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生产线射频识别系统及其反碰撞研究 摘要 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是最近二十多年来逐 步走向成熟的新型自动识别技术，通过射频通信的方式采集和交换信息，具有非 接触，多目标同时识别，信息储存量大等优点。随着计算机技术，集成电路和网 络技术的迅猛发展，射频识别技术在物流，生产，军工等方面发挥着越来越大的 作用，本文重点研究了射频识别技术在自动化生产线上的用途。 在介绍了射频识别的工作原理、特点、通信协议等基础性知识后，着重研究 了射频识别的关键技术一射频识别系统的反碰撞算法，并分析了现有的多个主要 国际协议采用的方法。 重点分析了应用在自动化生产线上的超高频u h f 波段的r f i d 标准i s 0 1 8 0 0 0 - - 6 和e p c g l o b a lc l a s s lg e n 2 协议及其实现的办法，着重研究了反碰撞算法实 现方法。并在此基础上进行了仿真和相关研究，深入了解算法的特性。并通过仿 真实现了模拟了协议的部分性能。 在以上理论研究的基础上，与同事和嵌入式丌发小组成员共同开发了符合 e p cg e n 2 协议标准的9 1 5 m h z 读写器，独立研究和编写了读写器中的协议解析部 分代码，并重点对反碰撞部分进行了优化和测试，设计中使用了w j 公司的 w j m 3 0 0 0 射频控制模块，配合s a m s u n ga r m 7 4 4 b o 和r e a l t e a k 8 0 1 9 网络芯片，设 计了生产线r f i d 读写器，样机在海尔公司的特种冰箱生产线上进行了试验，证 明其能够实现e p cg e n 2 协议的基本功能。 关键词：射频识别；反碰撞：嵌入式系统 r e s e a r c ho fp r o d u c tl i r er f i ds y s t e ma n di t s a n t i - - c o l ij s j o n a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) i so n et h em o s ti m p o r t a n tr e c e n t l y d e v e l o p e da u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i tu s e sr a d i ow a v et o c o l l e c ta n de x c h a n g ei n f o r m a t i o n ，h a v et h ea d v a n t a g eo fc o n t a c t l e s sa n d m u l t i p l e t a r g e tr e c o g n i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y i n t e g r a t ec i r c u i t ，a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，r f i di sl a r g e l yu t i l i z e di n l o g i s t i c ，m a n u f a c t u r e ，m i l i t a r ya n de t c t h i sp a p e re m p h a s i z e si nt h er f i d a p p l i c a t i o ni na u t o m a t i cp r o d u c t1 i n e s a f t e ri n t r o d u c i n gt h er f i df o u n d a t i o na n dp r o t o c o la n ds p e c i a lf a c t o r s ， t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m su s e di nr f i ds y s t e m s a n da n a l y s i st h e i ra p p l i c a t i o ni ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dp r o t o c o l s b a s e do nt h er e s e a r c hi nt h eu h fr f i ds t a n d a r d sl i k ei s o1 8 0 0 0 - 6s e r i e s a n de p c g l o b a lg e n 2p r o t o c 0 1 t h i sp a p e rm a k e ss o m es i m u l a t i o na n dr e s u l t s a n a l y s i so fe p cg e n 2p r o t o c o l 。