基于RFID技術的家庭智慧角應用方案

張嘉信

（北京第八中學，北京 100000）

1 研究背景和目的

1.1 項目背景

21世紀是信息化的時代，物聯網新技術推動了人類文明的快速進度。隨著人們生活水平的提高以及科技的高速發展，萬物互聯已不是夢，無人商超、人臉識別、無感支付等各類高新技術與人們的生活結合地越來越緊密，新興科技的應用無處不在。

在一次無人超市的購物體驗中，發現貼有標簽的商品不再需要柜員一一掃碼，而是通過一個類似安檢機的通道即可被感知并自動結算，帶著這個好奇我百科了自動識別標簽，知道了RFID的存在，同時了解了它是物聯網感知外界的重要支撐技術，并且為社會生產和生活帶來諸多便利。由此聯想，日常生活中，我們經常會遇到鑰匙或者學生卡丟在沙發縫或某個角落無法快速找尋到和就此丟失的情況，假如鑰匙上也加裝一個能夠被自動識別的標簽，人攜帶一套便攜式標簽讀寫設備進行查找，是否能大幅度提高找尋效率呢？帶著這個疑問，開始了對RFID在家庭生活中應用的深入研究。

1.2 項目目標

本項目的研究目標主要包含如下幾部分：

（1）充分了解RFID技術的理論知識，包含RFID工作原理、標簽種類和特性、各類標簽適用場景等，加深對物理學中電磁場原理及應用的了解。

（2）通過不斷實驗，找出適用于家居生活場景的RFID標簽，以達到快速準確查找丟失物品的目的：明確不同材質的物品適合加裝的不同類型RFID標簽，明確RFID技術在此類應用中的最佳場景，了解RFID技術使用給家居生活帶來的優勢以及便利等。

（3）通過一系列的研究和實驗，了解物聯網給家居生活帶來的變革，為未來對智慧生活中RFID技術的進一步研究和暢想打好基礎。

2 RFID技術介紹

2.1 RFID介紹

射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

無線電的信號是通過調成無線電頻率的電磁場，把數據從粘貼在物品上的標簽中傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池；也有標簽本身擁有電源，并可以主動發出無線電波（調成無線電頻率的電磁場）。標簽芯片內包含了電子存儲的信息，數米之內都可以識別。與傳統條形碼不同的是，射頻標簽不需要處在識別器視線之內，也可以嵌入被追蹤物體之內。

2.2 RFID工作原理

2.2.1 RFID系統的基本組成

最基本的RFID系統主要由以下四部分組成：

（1）標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。

（2）讀寫器（Reader）：讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。通過發射特定頻率的無線電波使在感應范圍內的標簽做出回應。

（3）天線（Antenna）：是標簽和讀寫器間傳遞信號的媒介。讀寫器發射特定頻率的視頻信號，由天線轉化為電磁波，給標簽芯片提供能量，將芯片激活，然后芯片發送存儲在其中的產品信息或其他的存儲信息，讀寫器讀取信息并解碼，然后向更高層級傳送，使數據得到處理。

（4）應用軟件系統：包括中間件、系統應用軟件等。通常讀寫器與計算機相連（或者集成在一起比如智能手持機設備），所讀取的標簽信息被傳送到計算機上進行下一步處理，RFID信息處理系統即應用支撐軟件整合的信息由讀寫器來收集。

2.2.2 RFID的基本工作原理

RFID標簽進入讀寫器識讀范圍后，接收到讀寫器發出的特殊射頻信號，憑借感應電流所獲得能量，將帶有芯片存儲內容的信息發送回讀寫器，或者主動發送某一頻率的信號，讀寫器讀取信息并解碼后，送至信息處理系統進行有關數據處理。

一套完整的RFID系統,是由讀寫器與電子標簽也就是所謂的應答器及應用軟件系統三個部份所組成, 其工作原理是：

（1）讀寫器發射一特定頻率的無線電波能量給應答器，用以驅動應答器電路將內部的數據送出；（2）當應答器進入磁場時產生感應電流，將內部的數據送出；（3）讀寫器依序采用信息并解碼；（4）讀寫器將信息/數據送給應用軟件系統做相應的處理。

