基于射頻識別技術的智能設施監(jiān)測系統(tǒng)設計與開發(fā)

車 巍

（山西職業(yè)技術學院電子與通信工程系 山西 太原 030006）

0 引言

智能設施的智能主要體現(xiàn)在兩個方面，一是對于設施的智能管理，二是對設備的安全管理［1］。 大多數(shù)的智能設施系統(tǒng)主要是聚焦在前者功能服務的實現(xiàn)上，對于后者的功能實現(xiàn)較為單一和薄弱，導致存在很多安全隱患，同時也為人們的日常使用帶來了不便，因此結合射頻識別（radio frequency identification， RFID）技術實現(xiàn)對各類設施的定位標識和安全管理，可以大大提高其使用安全性與便利性。

1 RFID 技術概述

RFID 是在物聯(lián)網(wǎng)基礎上發(fā)展起來的一種無線通信電磁波信號自動識別技術，多應用于門禁識別、物流信息自動化采集、遠程設備定位、電商產品溯源等場景，但在日常設施安全管理中的應用較少［2］。

1.1 RFID 系統(tǒng)結構

RFID 基于射頻技術構建無線網(wǎng)絡，支持低、高、超高、微波、混頻5 個頻段的雙向通信［3］，通信節(jié)點分為3 個部分：RFID 閱讀器、智能標簽、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［4］，如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)結構

RFID 閱讀器作為系統(tǒng)的信號采集節(jié)點，主要用于采集被智能標簽所標識的終端設備節(jié)點信息，并負責信號的解析與轉發(fā)，也可以向終端節(jié)點設備進行控制指令的下達。 RFID 閱讀器還內置有射頻天線，可以進行5 個頻段的無線通信，不同頻段對應不同的應用場景，通常低頻段對應場景主要包括停車場、校園卡識別、近距離物品識別等；高頻段對應的典型場景是人臉識別；超高頻段主要應用于智慧交通、自動生產線、自動供應鏈等場景；微波傳輸速度快、低時延，主要用于對實時性要求較高的場景，例如不停車繳費、行進中的車輛識別等；混頻是多個頻段的混合應用，應用范圍最為廣泛和靈活。

智能標簽用于標識接入RFID 系統(tǒng)的終端設備節(jié)點，智能標簽內部集成有CPU、數(shù)據(jù)存儲單元、加密邏輯單元和信號收發(fā)器，可以進行單一設備的身份標識、信息采集、存儲和轉發(fā)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于存儲和管理RFID 數(shù)據(jù)信息，具有基礎的數(shù)據(jù)庫功能和綜合數(shù)據(jù)處理能力。

1.2 RFID 定位技術

RFID 通過智能標簽對終端設備進行身份標識并存儲在內置的芯片中，為了降低能耗和便于攜帶，智能標簽本身是不配置電源裝置的，當RFID 閱讀器在一定范圍內通過內置的射頻天線發(fā)射特定頻率的電磁波時，智能標簽就會產生電磁感應并激活芯片，向閱讀器輸出標識信息，由于電磁感應的強弱與節(jié)點間的距離遠近有很大關系，因此通過感應信號的強弱可以對智能標簽進行定位和尋位，這種定位模式稱為無源標簽模式。 該模式下RFID 系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 基于無源標簽模式的RFID 系統(tǒng)工作流程

待識別的終端設備都需要配置智能標簽，以實現(xiàn)唯一標識，當閱讀器接收到識別指令后，會依據(jù)指令中的ID 標識向鎖定的智能標簽發(fā)射電磁波；智能標簽被激活后，內置的CPU 開始工作，調用接收器接收終端設備信息，并暫存在內置的存儲單元中，由加密邏輯單元對其進行加密處理和封裝，通過發(fā)送端口發(fā)送至閱讀器；閱讀器對接收信號進行調制、解調處理后，存儲至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 RFID 智能設施監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

基于RFID 智能設施監(jiān)測系統(tǒng)的架構設計如圖3所示。

圖3 RFID 智能設施監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構

RFID 智能設施系統(tǒng)的邏輯架構包括4 個部分：RFID智能標簽模塊、智能設施終端通信模塊、RFID 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、智能設施網(wǎng)絡。

RFID 智能標簽模塊用來標識門禁和帶定位物品，并與智能設施終端通信模塊中的Zigbee 終端節(jié)點綁定，通過Zigbee 節(jié)點接入到Zigbee 網(wǎng)絡當中。

