第三章 RFID读卡器节点设计
3.1 射频识别（RFID）技术概况
3.1.1 RFID技术原理
射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling）及后向散射耦合（BackscatterCoupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。
图3-1 RFID电子标签
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。图3-1展示了RFID电子标签的内部结构。
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3.1.2 RFID技术的特点及优势
射频识别技术近年来的快速发展充分体现了它的特点及优势，并逐步占领市场份额。具体叙述如下：
（一）非接触识别。它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。
（二）大规模识别。它可以一次性读取数个RFID标签，效率较过去的条形码识别大大提高。
（三）体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。
（四）抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。
（五）可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。
（六）穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。
（七）数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50Bytes，二维条形码最大的容量可储存2至3000字符，RFID最大的容量则有数MB。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。
（八）安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。
（九）使用寿命长，应用范围广。其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。
3.1.3 超高频RFID技术
超高频（Ultra-High Frequency，UHF）射频识别技术识别的距离远，标签识别能力强，近年来发展很快。由于高频射频识别技术不能满足本系统扫描范围的要求，所以考虑采用超高频射频识别技术。
超高频读卡器最远距离可以达到15m左右，中距离的在5米左右。本系统采用5m的超高频读卡器便可实现一个书架所有图书的定位。
另一方面，超高频技术的发展时间不长，也存在一些缺陷：
信息安全、数据隐私、以及标签数据的正确无漏收集成为了 UHF RFID 技术的三大争议点。由于射频信号暴露在信号辐射范围内，并没有明显的审查跟踪机制，很容易被恶意读写器攻击。从而，导致了 UHF RFID 信息安全与隐私的隐患。
关于 UHF RFID 系统中标签数据的收集，主要存在数据错读、数据重复、数据漏读三个方面的隐患。标签数据错读主要是指读写器天线读取到了非读取范围
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内的标签，造成错读。此现象的发生是因为不同应用环境下读写器天线读取范围有变化，以及读写器的功率与读取范围并不能进行精确控制。标签数据重复主要是指同一标签被读取了两次或者两次以上，造成的数据冗余，这种情况是由读写器的读写速度快引起的。可以由 RFID 中间件解决。标签数据的漏读是指在读写器天线读写范围内的标签并没有被读到，产生这种情况的主要原因有系统中盲点的存在、标签碰撞、标签失谐、水或金属的干扰等。
相信这些尚未解决的缺陷将会随着超高频技术的发展得到解决。
3.2 本系统中RFID节点的关键技术
3.2.1 防碰撞算法
前面已经介绍了RFID模块的重要部件读卡器，它最大的优点就是可以一次性读取多个标签。但是这项技术往往存在碰撞问题。在很多应用场合，读写器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于读写器和标签通信共享无线信道，读写器或标签的信号可能发生冲突，使读写器不能正确识别标签，即发生了碰撞。因此，需要一种防碰撞技术以减少冲突达到快速准确识别多个标签的目的。
RFID系统中的冲突分为读写器冲突和标签冲突。读写器冲突是指多个读写器同时与一个标签通信，致使标签无法区分读写器的信号，也包括相邻的读写器同时使用相同的频率与其阅读区域内的标签通信而引起的频率冲突。标签冲突是指多个标签同时响应读写器的命令而发送信息，引起信号冲突，使读写器无法识别标签。读写器冲突问题类似于移动蜂窝网络中的频率分配问题。由于读写器能检测冲突并且读写器间能相互通信，因此读写器冲突能很容易得到解决。
标签冲突问题与计算机网络冲突问题类似。但是，由于RFID系统中的一些限制，使得传统网络中的很多标准的防冲突技术都不适于或很难在RFID系统中应用。这些限制因素主要有：（1）内存和计算能力的限制，由于标签的成本很低，其计算能力十分有限，不能执行复杂计算；（2）一些标准限制了RFID系统中的通信带宽，因此需要尽量减少读写器和标签间传送的信息比特的数目；（3）标签不具有载波监听发现冲突的功能而且标签间不能相互通信。