a n dm a k e ss o m es i m u l a t i o na b o u ti t f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fa ne p cg e n 2c o m p l i a n t 9 1 5 m h zr f i dr e a d e r e s p e c i a l l ya n a l y s e st h ep r o t o c o lp a r s ep a r ta n d a n t i c o l l i s i o nm e t h o d t h i sp r o d u c ti sc b m p o s e do f 3w j m 3 0 0 0r fm o d u l e s a m s u n ga r m 4 4 b oc p u ，r e a l t e a k 8 0 1 9a n do t h e rr e l a t e dc h i p sa n dp a r t s t h e p r o t o t y p eh a sb e e nt e s t e di nt h eh a i e rs p e c i a lr e f r i g e r a t o rp r o d u c t1 i n e s ， a n di sp r o v e dr e a l i z e dt h eb a s i ce p cg e n 2f u n c t i o n s k e yw o r d s ：r f i d ，a n t i - c o l l i s i o n ，e m b e d d e ds y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 i 逵；壅旦遗直基丝盂墓挂型直盟数：奎拦亘窒2或其他教育机构 的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字f 1 期：年月f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签字： 叮锄力 签字日期： 年月同签字f 1 期：年月同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 生产线射频识别系统发1 e 反碓掩研究 1 引言 1 1 射频识别技术介绍 无线射频技术“1 ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术是一种非接 触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的自动识别。1 。 射频识别系统一般出两个部分组成，即电子标签( 应答器，t a g ) 和读写器系统 ( r e a d e r ) ，在应用中，将需要识别的物体进入读写器的工作范围内时，读写器可 以自动的将电子标签中的数据信息提出出来，从而实现自动识别物体或者自动采 集物品标志性信息的功能，读写器系统山读写器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 两部 分。而往往天线和读写器又结合在一个设备单元内。 所以射频识别系统的基本功能和性能也就由电子标签( t a g ) 和读写器 ( r e a d e r ) 决定。在比较大型的应用中，比如工业生产线上，为了处理大量和复 杂的数据，往往还需要用到中间件或中央控制器，用来完成对多个读写器和天线 的管理，并且使用到网络和数据库等多样综合技术来实现对采集数据的处理和跟 踪。 1 1 1 射频识别技术的发展历史和应用现状 射频技术最早出现在二战时期的空战中，当时被英国空军用来空中战机的敌 我识别。在1 9 4 8 ，哈里斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发表了文章“c o m m u n i c a t i o n b ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r ”奠定了射频识别技术( 用射频信号交换信息) 的理论基础。从历史上来看，r f i d 技术的发展可以分为以下几个阶段。“： 1 9 4 1 1 9 5 0 ： 雷达的改进和应用，h a r r ys t o c k m a n 奠定r f i d 技术的理论基 础。 1 9 5 1 1 9 6 0 ： 1 9 6 1 1 9 7 0 ： 1 9 7 l 1 9 8 0 ： 1 9 8 l 一1 9 9 0 ： 早期r f i d 技术的探索阶段，实验室研究。 r f i d 技术的理论发展阶段，开始一定的应用尝试。 ，“ r f i d 技术的大发展阶段，r f i d 技术测试得到加速，部分瘟用。 r f i d 技术及其产品进入商业应用阶段，多种封闭式系统的应 用。 