基于无源电子标签UHF的射频识别物流管理系统_周玉宇

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2006年6月󰀁󰀁󰀁JournalofJinanUniversity(NaturalScience)󰀁󰀁󰀁Jun.2006

基于无源电子标签UHF的

射频识别物流管理系统

周玉宇,󰀁郑力明,󰀁黄君凯

1

2

2

(1.暨南大学知识产权系,2.暨南大学电子工程系,广东广州510632)

[摘󰀁要]󰀁介绍了射频识别技术的原理,分析了基于无源电子标签射频识别系统在物流领域应用的主要问题.模拟仿真计算了物流射频识别系统的性能,讨论了电子标签所获功率和反射回阅读器的功率是系统应用的两个关键问题,指出了900MHz和2.45GHz频段最适合应用在物流系统中,并对相关的指标进行了讨论.

[关键词]󰀁电子标签;󰀁射频识别;󰀁物流管理系统

[中图分类号]󰀁O438󰀁󰀁[文献标识码]󰀁A󰀁󰀁[文章编号]󰀁1000-9965(2006)03-0497-07

ResearchonUHFPassiveTagsRFIDfor

SupplyChainManagementSystem

ZHOUYu󰀁yu,󰀁ZHENGLi󰀁ming,󰀁HUANGJun󰀁kai

(1.DepartmentofIntellectualProperty,

2.DepartmentofElectronicEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

1

2

2

[Abstract]󰀁TheexcursionmechanismofRFIDandmajorproblemsofpassivetagRFIDwithinsupplychainmanagementsystemareanalyzed.ThecapabilityofRFIDsystemiscalculated.Twokeyproblemsofapplicationareproposedanddiscussed:areindicatedtobecuitableforthesupplychainmanagementsystem.[Keywords]󰀁tag;󰀁RFID;󰀁supplychainmanagementsystem

󰀁󰀁射频识别技术(RFID)是一种自动识别技术,它利用射频方式进行非接触式双向通信,以达到识别并交换数据的目的.随着计算机技术和集成电路技术的发展,从20世纪80年代以后,RFID逐渐走向成熟,在物流管理、图书管理、药品管理、生产流水线、门禁系统、高速公路自

[1,2]

动收费、设备识别、体育比赛电子计时、牲畜电子追踪等各个行业都具有广泛的用途.根据

[收稿日期]󰀁2006-01-08

[基金项目]󰀁广东省科技计划项目(No.2005B10301017)

[作者简介]󰀁周玉宇(1972-),男,助理研究员,研究方向:软件工程与信息管理therequired

poweroftagandthebackscatteredpowerbacktothereader.The900MHzand2.45GHz

498暨南大学学报(自然科学版)2006年

美国有线新闻网公布的消息,射频识别技术已经连续两度(2004、2005年)入选对人类未来生活产生巨大影响的10项技术.

在物流领域中,RFID与目前流行的条形码技术相比,具有自动识别、识别速度快、识别距离远、可实现双向通信、信息量大、耐热、防水、不怕油渍灰尘污染等优点.如果RFID所携带的信息为物品独一无二的标识,那么物品在全世界范围内的位置和状态信息就能够实现全程的电子跟踪.正是基于以上特点,使得RFID对于制造厂商、销售代理商、零售商都具有重要的价值

[3,4]

.

本文介绍了RFID系统和无源电子标签的最新进展,对其在物流领域中应用的主要问题进行了分析.模拟仿真计算了物流射频识别系统的性能,指出了电子标签所获功率和反射回阅读器的功率是系统应用的两个关键问题,并对相关的指标进行了讨论.对RFID系统在物流领域中的应用提供了相关建议.

1󰀁RFID系统的组成

通常,RFID系统由无源电子标签、阅读器和数据管理系统3部分组成,如图1所示.电子标签由天线和RFID芯片组成,RFID含有表征物品身份的唯一识别码.阅读器由天线和读写控制器组成.计算机数据管理系统主要由计算机硬件系统和功能强大的数据库管理软件构成.

系统工作时,首先由阅读器与电子

图1󰀁RFID系统组成示意图

标签完成通信过程,阅读器获得电子标签所标示物品的识别码;然后阅读器将信息进一步传送给计算机数据管理系统;最后在计算机数据管理系统中完成相关的汇总、统计等工作.

