自调节读取距离的RFID方案设计
2009-07-15
作者：章 锐1，刘建华2，项湜伍3
摘 要： 为了挖掘和开发RFID系统的有效资源，构造更完善的RFID解决方案，提高RFID系统控制的高效性和可靠性是实际应用中的重要环节。使用基于模糊技术的自调节读取距离的RFID设计方案，针对实际应用中设备的读写距离不能满足设定区间、无法自动调节的缺陷,构造一个面向服务的RFID中间件架构，使系统在通用性、高效性和智能性方面得以提升。
关键词： 自调节；RFID；中间件；模糊技术
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。近年来RFID技术被广泛应用于工业控制、供应链管理、车辆收费管理和移动商务等行业领域[1]。尤其在物流应用中，智能移动设备可以随时随地读取商品和广告牌中嵌入的电子标签，读取并解析其中的数据，通过Web服务器查找信息，实现在线操作。
1 自调节器原理框架
目前智能移动设备中设计的多数读写器只有一个大致的读写区间，而不是一个准确的读写距离[2]。这使得在应用时无法确定其正确的应用场合，并且当发现读写距离不能满足要求时，必须手动更改，这给应用带来诸多不便。为此在嵌入式设备上设计了一个基于模糊技术的智能自调节中间件系统。
自调节读取距离的读写器工作如下：首先由用户在读写器提供的显示器界面上输入要读取的距离。该距离值送给距离调节控制体，距离调节控制体根据输入距离自动调节读写器的发射功率，读写器通过发射天线发送相应频率的射频信号。当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签获得能量后将自身编码等信息通过标签内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到从射频标签发来的载波信号传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理[3]。由输入电路、距离调节控制体、执行器组成的原理框图如图1所示。
距离调节控制体系包括可调衰减器、衰减器转角位置传感器、模糊控制模块三部分，它们被封装为一体。执行机构由一个直流电机和相关的传动部件组成。输入电路用来输入读写器的阅读距离，距离调节控制体有正反两个位置传感器作为控制可调衰减器转度的反馈信号调节点，通过衰减器内部的一对高精度电位器获得当前转度下相应的电压反馈值。该反馈值与可调衰减器转过的角度成线性变化。执行器的电机驱动系统主要采用MSP430单片机、UC3717A芯片完成程序控制调节控制算法，通过机械传动来转动可调衰减器的旋转按钮，如图2所示。
自动调节读取距离的读写器，使用了S3C44BOX-ARM7芯片，其操作系统内核小、资源占用少、可靠性高；具有多串口和网口，访问方便。在这样一个闭环控制过程中，将用户需要读取的距离作为读写器输入，经过键盘电路转化后发送到模糊控制器。同样，衰减器转角的位置传感器作为反馈信号，经A/D转换发送到模糊控制器。两个信号在模糊控制器中进行比较，并且用模糊控制器装载模糊规律进行模糊推理，推理结果发送到自调节控制节点和模糊控制器的执行机构，由该节点的MSP430处理后产生相应的信号给电机驱动芯片UC3717A，输出驱动信号至电机。
2 中间件设计参数
射频识别系统的读写距离是一个关键参数。影响射频标签读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的输出功率、读写器的接收灵敏度、射频标签的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、读写器和射频标签的耦合度，以及射频标签本身获得的能量及发射信号的强度等。
在868 MHz、915 MHz、2.45 GHz或者更高频率的系统中，可采用反向散射调制系统，利用电磁反射完成从电子标签到读写器的数据传输[4]。天线的有效辐射功率为PEIRT，其计算公式：
其中，PTX为读写器的发射功率，GTX为读写器发射天线的增益。
在距离读写器R处的电子标签功率密度S为：
R是电子标签和读写器之间的距离。在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比，即：
其中，GTag为电子标签接收无线增益，λ为波长。电子标签到读写器的能量传输中，电子标签返回的能量与其雷达散射截面σ成正比，该比值是目标反射电磁波能力的测量。散射面取决于一系列的参数[6]，例如目标的大小、形状、材料、表面结构、波长和极化方向等。电子标签的返回发射功率为PBack，其计算公式为：