1 9 9 1 - - 2 0 0 0 = 国际标准工作引起重视，和计算机，通信r f i d 产品得到广泛 应用。 生产线射频识别系统及】c 反碰掩研究 2 0 0 1 一今： 各类国际标准纷纷出台，产品向低功耗，高性能，低成本发展， 与信息系统和网络技术紧密结合，发展越来越快。 自上世纪9 0 年代，射频识别技术应用的主要领域有： 1 物流行业 海关，超市等方面的物流管理，很管用。 2 图书馆图书管理 美国加州理工大学已经在校内图书馆中普遍使用了射频标签进行图书管 理，我国很多高校也试点使用了射频卡来进行读者管理和图书管理。 3 高速公路不停车收费和停车管理 台湾最近就已经在高速公路上使用了不停车收费系统，而很多小区也已 经使用射频卡来进行停车管理。 4 金融支付 韩国等国家已经可以使用内置在手机中的射频卡在路边的自动售货机中 购买多种产品；而很多校园内已经广泛普及了校园一卡通等产品，由于 射频卡上具有较大的存储空间，所有还可以作为医保卡，驾照 5 生产线自动化 在德国的宝马公司汽车生产线，韩国三星公司的洗衣机生产线，国内海 尔公司的特种冰箱生产线，富士康公司的打印机生产线上，都已经使用 了可以重复使用的射频卡，每个工作点都稚设有射频读写器，这样就保 证精确和实时的采集现场上的情况，大大提高了生产线的工作效率。 6 身份识别和防伪 如马来西亚已经在1 9 9 9 年全国普及了采用射频技术的护照，而我国也已 经丌始使用具有i s o1 8 0 0 0 - 6t y p eb 技术的二代居民身份证。而由于射 频技术的保密性高，难以复制，很多高端的奢侈品牌还纷纷应用到产品 的防伪方面。 更多的应用领域如下图所示： 2 生产线射频识别系统及1 e 反碰扮研究 ；o 自m 公共交通“一 ：叼 危险品管理 趋市物黯理 踟脯理 农、雌产管理 总白锅 1 1 l 铲臼砂。o 。幻企乡 军事物资管理 火车管理民航管理 剀卜1r f i d 技术的应用领域 智麓化建筑 ，、 身份髓 t _ j 品 d 姚毽鳇 物琉 航运管理 1 1 2 射频识别技术系统的原理 射频识别技术的基本工作原理如下：当标签进入读写器产生的磁场后，接收 读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品 信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号 ( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ；读写器读取信息并解码后，送至控制器 进行处理：控制器根据逻辑判断来验证信息的有效性，然后根据相关的设定进行 处理和控制：并对标签发送控制命令；射频标签从接受到的射频波中解读出信息 并进行逻辑处理，然后完成数据发送，存储或其他操作。 典型的生产线上的射频识别系统由以下基本部分组成： 读写器( r e a d e r ) 读写器包括射频信号发射单元，高频信号接收器，控制单元三个基本部分 组成，同时还包括了附加的接口用来参数输入，数据传输，以便将从天线获得 的数据传输给后台的中自j 件或后台服务器进爹处理和储存。 读写器控制单元包括的功能有：执行服务器发来的系统指令，控制和标签的通 信流程，对受到信号的解码和解密，执行反碰撞算法选择标签，信号有效性的 验证，和后台服务器的通信。 黟 三 生产线射频识别系统及1 e 反碰掩研究 天线( a n t e n n a ) 用来产生交变磁场，发大读写器和标签发出的射频信号。给标签供给能量。 标签( t a g ) 射频标签也叫电子标签、智能标签、t a g 或者s m a r tl a b e i s 。其核心是采 用r f i d 射频识别技术、具有一定存储容量的芯片。标签是由耦合元件及微芯片 组成，其中包含带加密逻辑、串行e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器) 、 微处理器c p u 以及射频收发及相关电路电子标签具有智能读写和加密通信的 功能，它是通过无线电波与读写设备进行数据交换。能量出天线发出的射频脉 冲提供。射频标签在应用的时候附着在被识别物体的表面( 或内部) 。 后台服务器( s e r v e r ) 后台服务器用来处理读写器发送来的信息，并作为m i s ，e r p 系统的前端数 据采集接口，将有效数据进行暂存，并交给后台的企业服务器；同时将现有的生 产数据即时的提供给生产线操作人员；而且在生产线具有大量的读写器时，还要 肩负读写器之自j 的反碰撞的控制功能。 标签 幽卜2 射频识别系统基本组成 1 1 3 射频识别技术在自动化生产线上的应用 在传统的非信息化生产线上，通常是通过使用手工记录来管理产品批次的生 产过程( 同期、时间、批次、操作员、质检情况、当前工作流程) 等产品信息， 待加工完成后，再手动将相关盼记录录入计算机信息管理系统。这样操作的弊端 就是实时性差，数据的可靠性和采集的效率低，随着生产线对自动化程度要求的 提高和对产品质量要求的提高，此类系统已经无法满足现代化生产的要求。“1 在目前大部分的家电生产线上，普遍采用了条形码识别的办法来监控产品的 生产和质量。取得了一定的效果。