物联网核心技术RFID技术的重要应用

1、物联网核心技术射频识别技术的重要应用摘要：射频识别技术是通过射频通信实现的非接触式自动识别技术。它具有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。本文介绍了射频识别技术的原理和特点，深入分析了信号传输中反向散射的调制方式和影响传输距离的因素。最后，介绍了远程射频识别自动识别系统中的读写冲突和反冲突算法，较好地解决了远程射频识别系统中的冲突问题。关键词：射频识别电子标签阅读器射频识别是一种非接触式自动识别技术。随着无线网络技术的不断发展，射频识别技术在国内外得到了广泛的应用。现在国际商用机器公司提出的智能地球和物联网技术在中国的发展极大地促进了射频识别功能。因此，射频识别技术在数字世界和物理世界之间架起了一

2、座桥梁，为物联网的发展奠定了基础。虽然射频识别技术已经有了很大的发展，但是远程射频识别仍然存在传输距离和防碰撞算法等问题。本文对射频识别的相关概念和技术进行了分析，使人们对射频识别有更全面的了解，促进射频识别技术的更好发展和应用。目录1.远程射频识别原理.22.远程射频识别系统的特点.23.远程射频识别的关键技术.34.远程射频识别系统的冲突问题.34.1二进制多卡冲突仲裁.34.2 Aloha算法.45.其中一个应用是智能家居.55.1智能家居系统.55.2系统硬件设计.65.3系统软件设计.75.4系统功能.106结束语.117参考文献.111.远程射频识别原理1.1远程射频识别的组成在讨

3、论远程射频识别的原理之前，我们必须首先研究射频识别的组成。射频识别系统包括以下三个部分：标签、阅读器、计算机及其应用软件。电子标签主要由内置天线和电路芯片组成，其功能是完成与射频天线的通信。阅读器主要由四部分组成：天线、控制单元、射频收发前端和通信接口。它的主要功能是读取或写入电子标签的信息。计算机和应用软件的功能是通过读写器的通信接口连接外部计算机或主机系统，从而实现数据交换。射频识别系统的组成如图1所示。1.2远程射频识别的工作原理阅读器和标签组成一个应答器，其工作原理如下。阅读器向应答器发射特定频率的无线电波能量，驱动应答器电路发出内部数据，然后阅读器依次接收解释后的数据，并将其发送给应

4、用程序进行相应的处理。工作原理如图2所示。2.远程射频识别系统的特点目前，无源远程射频识别系统有超高频和2.45千兆赫两个工作频段。无源超高频系统可以读写10米以上，比2.45千兆赫系统长得多，因此成为远程识别系统的主流部分。其优点主要包括以下几点：1)实时性：它能实时响应并自动读出身份证号码以获取信息；2)防伪：形成的微波标记不得伪造、涂改或复制；3)联网：通过计算机网络监控物流；4)准确性：阅读信息的准确性很高，可高达99.99%；5)成本低：使用时只需几元钱；6)可靠性：适应恶劣的环境条件，如多尘和潮湿；7)使用寿命长：使用时无需电池，只需无源卡，终身免维护；由于远程射频识别系统采用无线

5、传输方式，无线环境极其复杂，影响远程射频识别系统读写距离的因素很多，主要如下：1)影响射频卡读写距离的因素有读写器的射频输出功率、反射能量、射频卡功耗、读写器接收能量和接收灵敏度；2)射频卡天线的有效接收和反射截面积以及读写器接收天线的有效面积影响上述指标；3)在相同的视场下，当频率增加时，无源射频识别系统的作用范围会减小。3.远程射频识别的关键技术远程射频识别系统采用无线传输方式，通过电磁波传输和接收信息。电磁波以天线为中心发射到周围空间。当电磁波在传输过程中遇到不同的目标时，一部分电磁波能量被目标吸收，而另一部分会以不同的强度向不同的方向散射。部分反射能量最终返回发射天线。利用反向散射调制

