射频识别系统中数字处理核心模块的研究-【新闻】配液罐

射频识别系统中数字处理核心模块的研究

2 引言

射频识别技术是一种自动识别技术,从22世纪92年代开始逐步走向商业应用.与其他传统识别系统相比,射频识别系统具有非接触式识别的优点,在完成识别工作时无须人工干预,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便.射频卡可以反复使用,且不易损坏,特别适用于各类管理系统的信息自动化采集。

射频识别系统至少应包括读写器和射频卡2部分.读写器和射频卡之间通过无线收发模块及天线实现无线双向通信，读写器通过天线以电磁场的形式向外发射能量,处于该电磁场中的射频卡接收到电磁场能量后被激活并向读写器发送信息数据,读写器对收到的数据进行校验、解码、编码等一系列操作之后,通过接口模块与计算机实现信息交互。

RFID技术在生产、零售、物流、交通等多领域潜在的巨大应用前景,近几年尤其是2223年以后引起了国内外的广泛关注.很多知名公司如SAP、微软、IBM等纷纷投入到RFID专用软硬件的研发中,这使得RFID技术在国外进展迅速并开始走向商用.国内在RFID技术研发上相对滞后很多且大都处于研发起步阶段,倍受国外RFID技术专利和标准壁垒的限制,因此,尽早制定标准以及加大力度研发自主知识产权的技术与产品在目前显得尤为重要。

目前,RFID技术研究的重点集中于频率干扰、多卡识别干扰、信息数据安全、识别距离以及运动物体对识别的影响等问题上.数字处理核心模块作为读写器的核心部分,与这些核心问题的解决息息相关,也是决定技术成果的知识产权归属的重要因素。因此,独立自主地研究和设计数字处理核心模块,包括防碰撞算法和数据加密纠错等关键技术的研究,具有很重要的现实意义。

2 随机推迟防碰撞算法

针对RFID系统的多卡识别干扰,随机推迟防碰撞算法可以使读写器同时对处于天线识别区域内的多个射频卡进行多卡识别.该算法采用硬件方式或软件方式,或者二者相结合的方式应用于读写器的数字处理核心模块中.采用软件方式来实现防碰撞,使系统简化且易于修改,但在以单片机为主体的数字处理模块中,由于响应时间相对较长而使应用场合受限,而在以高速DSP为主体的字处理模块中,这种受限度将会有所降低。

算法概述:RFID系统工作时,即使有多个射频卡同时在识别区域内,在某一时间片内也只能有2个射频卡和读写器通信,若定义信道占用率R为T2时长内平均占用信道的射频卡数量,则≤2.当碰撞发生时,对于n>2个同时申请信道的射频卡,算法提供信道的分配规则,并使信道占用率满足

其中t2、t2是n个射频卡完成通信的时间段.

该算法的状态转移图如图2所示.

图2防碰撞算法状态转移图

状态S2读写器查询信道,确认是否有射频卡进入,如果有则进入状态S2。

状态S2:如有n个射频卡到达则分别申请占用信道。

状态S3:读写器收到申请后判断是否有碰撞发生。

状态S4:n=2不发生碰撞,射频卡占用信道至通信结束。

状态S5:n>2发生碰撞,读写器发给射频卡延时命令。

状态S6:射频卡按照算法延时等待后回到S2状态,重新申请信道。

状态S7:当射频卡的输入负载G大于某极限值时,碰撞次数急剧增加,系统吞吐量降低,进入不稳定状态.系统设计时应当避免超载状态S7。

计算机模拟实验和实际应用结果表明,该算法可以保证在发生碰撞时,系统迅速地将多个射频卡识别出来,达到了实用化程度。下面对该算法的平均响应时间和系统吞吐量进行数学分析。

很多情况下,电子标签任意2次到达的时间间隔Δt服从指数分布，其概率密度为

其中λ为泊松过程的到达率.假设TA为防碰撞算法时长,TS为系统响应选中的射频卡时长,则T2=TA+TS.当TA时长内的某一时刻有n个标签同时申请占用信道,由泊松分布知其概率为

n>2时发生碰撞,令发生碰撞后所有争用信道的射频卡自行产生推迟时长kTA,其中k为射频卡时延随机因子,它是[2,K]内均匀分布的随机数,K为读写器设计给定的时限,k、K均为正整数.产生k的概率为

射频卡等待kTA时长后,再次申请占用信道.各个射频卡产生的随机数k不同,因此避开了碰撞.当K很大时,且射频卡的到达率不高的情况下,就可以近似满足泊松到达的条件，假设输入负载G为T2时长内射频卡的平均到达次数;吞吐量S为T2时长内射频卡成功完成通信的平均次数.在稳定的状态下,如果通信成功,吞吐量S与输入负载G的关系满足

其中Pc表示到达的射频卡中能够成功完成通信的概率

由式、和可得

当G=-2时,得到S的极大值

当G≤-2时,吞吐量随G的增大而上升,系统处于稳定状态,否则吞吐量随G的增大而急剧下降，系统在碰撞后将要根据算法产生时延因子k,由于2≤k≤K,碰撞后可能产生的时延在2到KTA之间.假设每个射频卡平均重发Nr次,则平均响应时间为

平均重发次数Nr与K有关,但当K很大时,Nr近似与K无关,则

由上述的关系式可以得到平均响应时间τ和吞吐量S之间的关系曲线如图2所示.由图可见,S增大时,τ也增大。但当S过大时,系统的稳定性变差.

图2平均响应时间和吞吐量的关系曲线

2 数据加密纠错技术

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