生产线上的员工通过手动使用条码枪扫描来录 4 瓣 、 蚋一掣 。一 ，蹩 p 磁 譬 芬 弋 生产线射顿识别系统发1 e 反碰掩研究 入产品的相关信息，从一定程度上提高了工作效率，但是也存在一定的不足，主 要表现在手动扫描带来比较高的条码漏扫率，同时条形码容易磨损，无法重复利 用，能够携带的信息也比较有限，读取的时间较长，只能近距离读取，无法更改 携带的信息。这些问题影响了生产线的运转效率，也降低了自动化程度，通常在 冰箱生产线上要使用多达十多枚条形码标签才能完整记录生产流程，而且也无法 回收利用，浪费相当严重。 随着r f i d 技术的发展，将射频系统应用在自动化生产线上j 下在取得越来越 明显的效果。通过使用采集有效距离在5 一l o 米超高频u h f 波段的射频识别系统， 将读写器固定在关键工序的操作台上方，可以自动的准确采集相关的产品信息， 基本上能够消除人工扫描产生的误差。而且将其和后台的产品信息系统整合后， 能够实时的对生产线情况进行精确监控，对掌握生产线情况，产品质量跟踪，物 料配给产生了积极的作用，更重要的是在整个的生产流程中，可以通过只使用一 枚标签，就可完成对所有生产步骤的信息储存，大大降低了条形码的浪费，而且 在使用完后可以回收反复利用，降低了整体的使用成本，。 从长远来看，使用射频标签替代条码之后，除了可以明显的增加生产线层次 数据收集的速度和准确度之外，更能够提高从生产线到物流，从物流到销售商的 信息共享度，将原本相互隔离的信息点通过标签连接起来，从而方便统计产品的 销售情况，并有利于对产品质量进行准确的回溯。根据海尔特冰生产线上的试用 情况，其中单就节约的条形码费用即可每年大概能够产生1 8 0 万元人民币的效 益。而在海尔全部两百多条生产线上进行推广的话，取得的收效就更加明显。由 于射频标签采集的信息数据是准确的、实时的，可以实现一个生产线的自动调度 和排查，可以使产能发挥到极致，可以增加生产效率的产能。同时也可以实现生 产线的生产管理，减少故障处理时间和几率，节省大量的时间和资会流。 生产线射频识别系统发1 e 反碰掩研究 读写器天线 幽卜3 射频识别系统在生产线上应_ h j 示意 1 2 射频识别技术的分类和国际标准硼 按照不同的应用环境，系统特性和国际组织标准，射频识别系统有很多种不 同的分类方法。由于射频识别系统的关键性能主要由其工作频率决定，在下面主 要按照射频识别系统的工作频率进行分类： 1 低频系统1 2 5 k h z 一1 3 5 k h z ：( 工作波长：2 5 0 0 米左右) 传输距离：相对较短 读写性能：高穿透性能( 金属材料除外) ； 频率限制：全球通用，无特殊限制； 读写速度：读写速度的相对较慢； 典型应用：汽车防盗、自动停车场收费，车辆管理，门禁安全，畜牧业管理。 国际标准： i s o11 7 8 4r f i d 畜牧业的应用一编码结构 i s ol1 7 8 5r f i d 畜牧业的应用一技术理论 6 生产线射频识别系统发j e 反砩掩研究 i s o1 4 2 2 3 一lr f i d 畜牧业的应用一空气接口 i s o1 4 2 2 3 - 2r f c 畜牧业的应用一协议定义 i s o1 8 0 0 0 2 定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议 d i n3 0 7 4 5 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准 2 高频系统1 3 5 6 m h z ( 波长大约2 2 m ) 传输距离：相对较短 读写性能：较强穿透性能( 但是穿透后会较大的影响读写距离) ；读写速度的比 低频系统快； 频率限制：全球通用，无特殊限制； 典型应用：图书管理系统应用，部分生产线和物流系统，智能仓储管理。 国际标准： i s o i e c1 4 4 4 3 近耦合i c 卡，最大的读取距离为l o c m i s o i e c1 5 6 9 3 疏藕合i c 卡，最大的读取距离为1 m i s 0 i e c1 8 0 0 0 3 该标准定义了1 3 5 6 m h z 系统的物理层，防冲撞算法和通信协 议。 1 3 5 6 m h zi s mb a n dc l a s s1 定义1 3 5 6 m h z 符合e p c 的接口定义。 3 超高频系统8 6 0 m h z 一9 6 0 m h z ( 波长大约3 0 c m ) 传输距离：无源系统可达l o m 左右，但是读写区域比较难界定 传输方式：电容耦合 频率限制：全球定义有所不同，欧洲和部分亚洲定义为8 6 8 m h z ，北美为9 0 2 到 9 0 5 之间，日本为9 5 0 到9 5 6 之间。 读写性能：不能通过很多材料，特别是水、浮尘、雾等颗粒。可以直接贴在金属 上，读写速度快，可以短时间内读写大量标签。 典型应用：生产线自动化管理和应用，集装箱管理，供应链和物流。 国际标准： l 、i s o i e c1 8 0 0 0 6 “1 系列标准为i s o 组织定义的超高频的物理层和通信协议： 其中通信接口定义了t y p ea ，t y p eb ，t y p ec ( 即g e n 2 ) 生产线射频识别系统发1 e 反纠i 掩研究 2 、e p cg l o b a l 定义了电子物品编码的结构和超高频的空中接口及通信间的协 议。