1 引言
現代社會生活中，對于信息的需求日益增長，例如在貨運中對貨物相關信息的查詢、門禁系統對于進出人員的查詢、收費路口對于車輛的查詢等。如果采用傳統的手工方式，即耗費人力又耗費時間，所以現在越來越多地借助電子技術來完成信息的查詢。常見的方法主要是條形碼和 RFID ,其中RFID是射頻識別（Radio Frequency Idenfication） 的簡稱，它是利用無線電技術在閱讀器和電子標簽之間建立通信，達到信息查詢的目的。盡管條形碼廣泛應用，但其局限性也顯而易見。首先，在閱讀器和條形碼之間不能有障礙物；其次，條碼標簽必須清潔無磨損，且條碼與閱讀器之間必須保持適當的角度；再者，條碼標簽的內容無法隨意修改。相比之下，RFID 的技術優勢就更明顯了。RFID 不需要光源，能在惡劣的環境下閱讀，讀取距離遠，可同時處理多個標簽，而且其信息可以修改。因此，RFID 將比條形碼的發展空間更為廣闊。
根據實現的方式不同，RFID 可分為兩類———有源RFID和無源RFID。無源RFID 的電子標簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉換接收到的閱讀器發送的電磁波而獲得，所以其閱讀器的發射功率一般較大。與之相反，有源RFID的電子標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應閱讀器的發射功率要求不高，而且有效閱讀距離也較前者有所增加。本文著重介紹有源RFID ,就其技術特點以及相關應用作深入的分析和詳細的介紹。
2 頻段的選擇
有源RFID 系統的主要性能參數有兩個：最大通信距離和無線信號的傳播。
眾所周知，相同發射功率下，低頻電磁波比高頻電磁波的傳播距離長。電磁波在媒質中傳播時的衰減與其波長有直接關系， 波長越短衰減越大。例如，信號A 傳播10 米后其功率衰減10 % ,那么信號B的頻率如果只有它的一半，則傳播20米后，功率才衰減10 %。因此，頻率在100MHz 以下的應該作為首選。盡管這樣，100MHz 在使用上還存在許多實際因素的制約。使用低頻的系統，如使用13. 56MHz ,其信息的交互主要依靠電感耦合，但電感耦合的距離非常有限，最多只能達到6 米。當然，可以考慮一些能夠支持遠距離傳輸的電感耦合設備，但它們在抗噪方面不夠理想。
在復雜環境中，電磁波的傳播與它的波長和頻率有關。在倉庫、車站和碼頭等地方，RFID 信號在有障礙物時能否有效地傳播是非常重要的。更特別的是，這些障礙物大多都是金屬的，如汽車和金屬架等，電磁波通常無法穿透這些障礙物，只能依靠衍射來繞過它們。衍射的效果與電磁波的波長和障礙物的物理尺寸兩者的比例有關系。例如，選用433MHz的頻段，其波長大約為1 米，能夠較容易地繞過汽車和集裝箱等大型的障礙物。如果選用2. 4GHz 的頻段，其波長僅為0. 1米左右，相應的衍射能力就有限多了，較使用前者的系統可能會多一些盲點，有效范圍也會略微小一些。
盡管從純理論角度看，100MHz 至1GHz 頻段內最適合用于RFID ,但RFID 頻段的選擇還受各國無線管理規定的約束。
●功率限制：雖然與無源標簽相比，有源標簽的發射功率小很多，但采用不同頻率時其發射功率上仍然相差較大。例如，選用433MHz 時，如果有效距離設定為100 米，那么發射功率要求1mW左右；若選用900MHz ,大致需要100mW。
●工作時間：無源RFID 的標簽沒有電源，依靠對閱讀器發射信號的反射來實現通信，所以必須連續工作。而有源RFID 是用自身的電池供電，可以支持遠距離通信，因而標簽和閱讀器的通信方式能夠比較靈活。有源RFID 數據通信的時間可以控制在10 %左右，當然也可以根據數據的傳輸速率和系統可靠性等指標的需要靈活調整。
