WLAN+RFID組合系統(tǒng)的應(yīng)?用方案詳解

無線局域網(wǎng)(WLAN)能夠降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的成本，使用戶能夠享受移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，獲得高效率、高質(zhì)量和低成本的服務(wù)。

引言

無線局域網(wǎng)(WLAN)能夠降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的成本，使用戶能夠享受移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，獲得高效率、高質(zhì)量和低成本的服務(wù)?？梢苿?dòng)性使用戶在使用掌上計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備的同時(shí)能自由地變換位置，極大地方便了在工作時(shí)需要不斷移動(dòng)位置的人員。這些設(shè)備能實(shí)時(shí)訪問存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)。無線射頻識(shí)別(RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。它具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量大、可讀寫、穿透力強(qiáng)、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。此外，它還是惟一可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀的自動(dòng)識(shí)別技術(shù) 。本文研究由WLAN 和RFID 組成，稱為WLAN+RFID的組合系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱組合系統(tǒng))。它建立在無線局域網(wǎng)和無線射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)之上，利用WLAN的無線傳輸和RFID的非接觸式自動(dòng)識(shí)別的特點(diǎn)，為用戶提供更快捷更靈活的識(shí)別服務(wù)。

1 WLAN+RFID組合系統(tǒng)的應(yīng)用

RFID設(shè)備由電子標(biāo)簽(簡(jiǎn)稱標(biāo)簽，Tag)和閱讀器(讀頭，Reader)組成。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽附在被識(shí)別物品上的表面或內(nèi)部，當(dāng)被識(shí)別物品通過可識(shí)讀范圍時(shí)，閱讀器自動(dòng)以無接觸的方式將標(biāo)簽中的約定識(shí)別信息取出來，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或自動(dòng)收集物品標(biāo)志信息的功能。手持機(jī)(Handheld Reader)是閱讀器當(dāng)中的一種，職員用它能很快地從貨物堆中識(shí)別出要尋找的貨物。

以LucentTechnologies公司的WaveLAN系列產(chǎn)品為例，WLAN設(shè)備包括有：無線接入網(wǎng)橋(接入點(diǎn)Access Point，AP)，產(chǎn)品有Orinoco AP-1000和Orinoco Wave POINT-II、無線網(wǎng)卡OrinocoPCCard、天線、網(wǎng)橋設(shè)置軟件OrinocoWaveManagerAP v6.00、無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序OrinocoClientv6.0和漫游協(xié)議Wave AROUND。

在港口碼頭、車站或物流中心的室外露天大型貨場(chǎng)，由于場(chǎng)地大且物資的種類繁多，傳統(tǒng)的人工操作耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且容易出現(xiàn)差錯(cuò)。建立組合系統(tǒng)識(shí)別貨物，并對(duì)中心數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無線訪問，使貨物的收貨、發(fā)貨和盤點(diǎn)的整個(gè)處理過程非常方便快捷，而且差錯(cuò)率大大減少。職員在對(duì)貨物進(jìn)行驗(yàn)收、存放、登記、挑選、尋找和運(yùn)輸時(shí)，他們和鏟車的位置需要移動(dòng)。在貨場(chǎng)建筑物的樓頂或有關(guān)地方安裝多個(gè)AP，使WLAN的無線信號(hào)覆蓋整個(gè)貨場(chǎng)。手持機(jī)可以在覆蓋區(qū)內(nèi)漫游，并通過WLAN連接到貨場(chǎng)的存貨系統(tǒng)，由此解決了操作人員的流動(dòng)性問題。

在收貨時(shí)，職員攜帶手持機(jī)靠近貨物。在識(shí)讀范圍內(nèi)，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)可以在手持機(jī)的液晶顯示屏上顯示出來，并通過WLAN進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。職員也可以在手持機(jī)的小型鍵盤輸入其它相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也通過WLAN進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。接下來，系統(tǒng)將該貨物的存放地點(diǎn)和有關(guān)數(shù)據(jù)反饋回手持機(jī)，并在顯示屏上顯示。職員和鏟車司機(jī)按照指令將貨物送到存放地點(diǎn)。在出貨時(shí)，職員根據(jù)庫(kù)存管理系統(tǒng)提供的出貨清單，到達(dá)貨物的存放地點(diǎn)附近。只要貨物的標(biāo)簽進(jìn)入手持機(jī)的識(shí)讀范圍內(nèi)，手持機(jī)就會(huì)從貨物堆中識(shí)別出要尋找的貨物，并在顯示屏上顯示出該批貨物的數(shù)據(jù)。盤點(diǎn)貨物與收貨和發(fā)貨的方法相同。庫(kù)存管理系統(tǒng)一直跟蹤收貨、發(fā)貨和盤點(diǎn)整個(gè)過程的進(jìn)行，從而能實(shí)時(shí)和方便地生成準(zhǔn)確的存貨報(bào)告。在貨場(chǎng)的出口處安裝讀頭，用來識(shí)別運(yùn)出的貨物。當(dāng)貨車將要通過出口處時(shí)，讀頭對(duì)所有貨物的標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。如果全部是出貨清單上的貨物，讀頭會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示，并通過控制系統(tǒng)自動(dòng)打開通道的閘門，放行貨物。與此同時(shí)，庫(kù)存管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)更新數(shù)據(jù)。反之，如果有不準(zhǔn)放行的貨物，包括隱藏在準(zhǔn)予運(yùn)出的貨物包裝箱內(nèi)，讀頭會(huì)自動(dòng)識(shí)別出來，關(guān)閉通道的閘門，并發(fā)出提示。因此，應(yīng)用組合系統(tǒng)對(duì)貨物也能起到防盜監(jiān)控的作用。