6、的能量传输方式主要包括从标签到阅读器的能量传输和从阅读器到标签的能量传输。无源射频识别系统的电子标签是由电磁场供电的，因此标签的功耗很大。读写距离越短，它的表现就会越差。电子标签的工作电压决定了射频识别电子标签能否正常工作，也决定了无源射频识别系统的识别距离。然而，随着集成电路技术的不断发展，射频电子标签芯片的功耗也在不断降低。目前，典型的低功率电子标签可以消耗几十微瓦到几微瓦的能量，并且这种标签的工作电压大约为1.2 V。这种无线电传输功率是有限的，但是无源电子标签的识别距离可以超过10 m2)从电子标签到阅读器的能量传输电子标签返回的能量取决于其雷达截面积，并与其成正比，雷达截面积是目标反

7、射电磁波能力的量度。散射面积主要取决于两个参数，一个是目标尺寸、材料、表面结构和材料等自身物体特征，另一个是反射电磁波的特征，如电磁波的偏振方向和波长。4.远程射频识别系统的冲突远程无源射频识别系统具有工作距离长、视野宽的特点，但也容易出现多机或多卡的现象，导致多标签读写冲突。因此，有必要在预防冲突领域采用一些好的技术。多卡冲突仲裁意味着只有一个卡可以同时响应，这需要由读写器命令来控制。有两种主要的仲裁方法：Binary和Aloha。4.1二进制多卡冲突仲裁二进制多卡冲突仲裁主要利用状态机实现多卡读写仲裁机制，主要有四种状态，如图3所示。该状态解释如下：关机状态：表示身份证关闭，即读写器此时无

8、法激活身份证；就绪状态：当读卡器第一次激活识别卡时，识别卡将处于就绪状态；身份状态：如果身份卡试图向读写器发送身份信息，身份卡将处于身份状态；数据交换状态：如果读写器识别并选择识别卡，识别卡将处于数据交换状态。为了支持仲裁冲突，识别卡上有两个硬件电路：8位计数器和1位随机数发生器(只有两个可能的值：0和1)。当读写器射频电磁场上的全部或部分识别卡参与冲突仲裁时，读写器上的组_取消选择和组_选择命令将运行冲突仲裁算法。4.2 Aloha算法ALOHA协议是一种防冲突仲裁算法。如果多个标签在随机时间间隔内发送数据包，并且数据包发生冲突，标签将等待随机时隙Aloha算法提高了Aloha算法的吞吐量。

9、它采用由阅读器控制的随机时分多址方式。在这种方法中，信道被分成许多时隙，每个时隙只能传输一个包。时隙的长度可以由系统时钟控制，并且每个控制单元应该与该时钟同步。在射频识别系统中，标签只能在其指定的同步时隙内传输数据包。与Aloha算法相比，吞吐量有所提高。为了提高多标签环境下的性能，提出了一种动态时隙Aloha算法。动态时隙Aloha算法是一种可以动态调整时隙数量的算法。如果读取器/写入器在等待状态的循环时隙部分发送请求命令，将有1 2个时隙用于可能的标签。当多个标签在两个时隙中冲突时，有必要增加标签使用的时隙数量，直到找到唯一的标签。对于Aloha算法、时隙Aloha算法或动态时隙Aloha

10、算法，标签发送的数据是随机的，因此整个系统的可靠性无法保证，信道利用率低。二进制多卡冲突仲裁方法和Aloha算法各有优缺点。然而，二进制信道的利用率可高达43%，识别率高，不存在误判问题，但随着时间的延长，安全性较差。Aloha算法实现简单，但其最大信道利用率为36%，并且存在一些错误判断问题，因此不适合大量标签。在设计系统时，应该根据系统的应用选择合适的防碰撞算法。5.其中一个应用是智能家居近年来，射频识别技术已广泛应用于零售业、图书馆服务、供应链管理等领域。同时，射频识别技术已经逐渐应用到电力系统中，构建智能电网。传统住宅用户信息采集系统的主站一般设置在供电局，用户需要通过账单查询、在线查