例如c l a s s o ，c l a s s l ，u h fg e n 2 3 、u b i q u i t o u si d 同本的组织，定义了u i d 编码结构和通信管理协议。 从上述频段产品的性能分析可以得出，最适合在生产线上应用的系统是 9 1 5 m h z 波段的超高频系统，因为其可以满足远距离自动扫描，大量目标同时读 取，强抗干扰能力等一系列工业生产线特殊的要求。故本文着重研究的是运行在 9 1 5 m h z 左右超高频射频识别系统，着重点在于符合e p cg l o b a l 最新颁布的 c l a s s lg e n 2 协议的系统。叫 1 3 选题的意义和主要的工作介绍 射频识别技术最近几年的发展非常迅速，自从沃尔马宣布在全世界前5 0 0 的 供应商都要在供货产品上使用射频标签后，在世界范围内引起了一场生产商的射 频识别系统普及高潮。国外的大型企业如欧姆龙、宝马、三星电子等都纷纷在企 业内上试用了射频识别系统。国内外的高等院校和科研院所也展开了大量的研 究，使得射频系统的成本大大下降，可靠性和性能都大大提高，对传统的制造业 技术升级有着深远的影响。 由于生产线上设备工作环境复杂，往往会在生产线上稚胃数十乃至上百的读 写器，而且生产线上也会同时监控上百数千个标签，所以射频信号的碰撞问题比 较突出，如何能够保证读写的高准确率是要解决的突出问题。本文就重点研究了 生产线上使用的超高频u h f g l 5 m h z 波段的射频识别系统。并深入分析了 e p c g l o b a lg e n 2 协议的空中接口和细节内容：重点研究了其中反碰撞的原理和 实现方法：进行了大量的试验和仿真；并有针对性的提出了改进的方案而进行了 仿真。 在理论研究基础上，对现有的反碰撞方法掌握基础上，参与了海尔特冰生产 线射频识别系统的生产线射频识别读写器的研发工作，负责了软件部分的实现工 作；重点实现了g e n 2 协议的解析和反碰撞算法；并设计了整个系统的软件工作 流程。 8 生产线射频识别系统及j e 反碰掩研究 2r f i d 反碰撞技术介绍 2 1 反碰撞问题简介“m “嘲 在射频识别系统工作时，在多种情况下可能发生数据传输的碰撞。分别如下： 1 标签和标签间的干扰。发生在多个标签同时出现在一个读写器的读写范 围内时，当读写器发出读取命令时，可能有多个标签同时回传数据，从而导致冲 ， ， 、 ，7 一 、 二 弘品_ i ： 、一 一 、 当一个标签处于多个读写器工作范围内时，会有多个读写器同时试图与标签 进行通信，此时，如图中所示r 1 和r 2 所发出的信号可能在标签t i 产生干 扰。这样的话标签就无法获得币确的读写指令，也就无法回传j 下确的信息。 诀写嚣1 读写距离。 、。 、 ! ：譬r 11 一- 1 ；：气、 ； 一；、 t ， 、乃。 谈写嚣2 诶写范围 诶写嚣 一标签 圈2 - 2 多读写器一标签间的干扰 2 读写器一读写器间的干扰 生产线射频识别系统发1 e 反掏i 掩研究 读写器间的干扰如图2 3 所示，就是当读写器的读写区域互相干扰，一个读 写器的传输信号影响了其他读写器工作，从而使其他的读写器无法正常工作 的现象。如读写器r 1 处于读写器r 2 的干扰范围内，而从标签r 1 反向回传 到读写器r 1 的信号也容易被r 2 发出的信号干扰，从而影响系统正常工作。 谖写景2 干扰范围 读写器1 诶写范围， ，。y t 2 ，r 1 鼍 1 1 诶写善2 诶写范圈 读写嚣 - 标签，7 幽2 3 读弓器一读写器间的干扰 正因为在实际的使用中，特别是超市，物流，生产线等复杂环境下，在很小 的范围内往往装备了几十个读写器，读写器间的射频覆盖范围相互交集，而同时 又有成百上千个标签通过读写器，所以解决射频识别系统的读写速度和识别率问 题就显得尤为重要。 2 2 标签反碰撞解决方案 在无线通信技术中，通信冲突是长久以来一直存在的问题，解决的方案比较 多。总体上分为四类：空分多路( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s ss d 姒) ，频 分多路( f r e q u e n c yd o m a i nm u l t i p l ea c c e s sf d m a ) ，时分多路( t i m ed o m a i n m u l t i p l ea c c e s st d m a ) 和码分多路( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 一也 就是所谓扩频技术( s p r e a d - - s p e c t r u m ) 。这几种技术都可应用于解决标签与标 签间发生的干扰问题，下面详细介绍一下这几种解决方案的特点： 1 空分多路( s d m a ) 空分多路( s d m a ) 是在分离的空间范围内重新使用确定的资源( 通信容址) 。 