2 RFID及其數(shù)據(jù)通信

2.1 RFID的閱讀器和電子標(biāo)簽

閱讀器由控制系統(tǒng)、通信接口、微帶天線和電源等模塊構(gòu)成。手持機(jī)是一種適合于用戶手持使用的閱讀器，其工作原理和其它的閱讀器、讀頭完全一樣。它除了一般閱讀器所具有的4個(gè)模塊以外，還帶有液晶顯示屏和鍵盤。

手持機(jī)的供電電壓采用可充電池供電，6 V或9 V直流;操作系統(tǒng)可以采用WinCE或其它操作系統(tǒng);數(shù)據(jù)存儲(chǔ)32MB閃存，32 MB內(nèi)存：天線為內(nèi)置天線或探針探測(cè)器;通信接口可選RS232等接口以及802.11接口。手持機(jī)還可以加入條形碼掃描模塊，使其同時(shí)具有RFID識(shí)別和條形碼掃描功能。

電子標(biāo)簽由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、通信接口、微帶天線和電源等模塊構(gòu)成。標(biāo)簽寫入ID代碼和物體的有關(guān)信息。標(biāo)簽根據(jù)不同的供電形式分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽的電能供應(yīng)從閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)中取得，因此閱讀器要有較高的發(fā)射功率，識(shí)別距離較近。目前的低電壓和低功耗供電技術(shù)可以解決無源標(biāo)簽要求閱讀器發(fā)射功率高的缺點(diǎn)。有源標(biāo)簽依靠自身的微型電池供電，因此對(duì)閱讀器的發(fā)射功率要求較低，系統(tǒng)的識(shí)別距離較遠(yuǎn)。無源標(biāo)簽與有源標(biāo)簽相比較，具有成本低、不用維護(hù)、可靠性高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。在組合系統(tǒng)中，可以應(yīng)用無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。

2.2 RFID的數(shù)據(jù)通信

RFID 的數(shù)據(jù)通信通過閱讀器與標(biāo)簽之間的射頻傳輸來進(jìn)行。閱讀器與標(biāo)簽之間的信息傳輸應(yīng)符合選定的通信協(xié)議。標(biāo)簽先發(fā)言(TTF)和閱讀器先發(fā)言(RTF)是RFID的兩種抗沖突協(xié)議方式。TTF是指標(biāo)簽不需要閱讀器的指令，就可以主動(dòng)發(fā)送自身的ID代碼。RTF是指標(biāo)簽接收到閱讀器的指令才能發(fā)送。兩者相比較，TTF具有識(shí)別速度快和穩(wěn)定的特點(diǎn)，能適應(yīng)高速傳輸和標(biāo)簽數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的情況。對(duì)于無源標(biāo)簽，它需要將閱讀器的射頻信號(hào)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硭枰碾娔埽虼艘话悴捎肦TF。有源標(biāo)簽不需要閱讀器提供能量，因此可以采用RTF或TTF。

RFID的一個(gè)很大的特點(diǎn)是多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀，即一個(gè)閱讀器能對(duì)接多個(gè)標(biāo)簽。閱讀器以無線電廣播方式同時(shí)向各個(gè)標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)，各個(gè)標(biāo)簽同時(shí)接收這些信號(hào);各個(gè)標(biāo)簽以多路存取的方式向閱讀器傳送信號(hào)。當(dāng)采用TTF時(shí)，所有標(biāo)簽隨機(jī)地反復(fù)發(fā)送自身的ID代碼，在不同的時(shí)候不同的標(biāo)簽被閱讀器讀取。當(dāng)采用RTF時(shí)，閱讀器首先對(duì)識(shí)讀范圍內(nèi)的一批標(biāo)簽發(fā)出隔離指令，只保留一個(gè)標(biāo)簽處于激活狀態(tài)，并與其建立起無沖突的通信聯(lián)系;通信結(jié)束后指令該標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)。然后依照上述完成對(duì)一個(gè)個(gè)標(biāo)簽的識(shí)讀。
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3 組合系統(tǒng)的工作頻率選擇

