基于RFID技術的白酒物聯網數據采集系統可靠性研究

張秋艷，黃海松，陳偉興，徐叢國

（1.貴州大學 現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

射頻識別技術（RFID）是利用射頻通訊實現的非接觸識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象[1]，可快速地進行物品追蹤和數據交換，具有閱讀速度快、存儲空間大、抗污能力強等優點。然而RFID無線通信信道十分復雜，既有路徑傳輸損耗，又有多徑引起的傳輸衰落，且極易受到干擾，最終導致不可靠地識別標簽或物體，造成巨大的經濟損失，直接影響大規模部署RFID系統[2]。

射頻識別技術在白酒上應用日益的廣泛，因此可靠性問題也成為關注的焦點。通過采集系統的運行調試，發現標簽在酒瓶的位置嚴重影響了標簽的識別率；同時閱讀器在讀取多個標簽時，識別時間增加。因此文章從標簽的閱讀距離及標簽的碰撞二者出發，運用MATLAB實驗仿真，得出距離和碰撞對數據采集系統可靠性的影響。從而，為進一步的理論研究奠定基礎。

1 RFID數據采集系統

1.1 RFID數據采集系統組成及工作原理

RFID數據采集系統是由閱讀器、電子標簽、天線、數據管理系統組成。標簽一般是由線圈、天線、存儲器、控制器組成的低壓電路，數據管理系統主要完成數據采集、存儲及處理，如圖1所示。

RFID系統的工作原理是基于電磁反向散射類似于雷達的工作原理，即電磁波通過天線向周圍空間發射時，會遇到不同的目標，到達目標的電磁波能量的一部分會被目標吸收，另一部分則以不同的強度散射到各個方向上去，反射能量的一部分最終會返回到發射天線[3]。

圖1 RFID系統組成

1.2 系統可靠性

1.2.1 可靠性定義

數據采集系統可靠性是指在規定的條件下、在規定的時間區間內，物理閱讀器成功識別到電子標簽的能力，系統的識別率是系統可靠性的一個測度[4]。

一個完整的RFID系統是通過耦合器件將閱讀器發射的電磁信號轉換成電能，部分被電子標簽吸收供自身電路工作，電子標簽被激活攜帶自身的信息給閱讀器，因此電子標簽吸收的電能大小影響著系統的可靠性。假設電子標簽吸收的電能為P1，標簽的最小功率門限為P2，當P1>P2時標簽被成功識別的概率高，當P1

1.2.2 可靠性測度

射頻識別系統的可靠性對企業有至關重要的作用，識別率作為系統可靠性的信度被廣泛的應用，識別率根據實際情況可以分為以下三種。

基本識別率Pbt：單個閱讀器成功讀取和識別一個標簽的概率，基本識別率反應了系統的可靠性。

標簽識別率Pt：是指現場布置多個互不影響的閱讀器，其中至少有一個能成功讀取標簽的概率。如果現場部署n個相同的閱讀器，每個閱讀器的基本識別概率Pbt都一樣，那么標簽識別率Pt與基本識別率Pbt之間存在如下的關系：

其中n表示閱讀器的個數。

圖2 標簽識別率與基本識別率關系

由式(1)可知，當n=1時，Pt1時，Pt>Pbt。從圖2也可以明顯看出隨著基本識別率的提高，標簽識別率也隨之升高；對于不同數量閱讀器情況下，閱讀器越多基本識別率在很小的情況下標簽識別率迅速達到100%，并趨于穩定。

物品識別率Pb：指一個物體上黏貼有多個標簽時，此物品被一個閱讀器成功識別的概率。如果一個物體黏貼多個標簽對Pbt影響不大，則物品識別率Pb與標簽識別率Pt存在如下關系：

