計量器具新型RFID電子標簽信號檢測方法

國網湖南省電力公司計量中心　張璨輝　陳向群　解玉滿

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計量器具新型RFID電子標簽信號檢測方法

國網湖南省電力公司計量中心張璨輝陳向群解玉滿

【摘要】計量器具設計精密，標識信息量巨大，操作管理復雜，因此增加了計量檢定管理部門的工作量，統計時效率非常低，傳統的計量器具管理已經無法適應現代計量管理需求。電子技術、多媒體通信技術的快速發展，促進了計量器具的自動化、數字化和智能化。本文在計量器具設計與實現過程中引入了RFID技術，重點闡述了RFID電子標簽信號檢測的方法，旨在解決計量器具管理機械化、信息錄入速度慢、鑒定人員工作強度大、誤碼率和重復率高等問題，實現快速、準確的采集計量信息，提高計量管理單位鑒定效率。

【關鍵詞】RFID讀寫器；計量器具；電子標簽；信號檢測

1　引言

計量器具廣泛的應用于工業、交通、電力、農業、醫療、金融等領域，計量器具的精確度直接影響計量質量、經濟效益和社會效益。因此，計量器具在應用過程中需要快速的、精確的獲取相關計量植物信息非常必要。傳統的計量器具采用機械式操作，信息讀取了巨大，容易產生誤差，不能夠準確統計計量信息，需要采用現代計算機技術實現自動化、網絡化、智能化和數字化的計量器具，能夠實時的、準確的、快速的讀取計量信息，提高計量管理效率。

新型計量器具設計與實現過程中，其可以采用的計算機技術較多，比如傳感器、無線網絡、電子芯片等技術，本文在計量器具設計與實現過程中，引入了先進的射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術。RFID技術又被電子標簽，該技術可以利用射頻信號通過交變磁場或電磁場的空間耦合作用非接觸式自動識別技術[1]。RFID可以通過設備信號自動識別目標對象，并且將相關的數據信息存儲、登記和管理，識別過程無需人工干涉，可以在各種惡劣環境得到廣泛應用。RFID讀寫器通常采用電池供電，為了能夠保證RFID的實時性和快速響應性，需要連續不斷的發射磁場，可以保證電子標簽隨時獲取能量信息，因此將會導致RFID讀寫器消耗大量的能量，很容易檢測不到電子標簽信號。目前，RFID電子標簽信號檢測已經提出了許多的方法，孫艷峰等人分析了節點沿某路徑到達接收點的基于跳數的轉發在交付率和節能方面存在的低效問題，根據有損鏈路模型，通過折中交付率和能源代價來最大化能源效率的單鏈和多鏈節能轉發，可以有效的節約RFID系統能源，檢測RFID電子信號。鄧克波、孟秀峰等人分析了RFID系統的讀寫器和移動點之間的網絡節能區域覆蓋內容，引入了基于距離感知的能量調節算法，構建了區域覆蓋性能和網絡能量消耗之間的關系函數，優化該函數以便能夠在滿足區域覆蓋的同時滿足信號檢測效率，更加準確的獲取電子信號。謝昕等人分析了RFID系統網絡覆蓋的節點，提出將RFID讀寫器集成到傳感器節點上，以便能夠取代傳感器模塊，形成讀寫器智能節點，利用傳感器節點的節能控制機制實現RFID系統高效利用有限的電能，提高了RFID信號檢測效率。李文峰等人在RFID網絡中建立了一種總體能量消耗最小化的端到端路由協議，并且提出了一種簇間路由轉發優化算法，能夠在各個簇首之間自適應的實現直接、中繼和協作3種不同的最為節能的通信方式，保證RFID網絡中節點數據轉發時消耗最小化的能量，以便更好的延長RFID網絡的生命周期和工作時間，并且能夠提高信號檢測效率，降低數據傳輸中斷的概率。高笠峰等人采用一種改進的蟻群算法優化RFID網絡中各個節點部署問題，根據特殊個體轉移規則、不同的信息素更新規則實現改善蟻群算法性能，并且在監測點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信號檢測效率。黃書強等人詳細的分析了RFID無線網絡中節點能量嚴重的影響的網絡生命周期和數據傳輸質量等問題，以優化節點和網關之間的路徑長度為目標，提出采用自適應的粒子群算法求解網關節點部署位置，引入了隨機調整慣性權重、自適應改變網絡學習因子和基于鄰域搜索等策略，設計了一種新的適應值函數計算方法，能夠有效的部署網絡節點，提高RFID信號檢測效率。

