標(biāo)簽被識(shí)別；讀寫器再次向響應(yīng)標(biāo)簽發(fā)送信息0101，只有標(biāo)簽0101響應(yīng)，即此標(biāo)簽被識(shí)別。至此，0節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽查詢完畢，1節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽查詢與此相同。

Tree算法比較復(fù)雜，識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)，但不存在某一標(biāo)簽在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題，故被稱為確定性方法。

3RFID系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，RFID技術(shù)由于應(yīng)用環(huán)境中的溫度變化、各種噪聲、電子標(biāo)簽所附物體介質(zhì)（如金屬）等對(duì)標(biāo)簽讀取率的影響以及所引起的RFID讀寫設(shè)備故障等，很大程度上影響到RFID技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。初步研究發(fā)現(xiàn)，隨著干擾功率的增大，特別是干擾功率比較大的時(shí)候，誤碼率會(huì)隨著信噪比的減小而急劇上升。在工程實(shí)踐中，可通過(guò)增加天線的增益、改善天線的方向圖或減小讀寫器主板內(nèi)部的白噪聲，來(lái)達(dá)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(guó)內(nèi)關(guān)于RFID系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試主要還是模擬實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（如物流分揀環(huán)節(jié)、車輛運(yùn)行、進(jìn)出庫(kù)等），這樣的測(cè)試不僅在場(chǎng)地占用、操作性、費(fèi)用等方面困難較大，而且需要對(duì)實(shí)際環(huán)境中的標(biāo)簽信號(hào)、干擾信號(hào)、射頻反射、環(huán)境噪聲等進(jìn)行大量的預(yù)測(cè)試。因此，RFID測(cè)試技術(shù)成為RFID技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用實(shí)施過(guò)程中的重要技術(shù)保障。RFID測(cè)試技術(shù)的研究以及動(dòng)態(tài)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)已成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

3.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)

在依據(jù)不同場(chǎng)合和實(shí)際環(huán)境需求搭建RFID軟硬件動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)時(shí)，主要應(yīng)當(dāng)圍繞兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開展測(cè)試。

3.1.1RFID基本通信性能測(cè)試

目前，RFID基本通信性能測(cè)試大致可分為三類:一是標(biāo)簽和讀寫器的物理特性測(cè)試，二是空中接口一致性測(cè)試，三是RFID系統(tǒng)互操作性測(cè)試。因?yàn)椴煌恼{(diào)制解調(diào)、編碼解碼方法、頻段適用于不同的環(huán)境，所以在建立測(cè)試體系時(shí)，要依據(jù)實(shí)際環(huán)境選擇合適的方法和頻段，來(lái)建立所需的測(cè)試體系。建立的測(cè)試體系不應(yīng)該只適用于單獨(dú)的產(chǎn)品，而應(yīng)該面對(duì)同類產(chǎn)品的基本通信功能。

對(duì)于標(biāo)簽，應(yīng)該在電源適應(yīng)能力、噪聲、安全、電磁兼容、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性等方面進(jìn)行全方位測(cè)試，得出其主要指標(biāo)，如頻率響應(yīng)和品質(zhì)因數(shù)Q。對(duì)于讀寫器，應(yīng)該對(duì)其電路、輸出功率、頻譜、調(diào)制解調(diào)、空中接口等方面進(jìn)行測(cè)試以得出結(jié)論。最后，對(duì)于標(biāo)簽和讀寫器進(jìn)行互操作性測(cè)試，以確保RFID系統(tǒng)的兼容性。

3.1.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試技術(shù)的研究就是用來(lái)仿真RFID系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中各種因素影響下的實(shí)際性能，因此，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中各種影響因素的建模是仿真測(cè)試技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)?？紤]實(shí)際應(yīng)用環(huán)境時(shí)，必須全面考慮信號(hào)、噪聲、電磁兼容及不同的運(yùn)動(dòng)速度、標(biāo)簽數(shù)量、讀寫速度等對(duì)于RFID系統(tǒng)穩(wěn)定性及實(shí)用性的影響。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于RFID系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試主要還是模擬實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，這樣的測(cè)試不僅在場(chǎng)地占用、操作性、費(fèi)用等方面困難較大，而且需要對(duì)實(shí)際環(huán)境中的標(biāo)簽信號(hào)、干擾信號(hào)、射頻反射、環(huán)境噪聲等進(jìn)行大量的預(yù)測(cè)試。