2󰀁应用RFID系统存在的主要问题

RFID系统的各种特点使得其非常适合于在物流领域中应用,RFID系统可以快速、可靠地识别物品的识别码,再由计算机系统对识别码进行处理,从而加快整个物流系统的流转速度.但是由于整个RFID是一个远距离射频识别的复杂系统,因此其应用必然也会受到许多因素的制约.主要问题有:系统的标准、通信识别距离和可靠性、电子标签的价格.

2.1󰀁系统的标准

美国、欧洲和日本都对RFID系统的标准、研发、应用进行了许多的研究,并且取得了相当大的成果,中国、印度、韩国等国家对RFID系统的研究也正在积极地进行中.

目前,ISO/IEC1800、美国EPCGlobal、日本泛亚中心(UbiquitousID)3个组织正在制订各自的RFID系统标准.这3个标准相互之间并不兼容,主要差别在电气特性、通信频率、数据格式3个方面.

电子标签所携带的识别码类似于条形码,如果RFID系统能够在物流领域中得到普遍广泛的应用,在全世界范围内形成所谓的󰀂物联网 ,那么识别码必须是和条形码一样,具有统一的世界标准,即成为唯一的产品电子编码(EPC),只有这样才能使得制造商、销售代理商、零售第3期󰀁󰀁周玉宇,等:󰀁基于无源电子标签UHF的射频识别物流管理系统󰀁󰀁499󰀁

商轻而易举地对物品的详细流通过程进行跟踪监控.这就要求所有RFID系统的电子标签必须按照相同的数据格式写有唯一的产品电子编码,在这方面ISO应该扮演更加积极的角色.

在通信方式和防冲突协议方面,主要受制于各国使用不同频段和管制不尽相同,类似于移动通信系统在各国应用中所遇到的困难,这些矛盾需要各个国家的支持.目前中国自动识别技术协会已经成立了射频工作组,跟踪国际RFID技术的发展及标准化进程,并且完成了ISO/IEC1800国际标准的跟踪、同步翻译及国家标准草案的起草工作.同时,中国自动识别技术协会表示,频段未划分、标准待确定和产业基础薄弱,这3大因素制约着RFID大规模应用.

该协会正在协助有关部门,希望频段的划分能在2005年底前确定下来,而相关标准的制订也希望能够逐渐推进.2.2󰀁通信过程

由于世界各国对于无线电射频频段的使用及功率要求都存在差异,因此使得RFID系统在不同国家的通信过程存在着相当大的差异.

(1)不同频段RFID系统的比较.

就目前的情况而言,无源RFID有900MHz、2.45GHz、5.8GHz3主要的频段,3个频段都具有工作距离长、天线尺寸小、无需保持视线接触、可定向识别、通信速率高等优点,但同时也都有发射功率受限、各国频段管制不同等缺点.

RFID系统下行链路是由阅读器经过天线发射出射频信号,形成一定强度的电磁场,电子标签利用天线进行接收,将一部分能量转换为电能,以供电子标签所使用;另一部分能量则由电子标签利用反向散射调制技术,形成上行链路,将电子标签所携带的唯一产品电子编码调制到反射信号上,经由天线发出,最后由阅读器进行解调并识别出电子编码.

反向散射调制技术是指无源电子标签将数据发送回阅读器所采用的通信方式.根据要发送数据的不同,通过控制电子标签的天线阻抗,使得反射的载波信号产生微小的变化,这样反射回波的幅度就携带了所需传送的数据.

阅读器所发出的射频信号能量向各个方向传播,电子标签附近的能量密度为:

S=PRGRT

24󰀁R

(1)

式中PR为阅读器的发射功率,GRT为阅读器发射天线的增益,PRGRT记为阅读器的有效发射功率,R为阅读器与电子标签的距离.

电子标签所能够接收到的能量可以表示为:

PE=󰀂S

2

(2)

式中󰀂为表征电子标签的有效吸收面积的参数,其值可以从0到󰀂G, 为工作射频频Emax=4󰀁E率的波长,GE为电子标签天线的增益.当电子标签天线与射频信号完全匹配时󰀂为最大值,表示能量全部被电子标签吸收,当电子标签天线与射频信号完全不匹配时󰀂为0,表示能量全部被电子标签反射.考虑电子标签天线与射频信号完全匹配时,则电子标签可以接收到最大的能量:

GRTGEPR

PE=󰀂EmaxS=22

(4󰀁)R2

(3)

500暨南大学学报(自然科学版)2006年

当电子标签所反射的射频信号返回阅读器时,遵循同样的原理,可以得到返回阅读器的最大能量为:

G GRTGEPR

PB=󰀂RmaxSR=4󰀁RR(4󰀁)3R4

2

2

(4)

式中GRR为阅读器接收天线的增益.

