計(jì)量器具新型RFID電子標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)方法

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司計(jì)量中心　張璨輝　陳向群　解玉滿

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計(jì)量器具新型RFID電子標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)方法

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司計(jì)量中心張璨輝陳向群解玉滿

【摘要】計(jì)量器具設(shè)計(jì)精密，標(biāo)識(shí)信息量巨大，操作管理復(fù)雜，因此增加了計(jì)量檢定管理部門的工作量，統(tǒng)計(jì)時(shí)效率非常低，傳統(tǒng)的計(jì)量器具管理已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)量管理需求。電子技術(shù)、多媒體通信技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了計(jì)量器具的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化。本文在計(jì)量器具設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中引入了RFID技術(shù)，重點(diǎn)闡述了RFID電子標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)的方法，旨在解決計(jì)量器具管理機(jī)械化、信息錄入速度慢、鑒定人員工作強(qiáng)度大、誤碼率和重復(fù)率高等問題，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的采集計(jì)量信息，提高計(jì)量管理單位鑒定效率。

【關(guān)鍵詞】RFID讀寫器；計(jì)量器具；電子標(biāo)簽；信號(hào)檢測(cè)

1　引言

計(jì)量器具廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、交通、電力、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、金融等領(lǐng)域，計(jì)量器具的精確度直接影響計(jì)量質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，計(jì)量器具在應(yīng)用過程中需要快速的、精確的獲取相關(guān)計(jì)量植物信息非常必要。傳統(tǒng)的計(jì)量器具采用機(jī)械式操作，信息讀取了巨大，容易產(chǎn)生誤差，不能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)計(jì)量信息，需要采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化的計(jì)量器具，能夠?qū)崟r(shí)的、準(zhǔn)確的、快速的讀取計(jì)量信息，提高計(jì)量管理效率。

新型計(jì)量器具設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，其可以采用的計(jì)算機(jī)技術(shù)較多，比如傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、電子芯片等技術(shù)，本文在計(jì)量器具設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，引入了先進(jìn)的射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)。RFID技術(shù)又被電子標(biāo)簽，該技術(shù)可以利用射頻信號(hào)通過交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的空間耦合作用非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]。RFID可以通過設(shè)備信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并且將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、登記和管理，識(shí)別過程無需人工干涉，可以在各種惡劣環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。RFID讀寫器通常采用電池供電，為了能夠保證RFID的實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)性，需要連續(xù)不斷的發(fā)射磁場(chǎng)，可以保證電子標(biāo)簽隨時(shí)獲取能量信息，因此將會(huì)導(dǎo)致RFID讀寫器消耗大量的能量，很容易檢測(cè)不到電子標(biāo)簽信號(hào)。目前，RFID電子標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)已經(jīng)提出了許多的方法，孫艷峰等人分析了節(jié)點(diǎn)沿某路徑到達(dá)接收點(diǎn)的基于跳數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)在交付率和節(jié)能方面存在的低效問題，根據(jù)有損鏈路模型，通過折中交付率和能源代價(jià)來最大化能源效率的單鏈和多鏈節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的節(jié)約RFID系統(tǒng)能源，檢測(cè)RFID電子信號(hào)。鄧克波、孟秀峰等人分析了RFID系統(tǒng)的讀寫器和移動(dòng)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能區(qū)域覆蓋內(nèi)容，引入了基于距離感知的能量調(diào)節(jié)算法，構(gòu)建了區(qū)域覆蓋性能和網(wǎng)絡(luò)能量消耗之間的關(guān)系函數(shù)，優(yōu)化該函數(shù)以便能夠在滿足區(qū)域覆蓋的同時(shí)滿足信號(hào)檢測(cè)效率，更加準(zhǔn)確的獲取電子信號(hào)。謝昕等人分析了RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的節(jié)點(diǎn)，提出將RFID讀寫器集成到傳感器節(jié)點(diǎn)上，以便能夠取代傳感器模塊，形成讀寫器智能節(jié)點(diǎn)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)高效利用有限的電能，提高了RFID信號(hào)檢測(cè)效率。李文峰等人在RFID網(wǎng)絡(luò)中建立了一種總體能量消耗最小化的端到端路由協(xié)議，并且提出了一種簇間路由轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化算法，能夠在各個(gè)簇首之間自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)直接、中繼和協(xié)作3種不同的最為節(jié)能的通信方式，保證RFID網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)消耗最小化的能量，以便更好的延長(zhǎng)RFID網(wǎng)絡(luò)的生命周期和工作時(shí)間，并且能夠提高信號(hào)檢測(cè)效率，降低數(shù)據(jù)傳輸中斷的概率。高笠峰等人采用一種改進(jìn)的蟻群算法優(yōu)化RFID網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)部署問題，根據(jù)特殊個(gè)體轉(zhuǎn)移規(guī)則、不同的信息素更新規(guī)則實(shí)現(xiàn)改善蟻群算法性能，并且在監(jiān)測(cè)點(diǎn)較為稀疏的情況下引入貪心策略，以便能夠提高算法的魯棒性，可以有效的保證RFID信號(hào)檢測(cè)效率。黃書強(qiáng)等人詳細(xì)的分析了RFID無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量嚴(yán)重的影響的網(wǎng)絡(luò)生命周期和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量等問題，以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的路徑長(zhǎng)度為目標(biāo)，提出采用自適應(yīng)的粒子群算法求解網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署位置，引入了隨機(jī)調(diào)整慣性權(quán)重、自適應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)因子和基于鄰域搜索等策略，設(shè)計(jì)了一種新的適應(yīng)值函數(shù)計(jì)算方法，能夠有效的部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提高RFID信號(hào)檢測(cè)效率。