●調制方式：調制方式在不同的頻段中具體的要求都不同。例如在2. 4GHz 的頻段，大多要求采用擴頻通信。這些都會在一定程度上增加標簽和整個系統的成本。根據我國在無線頻段管理上的相關規定，能夠使用的頻段在2. 4GHz ,且應該采用擴譜的調制方式，從而達到低功率的要求。
3 通信方式
在有源RFID 系統中，通信方式是最重要的一個環節，幾乎左右了整個系統的性能，下面以2. 4GHz 頻段為例，分別從調制方式、通信機制和數據幀結構等三個方面對其進行討論。[4 - 7 ]
1. 調制方式。
因為RFID 的數據量要求不高，一般而言，以每秒20 個標簽的閱讀能力為限，假定閱讀一次每個標簽大約需要1000 比特的數據量，那么總共的數據速率為20kb/ s ,屬于低數率通信的范疇。因此，傳輸時不需要使用調制效率很高的方式（如16QAM等） 。另外，鑒于我國在2. 4GHz 頻段（即ISM頻段） 上對于發射功率的要求，所以選擇擴頻的方式是最佳的。常見的擴頻方式有直接擴譜（DS） 和跳頻（FH） 兩種，由于同頻段中藍牙使用的是跳頻，所以應該選擇直接擴譜，在最大程度上保持與藍牙設備的兼容性。2. 4GHz 頻段的帶寬為83. 5MHz ,可將其分割成16 個信道，每個信道約占5MHz。那么，假設數據傳輸信道編碼的效率是1/ 2 ,每個信道的處理增益近似可達到125 ,能使信噪比得到很大的改善。為進一步提高傳輸速率，為今后擴展提供裕量，實際采用的調制方式可以選擇O - QP2SK,并且在I 通道和Q 通道上同時傳輸信息。擴頻碼可以選用32chip 的PN 碼。完全采用上述設計，傳輸的數據率可達到250kb/ s。
2. 通信機制。
在通信機制的設計中需要兼顧兩個問題：可靠性高和通信時間短。前者是由其應用的范圍所決定的，因為RFID 通常用于門禁、物流和交通收費等應用，其差錯率要求在極小的范圍內。后者主要是從功耗和檢測速度上考慮的，如果通信時間長，勢必標簽的電池消耗大，將縮短標簽的使用壽命；再者，通信時間短也能夠提高單位時間內訪問標簽的數量，增強其實用性。為此，設計如下標簽的工作機制。
該工作機制中定義了標簽的四種工作狀態：休眠態，信道查詢態，半休眠態和通信態。
●休眠態：是指除定時器外，標簽的所有部件均停止工作。
●信道查詢態：是指標簽被某事件喚醒后，查詢信道上的有效閱讀器信號。
●半休眠態：如果與其他標簽發生碰撞，暫時休眠一段時間。
●通信態：建立了與閱讀器有效的連接，實現數據的傳輸。
大多數情況下，標簽處在休眠狀態。此時，標簽上幾乎所有的部件均停止工作，但定時器正常工作。當其計數到休眠喚醒時間后，將標簽喚醒，進入信道查詢態。處在信道查詢態的標簽，查詢可能的信道，檢測是否存在閱讀器發出的有效信號。如果存在，且ID 檢測標志為0 ,則在相應的信道上發送申請信號，申請與閱讀器通信。當收到閱讀器返回的確認信號后，即建立了有效的連接，進入信道查詢態。如果在一定的時間內沒有收到閱讀器的回應，則認為與其他標簽發生碰撞，根據一定的算法，休眠一段時間，即進入半休眠狀態，等待再次喚醒。由此可見，半休眠態與休眠態之間的差別是兩者的喚醒時間間隔不同，前者較短，而后者較長。如果閱讀器信號存在，且ID 檢測標志為1 ,表示它已經被閱讀，立即返回休眠態。如果閱讀器信號不存在，則認為在閱讀器有效范圍之外，立即進入休眠態。當半休眠態的標簽被喚醒時，依然進入信道查詢態。當標簽進入通信態后，按照閱讀器所發送的命令，傳送所攜帶的信息供閱讀器訪問。通信結束后， ID 檢測標志將被置起，然后標簽進入休眠態。標簽按照上述機制，便能夠實現一次完整的通信。