分别为:900MHz、2.45GHz、5.8GHz时,以下是利用以上公式和Matlab软件的仿真计

算结果:

!由式(3)可得电子标签所能够获得的功率PE与距离R的关系如图2所示(假设:PRGRT

为36dBm(dBm为功率单位,即4W),GE为0dBi(dBi为天线增益单位)),从图中可以看出随着频率的增加,相同条件下PE随之减少;随着距离的增加,PE急剧减小.

∀由式(3)可得电子标签获得功率PE与阅读器有效发射功率PRGRT的关系如图3所示(假设:R为5m,GE为0dBi),由图中可以看出PE与PRGRT成线性关系,随着频率的增加,相同条件下PE减少.

图2󰀁电子标签功率PE与距离R的关系图4󰀁电子标签功率PE与阅读器功率PRGRT的关系

#由式(4)可得,电子标签反射回阅读器的功率PB与距离R的关系,如图4所示(假设:PRGRT为36dBm(4W),为0dB,i为0dBi).从图中可以看出随着频率的增加,相同条件下PB随之减少;随着R的增加,PB急剧减小.

∃由式(4)可得,PB与PRGRT的关系如图5所示(假设:R为5m,为0dB,i为0dBi).从图中可以看出随着频率的增加,相同条件下电子PB随之减少,随着PRGRT的增加,PB也随之增加.

从以上的分析计算中,可以看出,无源电子标

图3󰀁反射回阅读器的功率PB与距离R的关系

签RFID系统能够正常工作,必须使得式(3)、(4)的各种变量满足一定的条件.即:在一定的频率和阅读器有效发射功率条件下,电子标签所获得功率PE必须能够满足电子标签本身对能量的需求,同时也必须满足电子标签反射回阅读器的能量能够被阅读器识别.以上两点是衡量一个无源电子标签RFID系统性能最重要的标准.第3期󰀁󰀁周玉宇,等:󰀁基于无源电子标签UHF的射频识别物流管理系统󰀁󰀁501󰀁

(2)通信协议.

从本质上来说RFID系统是一个无线的双向通信系统,因此通信协议对整个系统起着相当重要的作用.通信协议的内容,对于系统整个通信空中接

口、可靠性、安全性、速率以及电子标签的性能都有着非常重要的影响,进而影响到整个系统的性能和成本.由于电子标签对成本及其敏感,因此电子标签功能的设计应力求简单易行,尽量简化电子标签的功能.

对于从阅读器到电子标签的下行链路来讲,一般采用调幅方式,而对于从电子标签到阅读器的上行链路,调幅、调频、调相一般都可以采用,但是都要

图5󰀁反射回阅读器的功率PB与阅读器功率

PRGRT的关系

能够保证利用最小的功率来实现.通信速率一般可以达到几十到几百kb/s,主要看应用的需求和电子标签的时钟频率.由于经常存在大量电子标签同时进入读写区域的情况,因此一个阅读器与多个电子标签之间的通信,势必产生冲突,冲突问题的解决对系统的通信速率和单位时间的吞吐率都有很大的影响,目前解决冲突问题的方法主要有:确定二进制树搜索法、随机二进制树搜索法、延迟法、随机延迟法

[5]

、动态ALOHA法

[6]

、被动发射法等,很多种解决短距

离RFID识别冲突的方法,经过适当的改进也可以用于长距离RFID识别的系统.但是,整个协议应该有利于电子标签的实现,应采用类似状态机的方法,将各个状态的转换直接固化到电子标签的IC芯片中,从而提高可靠性,降低电子标签的功耗.同样是为了简化电子标签的原因,协议还与电子标签采用的编码方式有关,要配合电子标签的编码方式来考虑协议的制订.2.3󰀁电子标签的性能

在无源RFID系统中,由于电子标签所使用的能量均由阅读器的电磁场提供,因此其识别距离相对较短.同时电子标签直接贴在货物上,电子标签的性能将直接决定系统的读写距离,以及采用该系统的成本,因此电子标签的性能和价格对于RFID整个系统而言,具有非常重要的意义.这就对电子标签天线和IC芯片提出了更高的要求,其天线必须与链路中使用的频率相匹配;IC芯片所要求的工作电压、电流以及功耗必须足够低.

