基于RFID技術(shù)的白酒物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性研究

張秋艷，黃海松，陳偉興，徐叢國(guó)

（1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引言

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是利用射頻通訊實(shí)現(xiàn)的非接觸識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象[1]，可快速地進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換，具有閱讀速度快、存儲(chǔ)空間大、抗污能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而RFID無線通信信道十分復(fù)雜，既有路徑傳輸損耗，又有多徑引起的傳輸衰落，且極易受到干擾，最終導(dǎo)致不可靠地識(shí)別標(biāo)簽或物體，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，直接影響大規(guī)模部署RFID系統(tǒng)[2]。

射頻識(shí)別技術(shù)在白酒上應(yīng)用日益的廣泛，因此可靠性問題也成為關(guān)注的焦點(diǎn)。通過采集系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽在酒瓶的位置嚴(yán)重影響了標(biāo)簽的識(shí)別率；同時(shí)閱讀器在讀取多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，識(shí)別時(shí)間增加。因此文章從標(biāo)簽的閱讀距離及標(biāo)簽的碰撞二者出發(fā)，運(yùn)用MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真，得出距離和碰撞對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性的影響。從而，為進(jìn)一步的理論研究奠定基礎(chǔ)。

1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成及工作原理

RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由閱讀器、電子標(biāo)簽、天線、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。標(biāo)簽一般是由線圈、天線、存儲(chǔ)器、控制器組成的低壓電路，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及處理，如圖1所示。

RFID系統(tǒng)的工作原理是基于電磁反向散射類似于雷達(dá)的工作原理，即電磁波通過天線向周圍空間發(fā)射時(shí)，會(huì)遇到不同的目標(biāo)，到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量的一部分會(huì)被目標(biāo)吸收，另一部分則以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去，反射能量的一部分最終會(huì)返回到發(fā)射天線[3]。

圖1 RFID系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)可靠性

1.2.1 可靠性定義

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性是指在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，物理閱讀器成功識(shí)別到電子標(biāo)簽的能力，系統(tǒng)的識(shí)別率是系統(tǒng)可靠性的一個(gè)測(cè)度[4]。

一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)是通過耦合器件將閱讀器發(fā)射的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電能，部分被電子標(biāo)簽吸收供自身電路工作，電子標(biāo)簽被激活攜帶自身的信息給閱讀器，因此電子標(biāo)簽吸收的電能大小影響著系統(tǒng)的可靠性。假設(shè)電子標(biāo)簽吸收的電能為P1，標(biāo)簽的最小功率門限為P2，當(dāng)P1>P2時(shí)標(biāo)簽被成功識(shí)別的概率高，當(dāng)P1

1.2.2 可靠性測(cè)度

射頻識(shí)別系統(tǒng)的可靠性對(duì)企業(yè)有至關(guān)重要的作用，識(shí)別率作為系統(tǒng)可靠性的信度被廣泛的應(yīng)用，識(shí)別率根據(jù)實(shí)際情況可以分為以下三種。

基本識(shí)別率Pbt：?jiǎn)蝹€(gè)閱讀器成功讀取和識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽的概率，基本識(shí)別率反應(yīng)了系統(tǒng)的可靠性。

標(biāo)簽識(shí)別率Pt：是指現(xiàn)場(chǎng)布置多個(gè)互不影響的閱讀器，其中至少有一個(gè)能成功讀取標(biāo)簽的概率。如果現(xiàn)場(chǎng)部署n個(gè)相同的閱讀器，每個(gè)閱讀器的基本識(shí)別概率Pbt都一樣，那么標(biāo)簽識(shí)別率Pt與基本識(shí)別率Pbt之間存在如下的關(guān)系：