為使檢測(cè)方便實(shí)用，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合南京航空航天大學(xué)應(yīng)用物理系的研究人員，提出了一種半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)。該方法一方面搭建模擬物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際使用環(huán)境的硬件檢測(cè)平臺(tái)，另一方面通過(guò)計(jì)算機(jī)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(hào)，然后檢測(cè)RFID系統(tǒng)在各種復(fù)雜外部干擾下的實(shí)際防碰撞性能，并結(jié)合理論模型完成對(duì)RFID系統(tǒng)通信可靠性的全面評(píng)估。該方法的關(guān)鍵技術(shù)在于利用射頻、信號(hào)處理、控制、軟件等技術(shù)手段產(chǎn)生仿真信號(hào)和各種干擾源，并用信號(hào)模擬的方式來(lái)構(gòu)造測(cè)試環(huán)境，通過(guò)對(duì)典型信號(hào)、干擾信號(hào)分別建模，同時(shí)利用軟件和硬件控制產(chǎn)生典型的測(cè)試信號(hào)，從而完成對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際使用環(huán)境的模擬。

3.2動(dòng)態(tài)測(cè)試新技術(shù)研究

鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AutomaticTrainIdentificationSystem，ATIS）是利用地面識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別正在運(yùn)行的列車上的電子標(biāo)簽，獲得電子標(biāo)簽上記錄的列車信息，然后將其傳輸給后臺(tái)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤與管理列車的目的。鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)一般要受到RFID系統(tǒng)通信質(zhì)量、標(biāo)簽性能、列車運(yùn)行速度、周邊電磁環(huán)境等影響。目前，學(xué)者的研究主要放在相位、運(yùn)行速度等對(duì)識(shí)別率的影響，并將此影響加入到ATIS的硬件系統(tǒng)中來(lái)提高識(shí)別率。理論上，對(duì)于車號(hào)的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)到99%,基本可以實(shí)現(xiàn)跟蹤與管理。

郵政分揀系統(tǒng)則是將RFID技術(shù)用于郵件處理中心，實(shí)現(xiàn)郵件的自動(dòng)分揀，以便有效解決速遞包裹在交接和分揀等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中長(zhǎng)期存在的生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和識(shí)別率低等問(wèn)題。當(dāng)附有電子標(biāo)簽的郵袋經(jīng)過(guò)RFID讀取區(qū)時(shí)，天線會(huì)讀取標(biāo)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(guò)程中出現(xiàn)分揀錯(cuò)誤時(shí)，輸送帶指示燈會(huì)報(bào)錯(cuò)并將郵袋導(dǎo)入正確的輸送帶上。整個(gè)過(guò)程在高速傳送狀態(tài)下完成自動(dòng)讀取，不需要人為監(jiān)視。研究人員通過(guò)對(duì)郵件分揀的測(cè)試結(jié)果證明，其裝卸車識(shí)別率為99.4%,分揀識(shí)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(chǎn)流水線RFID技術(shù)主要用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對(duì)物流數(shù)據(jù)自動(dòng)、及時(shí)和準(zhǔn)確地采集。這一方面不僅可實(shí)現(xiàn)物流與信息流之間真正的無(wú)縫集成，另一方面，在對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物流及相關(guān)業(yè)務(wù)更精細(xì)化的管理和控制，有利于減少實(shí)際與計(jì)劃之間的偏差。

以江蘇省科技廳“江蘇省射頻識(shí)別技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)”和江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局“江蘇省射頻識(shí)別產(chǎn)品質(zhì)檢中心”為依托，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合南京航空航天大學(xué)應(yīng)用物理系研究人員，開展了“低信噪比條件下RFID通信性能測(cè)試方法”的課題研究，在多標(biāo)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(hào)的調(diào)制方式、頻偏和其它信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)手段，以便為信號(hào)分析和開展RFID通信性能檢測(cè)提供依據(jù)。研究所提出的一種半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)，主要用于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下RFID主要通信性能參數(shù)（識(shí)別率、誤碼率、識(shí)別距離等）進(jìn)行檢測(cè)。該平臺(tái)分為硬件檢測(cè)平臺(tái)和仿真軟件兩部分，初步設(shè)計(jì)的小型硬件檢測(cè)平臺(tái)主要用于演示和模擬物流分揀環(huán)境下的RFID通信過(guò)程，并為防碰撞算法研究提供依據(jù)。該平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)為兩個(gè)環(huán)形輸送線直段（每個(gè)長(zhǎng)2m）和兩個(gè)180。轉(zhuǎn)彎段，工作高度為750mm，轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)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(nèi)變頻調(diào)速，動(dòng)力裝置采用臺(tái)灣產(chǎn)優(yōu)質(zhì)減速電機(jī)；輸送線周邊設(shè)2個(gè)天線架、1個(gè)電控柜和1個(gè)急停開關(guān)。該檢測(cè)平臺(tái)的CAD設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 RFID通信性能檢測(cè)平臺(tái)