电子标签主要由天线和IC芯片组成,天线为IC之外的单独器件,图6为其示意图.由图可以看出,IC主要由电源模块、解调模块、逻辑控制电路、调制模块、存储器5大部分组成

电源模块主要是将阅读器发出的射频能量转换成直流电源,以便供给整个IC芯片使用.解调模块主要是解调阅读器的调制信号,解调出数字信号和产生IC的时钟,以便于逻辑控制电路识别阅读器的命令,同时为系统提供工作时钟.逻辑控制电路是整个IC芯片的核心部分,主要完成通信过程的控制和IC芯片工作过程的控制,按照规定的协议完成与阅读器的通信,将存储器图6󰀁无源电子标签结构示意图

[7]

.

502暨南大学学报(自然科学版)2006年

中的信息传递给阅读器,完成解决冲突、错误控制以及对模拟电路的控制等相关功能.调制模块通过改变天线的阻抗,从而完成对反射波的调制,将IC芯片的数字信息传送给阅读器.存储器是IC芯片用来存储自身所携带的信息(例如:EPC等编码).如果电子标签是支持可读写的,那么阅读器就可以对存储器进行写操作,将必要的信息写进存储器中.

3󰀁实际应用无源电子标签RFID系统的建议

一个实际可以应用的低成本无源电子标签RFID系统,由于受到种种实际条件的,例如:频率干扰、天线的增益、阅读器有效发射功率的、遮挡物的损耗等,很难满足理想情况自由空间中无线电波传输的结果,因此必须对仿真结果加以修正,才能够指导实际系统的应用.

根据仿真计算结果,我们来讨论实际条件下电子标签所获得能量以及电子标签反射回阅读器的能量这两个关键的指标.

近年来无源电子标签IC芯片的发展很迅速,已经有文献报道指出电子标签可以利用16.7!W的输入能量,来实现远距离无源RFID系统的正常工作

[8]

.在此我们假定电子标签功率

为20!W时,就能够实现电子标签的正常工作.实际中我们假定电子标签的有效吸收面积󰀂E为50%(即电子标签功率为40!W),电子标签的反射功率效率为25%,而阅读器的接收灵敏度(不含天线增益)我们假设为-70dBm(能够较低成本实现),阅读器的有效发射功率为4W(受无线电发射功率所限),这些假设条件与实际的环境很近似.我们所计算得到的电子标签功率和电子标签反射回阅读器的功率如表1所示.当PE=40!W时,900MHz、2.45GHz表1󰀁系统工作频段与距离、功率的关系和5.8GHz对应的工作距离分别为R=3mR=5m8󰀂38m、3.07m和1.31m.

从表中我们可以看出,对于实际的工作环境而言,900MHz和2.45GHz在其工作距离3m以内,其电子标签所获

工作频段/Hz

900M2.45G5.8G

PE/!W312428

PB/dBm-52-70-84

PE/!W112153

PB/dBm-61-78-93

得能量都可以达到40!W以上,并且其

电子标签反射到阅读器的功率都达到了-70dBm,而5.8GHz频段则不能满足以上要求.900MHz工作距离5m以内时,依然可以满足系统的指标要求.

从以上分析中,我们可以看出实际的RFID系统选择900MHz和2.45GHz的工作频段具有较大的优势.也可以根据具体的情况,利用前面的仿真结果,选择系统工作的频率和阅读器的有效发射功率.

文中介绍了基于无源电子标签UHF射频识别技术的现状和应用前景,其成功运用后,所形成的󰀂物联网 ,对于整个物流领域具有性的意义.介绍了无源电子标签UHF射频识别系统的组成和功能,仿真模拟计算了电子标签所获功率和反射回阅读器的功率与工作频段、有效发射功率、工作距离等条件的关系.在条件受到诸多的实际工作环境中,指出了900MHz和2.45GHz频段最适合应用在物流系统中,并对相关的指标进行了量化讨论.本文所得到的结论,可以供我国制订RFID标准时参考,也可以供系统制造商研发系统时参考.

第3期󰀁󰀁周玉宇,等:󰀁基于无源电子标签UHF的射频识别物流管理系统󰀁󰀁503󰀁

[参考文献]

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[责任编辑:王蔚良]