计量器具新型RFID电子标签信号检测方法

国网湖南省电力公司计量中心　张璨辉　陈向群　解玉满



计量器具新型RFID电子标签信号检测方法

国网湖南省电力公司计量中心张璨辉陈向群解玉满

【摘要】计量器具设计精密，标识信息量巨大，操作管理复杂，因此增加了计量检定管理部门的工作量，统计时效率非常低，传统的计量器具管理已经无法适应现代计量管理需求。电子技术、多媒体通信技术的快速发展，促进了计量器具的自动化、数字化和智能化。本文在计量器具设计与实现过程中引入了RFID技术，重点阐述了RFID电子标签信号检测的方法，旨在解决计量器具管理机械化、信息录入速度慢、鉴定人员工作强度大、误码率和重复率高等问题，实现快速、准确的采集计量信息，提高计量管理单位鉴定效率。

【关键词】RFID读写器；计量器具；电子标签；信号检测

1　引言

计量器具广泛的应用于工业、交通、电力、农业、医疗、金融等领域，计量器具的精确度直接影响计量质量、经济效益和社会效益。因此，计量器具在应用过程中需要快速的、精确的获取相关计量植物信息非常必要。传统的计量器具采用机械式操作，信息读取了巨大，容易产生误差，不能够准确统计计量信息，需要采用现代计算机技术实现自动化、网络化、智能化和数字化的计量器具，能够实时的、准确的、快速的读取计量信息，提高计量管理效率。

新型计量器具设计与实现过程中，其可以采用的计算机技术较多，比如传感器、无线网络、电子芯片等技术，本文在计量器具设计与实现过程中，引入了先进的射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术。RFID技术又被电子标签，该技术可以利用射频信号通过交变磁场或电磁场的空间耦合作用非接触式自动识别技术[1]。RFID可以通过设备信号自动识别目标对象，并且将相关的数据信息存储、登记和管理，识别过程无需人工干涉，可以在各种恶劣环境得到广泛应用。RFID读写器通常采用电池供电，为了能够保证RFID的实时性和快速响应性，需要连续不断的发射磁场，可以保证电子标签随时获取能量信息，因此将会导致RFID读写器消耗大量的能量，很容易检测不到电子标签信号。目前，RFID电子标签信号检测已经提出了许多的方法，孙艳峰等人分析了节点沿某路径到达接收点的基于跳数的转发在交付率和节能方面存在的低效问题，根据有损链路模型，通过折中交付率和能源代价来最大化能源效率的单链和多链节能转发，可以有效的节约RFID系统能源，检测RFID电子信号。邓克波、孟秀峰等人分析了RFID系统的读写器和移动点之间的网络节能区域覆盖内容，引入了基于距离感知的能量调节算法，构建了区域覆盖性能和网络能量消耗之间的关系函数，优化该函数以便能够在满足区域覆盖的同时满足信号检测效率，更加准确的获取电子信号。谢昕等人分析了RFID系统网络覆盖的节点，提出将RFID读写器集成到传感器节点上，以便能够取代传感器模块，形成读写器智能节点，利用传感器节点的节能控制机制实现RFID系统高效利用有限的电能，提高了RFID信号检测效率。李文峰等人在RFID网络中建立了一种总体能量消耗最小化的端到端路由协议，并且提出了一种簇间路由转发优化算法，能够在各个簇首之间自适应的实现直接、中继和协作3种不同的最为节能的通信方式，保证RFID网络中节点数据转发时消耗最小化的能量，以便更好的延长RFID网络的生命周期和工作时间，并且能够提高信号检测效率，降低数据传输中断的概率。高笠峰等人采用一种改进的蚁群算法优化RFID网络中各个节点部署问题，根据特殊个体转移规则、不同的信息素更新规则实现改善蚁群算法性能，并且在监测点较为稀疏的情况下引入贪心策略，以便能够提高算法的鲁棒性，可以有效的保证RFID信号检测效率。黄书强等人详细的分析了RFID无线网络中节点能量严重的影响的网络生命周期和数据传输质量等问题，以优化节点和网关之间的路径长度为目标，提出采用自适应的粒子群算法求解网关节点部署位置，引入了随机调整惯性权重、自适应改变网络学习因子和基于邻域搜索等策略，设计了一种新的适应值函数计算方法，能够有效的部署网络节点，提高RFID信号检测效率。

2　RFID技术及其应用分析

RFID系统主要由射频标签、读写器和应用系统三个关键部分组成，射频标签包含天线和芯片，能够实现无接触式信息传输。RFID的工作原理是利用射频信号和空间后河传输特性实现被识别对象的自动识别。射频标签和读写器之间可以通过耦合元件实现射频信号的空间耦合。在耦合通道内，可以根据时序关系进行数据交换和能量传递[2]。目前，根据RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式可以得知，耦合方式主要包括电感耦合、电磁反向散射耦合两种。低频RFID通常采用电感耦合，根据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合；高频RFID通常采用电磁反向散射耦合，根据电磁波空间传播规律，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，携带回目标信息。目前，RFID技术已经在畜牧养殖管理、物流管理、交通车辆收费管理、门禁卡、产品标识等领域得到了广泛的发展和应用，取得了显著的成果[3]。RFID系统主要由电子标签和读写器两个部分组成。在RFID应用过程中，RFID读写器系统是非常关键的一个中间件，其可以有效的屏蔽系统各个接口之间的器件性差异，为硬件与软件系统、软件系统自身模块之间提供通用的接口，可以大大的降低模块之间的开发难度与成本，缩短开发时间[4]。由于RFID读写器系统对实时性要求较高，因此本文RFID读写器系统设计过程中，要充分的考虑数据传输时间和读写器的响应时间都要尽可能的短。因此，为了能够达到上述性能要求，RFID读写器系统由电子标签、无线传输网络（蓝牙、微波或TD-LTE等）、传感器、RFID读写器和RFID服务器等五个组成部分。