2　RFID技術(shù)及其應(yīng)用分析

RFID系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵部分組成，射頻標(biāo)簽包含天線和芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸式信息傳輸。RFID的工作原理是利用射頻信號(hào)和空間后河傳輸特性實(shí)現(xiàn)被識(shí)別對(duì)象的自動(dòng)識(shí)別。射頻標(biāo)簽和讀寫器之間可以通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間耦合。在耦合通道內(nèi)，可以根據(jù)時(shí)序關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和能量傳遞[2]。目前，根據(jù)RFID卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通信及能量感應(yīng)方式可以得知，耦合方式主要包括電感耦合、電磁反向散射耦合兩種。低頻RFID通常采用電感耦合，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合；高頻RFID通常采用電磁反向散射耦合，根據(jù)電磁波空間傳播規(guī)律，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，攜帶回目標(biāo)信息。目前，RFID技術(shù)已經(jīng)在畜牧養(yǎng)殖管理、物流管理、交通車輛收費(fèi)管理、門禁卡、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，取得了顯著的成果[3]。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽和讀寫器兩個(gè)部分組成。在RFID應(yīng)用過程中，RFID讀寫器系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的一個(gè)中間件，其可以有效的屏蔽系統(tǒng)各個(gè)接口之間的器件性差異，為硬件與軟件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)自身模塊之間提供通用的接口，可以大大的降低模塊之間的開發(fā)難度與成本，縮短開發(fā)時(shí)間[4]。由于RFID讀寫器系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此本文RFID讀寫器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要充分的考慮數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和讀寫器的響應(yīng)時(shí)間都要盡可能的短。因此，為了能夠達(dá)到上述性能要求，RFID讀寫器系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙、微波或TD-LTE等）、傳感器、RFID讀寫器和RFID服務(wù)器等五個(gè)組成部分。

3　新型RFID在計(jì)量器具應(yīng)用中的信號(hào)檢測(cè)方法

RFID在計(jì)量器具應(yīng)用過程中，計(jì)量部門可以每一個(gè)計(jì)量器具貼上標(biāo)簽，并且對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，使用激光掃描數(shù)據(jù)采集電子標(biāo)簽編號(hào)，根據(jù)電子標(biāo)簽獲取管理系統(tǒng)中的計(jì)量器具信息，提高了計(jì)量器具的信息化、數(shù)據(jù)化和智能化水平。新型計(jì)量器具的電子標(biāo)簽可以記錄計(jì)量器具的名稱、測(cè)量范圍、精確度等級(jí)、檢測(cè)日期、使用狀態(tài)等信息。計(jì)量器具檢測(cè)過程中，其采用的核心技術(shù)為RFID技術(shù)，可以實(shí)時(shí)的采集計(jì)量器具的電子標(biāo)簽信息，將其包含的內(nèi)容傳輸給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，能夠更好的實(shí)現(xiàn)RFID的信號(hào)檢測(cè)，是非常重要的一個(gè)工作，其關(guān)系到實(shí)時(shí)采集、傳輸計(jì)量數(shù)據(jù)信息，更好的實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和正常性，傳輸過程中不會(huì)產(chǎn)生中斷[5]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于距離感知的RFID的信號(hào)檢測(cè)方法，采用RFID信號(hào)數(shù)據(jù)生存時(shí)間和最大轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)管理存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列中數(shù)據(jù)信息。