在具體的應用中，根據不同的應用目的和應用環境，RFID系統的組成會有所不同，但一般都由信號發射機、信號接收機、發射接收天線等部分組成。

2.3 RFID產品分類

2.3.1 產品分類

圖1 RFID系統的基本組成

按照工作頻率的不同，RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。不同頻段的RFID工作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發射原理。目前國際上廣泛采用的頻率分布于4種波段，低頻(125KHz)、高頻(13.54MHz）、超高頻（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。每一種頻率都有它的特點，被用在不同的領域，因此要正確使用就要先選擇合適的頻率。

2.3.2 RFID超高頻與高頻的分析對比

RFID超高頻產品與高頻產品對比具有明顯的優勢，主要體現在：

（1）距離遠。超高頻標簽比高頻標簽距離更遠，更適合家庭智慧角的使用。（2）范圍廣。超高頻作用范圍廣,現最先進的物聯網技術都是采用超高頻電子標簽技術。高頻作用范圍很近，現在主要是運用于對感應距離要求不高或者非常近的領域范圍內，如食堂收費和門禁卡系統等等。（3）傳輸速度快。超高頻傳送數據速度快，每秒可達單標簽讀取速率170張/秒，高頻標簽傳送數據速度較慢。（4）方便性。超高頻標簽能實現一次性讀取多物品，高頻多標簽讀取效率遠低于超高頻。超高頻標簽可讀可寫。（5）性價比高。超高頻標簽價格比高頻標簽價格低，一般一張超高頻標簽使用壽命都是10年以上。

2.4 研究方法及結論

2.4.1 研究方法

為了給后續實驗提供堅實的基礎，前期主要針對RFID技術的理論知識進行了深入研究，研究途徑包含：（1）互聯網搜索RFID技術的研究資料；（2）圖書館查閱RFID技術相關書籍，了解RFID技術的工作原理；（3）在互聯網上搜索并學習RFID技術目前在實際工業、智慧城市和智能家居中的使用案例；（4）與指導老師分析探討了不同RFID產品適用的不同應用場景，討論了在家庭智慧角應用的可行性。

2.4.2 研究結果

（1）選擇超高頻標簽作為本次項目測試使用的標簽（文中技術實踐部分提到的標簽如無特別說明均為超高頻標簽）。

RFID產品分為了低頻（125和134.2KHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（840MHz～960MHz）和微波（2.4G）幾個頻段。其中小型的低頻和高頻RFID設備感應距離很近，只有3-5cm，微波頻段的RFID讀取距離可以到20米以上，而且標簽中必須有電池，不適合用于查找物品。而小型超高頻RFID設備可以讀取0-3米距離，也可以穿透除金屬和水之外的物體讀取標簽，通過功率調整可以讀取合適的距離。所以選擇超高頻作為實驗頻段進行測試。

（2）選取多種不同材質的家居物品作為測試標的物。研究RFID標簽特性發現，RFID標簽讀取效率和距離也受到外界環境的影響會有所不同，為探明RFID標簽會受到哪些因素的影響而選取不同材質的家居物品，同時需實驗丟失在不同的角落里會出現的識別情況差異。

（3）采購多種不同材質的超高頻標簽來標識不同的物品。了解到不同材質的標簽可能適用的物品會有所不同，本實驗需采購不同材質的超高頻標簽，以便智慧角應用方案的全面性和實用性更高。

3 技術實踐

3.1 實驗設備和場地

3.1.1 技術設備

本實驗包含的技術設備主要包含兩大部分：

（1）硬件部分主要有十個超高頻RFID標簽、一臺超高頻RFID手持讀寫器，其中標簽需采購不同材質的超高頻標簽，此次實驗主要采購了紙質類和抗金屬類的各五個。

（2）軟件部分包含手持讀寫器讀寫DEMO以及后續軟件部分的升級改造。

3.1.2 家居物品

本實驗選取多種不同的家居物品參與實驗，選取的標準：一是常見易丟類小物品或品類相似、數量多且易混淆類物品，二是從以上物品中盡量選取材質不同的物品。主要參與測試的物品包含：（1）卡片類（塑料材質內部帶磁條）：學生卡兩張，或多張銀行卡；（2）薄厚書本五本（紙質類）；（3）鑰匙兩把（金屬類）。