一种方法是使用单个阅读器的作用距离明显减少，而把大量的阅读器和天线 的覆盖面积并排地安簧在一个阵列之中，当标签经过这个阵列时与之最近的阅读 器就可以与之进行通信，而因为每个天线的覆盖面积小，所以在相邻的阅读器区 1 0 生产线甜频识尉系统厦儿反碰掩研究 域内有其他标签时仍然可以相互交换信息而不受到相邻的干扰，这样许多标签在 这个阵列中，由于空间分棺可以同时被识别而不会相互影响。 第二种方法是在阅读器上采用一个电子控制定向天线，该天线的方向直接对 准某个标签( 自适应的s d m a ) 。所以不同的标签可以根据它在阅读器作用范围内 的角度位置区分开来，可以用相控阵天线作为电子控制定向天线，这种天线由若 干个偶板子元件构成，用各个确定的独立的相位去控制每个偶极予元件。天线的 方向就是由各个不同方向的偶极子的单个波叠加出来的，某个方向上，偶极子元 件的单个场的叠加由于相位关系。得到加强；相应在其他方向上，则全部或部分 抵消而被减弱。为了启动某一个标签，必须使定向天线扫描阅读器周围的空间， 直至此标签被阅读器的“搜索波束”检测到为止。 射频识别系统用的自适应s d m 因为天线的结构尺寸小的关系，只有当频率 大于8 5 0 1 1 z ( 典型为2 ，4 g h z ) 才能使用，而且天线的结构复杂，实施费用高， 因此此种方法限制在一些特殊的应用中。 2 频分多路( f d m a ) 频分多路( f d m a ) 法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通信 用户使用的技术。对于射频识别系统来说，可以使用具有可自由调整的、非发送 频率谐振的标签。对标签的能量供应以及控制信号的传输则使用最佳的使用频率 f ，标签可咀使用若干个供选用的应答频率。因此，对于标签的传输柬说可以使 用完全不同的频率。 f d m a 的缺点是阅读器的费用相当高，因为每个接收通路必须有自己单独的接 收器提供所以这种方法只能在少数几种特殊应用上。 事实上，现在也有一些采用f d 姒方法的低成本解决方案，比如加州理工大 学射频研究中心采用的低成本就取得了不错的效果。 l ” 3 时分多路( t d i , i a ) t d m a 是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户的技术它在数 字移动无线电系统的范围内广泛推广使用，对于射频识别系统t i ) m a 成为多路 法最大的一簇。这种方法又分为标签控制( 驱动法) 和阅读器控制( 询问驱动法) 。 标签控制法的工作是非同步的，因为这旱对阅读器的数掘没有控制按照标签成 功地完成数据传输后是否通过阅读器的信号断丌又可区分为。开关断丌”和“非 生产线射频识别系统发1 e 反嗣i 掩研究 丌关”法。这种控制法很慢而且不灵活，因此大多数射频识别系统采用由阅读器 作为主控制器的控制方法，可以同步进行观察，因为这里所有的标签同时由阅读 器进行控制和检测通过一定的算法，在阅读器的作用范围内，从所有标签中选 择其中一个标签，然后进行相互通信( 如鉴别、读出和写入数据) 为了选择另外 一个标签，应该解除原来的通信关系，因为在某一时间内只能建立起唯一的通信 关系，也就是单个标签占用信道通信，可以快按时间顺序快速地操作众多标签， 所以阅读器控制的方法也称作定时双工传输法。用t d m a 时，于扰标签会被分配 不同时隙内避免同时传输，与著名的图着色理论中的着色问题相似，是个n p 难 度问题。但是改进的t d m a 可以比较好的避免标签碰撞问题。 4 码分多路( c d 姒) c d m a 是数字技术的分支扩频通信技术发展起来的一种崭新的无线通信技术。 c d m a 技术的原理是基于扩频技术，而用户具有特征码，即c d m a 包含扩频 ( s s s p r e a ds p e c t r u m ) 与分码两个基本概念扩频是信息带宽的扩展，即把需要 传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机 ( p n ) 码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收 端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成 原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。码分是实现用户信道和基站的 标识问题。可以用不同移相的伪随机系列来实现基站的码分选址，用一定的算法 实现信道的选择，用周期足够长的p n 序列实现用户的识别和多速率业务的识别。 c d m a 缺点是频带利用率低、信道容量较小；地址码选择较难：接收时地 址码捕获时间较长。其通信频带及其技术复杂性等很难在射频识别系统中推广应 用。 5 射频识别系统面临的多路存取的特征 对于射频识别系统而言，多路存取具有以下几个特征： 首先，阅读器和标签间的通信传输总时间由数据包的大小和波特率决定，数 据传播延时可以忽略不计。并且，射频识别系统包括了大量的标签并且数量动态 变化，标签只有通过竞争激励的办法占用信道进行通信。