标签防碰撞协议对RFID系统识别能力至关重要。按照防碰撞算法中标签的响应方式，防碰撞算法通常分为不确定算法和确定性算法两种。不确定性算法中标签利用随机时间响应读写器的命令。不确定性算法大都基于Aloha机制，例如时隙Aloha，Frame-Slotted Aloha算法等。确定性算法是读写器根据标签ID的惟一性来选择标签进行通信。最简单的确定性算法是二进制树机制。
无论是Aloha算法或是二进制树型算法，都是防碰撞的一种机制。对于这两种算法的具体内容本文不作赘述，毕竟它们只是实现我们所需功能的一种方式。 3.2.2单片机模块的选择
作为一个完整的系统，必须有一个控制器向RFID发送命令，并从RFID收集数据，最后通过后面将要介绍的Zigbee模块发送到图书馆服务终端。 采用PIC18F4520单片机作为本系统的单片机模块。现在市面上单片机种类较多，使用最多的就是51单片机。在本系统中，由于一个单片机模块对应一个书
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架，一个书架上的图书数量在数百本，这样会产生很大的数据量，对于51单片机来说处理上有些难以应对。而Microchip公司的PIC系列单片机性能优越且性价比较高，将成为今后单片机市场的主流品牌。 PIC单片机采用哈佛结构总线，可以同时对数据和程序进行访问，提高了数据吞吐率，正适合处理大量的数据。PIC18F4520单片机内含32KB程序存储器，1536Byte SRAM和256Byte EEPROM数据存储器。这些重要的内部特性保证了本系统能够完成所需的功能。图3-2是PIC18F4520的实物图。
图3-2 PIC18F4520实物图
3.2.3 RFID读卡器与单片机的数据流通
每个RFID节点由一个RFID读卡器和一个PIC单片机组成。节点电路设计以单片机为核心，将RFID模块集成在单片机电路板上。首先，每次需要RFID读卡器采集信息时，由单片机发送指令给读卡器，读卡器开始数据采集工作。然后，读卡器按其规定的工作方式按一定顺序采集图书信息，并通过串行通信方式把数据发送给单片机。此时，等待单片机收集到整个书架的全部信息后，再进行数据处理。需要处理的内容主要是重复图书信息的剔除工作，针对RFID可能出现的重复扫描，需要在单片机中把每个图书的唯一ID进行比对，如有重复则删除重复项，保证完整准确的图书信息。 3.2.4 数据的完整性与准确性分析
首先，完整性是指收集到数据必须包含该节点所在书架的所有图书的完整信息。要想达到完整性，必须满足两点要求：一是RFID读卡器的扫描范围可以包含整个书架；二是读卡器的读卡性能良好，不会出现漏读现象。这两点要求通过合理的算法都可以实现。
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其次，准确性是指在完整性的层面上更上一层，该系统需要把每个图书加上它所在书架的位置信息发送到服务器端，因此每个图书所在书架位置的确定就极为关键。由于图书馆的书架摆放的位置一般情况下是不会改变的，所以可以把该书架的位置信息存入单片机，使单片机在处理数据的时候给每本书的数据添加一条书架位置信息，这样在图书馆服务终端接收到所以图书数据的时候就可以通过该项新添加的数据确定它所在的具体位置。但是这里面仍然存在一个问题：图书馆的书架摆放各不相同，对于每个RFID读卡器的球形扫描区域，如果因为书架间距过小而导致两个读卡器扫描重叠，就有可能对同一本书扫描两次，从而可能导致错误的结果。即使采取了防冲突机制，只允许一个读卡器对其扫描，那也很难决定是这本书是不是由它所在的书架的读卡器扫描而来。对于这种情况，现在还没有恰当而有效的解决方法，只能通过下面两种途径做适当的改善：（1）寻找能够在某一个方向或几个方向扫描、而不是全方位扫描的读卡器，使其在书架的长度和高度方向有较大的扫描距离，而在书架的宽度方向有较小的扫描距离，从而避免两个读卡器扫描区域的重叠。（2）假设一个读卡器的扫描区域可以完整包含其所在的书架，并部分包含其相邻的书架，而不能接触更远距离的书架，那么考虑一本书被扫描的三种可能：被一个读卡器读取，被两个读卡器读取，被三个读卡器读取。这三种情况可以很容易的用下面的图3-3来表示。图中区域1代表只被一个读卡器读取，区域2代表同时被两个读卡器读取，区域3代表同时被3个读卡器读取。对于1、3两种情况，书的位置可以完全确定，而对于2这种情况，则存在一个书架的误差，也就是说只能从相邻的两个书架中找这本书，而不能完全确定它的位置。那么怎样减小它的误差呢，只能通过合理放置书架或者选取合适的长宽高并选取合适的扫描半径，使上述三个区域的1、3增大，2减小即可达到效果，图3-4展示了较好的扫描效果。
在图3-4中上述的区域1和区域2面积减小到0，整个书架全部为区域3，即
1 2 32 1 图3-3 读卡器扫描范围 同时被三个读卡器读取，此时取中间节点的读卡器位置即为图书的实际位置。这不失为一种避免误差的好方法，不过也存在数据冗余、处理复杂度增加的缺点。
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