3.1.3 測試角落

本實驗參與測試的場地以家庭生活中常活動的房間為主，選取房間中不同的角落為最終的測試角。主要參與測試的角落包含：（1）皮質沙發（或床）：沙發上邊，沙發底下，沙發縫；（2）木質書柜和書桌：大書柜每層，書桌抽屜；（3）其他房間角落。

3.2 實驗過程及結果

3.2.1 初步接觸

在前期對RFID的理論研究中基本了解了RFID的特點，但僅僅停留在理性認知上，并未實際接觸并操作RFID標簽的工作過程，本階段通過真實感知并實驗來達到對技術設備的感性認識。

測試角：選取客廳皮質沙發為測試場地。

技術設備：手持讀寫器，不同材質的標簽各一個。

測試過程一：將全部標簽平鋪在沙發上，手握手持讀寫器，并打開手持機的RFID功能，從手持讀寫器距離標簽20厘米的位置開始測試，選取東西南北四個方位逐漸遠離標簽，不斷觀察讀寫DEMO讀取標簽的狀態。

測試結果一：從靠近標簽20厘米的位置開始，讀寫器的讀取效率和準確度非常高，逐漸遠離標簽，發現在2米以內讀寫器的準確度相對比較理想，超過兩米后無法讀取到，另外讀取結果與讀寫器所在方位和標簽材質沒關系，方圓2米內均可讀取。

測試過程二：將全部標簽放在陰暗的沙發底部，隔著沙發進行讀取測試，測試方法同測試過程一。

測試結果二：隔著沙發讀取時，手持讀寫器在方圓1米范圍內均可以讀取到，讀取結果不受讀寫器所在方位和標簽材質影響。

測試結果分析：（1）超高頻RFID標簽在2米范圍內讀取準確度比較高，同時超高頻RFID具有穿透物體的特性，它不依賴光線，不怕物體的遮擋。（2）采用同種測試方法，將標簽分別放在紙張、被褥等遮擋的位置進行測試，發現標簽也能被感知，初步判定，超高頻RFID標簽應用在家庭智慧角是可行的。

3.2.2 測試方案

3.2.2.1 單個紙質標簽的測試方案

測試準備：選取一本一厘米厚的常用書本，將一張紙質標簽粘貼在書本的任意位置，此張標簽即標識了書本的身份，隨后選取家庭不同的角落進行測試。

測試過程：（1）請求家庭成員幫助，將書本放入書架任一位置比如第二層第二格，放置完成后，本人手持讀寫器對書架進行掃描，發現當讀寫器靠近第二層第二格時讀取效果非常好；（2）按照相同方法分別將書本放入書包里，塞入床上被褥內，書桌抽屜里、沙發縫隙等位置進行測試；（3）按照（1）（2）同樣的操作步驟，測試物品換成學生卡、鑰匙等易丟物品進行測試。

3.2.2.2 多個紙質標簽的測試方案

測試準備：在測試方案1的測試結果中，選取5本書作為測試物品，每本書上均粘貼一張紙質標簽，每張標簽含有唯一的標簽編碼分別代表不同的書本，隨后選取不同的角落和存放方式進行測試。

測試過程：（1）選取書架為測試場地，將五本書分別全部散開分布、兩本疊放或者多本疊放來進行測試；（2）按照相同的疊放方式放在不同的角落再次進行測試；（3）使用卡片類物品重復（1）（2）的測試。

測試結果及分析：（1）多本書或卡不論疊放方式如何，讀寫器均可以在合理范圍內分別讀取到，家居多處角落讀取均可以穿透；（2）讀寫器讀寫DEMO目前能顯示每一標簽的唯一編碼，但與物品無法一一匹配，需要將物品信息寫入標簽內，在識別的同時查看到物品具體信息；（3）智慧角散落多個標簽時，使用讀寫器進行讀寫目前無法針對指定物品進行辨識，經與指導老師討論，可以通過改造軟件系統來實現。