其中n表示閱讀器的個(gè)數(shù)。

圖2 標(biāo)簽識(shí)別率與基本識(shí)別率關(guān)系

由式(1)可知，當(dāng)n=1時(shí)，Pt1時(shí)，Pt>Pbt。從圖2也可以明顯看出隨著基本識(shí)別率的提高，標(biāo)簽識(shí)別率也隨之升高；對(duì)于不同數(shù)量閱讀器情況下，閱讀器越多基本識(shí)別率在很小的情況下標(biāo)簽識(shí)別率迅速達(dá)到100%，并趨于穩(wěn)定。

物品識(shí)別率Pb：指一個(gè)物體上黏貼有多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，此物品被一個(gè)閱讀器成功識(shí)別的概率。如果一個(gè)物體黏貼多個(gè)標(biāo)簽對(duì)Pbt影響不大，則物品識(shí)別率Pb與標(biāo)簽識(shí)別率Pt存在如下關(guān)系：

其中m為物體上標(biāo)簽的個(gè)數(shù)。Pb是Pt的增函數(shù)隨Pt的增加而增加。

2 閱讀距離對(duì)RFID采集系統(tǒng)識(shí)別率影響

2.1 標(biāo)簽閱讀距離與誤碼率

基于Frris自由傳播方程，可以得出距離和誤碼率之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 距離和信噪比關(guān)系

由圖3可知，閱讀距離與信噪比呈減函數(shù)關(guān)系。隨著閱讀距離的增大，信噪比逐漸的降低；直到閱讀距離在0.9附近時(shí)，信噪比為1，此時(shí)傳輸?shù)挠行盘?hào)數(shù)據(jù)為0。

在加性高斯白噪聲信道中，RFID采集系統(tǒng)采用OOK調(diào)制，其誤碼率和歸一化信噪比之間存在如下的關(guān)系：

Pe：為誤碼率，Q( )：為Q函數(shù)，為信噪比。其關(guān)系如圖4所示。

圖4 信噪比與誤碼率關(guān)系

由4圖可以看出信噪比和誤碼率成減函數(shù)關(guān)系，隨信噪比的增大誤碼率在逐漸的降低。

由信噪比和誤碼率、距離和信噪比的關(guān)系，可以得出距離與誤碼率之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 距離和誤碼率之間關(guān)系

由圖5可以得出，隨著標(biāo)簽閱讀距離的增大，誤碼率也隨之升高，其范圍時(shí)在0～1之間變動(dòng)。當(dāng)距離增大到一定數(shù)值時(shí)，誤碼率接近100%，并趨于穩(wěn)定。

2.2 誤碼率和識(shí)別率轉(zhuǎn)換

由于誤碼率在一定程度上反應(yīng)了RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，但不能直接反應(yīng)系統(tǒng)的可靠性。因此我們需要在誤碼率和識(shí)別率之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，清晰表達(dá)系統(tǒng)可靠性能。

一般的，不同場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求不同，從側(cè)面反映了對(duì)誤碼率的要求級(jí)別不相同，如話音業(yè)務(wù)要求誤碼率在10-4量級(jí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則要求10-5的量級(jí)[5]。為此，參照A律對(duì)數(shù)壓縮，針對(duì)裝備制造業(yè)RFID技術(shù)應(yīng)用對(duì)通信鏈路誤碼率的要求，構(gòu)造出通信鏈路誤碼率和系統(tǒng)識(shí)別率之間的一個(gè)關(guān)系：圖6可知直觀的看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，并在誤碼率

圖6 誤碼率和識(shí)別率關(guān)系

Pe<1×10-6系統(tǒng)的識(shí)別率為100%，誤碼率Pe>1×10-4系統(tǒng)的識(shí)別率為0，在中間范圍時(shí)，隨著誤碼率的增加逐漸減小。

2.3 識(shí)別率與距離的關(guān)系

圖7 閱讀距離與識(shí)別率關(guān)系

由圖7得出，隨閱讀距離的增加，系統(tǒng)識(shí)別率在逐漸的降低。因此可根據(jù)此仿真實(shí)驗(yàn)圖來安排標(biāo)簽在酒瓶上的位置。

