基于RFID技术的白酒物联网数据采集系统可靠性研究

张秋艳，黄海松，陈伟兴，徐丛国

（1.贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

0 引言

射频识别技术（RFID）是利用射频通讯实现的非接触识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象[1]，可快速地进行物品追踪和数据交换，具有阅读速度快、存储空间大、抗污能力强等优点。然而RFID无线通信信道十分复杂，既有路径传输损耗，又有多径引起的传输衰落，且极易受到干扰，最终导致不可靠地识别标签或物体，造成巨大的经济损失，直接影响大规模部署RFID系统[2]。

射频识别技术在白酒上应用日益的广泛，因此可靠性问题也成为关注的焦点。通过采集系统的运行调试，发现标签在酒瓶的位置严重影响了标签的识别率；同时阅读器在读取多个标签时，识别时间增加。因此文章从标签的阅读距离及标签的碰撞二者出发，运用MATLAB实验仿真，得出距离和碰撞对数据采集系统可靠性的影响。从而，为进一步的理论研究奠定基础。

1 RFID数据采集系统

1.1 RFID数据采集系统组成及工作原理

RFID数据采集系统是由阅读器、电子标签、天线、数据管理系统组成。标签一般是由线圈、天线、存储器、控制器组成的低压电路，数据管理系统主要完成数据采集、存储及处理，如图1所示。

RFID系统的工作原理是基于电磁反向散射类似于雷达的工作原理，即电磁波通过天线向周围空间发射时，会遇到不同的目标，到达目标的电磁波能量的一部分会被目标吸收，另一部分则以不同的强度散射到各个方向上去，反射能量的一部分最终会返回到发射天线[3]。

图1 RFID系统组成

1.2 系统可靠性

1.2.1 可靠性定义

数据采集系统可靠性是指在规定的条件下、在规定的时间区间内，物理阅读器成功识别到电子标签的能力，系统的识别率是系统可靠性的一个测度[4]。

一个完整的RFID系统是通过耦合器件将阅读器发射的电磁信号转换成电能，部分被电子标签吸收供自身电路工作，电子标签被激活携带自身的信息给阅读器，因此电子标签吸收的电能大小影响着系统的可靠性。假设电子标签吸收的电能为P1，标签的最小功率门限为P2，当P1>P2时标签被成功识别的概率高，当P1

1.2.2 可靠性测度

射频识别系统的可靠性对企业有至关重要的作用，识别率作为系统可靠性的信度被广泛的应用，识别率根据实际情况可以分为以下三种。

基本识别率Pbt：单个阅读器成功读取和识别一个标签的概率，基本识别率反应了系统的可靠性。

标签识别率Pt：是指现场布置多个互不影响的阅读器，其中至少有一个能成功读取标签的概率。如果现场部署n个相同的阅读器，每个阅读器的基本识别概率Pbt都一样，那么标签识别率Pt与基本识别率Pbt之间存在如下的关系：

其中n表示阅读器的个数。

图2 标签识别率与基本识别率关系

由式(1)可知，当n=1时，Pt1时，Pt>Pbt。从图2也可以明显看出随着基本识别率的提高，标签识别率也随之升高；对于不同数量阅读器情况下，阅读器越多基本识别率在很小的情况下标签识别率迅速达到100%，并趋于稳定。

物品识别率Pb：指一个物体上黏贴有多个标签时，此物品被一个阅读器成功识别的概率。如果一个物体黏贴多个标签对Pbt影响不大，则物品识别率Pb与标签识别率Pt存在如下关系：