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

圖6 RFID通信性能檢測(cè)平臺(tái)中的測(cè)量天線

圖7所示是檢測(cè)流程示意圖。該檢測(cè)流程依據(jù)國(guó)際上最新的EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依次檢測(cè)標(biāo)簽貼于物品不同位置后通過(guò)讀寫器天線（檢測(cè)區(qū)）的一系列通信性能參數(shù)（識(shí)別率、誤碼率、識(shí)別距離等），以求能獲得最大防碰撞性能的最佳標(biāo)簽粘貼位置和數(shù)量。

圖7 檢測(cè)流程示意圖

半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)的仿真軟件主要用于定量模擬實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的各種干擾噪聲(多標(biāo)簽、多讀寫器、金屬反射、電磁干擾等)，即采用信號(hào)模擬的方式半物理地構(gòu)造測(cè)試環(huán)境,并將基于軟件生成的信號(hào)接入信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)射頻電纜連到讀寫器上，定量檢測(cè)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(biāo)簽進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息檢測(cè)仿真系統(tǒng)中的二進(jìn)制信源經(jīng)編碼調(diào)制后經(jīng)過(guò)信道，在信道中又因各種影響因素(介質(zhì)、電磁環(huán)境、速度等)產(chǎn)生噪聲，然后將經(jīng)過(guò)解調(diào)解碼得到的信息再與信源作比較，即可得出誤碼率。在此過(guò)程中，可以用小波分析等方法去噪，再對(duì)去噪后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)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(gè)典型RFID通信系統(tǒng)中加入噪聲以及去噪后的信號(hào)。

圖9 典型RFID系統(tǒng)信號(hào)去噪仿真

這里取一組隨機(jī)RFID信號(hào)序列“1010100110”，采用差動(dòng)雙向編碼并經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制和加噪處理后，再經(jīng)濾波器去噪后重新獲得RFID信號(hào)。這一仿真過(guò)程模擬了RFID通信系統(tǒng)的加噪和去噪信號(hào)處理，若隨機(jī)加噪信號(hào)是RFID讀寫器通過(guò)RFID標(biāo)簽真實(shí)獲取的，則經(jīng)過(guò)該軟件系統(tǒng)，就能有效評(píng)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(cè)平臺(tái)相結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)防碰撞能力的定量檢測(cè)。

4結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)，隨后敘述了RFID系統(tǒng)防碰撞問(wèn)題以及動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試技術(shù)的最新進(jìn)展，最后列舉了幾個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，并給出了一種新型RFID系統(tǒng)防碰撞半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架和相關(guān)仿真結(jié)果。

隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，多種標(biāo)準(zhǔn)并存的局面已經(jīng)形成。因各種標(biāo)準(zhǔn)中信號(hào)參數(shù)各不相同，故而給多標(biāo)準(zhǔn)間的通信互聯(lián)帶來(lái)很大障礙。日益復(fù)雜的通信環(huán)境對(duì)RFID系統(tǒng)防碰撞性能提出了更高的要求，分析物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的RFID系統(tǒng)防碰撞性能已成為RFID動(dòng)態(tài)測(cè)試中的研究熱點(diǎn)。RFID產(chǎn)品檢測(cè)的最終目標(biāo)是建立自動(dòng)化的模擬現(xiàn)場(chǎng)通用檢測(cè)平臺(tái)，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要更復(fù)雜。因此，一方面要搭建模擬物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際使用環(huán)境的硬件檢測(cè)平臺(tái)，另一方面，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)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(hào)，然后檢測(cè)RFID系統(tǒng)在各種復(fù)雜外部干擾下的實(shí)際防碰撞性能，并結(jié)合理論模型完成對(duì)RFID系統(tǒng)通信可靠性的全面評(píng)估，這已成為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下RFID系統(tǒng)防碰撞性能動(dòng)態(tài)測(cè)試的最新發(fā)展方向。

20210914_613f87f65a8e7__物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下RFID防碰撞及動(dòng)態(tài)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究