檢測后，再進入休眠態的標簽相應的ID 檢測標志是為1的，這將阻止它與閱讀器之間通信。這種措施，主要是為了減少一個閱讀器對于同一個標簽的多次訪問，但如果該標志一直不變，將影響其他閱讀器對該標簽的訪問。因此，在休眠一定時間后，必須強行地將ID 檢測標志清除。在通信態，如果在一定的時間中無法收到閱讀器的合法命令，通信失敗，立即返回休眠態。
由于2. 4GHz 頻段并非RFID 獨占，因此必須考慮與其他短距離無線設備兼容，相應地解決方法有三種：信道的自適應選擇、縮短通信時間和重傳機制。信道的自適應選擇是在信道查詢態完成的，閱讀器會檢測所有的信道，選擇噪聲最小的信道作為通信信道，也既是選擇了對其他設備影響最小的信道。縮短通信時間是在信道查詢態和通信態中需要注意的，查詢態中主要是指鏈路建立的時間要盡可能地短，通信態中數據傳輸的時間要短。重傳機制是一種無奈之舉，可以改進通信態對于通信失敗的處理，返回信道查詢態，再次試圖建立通信。
3. 數據幀格式
在通信時，數據的幀格式如下：
前導碼是為了讓接收機作同步使用，接下來數據部分，包括數據長度，數據負荷和校驗數據。對閱讀器而言，數據負荷是狀態、命令和相應的參數；對標簽而言，數據負荷是其存儲的信息。閱讀器的狀態主要表示是否在進行標簽數據傳輸，當閱讀器和標簽建立起通信，該狀態為1 ,反之則為0 ,這樣可以在一定程度上減少碰撞。命令包含兩大類：讀數據命令和編輯數據命令，讀數據命令在大多數情況下發送，完成數據查詢功能；編輯數據命令僅在一些特定情況下使用，完成標簽信息的生成。
4. 低功耗的設計
在有源RFID 系統中，如何降低標簽的功耗是一個關鍵技術。總結前面內容中相關的部分，大致有以下幾點：一，信號的調制方式是O - QPSK且I、Q 通道同時使用，在相同信息的條件下，較二進制傳輸的傳輸時間縮短了，減小了功耗；二，采用擴頻技術縮短了同步時間；三，半雙工的工作方式，減少了功耗； 四，由于調制方式相對簡單，所以相應的電路功耗較小。
4 應用實例
最近在國內，上海國際港務集團有限公司在其數字化港口建設中，對集裝箱電子標簽技術尤為重視。在上海市的大力支持下啟動了內貿集裝箱電子標簽示范線建設。在示范線上，智能標簽安裝在集裝箱的箱體表面，天線和讀寫設備安裝在集裝箱運行通道和集裝箱吊運設備上，讀寫器可以向電子標簽讀寫集裝箱運輸中的信息，并通過數據接口用有線傳輸和天線傳輸方式與集裝箱管理系統進行數據交換，達到集裝箱的自動識別和實時管理。
內貿集裝箱電子標簽示范線主要是在兩個港口和一條航線上，完成國內首個基于集裝箱電子標簽實時信息交換功能的集裝箱電子標簽全業務示范線工業性試驗，包括進口、進場、查詢、出場、裝船、清點、航運、卸船、進場、查詢、出場、出口。在實驗過程中，對集裝箱電子標簽示范線所有相關系統一和產品在航線上運輸的真實環境下的工作情況將進行現場數據的記錄和錄像，以獲得基于電子標簽系統的內貿港口集裝箱運輸線的系統運營經驗，這在國內乃至國際上尚屬首次。
整個示范線的建設將依靠自主的知識產權研制和開發大量的設備和軟件，其中包括：集裝箱電子標簽、道口電子標簽讀寫設備、碼頭吊運設備上的電子標簽讀寫設備、流動吊運設備上的電子標簽讀寫設備、手持電子標簽讀寫設備、吊運設備操作室的顯示控制終端以及支持集裝箱電子標簽系統的港區無線通信網絡、基于集裝箱電子標簽自動識別系統的集裝箱實時信息交換平臺、支持集裝箱電子標簽系統的電子標簽中間件平臺等大型系統軟件。
5 結論
有源RFID 具備低發射功率、通信距離長、傳輸數據量大，可靠性高和兼容性好等特點，與無源RFID 相比，在技術上的優勢非常明顯。正因為如此，它被廣泛地應用到公路收費、港口貨運管理等應用中。希望RFID 能夠成為一個契機，讓我國在現代物流等若干領域縮短與世界先進國家的差距。