2　RFID技術及其應用分析

RFID系統主要由射頻標簽、讀寫器和應用系統三個關鍵部分組成，射頻標簽包含天線和芯片，能夠實現無接觸式信息傳輸。RFID的工作原理是利用射頻信號和空間后河傳輸特性實現被識別對象的自動識別。射頻標簽和讀寫器之間可以通過耦合元件實現射頻信號的空間耦合。在耦合通道內，可以根據時序關系進行數據交換和能量傳遞[2]。目前，根據RFID卡片閱讀器及電子標簽之間的通信及能量感應方式可以得知，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，根據電磁感應定律，通過空間高頻交變磁場實現耦合；高頻RFID通常采用電磁反向散射耦合，根據電磁波空間傳播規律，發射出去的電磁波，碰到目標后反射，攜帶回目標信息。目前，RFID技術已經在畜牧養殖管理、物流管理、交通車輛收費管理、門禁卡、產品標識等領域得到了廣泛的發展和應用，取得了顯著的成果[3]。RFID系統主要由電子標簽和讀寫器兩個部分組成。在RFID應用過程中，RFID讀寫器系統是非常關鍵的一個中間件，其可以有效的屏蔽系統各個接口之間的器件性差異，為硬件與軟件系統、軟件系統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難度與成本，縮短開發時間[4]。由于RFID讀寫器系統對實時性要求較高，因此本文RFID讀寫器系統設計過程中，要充分的考慮數據傳輸時間和讀寫器的響應時間都要盡可能的短。因此，為了能夠達到上述性能要求，RFID讀寫器系統由電子標簽、無線傳輸網絡（藍牙、微波或TD-LTE等）、傳感器、RFID讀寫器和RFID服務器等五個組成部分。

3　新型RFID在計量器具應用中的信號檢測方法

RFID在計量器具應用過程中，計量部門可以每一個計量器具貼上標簽，并且對其進行編號，使用激光掃描數據采集電子標簽編號，根據電子標簽獲取管理系統中的計量器具信息，提高了計量器具的信息化、數據化和智能化水平。新型計量器具的電子標簽可以記錄計量器具的名稱、測量范圍、精確度等級、檢測日期、使用狀態等信息。計量器具檢測過程中，其采用的核心技術為RFID技術，可以實時的采集計量器具的電子標簽信息，將其包含的內容傳輸給互聯網服務器，能夠更好的實現RFID的信號檢測，是非常重要的一個工作，其關系到實時采集、傳輸計量數據信息，更好的實現計量器具的數據準確性和正常性，傳輸過程中不會產生中斷[5]。因此，本文設計了一種基于距離感知的RFID的信號檢測方法，采用RFID信號數據生存時間和最大轉發數管理存儲轉發隊列中數據信息。