其中m為物體上標簽的個數。Pb是Pt的增函數隨Pt的增加而增加。

2 閱讀距離對RFID采集系統識別率影響

2.1 標簽閱讀距離與誤碼率

基于Frris自由傳播方程，可以得出距離和誤碼率之間的關系，如圖3所示。

圖3 距離和信噪比關系

由圖3可知，閱讀距離與信噪比呈減函數關系。隨著閱讀距離的增大，信噪比逐漸的降低；直到閱讀距離在0.9附近時，信噪比為1，此時傳輸的有效信號數據為0。

在加性高斯白噪聲信道中，RFID采集系統采用OOK調制，其誤碼率和歸一化信噪比之間存在如下的關系：

Pe：為誤碼率，Q( )：為Q函數，為信噪比。其關系如圖4所示。

圖4 信噪比與誤碼率關系

由4圖可以看出信噪比和誤碼率成減函數關系，隨信噪比的增大誤碼率在逐漸的降低。

由信噪比和誤碼率、距離和信噪比的關系，可以得出距離與誤碼率之間的關系曲線如圖5所示。

圖5 距離和誤碼率之間關系

由圖5可以得出，隨著標簽閱讀距離的增大，誤碼率也隨之升高，其范圍時在0～1之間變動。當距離增大到一定數值時，誤碼率接近100%，并趨于穩定。

2.2 誤碼率和識別率轉換

由于誤碼率在一定程度上反應了RFID數據采集系統的可靠性，但不能直接反應系統的可靠性。因此我們需要在誤碼率和識別率之間進行轉換，清晰表達系統可靠性能。

一般的，不同場合對系統的穩定性要求不同，從側面反映了對誤碼率的要求級別不相同，如話音業務要求誤碼率在10-4量級，數據業務則要求10-5的量級[5]。為此，參照A律對數壓縮，針對裝備制造業RFID技術應用對通信鏈路誤碼率的要求，構造出通信鏈路誤碼率和系統識別率之間的一個關系：圖6可知直觀的看出系統的穩定性能，并在誤碼率

圖6 誤碼率和識別率關系

Pe<1×10-6系統的識別率為100%，誤碼率Pe>1×10-4系統的識別率為0，在中間范圍時，隨著誤碼率的增加逐漸減小。

2.3 識別率與距離的關系

圖7 閱讀距離與識別率關系

由圖7得出，隨閱讀距離的增加，系統識別率在逐漸的降低。因此可根據此仿真實驗圖來安排標簽在酒瓶上的位置。

3 標簽的碰撞對數據采集系統識別率影響

除了標簽的閱讀距離以外，文章還考慮標簽的碰撞對數據采集的影響。標簽的碰撞就是在同一時間兩個及兩個以上的標簽以相同的頻率發送給閱讀器，出現閱讀器無法識別，認為標簽不在閱讀范圍之內，而出現的誤碼率，即為標簽碰撞對系統可靠性的影響。

1）標簽的碰撞的概率

假設所有的標簽與閱讀器的距離都是相同的，標簽的數據幀比特長為L，數據的傳輸速率為C，則數據的幀時長為。因此數據在時域范圍內，標簽碰撞的窗口寬度為2T0。當在閱讀器范圍內有N個標簽，標簽身份數據發送的時間是相互獨立并成指數分布：

ti：為第i個標簽發送的時間，λ：為隨機變量ti均值的倒數，：為的概率。因此可以得出碰撞的概率為：

圖8 標簽碰撞窗口

2）標簽的誤拒絕率、識別率

由于標簽的碰撞引起標簽的誤拒絕率：

tx：為閱讀器兩次接收到標簽數據時的時間間隔，ta：為閱讀器讀取標簽的時間。

當RFID數據采集系統查詢區域內有N個標簽時，可能出現碰撞且碰撞次數未知。因此標簽的誤拒絕率可用下式來計算：

圖9 碰撞情形

則上式可變為：

如果標簽身份數據流是一個泊松過程，那么讀卡器在大于的時間接收到第i個數據幀的概率，等于讀卡器在時間間隔內接收到的數據幀數小于或等于i-1的概率，則式(9)變為：

由式(4)和式(10)可知，系統的識別率為：

圖10 識別時間與識別率關系

由于標簽的碰撞，引起閱讀器對標簽識別時間增加。從圖10可以得出，隨著識別時間的增加，系統識別率也提高，然而會降低系統的識別效率。因此，要平衡數據的碰撞和識別效率間的關系。

4 結論

1）通過仿真實驗，得出閱讀距離與系統識別率的關系，驗證了標簽閱讀距離的增大時，系統識別率降低，誤碼率提高。因此，要合理安排標簽位置。

2）由于標簽的碰撞，使得標簽識別時間增加。當識別時間達到一定值時，識別率趨于穩定。因此要合理的控制閱讀器識別范圍內標簽的個數，為采集系統中白酒輸送速度研究打下基礎。

[1] 郎為民.射頻識別（RFID）技術原理與應用[M].北京:機械工業出版社,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] 劉春偉.RFID閱讀器的多天線模式研究[D].重慶大學,2007.

[4] 李睿,俞濤,方明倫.制造網格系統可靠性管理研究與實現[J].計算機集成制造系統,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.