3　新型RFID在计量器具应用中的信号检测方法

RFID在计量器具应用过程中，计量部门可以每一个计量器具贴上标签，并且对其进行编号，使用激光扫描数据采集电子标签编号，根据电子标签获取管理系统中的计量器具信息，提高了计量器具的信息化、数据化和智能化水平。新型计量器具的电子标签可以记录计量器具的名称、测量范围、精确度等级、检测日期、使用状态等信息。计量器具检测过程中，其采用的核心技术为RFID技术，可以实时的采集计量器具的电子标签信息，将其包含的内容传输给互联网服务器，能够更好的实现RFID的信号检测，是非常重要的一个工作，其关系到实时采集、传输计量数据信息，更好的实现计量器具的数据准确性和正常性，传输过程中不会产生中断[5]。因此，本文设计了一种基于距离感知的RFID的信号检测方法，采用RFID信号数据生存时间和最大转发数管理存储转发队列中数据信息。

RFID的信号检测的主要目的是计量器具电子标签、RFID服务器之间的有效通信，实现RFID信号检测的信息共享[6]。因此，RFID的信号检测算法的主要参考依据是节点到目标节点的成功信号检测概率，RFID的信号检测也是按照概率进行选择，因此，RFID的信号检测算法最为关键的步骤是计算RFID电子标签信号检测到的概率。为了能够准确求解RFID的信号检测概率，基于距离感知的RFID的信号检测算法规定目标节点按照一定的周期（设置每5s为一个周期）采用大功率发射位置广播消息，该广播消息仅仅包含位置信息，发送时间较为短暂，对于RFID的信号检测的通信干扰非常小，消耗的节点能量可以忽略不计。由于位置广播消息采用大功率发射，RFID的信号检测中每一个节点都能够收到。比如，在一个RFID系统中，可以使用实心圆表示RFID服务器汇聚节点，空心圆表示RFID中的计量器具节点，虚线围绕的区域表示RFID服务器汇聚节点覆盖的范围，任何一个节点中收到RFID服务器汇聚节点发射的位置广播消息后，都可以记录RFID服务器汇聚节点的信号强度，根据信号传输距离及时间长短可以得知信号强度大小变化规律，距离汇聚节点距离较近的节点，收到的信号强度越大；距离汇聚节点距离较远的节点，收到的信号强度越小，因此，汇聚节点不断地发射位置广播信息，其节点记录消息信号强度之后，可以记录在一段时间内节点到汇聚节点的距离变化情况。RFID服务器汇聚节点信号检测过程中，其最为关键的两个技术要点就是RFID信号检测广播数据生存时间。

RFID信号检测广播数据生存时间是指数据在网络中的存活时间，通常意义上，一个数据拥有的生存时间越长，其在网络中存在的副本就会越多，RFID电子标签检测信号成功的概率就会增大。因此可以采用生存时间表示网络中各个检测信号广播数据信息的重要性。检测信号广播数据的生存时间设置算法如下：一个检测信号广播数据信息产生时，其生存时间设置为0；在网络中中，每个RFID节点均存在一个本地计时器，每当计时器超时，该节点存储队列的全部检测信号广播数据生存时间值就要增加，同时，忽略不计节点之间检测信号广播数据传输的距离，因此当检测信号广播数据传输完成之后，接收方节点无需更改检测信号广播数据的生存时间，直接将新接收到的检测信号广播数据插入到节点的存储队列中即可；如果已经转发的检测信号广播数据重新放入数据存储队列，该检测信号广播数据的生存时间也无需更改。

4　结束语

随着传感器、ZigBee、中间件和RFID技术的快速发展，有效的促进了物联网技术的普及和应用。计量器具是物联网技术在计量管理领域的应用之一，是一个自组织网网络，其可以实现计量管理数据的采集、处理、转发，为计量管理单位提供多种多样的服务。射频识别（RFID）技术在计量器具管理系统中的运用，是一种突破性创新：首先它可以快速识别每一件计量器具，识别速率高，错误率低；其次它采用无线电射频的非接触方式，直接读取计量器具信息数据，操作简单方便；第三它可以随时根据计量器具的使用变化写入新的信息，快捷方便；最后其储存的信息量非常大，适合计量器具长期的管理和信息的记录。

参考文献

[1]倪卫宁,郑奕挺,张卫,等.自适应天线匹配低频RFID读写器设计[J].电子技术应用,2014,40(9):85-87.

[2]潘光斌,冉秀娟,赵宁,等.RFID技术及在计量器具管理中的应用[J].计量与测试技术,2013,39(11):70-71.

[3]曹国瑞,解岩.基于RFID的计量器具物资标签批量读取算法[J].科技通报,2015,31(8):30-32.

[4]缪贤浩.基于RFID和Wi-Fi的电能计量器具仓储实时定位信息系统研究[J].物流技术,2013(22).

[5]沈劲鹏,王新安,刘珊,等.一种具有新型解调电路和安全功能的超高频RFID标签芯片[J].北京大学学报:自然科学版,2014,50(2):214-220.

[6]李文华,刘治翔.基于RFID和组态王的停车场管理系统[J].计算机系统应用,2013(01):51-53.

张璨辉（1987－），女，湖南长沙人，大学本科，工程师，研究方向：电能计量，计量器具智能化仓储及物流。

作者简介：