FCC的無線電頻譜條例第15部分(修訂)，允許不用經(jīng)過批準(zhǔn)，無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品就可以在ISM 頻帶中運(yùn)行。ISM 包括了3個(gè)頻段：902～928 MHz、2.4～2.4835 GHz、5.725～5.85 GHz。目前，902MHz頻段的WLAN在美國(guó)部署運(yùn)行，它并非在全球適用。2.4 GHz是全球適用的惟一非特許頻段?，F(xiàn)在全球占主導(dǎo)地位的WLAN產(chǎn)品工作在2.4 GHz頻段。

標(biāo)簽與閱讀器之間進(jìn)行無線通信的頻段是：低頻135KHz以下，高頻13.56 MHz，超高頻869 MHz、902～928 MHz和微波2.4 GHz、5.8 GHz。低頻和高頻的通信距離近，數(shù)據(jù)傳輸速率慢。高頻、超高頻和微波的通信距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率快。

目前，RFID存在兩個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)和日本的UID標(biāo)準(zhǔn)。兩者使用的無線頻段不一樣，EPC標(biāo)準(zhǔn)采用超高頻902～928 MHz，UID標(biāo)準(zhǔn)采用2.45 GHz和13.56 MHz。

在組合系統(tǒng)中，WLAN 與RFID必須共存，兩者的射頻信號(hào)互相不干擾。頻率分割是最好最簡(jiǎn)單的選擇。因此，在組合系統(tǒng)中的WLAN選用2.4 GHz頻段，RFID選用902 MHz頻段。它們都是可以自由使用的開放頻段，但是發(fā)射功率受到規(guī)定的限制。

4 組合系統(tǒng)采用的調(diào)制技術(shù)

截至目前，DSSS與FHSS以現(xiàn)有的產(chǎn)品參數(shù)比較，DSSS在需要最佳可靠性的應(yīng)用中具有較佳的優(yōu)勢(shì)，而FHSS在需要低成本的應(yīng)用中占優(yōu)勢(shì)。DSSS由于采用全頻帶傳送資料，速度較快，而且具有抗干擾抗噪聲能力、抗衰落能力、隱蔽性和保密性強(qiáng)、不干擾同頻的系統(tǒng)等性能優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)镈SSS有以上的優(yōu)點(diǎn)，組合系統(tǒng)中的WLAN 采用DSSS。DSSS的高數(shù)據(jù)傳輸速率能滿足大型貨場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求;良好的抗干擾性能適應(yīng)了在貨場(chǎng)中比較復(fù)雜的傳播環(huán)境，例如由于物體移動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)衰落所造成的多徑干擾;DSSS的傳輸距離比較遠(yuǎn)，在相同面積的貨場(chǎng)中設(shè)置AP的數(shù)量可以少。

組合系統(tǒng)中的WLAN采用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)。802.11b是802.11的一個(gè)擴(kuò)充，規(guī)定采用2.4GHz頻段。它在802.11協(xié)議的物理層中增加了兩個(gè)新的速率：5.5 Mbps和11 Mbps。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，DSSS被選作該技術(shù)的惟一物理層傳輸技術(shù)，這是由于FHSS在不違反FCC原則的基礎(chǔ)上無法再提高速度了。DSSS的調(diào)制方式在1 Mbps時(shí)為DBPSK，在2 Mbps時(shí)為DQPSK，在5.5 Mbps和11 Mbps時(shí)采用了CCK，都使用QPSK作為調(diào)制技術(shù)。RFID的射頻傳輸可以采用電感耦合方式，又稱為負(fù)載調(diào)制，常用在近距離的低頻和高頻識(shí)別系統(tǒng)。射頻傳輸也可以采用電磁反向散射耦合方式，又稱為反向散射調(diào)制，常用在較遠(yuǎn)距離的超高頻(如902 MHz)和微波(如2.4 GHz)識(shí)別系統(tǒng)。在組合系統(tǒng)中，RFID采用反向散射調(diào)制，工作頻率為902MHz頻段。

反向散射調(diào)制的工作原理是：在無源標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)回給讀頭時(shí)，標(biāo)簽根據(jù)要發(fā)回的數(shù)據(jù)信號(hào)控制天線開關(guān)，使標(biāo)簽的天線處于阻抗失配或阻抗匹配狀態(tài)，因此標(biāo)簽反射回讀寫器的能量相應(yīng)也有大和小的兩種情況，分別代表了二進(jìn)制信號(hào)中的“0”和“1”。