基于RFID技术的家庭智慧角应用方案

张嘉信

（北京第八中学，北京 100000）

1 研究背景和目的

1.1 项目背景

21世纪是信息化的时代，物联网新技术推动了人类文明的快速进度。随着人们生活水平的提高以及科技的高速发展，万物互联已不是梦，无人商超、人脸识别、无感支付等各类高新技术与人们的生活结合地越来越紧密，新兴科技的应用无处不在。

在一次无人超市的购物体验中，发现贴有标签的商品不再需要柜员一一扫码，而是通过一个类似安检机的通道即可被感知并自动结算，带着这个好奇我百科了自动识别标签，知道了RFID的存在，同时了解了它是物联网感知外界的重要支撑技术，并且为社会生产和生活带来诸多便利。由此联想，日常生活中，我们经常会遇到钥匙或者学生卡丢在沙发缝或某个角落无法快速找寻到和就此丢失的情况，假如钥匙上也加装一个能够被自动识别的标签，人携带一套便携式标签读写设备进行查找，是否能大幅度提高找寻效率呢？带着这个疑问，开始了对RFID在家庭生活中应用的深入研究。

1.2 项目目标

本项目的研究目标主要包含如下几部分：

（1）充分了解RFID技术的理论知识，包含RFID工作原理、标签种类和特性、各类标签适用场景等，加深对物理学中电磁场原理及应用的了解。

（2）通过不断实验，找出适用于家居生活场景的RFID标签，以达到快速准确查找丢失物品的目的：明确不同材质的物品适合加装的不同类型RFID标签，明确RFID技术在此类应用中的最佳场景，了解RFID技术使用给家居生活带来的优势以及便利等。

（3）通过一系列的研究和实验，了解物联网给家居生活带来的变革，为未来对智慧生活中RFID技术的进一步研究和畅想打好基础。

2 RFID技术介绍

2.1 RFID介绍

射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从粘贴在物品上的标签中传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签芯片内包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与传统条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。

2.2 RFID工作原理

2.2.1 RFID系统的基本组成

最基本的RFID系统主要由以下四部分组成：

（1）标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

（2）读写器（Reader）：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。通过发射特定频率的无线电波使在感应范围内的标签做出回应。

（3）天线（Antenna）：是标签和读写器间传递信号的媒介。读写器发射特定频率的视频信号，由天线转化为电磁波，给标签芯片提供能量，将芯片激活，然后芯片发送存储在其中的产品信息或其他的存储信息，读写器读取信息并解码，然后向更高层级传送，使数据得到处理。

（4）应用软件系统：包括中间件、系统应用软件等。通常读写器与计算机相连（或者集成在一起比如智能手持机设备），所读取的标签信息被传送到计算机上进行下一步处理，RFID信息处理系统即应用支撑软件整合的信息由读写器来收集。

2.2.2 RFID的基本工作原理

RFID标签进入读写器识读范围后，接收到读写器发出的特殊射频信号，凭借感应电流所获得能量，将带有芯片存储内容的信息发送回读写器，或者主动发送某一频率的信号，读写器读取信息并解码后，送至信息处理系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统,是由读写器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是：

（1）读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出；（2）当应答器进入磁场时产生感应电流，将内部的数据送出；（3）读写器依序采用信息并解码；（4）读写器将信息/数据送给应用软件系统做相应的处理。

在具体的应用中，根据不同的应用目的和应用环境，RFID系统的组成会有所不同，但一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线等部分组成。

2.3 RFID产品分类

2.3.1 产品分类

图1 RFID系统的基本组成

按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频(125KHz)、高频(13.54MHz）、超高频（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。

2.3.2 RFID超高频与高频的分析对比

RFID超高频产品与高频产品对比具有明显的优势，主要体现在：

（1）距离远。超高频标签比高频标签距离更远，更适合家庭智慧角的使用。（2）范围广。超高频作用范围广,现最先进的物联网技术都是采用超高频电子标签技术。高频作用范围很近，现在主要是运用于对感应距离要求不高或者非常近的领域范围内，如食堂收费和门禁卡系统等等。（3）传输速度快。超高频传送数据速度快，每秒可达单标签读取速率170张/秒，高频标签传送数据速度较慢。（4）方便性。超高频标签能实现一次性读取多物品，高频多标签读取效率远低于超高频。超高频标签可读可写。（5）性价比高。超高频标签价格比高频标签价格低，一般一张超高频标签使用寿命都是10年以上。

2.4 研究方法及结论

2.4.1 研究方法

为了给后续实验提供坚实的基础，前期主要针对RFID技术的理论知识进行了深入研究，研究途径包含：（1）互联网搜索RFID技术的研究资料；（2）图书馆查阅RFID技术相关书籍，了解RFID技术的工作原理；（3）在互联网上搜索并学习RFID技术目前在实际工业、智慧城市和智能家居中的使用案例；（4）与指导老师分析探讨了不同RFID产品适用的不同应用场景，讨论了在家庭智慧角应用的可行性。