3.2.2.3 單個或多個抗金屬標簽的測試方案

測試準備：在測試方案1的測試結果中，選取多把鑰匙作為測試物品，鑰匙上加裝抗金屬標簽，隨后選取不同的角落進行測試。

測試過程：（1）選取沙發作為測試場地，將鑰匙疊放或者散落來進行測試；（2）按照相同的疊放方式放在不同的角落再次進行測試；（3）使用卡片類物品重復（1）（2）的測試。

測試結果及分析：多把鑰匙不論疊放方式如何，讀寫器均可以在合理范圍內分別讀取到，家居多處角落讀取均可以穿透，標簽受鑰匙金屬材質影響比紙質標簽好很多。

4 分析和討論

4.1 測試結果整體分析

（1）通過對不同的物品加裝不同的標簽，使用手持讀寫器可達到快速識別的效果，包含散落在家中不易發現的角落里的物品；讀取效果不受物品的材質，以及隱藏物品的家具材質的影響。

（2）手持讀寫器對物品定位框定在一米范圍內，再結合人工搜索能盡快找到丟失物品。說明此應用方案是可行的。

（3）通過對RFID技術的研究應用，家中的物品仿佛也變得有生命了，能夠被外界感知，加深了我們對物聯網的了解。

4.2 測試方案進一步改進

4.2.1 購買更多超高頻RFID標簽

將家居生活中易丟失物品按照所屬材質進行整理分類，采購充足的RFID標簽，分別粘貼在整理的物品上，然后放置在家中不同的角落，進一步驗證第三章的測試方案。測試更多標簽下此方案應用的可行性。一般家居物品需要被感知的總計不超過兩三百個，而在一米范圍內同時存在的標簽數量不會超過一百個，手持讀寫器對此數量的讀取毫無壓力，均可以準確識別，因此此類家居應用是可行的。

4.2.2 升級讀寫器軟件demo

當加裝標簽的物品數量逐漸增多時，光看讀寫器識別的標簽編碼已無法定位到具體的物品，即使識別到想要的物品也無法提示使用人已定位到，為了整理方案的更易用，讀寫器軟件demo必須進行升級改造，改造需求包含：

（1）可將物品信息寫入標簽，查看識別結果時不再單一查看編碼信息，而是直接查看物品信息；

（2）可根據查找需求，輸入特定的查找目標，當讀寫器靠近目標時及時告知，配合音樂或語音提醒；

（3）當讀取到物品，但還是無法精準定位時，可以通過軟件調整讀取功率，讓功率逐漸降低，以減少可識讀標簽的距離，最后將物品定位在很小的范圍內。

4.2.3 房間角落使用超高頻標簽進行物理定位

既然家居物品可以使用標簽來進行身份標識，那家里的每一個角落均可粘貼標簽進行唯一標識，每個標簽寫入房間角落的位置信息。嵌入了讀寫模塊的智能讀寫器平日工作時每當經過某一角落時都將在該角落識別的標簽都標識一個位置信息，這樣當向讀寫器發送查找物品指令時能快速知道物品所屬的位置信息標簽，也能實現快速定位的目的。

4.2.4 與語音識別技術結合使用

超高頻讀寫模塊加入語音識別技術，查找指令將不再單純依賴手寫輸入的模式，而是可以隨時隨地聽取語音信息來執行指令，使用人只需要將查找物品的關鍵信息語音告知讀寫器即可完成查找定位目的。

5 項目結論

超高頻RFID無源標簽非常適用于家庭常用物品的查找，將很重要、但容易丟落在家中角落里不易找到的物品粘貼上合適的RFID標簽，用于唯一標識物品身份，使用帶RFID功能的設備可以快速定位到對應物品，從而使家居物品的收納和整理變得更加智能便利。家庭智慧角解決方案易用好操作，既有創新性也兼具實用性，未來用RFID技術定制智能防丟貼片，這類產品將在家庭生活將大有所為。并且由于成本較低，該方案在家用化方面將有著極大的優勢。