3 標(biāo)簽的碰撞對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)識(shí)別率影響

除了標(biāo)簽的閱讀距離以外，文章還考慮標(biāo)簽的碰撞對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。標(biāo)簽的碰撞就是在同一時(shí)間兩個(gè)及兩個(gè)以上的標(biāo)簽以相同的頻率發(fā)送給閱讀器，出現(xiàn)閱讀器無法識(shí)別，認(rèn)為標(biāo)簽不在閱讀范圍之內(nèi)，而出現(xiàn)的誤碼率，即為標(biāo)簽碰撞對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

1）標(biāo)簽的碰撞的概率

假設(shè)所有的標(biāo)簽與閱讀器的距離都是相同的，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀比特長(zhǎng)為L(zhǎng)，數(shù)據(jù)的傳輸速率為C，則數(shù)據(jù)的幀時(shí)長(zhǎng)為。因此數(shù)據(jù)在時(shí)域范圍內(nèi)，標(biāo)簽碰撞的窗口寬度為2T0。當(dāng)在閱讀器范圍內(nèi)有N個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽身份數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間是相互獨(dú)立并成指數(shù)分布：

ti：為第i個(gè)標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)間，λ：為隨機(jī)變量ti均值的倒數(shù)，：為的概率。因此可以得出碰撞的概率為：

圖8 標(biāo)簽碰撞窗口

2）標(biāo)簽的誤拒絕率、識(shí)別率

由于標(biāo)簽的碰撞引起標(biāo)簽的誤拒絕率：

tx：為閱讀器兩次接收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間間隔，ta：為閱讀器讀取標(biāo)簽的時(shí)間。

當(dāng)RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)查詢區(qū)域內(nèi)有N個(gè)標(biāo)簽時(shí)，可能出現(xiàn)碰撞且碰撞次數(shù)未知。因此標(biāo)簽的誤拒絕率可用下式來計(jì)算：

圖9 碰撞情形

則上式可變?yōu)椋?/p>

如果標(biāo)簽身份數(shù)據(jù)流是一個(gè)泊松過程，那么讀卡器在大于的時(shí)間接收到第i個(gè)數(shù)據(jù)幀的概率，等于讀卡器在時(shí)間間隔內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)小于或等于i-1的概率，則式(9)變?yōu)椋?/p>

由式(4)和式(10)可知，系統(tǒng)的識(shí)別率為：

圖10 識(shí)別時(shí)間與識(shí)別率關(guān)系

由于標(biāo)簽的碰撞，引起閱讀器對(duì)標(biāo)簽識(shí)別時(shí)間增加。從圖10可以得出，隨著識(shí)別時(shí)間的增加，系統(tǒng)識(shí)別率也提高，然而會(huì)降低系統(tǒng)的識(shí)別效率。因此，要平衡數(shù)據(jù)的碰撞和識(shí)別效率間的關(guān)系。

4 結(jié)論

1）通過仿真實(shí)驗(yàn)，得出閱讀距離與系統(tǒng)識(shí)別率的關(guān)系，驗(yàn)證了標(biāo)簽閱讀距離的增大時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別率降低，誤碼率提高。因此，要合理安排標(biāo)簽位置。

2）由于標(biāo)簽的碰撞，使得標(biāo)簽識(shí)別時(shí)間增加。當(dāng)識(shí)別時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，識(shí)別率趨于穩(wěn)定。因此要合理的控制閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，為采集系統(tǒng)中白酒輸送速度研究打下基礎(chǔ)。

[1] 郎為民.射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] Floerkemeier C. Issues with RFID usage in ubiquitous computing applications[C].Pervasive Computing:Second International Conference,vol. 3001 of LNCS:2005:188-193.

[3] 劉春偉.RFID閱讀器的多天線模式研究[D].重慶大學(xué),2007.

[4] 李睿,俞濤,方明倫.制造網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性管理研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2005,11(3):358-363.

[5] Cao X H, Xiao H B. Propagation prediction model and performance analysis of RFID system under metallic container pro-duction circumstance[J].Microelectronics Journal,2011,42(2):247-252.