2.4.2 研究结果

（1）选择超高频标签作为本次项目测试使用的标签（文中技术实践部分提到的标签如无特别说明均为超高频标签）。

RFID产品分为了低频（125和134.2KHz）、高频（13.56MHz）、超高频（840MHz～960MHz）和微波（2.4G）几个频段。其中小型的低频和高频RFID设备感应距离很近，只有3-5cm，微波频段的RFID读取距离可以到20米以上，而且标签中必须有电池，不适合用于查找物品。而小型超高频RFID设备可以读取0-3米距离，也可以穿透除金属和水之外的物体读取标签，通过功率调整可以读取合适的距离。所以选择超高频作为实验频段进行测试。

（2）选取多种不同材质的家居物品作为测试标的物。研究RFID标签特性发现，RFID标签读取效率和距离也受到外界环境的影响会有所不同，为探明RFID标签会受到哪些因素的影响而选取不同材质的家居物品，同时需实验丢失在不同的角落里会出现的识别情况差异。

（3）采购多种不同材质的超高频标签来标识不同的物品。了解到不同材质的标签可能适用的物品会有所不同，本实验需采购不同材质的超高频标签，以便智慧角应用方案的全面性和实用性更高。

3 技术实践

3.1 实验设备和场地

3.1.1 技术设备

本实验包含的技术设备主要包含两大部分：

（1）硬件部分主要有十个超高频RFID标签、一台超高频RFID手持读写器，其中标签需采购不同材质的超高频标签，此次实验主要采购了纸质类和抗金属类的各五个。

（2）软件部分包含手持读写器读写DEMO以及后续软件部分的升级改造。

3.1.2 家居物品

本实验选取多种不同的家居物品参与实验，选取的标准：一是常见易丢类小物品或品类相似、数量多且易混淆类物品，二是从以上物品中尽量选取材质不同的物品。主要参与测试的物品包含：（1）卡片类（塑料材质内部带磁条）：学生卡两张，或多张银行卡；（2）薄厚书本五本（纸质类）；（3）钥匙两把（金属类）。

3.1.3 测试角落

本实验参与测试的场地以家庭生活中常活动的房间为主，选取房间中不同的角落为最终的测试角。主要参与测试的角落包含：（1）皮质沙发（或床）：沙发上边，沙发底下，沙发缝；（2）木质书柜和书桌：大书柜每层，书桌抽屉；（3）其他房间角落。

3.2 实验过程及结果

3.2.1 初步接触

在前期对RFID的理论研究中基本了解了RFID的特点，但仅仅停留在理性认知上，并未实际接触并操作RFID标签的工作过程，本阶段通过真实感知并实验来达到对技术设备的感性认识。

测试角：选取客厅皮质沙发为测试场地。

技术设备：手持读写器，不同材质的标签各一个。

测试过程一：将全部标签平铺在沙发上，手握手持读写器，并打开手持机的RFID功能，从手持读写器距离标签20厘米的位置开始测试，选取东西南北四个方位逐渐远离标签，不断观察读写DEMO读取标签的状态。

测试结果一：从靠近标签20厘米的位置开始，读写器的读取效率和准确度非常高，逐渐远离标签，发现在2米以内读写器的准确度相对比较理想，超过两米后无法读取到，另外读取结果与读写器所在方位和标签材质没关系，方圆2米内均可读取。

测试过程二：将全部标签放在阴暗的沙发底部，隔着沙发进行读取测试，测试方法同测试过程一。

测试结果二：隔着沙发读取时，手持读写器在方圆1米范围内均可以读取到，读取结果不受读写器所在方位和标签材质影响。

测试结果分析：（1）超高频RFID标签在2米范围内读取准确度比较高，同时超高频RFID具有穿透物体的特性，它不依赖光线，不怕物体的遮挡。（2）采用同种测试方法，将标签分别放在纸张、被褥等遮挡的位置进行测试，发现标签也能被感知，初步判定，超高频RFID标签应用在家庭智慧角是可行的。

3.2.2 测试方案

3.2.2.1 单个纸质标签的测试方案

测试准备：选取一本一厘米厚的常用书本，将一张纸质标签粘贴在书本的任意位置，此张标签即标识了书本的身份，随后选取家庭不同的角落进行测试。

测试过程：（1）请求家庭成员帮助，将书本放入书架任一位置比如第二层第二格，放置完成后，本人手持读写器对书架进行扫描，发现当读写器靠近第二层第二格时读取效果非常好；（2）按照相同方法分别将书本放入书包里，塞入床上被褥内，书桌抽屉里、沙发缝隙等位置进行测试；（3）按照（1）（2）同样的操作步骤，测试物品换成学生卡、钥匙等易丢物品进行测试。