标签在没有得到阅读器 允许的情况下不能主动和读写器通信，因此对于射频识别系统来说，只有在阅读 器选定标签的情况下，标签才能以点对点的形式，占用信道和读写器进行通信， 1 2 生产线射频识别系统发l e 反碰掩研究 射频识别系统的通信仲裁机制应是个比较短暂的过程，也就是说，标签的选取和 仲裁不应占太多的带宽资源。 综合读写速度，复杂性，系统总体成本，目前使用的射频识别系统，主要还 是使用了基于时分多路技术的各类算法来解决反碰撞问题。而时分多路由主要的 方法就是二进制搜索法和a l o h a 法，当前国际标准中使用的主要反碰撞方法也都 是这两种方法的改进。下面重点介绍以下这两种方法的原理和改进。 2 2 1 - 二进制搜索及其改进算法 1 检测冲突的编码 实现“二进制搜索”算法系统的必要前提就是能够辨认出在阅读器中数据冲 突的比特的确切位置。为此，必须有合适的位编码算法。最下面对n r z 编码和曼 彻斯特编码在抗冲突的方面的状况做一比较( n r z 编码和曼彻斯特编码的位编码 如图2 - 1 所示) ，选择a s k 调制副载波的负载调制电感耦合系统作为标签系统。 基带编码中的1 电平使副载波接通，0 电平使副载波断开。 n r z - - 非归零码：某位之值是在一个位窗( b i tw i n d o w - - t b r r ) 内由传输通路 的静态电平表示的。逻辑“1 ”编码为静念“高”电平，逻辑“0 ”编码为静态“低” 电平。 如果两个标签之一发送了副载波信号，那么这个信号由阅读器译码为“高” 电平，且被定位逻辑“1 ”。阅读器不能确定，读入的某位究竟是若干个标签发送 的数据相互重叠的结果或者是单个标签发送出的信号，信号校验和( 奇偶校验和 c r c 校验) 的应用仅仅能够确定数据块中“任何一位”出现错误。 曼彻斯特编码：某位之值是在一个位窗( t b r r ) 内由电平的变化( 上升下降) 边来表示的。这里，逻辑“0 ”编码为上身边，逻辑“1 ”编码为下降边。在数据 传输过程中“没有变化的状态”是不允许的，并且作为错误被识别。 n r z 编码 m a n c h e s t o r 编码 1011o010 z1 zzz 善j 1o11oo 1 o 生产线射频识别系统及1 e 反碰捕研究 幽2 - 4n r z 与m a n c h e s t e r 编码波形 由两个( 或多个) 标签同时发送的数位有不同之值，则接受的上升边和下降 边互相抵消，以致整个边窗内接收器接受到的是不问断的副载波信号，在曼彻斯 特编码中对这种状态未规定。因此，这种状态导致一种错误，从而可以用这种方 法按位来回溯跟踪冲突的出现。用n r z 和曼彻斯特编码检查碰撞情况可以用下图 2 5 来表示。 由上所述，为了实现“二进制”搜索算法系统，就要选用曼彻斯特编码。下 面介绍算法系统本身： “二进制搜索”算法系统是由在一个阅读器和多个标签之间规定的相互作用 ( 命令和应答) 顺序( 规则) 构成的。+ 目的在于从大量的标签中选出任一标签。为了 实现这个算法系统，需要一组命令，这组命令能由标签处理。此外，每个标签拥 有一个唯一的序列号。 对二进制树搜索算法功能的可靠性起决定作用的是所有的标签需要准确的 同步，使这些标签准确地在同一时刻，丌始传输它们的序列号。只有这样，才能按 位判定冲突的发生，同时，通过对碰撞位的分析，也有可能估算整个读写范围内 的标签总数。 4 生产线射频识别系统，5 乏j e 反碓掩研究 标签2 田读蕾上的 混合信号 教据藏的译码 标签l 标签2 阅读嚣上的 混合信号 数据流的译码 图2 - 5n r z 与m a n c h e s t e r 编码在译码中的特点 2 二进制搜索算法一二叉树法( b i n a r yt r e em e t h o d ) 二叉树搜索法的核一l i , 思想就是通过发送查询指令。使读写范围内所有符合查 询条件的标签全部响应，然后再逐步限制查询条件，使不符合条件的标签不再相 应，从而确定唯一不发生冲突的标签，在这个标签发送完相关数据后，将其屏蔽， 并推出查询流程，而其他的标签则被唤醒并继续参加查询流程。具体的通信流程 如下图2 - 6 所示： 一蘩 生产线射频识别系统及1 c 反嗣i 掩研究 读写器一 标签链 l 发送 l 第一次回传 i 。，擀 l 第二次目传 | 。，黼，f | 路 l 标签链 卅黼，i 第三；尖厨传 - i ，。麓_ 黼标签l 路 上信链路 i 1 0 1 0 0 0 11 t 标签l il 标签2 i 一- l1 0 1 0 0 0 1 1 卜 i 1 0 1 0 0 0 1 1l 标签3 标签4 图2 6 二叉树法的工作原理示意 3 二进制搜索法( b i n a r yt r e es e a r c h ) 二叉树搜索可以通过逐渐减少标签i d 的碰撞位来解决碰撞问题。当一个碰 撞产生的时候，读写器能够获得碰撞位的位簧。如果某些标签的最早发生碰撞的 位值是l ，则这些标签将不会回复读写器的下一次查询。而如果标签最早发生碰 撞的位值为0 的话，则在读写器下轮查询中继续传回他们的i d 值。