其中m为物体上标签的个数。Pb是Pt的增函数随Pt的增加而增加。

2 阅读距离对RFID采集系统识别率影响

2.1 标签阅读距离与误码率

基于Frris自由传播方程，可以得出距离和误码率之间的关系，如图3所示。

图3 距离和信噪比关系

由图3可知，阅读距离与信噪比呈减函数关系。随着阅读距离的增大，信噪比逐渐的降低；直到阅读距离在0.9附近时，信噪比为1，此时传输的有效信号数据为0。

在加性高斯白噪声信道中，RFID采集系统采用OOK调制，其误码率和归一化信噪比之间存在如下的关系：

Pe：为误码率，Q( )：为Q函数，为信噪比。其关系如图4所示。

图4 信噪比与误码率关系

由4图可以看出信噪比和误码率成减函数关系，随信噪比的增大误码率在逐渐的降低。

由信噪比和误码率、距离和信噪比的关系，可以得出距离与误码率之间的关系曲线如图5所示。

图5 距离和误码率之间关系

由图5可以得出，随着标签阅读距离的增大，误码率也随之升高，其范围时在0～1之间变动。当距离增大到一定数值时，误码率接近100%，并趋于稳定。

2.2 误码率和识别率转换

由于误码率在一定程度上反应了RFID数据采集系统的可靠性，但不能直接反应系统的可靠性。因此我们需要在误码率和识别率之间进行转换，清晰表达系统可靠性能。

一般的，不同场合对系统的稳定性要求不同，从侧面反映了对误码率的要求级别不相同，如话音业务要求误码率在10-4量级，数据业务则要求10-5的量级[5]。为此，参照A律对数压缩，针对装备制造业RFID技术应用对通信链路误码率的要求，构造出通信链路误码率和系统识别率之间的一个关系：图6可知直观的看出系统的稳定性能，并在误码率

图6 误码率和识别率关系

Pe<1×10-6系统的识别率为100%，误码率Pe>1×10-4系统的识别率为0，在中间范围时，随着误码率的增加逐渐减小。

2.3 识别率与距离的关系

图7 阅读距离与识别率关系

由图7得出，随阅读距离的增加，系统识别率在逐渐的降低。因此可根据此仿真实验图来安排标签在酒瓶上的位置。

3 标签的碰撞对数据采集系统识别率影响

除了标签的阅读距离以外，文章还考虑标签的碰撞对数据采集的影响。标签的碰撞就是在同一时间两个及两个以上的标签以相同的频率发送给阅读器，出现阅读器无法识别，认为标签不在阅读范围之内，而出现的误码率，即为标签碰撞对系统可靠性的影响。

1）标签的碰撞的概率

假设所有的标签与阅读器的距离都是相同的，标签的数据帧比特长为L，数据的传输速率为C，则数据的帧时长为。因此数据在时域范围内，标签碰撞的窗口宽度为2T0。当在阅读器范围内有N个标签，标签身份数据发送的时间是相互独立并成指数分布：

ti：为第i个标签发送的时间，λ：为随机变量ti均值的倒数，：为的概率。因此可以得出碰撞的概率为：

图8 标签碰撞窗口

2）标签的误拒绝率、识别率

由于标签的碰撞引起标签的误拒绝率：

tx：为阅读器两次接收到标签数据时的时间间隔，ta：为阅读器读取标签的时间。

当RFID数据采集系统查询区域内有N个标签时，可能出现碰撞且碰撞次数未知。因此标签的误拒绝率可用下式来计算：

图9 碰撞情形

则上式可变为：

如果标签身份数据流是一个泊松过程，那么读卡器在大于的时间接收到第i个数据帧的概率，等于读卡器在时间间隔内接收到的数据帧数小于或等于i-1的概率，则式(9)变为：

由式(4)和式(10)可知，系统的识别率为：

图10 识别时间与识别率关系

由于标签的碰撞，引起阅读器对标签识别时间增加。从图10可以得出，随着识别时间的增加，系统识别率也提高，然而会降低系统的识别效率。因此，要平衡数据的碰撞和识别效率间的关系。

4 结论

1）通过仿真实验，得出阅读距离与系统识别率的关系，验证了标签阅读距离的增大时，系统识别率降低，误码率提高。因此，要合理安排标签位置。

2）由于标签的碰撞，使得标签识别时间增加。当识别时间达到一定值时，识别率趋于稳定。因此要合理的控制阅读器识别范围内标签的个数，为采集系统中白酒输送速度研究打下基础。

[1] 郎为民.射频识别（RFID）技术原理与应用[M].北京:机械工业出版社,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] 刘春伟.RFID阅读器的多天线模式研究[D].重庆大学,2007.

[4] 李睿,俞涛,方明伦.制造网格系统可靠性管理研究与实现[J].计算机集成制造系统,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.