11、询或电话查询来了解用电信息。这些方法不够方便，不能满足用户需求，只能查询总用电量。我们无法知道每个电源终端的功耗，也无法及时排除故障。同时，现代人也对提高家用电器的智能控制能力和家庭安全提出了更高的要求。根据当前我国智能电网的发展趋势，为了有效监控家庭用电终端，维护用电安全，本文构建了一个基于射频识别技术和各种检测传感器集成的智能家庭用电信息系统。该系统可以解决以下问题：(1)完成家用照明设备的开/关、亮度等级和状态显示；(2)实现家庭中所有家用电器的统一控制和管理；(3)温湿度采集传感器根据室内外温湿度的变化自动调节窗帘的开合和空调的启停；(4)安装的烟雾传感器和气体传感器能够自动报警，并在

12、家庭成员发现危险信息时及时向其发送报警信息；(5)分析和报告各用电设备的用电情况，指导用户合理用电，提醒用户及时充电。5.1智能家居系统一个典型的射频识别系统由四个部分组成，称为应用程序，如标签、阅读器、中间件、控制计算机和软件等。智能家居用电信息平台利用标签获取用电终端的用电状态和各个检测传感器的状态，安装在房间特定区域的读卡器根据接收到的标签数据监控家居环境。接收到的标签数据经过预处理，并通过计算机网络存储在系统数据库中。监控用户可以使用电脑和智能手机实时了解电源终端的工作情况，必要的报警信息会触发外设的声光报警。图1显示了平台的系统拓扑。该系统中的标签分为两类：电能计量标签与电气设备的插

13、头连接，实时检测电气设备的电能消耗，控制电气设备的功率；环境监测标签由温度和湿度、烟雾和气体传感器等组成。它安装在特定的室内和室外区域，实时监控室内和室外环境。标签定期将检测到的数据发送给读卡器。读卡器通过天线控制覆盖接收信号的范围，并访问家庭网络。将转发的标签数据存储在系统数据库中。标签数据被合并、冗余地移除，并且在数据库中挖掘特征信息。该系统通过浏览器监控用户获取这些经过处理的信息，从而了解用电终端的用电状况和家庭内外的环境状况。同时，当家庭安全出现异常时，系统会通过邮件推送技术向用户发送邮件。根据需要，系统还可以方便地扩展其功能，如在特定区域内外安装摄像头，报警信息触发外部智能家居电力信

14、息系统的硬件部分采用有源射频识别器件。根据浏览器/服务器(B/S)框架，软件部分采用开源且广泛使用的LAMP(Linux Apache MySQL PHP)作为解决方案包。服务器是后台控制软件，提供阅读器访问、通信协议分析、标签数据存储和数据库管理服务。浏览器作为人机交互工具，从数据库中提取数据并进行合理的参考处理，使任何网络终端设备都可以监控电力终端设备；数据库作为系统的核心，在连接后台分析的数据和响应前台的网页访问请求方面起着举足轻重的作用。智能电力信息系统的后台软件是用JAVA语言开发的。采用基于TCP/IP协议的Socket技术实现主机与读卡器的直接通信，并采用JAVA语言的JDBC与

15、系统数据库进行交互。系统前台部分采用PHP语言开发，集成了Ajax(异步JavaScript和XML)技术，实现实时页面刷新。5.2系统硬件设计系统的硬件部分主要包括标签和阅读器。标签的硬件结构如图2所示。它集成了微处理器、电源管理模块、数据存储模块、射频通信模块和数据采集接口。根据数据采集接口使用的传感器不同，标签可以分为不同的类型。该系统使用两种类型的标签，能量计量标签和环境监测标签。电能计量标签的数据采集接口基于美国凌云逻辑公司的单相双向电能芯片CS5460A。该芯片符合国际电工委员会。JIS工业标准，可测量瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率，并具有相位补偿和系统自动校准功能8。与电气设备插头连接的电能计量标签采集电压信号和电流信号。采集的电压和电流信号经过相应的变压器后进入电流/电压转