通过连续的 进行这个过程，读写器可以最终确认所有的标签，假设有n 个标签，则总需要的 查询步骤是： 忡娜卜黜”( 2 1 ) ： 如果只有个标签在读写器读写范围内，因为没有冲突，所有只需要一次操 作就可以发现标签的序列号。但是如果有一个以上的标签处于阅读器作用范围 内，那么要发现一个标签所需要重复操作的平均数就会很快增加，结果如同图 2 - 7 所示： 6 生产线射频识别系统发1 e 反碓摊研究 幽2 7 4 动态二叉树搜索法( d y n a m i cb i n a r ys e a r c hp r o c e d u r e ) 在上面的二叉树搜索法，不仅搜索的范围标准。而且标签的序列号总是一次次的 完整的传输。然而，在实际应用中标签的序列号可能多达数十字节，因而为了选 中一个特定的标签，有可能不得不传输大量的数据。所以，我们可以通过去掉传 输中的冗余信息，只传送必要的特征信息，就可以大量的减少需要的信息位数， 提高传输效率。 通过分析阅读器和标签见得数据通信流，就可以发现： 1 命令中( x 1 ) 0 各位不包含给应答器的补充信息，因为( x - - 1 ) o 各位总是被置“i ”的。 2 标签应答的序列号的n x 各位不包含给阅读器的补充信息，因为这n x 位总是已知而且是给定的。 由此可见，传输序列号的各自的互补部分是多余的，本来也是不必传输的。 由此我们很快使用一种优化的算法：代替序列号在两个方向上完整的传输， 序列号或搜索的范围标准的传输现在简单的改变位部分位( x ) 。 阅读器在r e q u e s t ( 请求) 命令中只要发送要搜索的序列号的已知部分( n - - x ) 作为搜索的依据，然后中断传输。所有在( n x ) 位中的序列号与搜 索依据相符的标签，则传输序列号剩余各位即( x 一1 ) 位作为应答。在r e q u e s t 命令中附加的参数( 有效位的编号) 将剩余各位的数量通知给标签。 生产线射频识别系统发】反碰掩研究 读写嚣命令 请求 标签固复l _ r 丽石了r 丽了丽西耳丽了丽百开丽r 丽砭斤两 。啦匝夏砸互e 三三三三三三习 幽2 8 如图中搜索一个四字节的序列号，阅读器的命令( 第n 次重复操作) 和 标签的应答。由于命令和应答的大部分数据是多余的( 如上图中狄色部分表示的 那样) 。用x 表示最高位的位置，在上述的重复操作的最高位上出现了位碰撞。 第一次通信- 第二次通信 第三次通信t 写器标签 铝 o c o = o t 和t = r 的通信时间要求。在下图中规定了读写器和标 签群之间通信时的流程( 并未按比例绘制) 。下表中规定了图中标签和读写器应 该遵循的通信时间要求。t p r i 表示的是t - r 链路周期。 生产线射频识别系统及j e 反碓掩研究 簟标赛回答 扣寝答冲完* 无寝答h 一予瞰 蕊_ 劁l l j 蜊叫 图3 - 1g e n 2 中读写器和标签通信时序 参数 最小值 典型值 最大值 描述 t 1 m a x ( r t c a l ，m a x ( r t c a l ， m a x ( r t c a ，从询问机发射到标签应答 l o t p r i ) xl o t p r i )1 0 t p r i ) 的时间( 尤其是从询问发 ( 卜f t ) - 2 9 s( 卜f t ) + 2 i _ t s射的最后位的最后上升边 到标签应答的第一上升边 的时间) ，于标签天线终端 处测得 t 23 0t p r i2 0 0t p r i标签解调询问机信号所需 的时间，于标签响应询问 机发射第一下降的最后位 最后下降边测得 t 30 0t p r i 发送另一个命令之前在t 1 后的确定询问机等待时间 t 42 o r t c a l 询问机命令之间的最小时 白j 丽 二 一h 生产线射频识别系统及1 e 反碰捕研究 表3 1g e n 2 中读写器和标签通信时序参数 - - d r ( d a t ar a t e ) - - - - 8 ，t r c a l = 5 0 胪l f = ( d r t r c a l ) ，t p r i 一( 1 l f ) - - r t c a l = 2 5 1= 1 1 r t c a l r 链路频 率、通信速率和调制模式，设定盘存周期中时隙数( s l o t 值) 等基本参数。 q u e r y a d j u s t ：调整q 值，而不改变其他盘存周期的参数。 q u e r y r e p ：指令标签减少时隙计数器的值，在s l o t 参数为0 时，反向回传 一个十六位随机数( r n l 6 ) 给读写器。 a c k ：读写器通过发送a c k 来确认某个特定标签。a c k 命令中包含了此标签所 反向回传的十六位随机数( r n l 6 ) 。 n a k ：使的除了就绪( r e a d y ) 和杀死( k il l e d ) 状念外的所有标签都返回到 仲裁( a r b i t r a t e ) 状念，如果处于r e a d y 或k i l i e d 则忽略此次命令。 钆e r y 命令含有槽计数器参数q 。收到q u e r y 命令后，参与标签应在( 0 ，2 0 - 。) 生产线射频识剐系统及儿反猫i 掩研究 范围