3.2.2.2 多个纸质标签的测试方案

测试准备：在测试方案1的测试结果中，选取5本书作为测试物品，每本书上均粘贴一张纸质标签，每张标签含有唯一的标签编码分别代表不同的书本，随后选取不同的角落和存放方式进行测试。

测试过程：（1）选取书架为测试场地，将五本书分别全部散开分布、两本叠放或者多本叠放来进行测试；（2）按照相同的叠放方式放在不同的角落再次进行测试；（3）使用卡片类物品重复（1）（2）的测试。

测试结果及分析：（1）多本书或卡不论叠放方式如何，读写器均可以在合理范围内分别读取到，家居多处角落读取均可以穿透；（2）读写器读写DEMO目前能显示每一标签的唯一编码，但与物品无法一一匹配，需要将物品信息写入标签内，在识别的同时查看到物品具体信息；（3）智慧角散落多个标签时，使用读写器进行读写目前无法针对指定物品进行辨识，经与指导老师讨论，可以通过改造软件系统来实现。

3.2.2.3 单个或多个抗金属标签的测试方案

测试准备：在测试方案1的测试结果中，选取多把钥匙作为测试物品，钥匙上加装抗金属标签，随后选取不同的角落进行测试。

测试过程：（1）选取沙发作为测试场地，将钥匙叠放或者散落来进行测试；（2）按照相同的叠放方式放在不同的角落再次进行测试；（3）使用卡片类物品重复（1）（2）的测试。

测试结果及分析：多把钥匙不论叠放方式如何，读写器均可以在合理范围内分别读取到，家居多处角落读取均可以穿透，标签受钥匙金属材质影响比纸质标签好很多。

4 分析和讨论

4.1 测试结果整体分析

（1）通过对不同的物品加装不同的标签，使用手持读写器可达到快速识别的效果，包含散落在家中不易发现的角落里的物品；读取效果不受物品的材质，以及隐藏物品的家具材质的影响。

（2）手持读写器对物品定位框定在一米范围内，再结合人工搜索能尽快找到丢失物品。说明此应用方案是可行的。

（3）通过对RFID技术的研究应用，家中的物品仿佛也变得有生命了，能够被外界感知，加深了我们对物联网的了解。

4.2 测试方案进一步改进

4.2.1 购买更多超高频RFID标签

将家居生活中易丢失物品按照所属材质进行整理分类，采购充足的RFID标签，分别粘贴在整理的物品上，然后放置在家中不同的角落，进一步验证第三章的测试方案。测试更多标签下此方案应用的可行性。一般家居物品需要被感知的总计不超过两三百个，而在一米范围内同时存在的标签数量不会超过一百个，手持读写器对此数量的读取毫无压力，均可以准确识别，因此此类家居应用是可行的。

4.2.2 升级读写器软件demo

当加装标签的物品数量逐渐增多时，光看读写器识别的标签编码已无法定位到具体的物品，即使识别到想要的物品也无法提示使用人已定位到，为了整理方案的更易用，读写器软件demo必须进行升级改造，改造需求包含：

（1）可将物品信息写入标签，查看识别结果时不再单一查看编码信息，而是直接查看物品信息；

（2）可根据查找需求，输入特定的查找目标，当读写器靠近目标时及时告知，配合音乐或语音提醒；

（3）当读取到物品，但还是无法精准定位时，可以通过软件调整读取功率，让功率逐渐降低，以减少可识读标签的距离，最后将物品定位在很小的范围内。

4.2.3 房间角落使用超高频标签进行物理定位

既然家居物品可以使用标签来进行身份标识，那家里的每一个角落均可粘贴标签进行唯一标识，每个标签写入房间角落的位置信息。嵌入了读写模块的智能读写器平日工作时每当经过某一角落时都将在该角落识别的标签都标识一个位置信息，这样当向读写器发送查找物品指令时能快速知道物品所属的位置信息标签，也能实现快速定位的目的。

4.2.4 与语音识别技术结合使用

超高频读写模块加入语音识别技术，查找指令将不再单纯依赖手写输入的模式，而是可以随时随地听取语音信息来执行指令，使用人只需要将查找物品的关键信息语音告知读写器即可完成查找定位目的。

5 项目结论

超高频RFID无源标签非常适用于家庭常用物品的查找，将很重要、但容易丢落在家中角落里不易找到的物品粘贴上合适的RFID标签，用于唯一标识物品身份，使用带RFID功能的设备可以快速定位到对应物品，从而使家居物品的收纳和整理变得更加智能便利。家庭智慧角解决方案易用好操作，既有创新性也兼具实用性，未来用RFID技术定制智能防丢贴片，这类产品将在家庭生活将大有所为。并且由于成本较低，该方案在家用化方面将有着极大的优势。