其中
，U0为电子标签天线中感应出的电压，Rr为电子标签中天线的辐射电阻。反射的电磁波以球形方式向空间辐射，其辐射功率与辐射源(反射)距离的平方(R2)成正比，最终反射到读写器天线的辐射功率密度，即电子标签返回读写器的功率密度为：
将式(4)代入式(5)中得：
由式(3)得知电子标签的有效面积Ae与其增益GTag成正比。对大多数的天线构造形式来说，由于其增益为已知[5]，所以有效面积Ae及其横截面S在通过天线的阻抗SA 和终端阻抗ZT相等的情况下，有效面积为：
接收功率为：
由式(8)得知，如果以接收的电子标签反射能量为标准，则反向散射的射频识别系统的作用距离与读写器发射功率的四次方根成正比。即如果想要使电子标签发射到读写器的辐射功率增加1倍，也即距离增加1倍，则必须使发射功率在其他条件不变的情况下增加16倍。因此，由上述推算得出，可以通过调节发射功率的方式来精确定位读写器的阅读距离。而对于发射功率的调节，只需对衰减器进行调节。但上述推导过程的计算比较复杂，不利于调节控制。
3 精确数学模型控制问题的解决方案
近年来，模糊控制已逐渐发展成为一门成熟的技术。人们将模糊理论应用于工业过程控制、医学、地震预报、工程设计、信息处理以及经济管理等领域。模糊控制是以模糊数学为工具，将善于处理模糊概念的人脑思维方法体现出来，并做出正确判断[7]。模糊控制最适宜用于难以用精确的数学模型来表达的控制系统，因此可利用模糊数学的方法解决上述问题。
首先对读写器的阅读距离进行模糊划分和定义，取模拟量Ai，令模糊集D={A1，A2，…}；其次对衰减器转过的角度进行模糊划分和定义，取模拟量Bi，令模糊集α={B1，B2，…}，建立模糊推理规则if(D=Ai) then (α=Bi)，i=1，2，…。通过上述模糊推理规则，可以计算得出衰减器调节转动角度的模拟量，从而达到自动调节距离的目的。
例如把衰减器转过的角度和读写器能阅读到的距离作一个模糊划分：0°～15°表示距离为15 m，15°～30°表示距离为30 m，30°～50°表示距离为50 m，50°～80°表示距离为80 m，80°～100°表示距离为100 m。衰减器转角偏差eθ，衰减器转角偏差变化率Δeθ和控制角α分成5个模糊量。eθ、Δeθ、α={NS(减小)，PS(稍减小)，Z(正好)，PB(稍增大)，NB(增大)}。距离递增时，衰减器在顺时针方向角度增大；距离递减时，衰减器在逆时针方向角度减小。表1参数所示为距离递增的模糊推理规则。
由于单片机控制程序中写入了模糊调节算法，因此其成本降低，易于修改。而此前设计的系统没有模糊控制模块，尽管框架设计简单，但实际使用只能在某一固定区域内读取标签，用户不能任意调节和改变。如果要增大阅读距离，则需重新设计，这增加了开发周期，加大了开发成本。加入模糊控制，不仅可以方便用户根据自己的应用要求输入距离值，由读写器的自动调节模块调整距离，而且有效缩短了开发周期并节约了成本。模糊控制模块大大提高了读写器的智能性和高效性，从而提升了RFID在各领域的实施应用功能。
参考文献
[1] 周晓光，王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[2] 刘锋. RFID技术及RFID天线分析.RFID技术与应用，2006，1(5).
[3] Melanie R.Rieback bruno crispo andrew S.Tanenbaum.Is your cat infected with a computer Virus?.http://rfidvirus.org/papers/percom.06.pdf.
[4] 吴晓峰，陈大才.射频识别技术(第三版).北京：电子工业出版社，2007.
[5] 辛明侠.基于RFID和手机的移动计算技术的应用研究.中国学位论文数据库，2006.
[6] YANG G，JARVENPAA S L.Trust and radio frequency identification(RFID) adoption within an alliance[J].Proceedings of the 38th Hawaii international conference on system sciences，2005：1-10.
[7] 游战清，李苏剑，张益强，等.射频识别(RFID)技术理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.