RFID的信號檢測的主要目的是計量器具電子標簽、RFID服務器之間的有效通信，實現RFID信號檢測的信息共享[6]。因此，RFID的信號檢測算法的主要參考依據是節點到目標節點的成功信號檢測概率，RFID的信號檢測也是按照概率進行選擇，因此，RFID的信號檢測算法最為關鍵的步驟是計算RFID電子標簽信號檢測到的概率。為了能夠準確求解RFID的信號檢測概率，基于距離感知的RFID的信號檢測算法規定目標節點按照一定的周期（設置每5s為一個周期）采用大功率發射位置廣播消息，該廣播消息僅僅包含位置信息，發送時間較為短暫，對于RFID的信號檢測的通信干擾非常小，消耗的節點能量可以忽略不計。由于位置廣播消息采用大功率發射，RFID的信號檢測中每一個節點都能夠收到。比如，在一個RFID系統中，可以使用實心圓表示RFID服務器匯聚節點，空心圓表示RFID中的計量器具節點，虛線圍繞的區域表示RFID服務器匯聚節點覆蓋的范圍，任何一個節點中收到RFID服務器匯聚節點發射的位置廣播消息后，都可以記錄RFID服務器匯聚節點的信號強度，根據信號傳輸距離及時間長短可以得知信號強度大小變化規律，距離匯聚節點距離較近的節點，收到的信號強度越大；距離匯聚節點距離較遠的節點，收到的信號強度越小，因此，匯聚節點不斷地發射位置廣播信息，其節點記錄消息信號強度之后，可以記錄在一段時間內節點到匯聚節點的距離變化情況。RFID服務器匯聚節點信號檢測過程中，其最為關鍵的兩個技術要點就是RFID信號檢測廣播數據生存時間。

RFID信號檢測廣播數據生存時間是指數據在網絡中的存活時間，通常意義上，一個數據擁有的生存時間越長，其在網絡中存在的副本就會越多，RFID電子標簽檢測信號成功的概率就會增大。因此可以采用生存時間表示網絡中各個檢測信號廣播數據信息的重要性。檢測信號廣播數據的生存時間設置算法如下：一個檢測信號廣播數據信息產生時，其生存時間設置為0；在網絡中中，每個RFID節點均存在一個本地計時器，每當計時器超時，該節點存儲隊列的全部檢測信號廣播數據生存時間值就要增加，同時，忽略不計節點之間檢測信號廣播數據傳輸的距離，因此當檢測信號廣播數據傳輸完成之后，接收方節點無需更改檢測信號廣播數據的生存時間，直接將新接收到的檢測信號廣播數據插入到節點的存儲隊列中即可；如果已經轉發的檢測信號廣播數據重新放入數據存儲隊列，該檢測信號廣播數據的生存時間也無需更改。

4　結束語

隨著傳感器、ZigBee、中間件和RFID技術的快速發展，有效的促進了物聯網技術的普及和應用。計量器具是物聯網技術在計量管理領域的應用之一，是一個自組織網網絡，其可以實現計量管理數據的采集、處理、轉發，為計量管理單位提供多種多樣的服務。射頻識別（RFID）技術在計量器具管理系統中的運用，是一種突破性創新：首先它可以快速識別每一件計量器具，識別速率高，錯誤率低；其次它采用無線電射頻的非接觸方式，直接讀取計量器具信息數據，操作簡單方便；第三它可以隨時根據計量器具的使用變化寫入新的信息，快捷方便；最后其儲存的信息量非常大，適合計量器具長期的管理和信息的記錄。

參考文獻

[1]倪衛寧,鄭奕挺,張衛,等.自適應天線匹配低頻RFID讀寫器設計[J].電子技術應用,2014,40(9):85-87.

[2]潘光斌,冉秀娟,趙寧,等.RFID技術及在計量器具管理中的應用[J].計量與測試技術,2013,39(11):70-71.

[3]曹國瑞,解巖.基于RFID的計量器具物資標簽批量讀取算法[J].科技通報,2015,31(8):30-32.

[4]繆賢浩.基于RFID和Wi-Fi的電能計量器具倉儲實時定位信息系統研究[J].物流技術,2013(22).

[5]沈勁鵬,王新安,劉珊,等.一種具有新型解調電路和安全功能的超高頻RFID標簽芯片[J].北京大學學報:自然科學版,2014,50(2):214-220.

[6]李文華,劉治翔.基于RFID和組態王的停車場管理系統[J].計算機系統應用,2013(01):51-53.

張璨輝（1987－），女，湖南長沙人，大學本科，工程師，研究方向：電能計量，計量器具智能化倉儲及物流。

作者簡介：