智能設施終端通信模塊在RFID 閱讀器與Zigbee 終端節(jié)點之間建立了全雙工信道，以實現(xiàn)兩者的雙向通信［5］，由于RFID 系統(tǒng)只能用于短距離的物品識別和定位，一旦距離較遠或有障礙阻隔，就會影響信號的傳輸，因此在一個場景中往往需要部署多個閱讀器進行分區(qū)識別，如果多個閱讀器與標簽同時工作，就可能發(fā)生信號重疊問題，導致信息傳輸失敗。

RFID 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與RFID 閱讀器相連，用于實現(xiàn)RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理，同時也可進行前端擴展，用于響應前端用戶的數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與處理。

智能設施網(wǎng)絡包括Zigbee 協(xié)調器與上位機，Zigbee 協(xié)調器負責Zigbee 網(wǎng)絡的初始配置與路由［5］，上位機提供用戶與系統(tǒng)的交互接口，根據(jù)用戶請求對各個RFID 分區(qū)進行調度和管理，并部署各類組態(tài)軟件，以實現(xiàn)前端的一些服務，例如數(shù)據(jù)可視化分析、實時狀態(tài)顯示等。

2.2 功能設計

基于RFID 智能設施監(jiān)測系統(tǒng)的功能設計需要滿足用戶3 個方面的功能：物品定位、門禁控制、物品信息管理。

物品定位，是指利用RFID 定位技術對物品進行實時定位，以便于用戶快速尋找物品［6］。 首先由用戶通過上位機輸入待識別物品的智能標簽ID 號，上位機在RFID 系統(tǒng)中查找距該ID 最近的RFID 識別分區(qū)，也就是距離該標簽接收信號強度值（received signal strength indicator， RSSI）最大的閱讀器及其對應的Zigbee 節(jié)點端口號；其次將Zigbee 節(jié)點端口號轉發(fā)至Zigbee 協(xié)調器，Zigbee 協(xié)調器與Zigbee 節(jié)點進行點對點通信，下發(fā)指令，再由Zigbee 節(jié)點將智能標簽ID 號轉發(fā)至與其相連的閱讀器；最后閱讀器發(fā)出射頻信號，激活RFID 智能標簽，獲取物品信息。

門禁控制是將RFID 與圖像識別技術相結合，通過標識卡與人臉圖像的同時驗證實現(xiàn)用戶身份的信息確認和門禁管理。 為確保門禁的安全管理，首先通過閱讀器對用戶的門禁卡進行信息讀取和驗證，同時通過門禁攝像頭進行人像的實時采集，再與預先采集的用戶圖像進行比對，兩種方式驗證結果一致時，由上位機發(fā)出指令，打開門禁，由于圖像識別對數(shù)據(jù)交換的實時性要求非常高，因此RFID 通信須保持在超高頻頻段。

物品的信息化管理，在RFID 系統(tǒng)上通過中間件的構建擴展應用端服務［7］，對進行了智能標簽識別的物品建立信息化檔案庫，以便用戶對物品進行數(shù)字化查閱和管理。

3 RFID 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵性問題解決

RFID 定位與門禁識別功能實現(xiàn)的關鍵是要解決多個RFID 閱讀器和多個智能標簽之間信號重疊的問題［8］，這種信道重疊分為兩種情況：一是閱讀器之間的信道沖突，當一個電子標簽同時接收到多個閱讀器的射頻信號時，閱讀器信道發(fā)生重疊，使得標簽響應失敗，這種情況一般可以通過降低閱讀器的信號強度、縮小閱讀器的信號范圍來解決［9］；二是智能標簽之間的信道沖突，當多個智能標簽同時向一個閱讀器發(fā)送信息時，標簽之間就會發(fā)生信號重疊，這種情況需要構建防碰撞策略來解決，而防碰撞策略的構建又可分為基于隨機時序調度算法的防碰撞策略和基于確定分組調度算法的防碰撞策略。