RFID的信號(hào)檢測(cè)的主要目的是計(jì)量器具電子標(biāo)簽、RFID服務(wù)器之間的有效通信，實(shí)現(xiàn)RFID信號(hào)檢測(cè)的信息共享[6]。因此，RFID的信號(hào)檢測(cè)算法的主要參考依據(jù)是節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成功信號(hào)檢測(cè)概率，RFID的信號(hào)檢測(cè)也是按照概率進(jìn)行選擇，因此，RFID的信號(hào)檢測(cè)算法最為關(guān)鍵的步驟是計(jì)算RFID電子標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)到的概率。為了能夠準(zhǔn)確求解RFID的信號(hào)檢測(cè)概率，基于距離感知的RFID的信號(hào)檢測(cè)算法規(guī)定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)按照一定的周期（設(shè)置每5s為一個(gè)周期）采用大功率發(fā)射位置廣播消息，該廣播消息僅僅包含位置信息，發(fā)送時(shí)間較為短暫，對(duì)于RFID的信號(hào)檢測(cè)的通信干擾非常小，消耗的節(jié)點(diǎn)能量可以忽略不計(jì)。由于位置廣播消息采用大功率發(fā)射，RFID的信號(hào)檢測(cè)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠收到。比如，在一個(gè)RFID系統(tǒng)中，可以使用實(shí)心圓表示RFID服務(wù)器匯聚節(jié)點(diǎn)，空心圓表示RFID中的計(jì)量器具節(jié)點(diǎn)，虛線圍繞的區(qū)域表示RFID服務(wù)器匯聚節(jié)點(diǎn)覆蓋的范圍，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)中收到RFID服務(wù)器匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)射的位置廣播消息后，都可以記錄RFID服務(wù)器匯聚節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)傳輸距離及時(shí)間長(zhǎng)短可以得知信號(hào)強(qiáng)度大小變化規(guī)律，距離匯聚節(jié)點(diǎn)距離較近的節(jié)點(diǎn)，收到的信號(hào)強(qiáng)度越大；距離匯聚節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，收到的信號(hào)強(qiáng)度越小，因此，匯聚節(jié)點(diǎn)不斷地發(fā)射位置廣播信息，其節(jié)點(diǎn)記錄消息信號(hào)強(qiáng)度之后，可以記錄在一段時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離變化情況。RFID服務(wù)器匯聚節(jié)點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)過程中，其最為關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)就是RFID信號(hào)檢測(cè)廣播數(shù)據(jù)生存時(shí)間。

RFID信號(hào)檢測(cè)廣播數(shù)據(jù)生存時(shí)間是指數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的存活時(shí)間，通常意義上，一個(gè)數(shù)據(jù)擁有的生存時(shí)間越長(zhǎng)，其在網(wǎng)絡(luò)中存在的副本就會(huì)越多，RFID電子標(biāo)簽檢測(cè)信號(hào)成功的概率就會(huì)增大。因此可以采用生存時(shí)間表示網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)信息的重要性。檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)的生存時(shí)間設(shè)置算法如下：一個(gè)檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生時(shí)，其生存時(shí)間設(shè)置為0；在網(wǎng)絡(luò)中中，每個(gè)RFID節(jié)點(diǎn)均存在一個(gè)本地計(jì)時(shí)器，每當(dāng)計(jì)時(shí)器超時(shí)，該節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)隊(duì)列的全部檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)生存時(shí)間值就要增加，同時(shí)，忽略不計(jì)節(jié)點(diǎn)之間檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，因此當(dāng)檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)傳輸完成之后，接收方節(jié)點(diǎn)無需更改檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)的生存時(shí)間，直接將新接收到的檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)插入到節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)隊(duì)列中即可；如果已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)的檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)重新放入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列，該檢測(cè)信號(hào)廣播數(shù)據(jù)的生存時(shí)間也無需更改。

4　結(jié)束語

隨著傳感器、ZigBee、中間件和RFID技術(shù)的快速發(fā)展，有效的促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和應(yīng)用。計(jì)量器具是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在計(jì)量管理領(lǐng)域的應(yīng)用之一，是一個(gè)自組織網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量管理數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，為計(jì)量管理單位提供多種多樣的服務(wù)。射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在計(jì)量器具管理系統(tǒng)中的運(yùn)用，是一種突破性創(chuàng)新：首先它可以快速識(shí)別每一件計(jì)量器具，識(shí)別速率高，錯(cuò)誤率低；其次它采用無線電射頻的非接觸方式，直接讀取計(jì)量器具信息數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單方便；第三它可以隨時(shí)根據(jù)計(jì)量器具的使用變化寫入新的信息，快捷方便；最后其儲(chǔ)存的信息量非常大，適合計(jì)量器具長(zhǎng)期的管理和信息的記錄。

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張璨輝（1987－），女，湖南長(zhǎng)沙人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電能計(jì)量，計(jì)量器具智能化倉儲(chǔ)及物流。

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