基于隨機時序調度算法的策略構建，是指通過算法實現(xiàn)分時序的信道占用，從時間維度解決信號重疊問題。 典型算法是ALOHA 算法，其原理是智能標簽被隨機向RFID閱讀器發(fā)送信號，閱讀器會對信號進行重疊判斷，如果有重疊，就對該信號進行延時處理，使其隨機等待一段時間后再進行發(fā)送，直到全部信息都被正確接收為止，這種方式下數(shù)據(jù)交換是隨機發(fā)生的，具有極大的不確定性，因此信道吞吐量很低，幾乎沒有實用價值，為了改善此現(xiàn)狀，相關研究在純ALOHA 算法基礎上引入了幀與時隙的概念，也稱為幀時隙ALOHA 算法，核心思路如下：

首先將時間分割為若干段，稱為時隙，通過同步控制使得每次數(shù)據(jù)發(fā)送都從時隙的起始時間點開始，時隙的時間長度應大于閱讀器單次讀取數(shù)據(jù)的時間長度，將這些時隙離散分布，可以完全避免信號部分沖突的現(xiàn)象。

其次將連續(xù)的時隙封裝為幀，并使得每個幀所包含的時隙長度一致，標簽可以隨機選擇一個時隙進行數(shù)據(jù)交換，當閱讀器檢測到?jīng)_突，就會將其延時到下一幀識別，如此可以進一步提高信道的利用率，減少因此標簽隨機選擇時序所造成的時隙空閑問題。

ALOHA 類算法構建簡單，易于實現(xiàn)，但執(zhí)行效率較低，適用于智能標簽部署密度較低的場景檢測。

基于確定分組調度算法的策略構建，是對智能標簽構建邏輯分組，再通過條件查詢逐個排除有信道沖突的標簽節(jié)點，基于空間維度實現(xiàn)防碰撞檢測。 典型算法是二進制樹型算法，該算法原理是將所有被激活的標簽視為若干節(jié)點，閱讀器會同時向節(jié)點發(fā)送閱讀請求，并附帶一個限定條件，通過對條件的判斷將節(jié)點劃為有碰撞與無碰撞兩個分組，無碰撞的節(jié)點就可以暫時被排除在檢測范圍之外，閱讀器則會繼續(xù)向有碰撞的節(jié)點發(fā)送請求，同時對限定條件做出修改，直到檢測不到?jīng)_突為止。 這個限定條件通常是指曼徹斯特編碼（Manchester encoding， ME），ME 是一組二進制編碼，可以對響應的節(jié)點按位進行沖突標識，具體實現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 二進制樹型算法實現(xiàn)過程

步驟一：閱讀器向識別范圍內的所有節(jié)點發(fā)送一個請求，格式為REQUEST（＜＝11111111），表示所有標簽都要進行響應，并返回自身的電子產品編碼（electronic product code， EPC），也就是標簽的唯一標識。

步驟二：閱讀器將各個標簽的EPC 按位進行比較，若出現(xiàn)不一致，則認定為有碰撞，若一致則將其加入無碰撞分組，等待處理。

步驟三：將檢測到?jīng)_突節(jié)點在ME 對應位置的最高位置0，其他沖突節(jié)點的對應位置1，生成新的ME 作為下一輪的限定條件，繼續(xù)對剩下的節(jié)點進行檢測，節(jié)點EPC 大于ME 將被淘汰，直到新的ME 與EPC 完全一致，終止檢測。

步驟四：閱讀器發(fā)出節(jié)點選擇請求，格式為SELECT（EPC），選取一個節(jié)點，使用READ-DATA 命令對其進行讀取，并將自身切換到無聲狀態(tài)，屏蔽其他節(jié)點的響應。

步驟五：重復上述操作，直到所有的節(jié)點都被響應。

該算法為確定性算法，具有較高的可靠性和執(zhí)行效率，適用于識別物品較為復雜和過多的場景識別。

4 結語

綜上所述，隨著智能設施的應用普及，人們對其應用的安全性和便利性提出了更高的要求，涉及定位尋物、設備安全、門禁識別、設施監(jiān)測等方面。 為了滿足上述需求，本研究將RFID 技術應用到了智能設施管理的場景當中，設計與開發(fā)了一個基于RFID 的智能設施監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能設施的物品定位與門禁識別功能，并針對RFID 信道沖突問題提出了防碰撞策略的解決方案，設計了隨機時序調度與確定分組調度兩類算法，分別適用于簡單設備場景的標簽識別和復雜設備場景的標簽識別，有效改善了智能設施系統(tǒng)的應用安全性和便利性。