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物联网与有源电子标签

来源:一卡通世界      2010/6/12 20:23:06
    1. 物联网的基本技术要求

  自从“物联网”的概念提出以后,无论是一般老百姓还是相关专业人士,都予以了极大的关注,并展现出了空前的热情。普遍的看法是:物联网给人们生活和社会经济所带来的冲击,将远超过互联网。

  物联网的概念来自西方,原意是“The Internet of Things”。那到底什么是物联网,它到底离我们还有多远呢?实际上,物联网正在进入我们的生活。我们这里就其与有源射频标签有关的一些技术问题进行简单的讨论。

  首先,我们认为物联网至少应该解决如下几个问题:

  - “你是谁?”(身份识别和认证);
  - “你在哪里?”(定位);
  - “你的状况?”(传感器数据采集);
  - “请你做xx工作,….”(指令下达)。

  其次,物联网本身还必须要满足如下几个方面的基本要求:

 低成本的要求,对所涉及无处不在的,成万上亿的人和物进行身份识别,以及信息采集所需的费用必须是低廉的;
 信息传输必须是无线的,使用一般有线的方式,要将千千万万的物与物,物与人,人与人连接在一起显然是不可行的,它们必须使用无线的方式来传输信息,而且它们的尺寸必须很小。
 所使用的无线设备必须是低功耗的,我们不可能像手机一样,随时随地地对电池进行充电;
 它们必须是可以进行双向通信的,因为物联网所需信息的传输必须是双向的;
 它们还应具有远距离通信的能力(几米到超过千米),例如路灯控制等。

  什么样现有无线通信系统才能承担这一任务呢?

  传感器网络:有人将物联网解释为传感器网络,这显然是不全面的,因为:

   1. 尽管传感器网络可以完成身份识别,定位以及传感器数据采集和传输的工作,但大量的物联网信息传输并不需要任何传感器(如身份识别,定位,指令下达等。);

  2. 现有的传感器网络(例如Zigbee为代表的网络)显然不能满足低功耗的要求,因为Zigbee网络的基本特征就是“动态组网”,“动态路由”和“网状网”信息传输。而任何一个承担网状网信息传输的Zigbee网络节点,必须随时处于信号接收或中转发射的状态,因而,不可能省电,尽管比起WIFI和蓝牙等网络来,功耗已经降低了不少,但它仍远不能满足物联网的要求; Zigbee复杂的网络管理功能的要求,使得Zigbee节点不可能做到低成本;另外,Zigbee节点间有限的通信距离和网络传输时延,也是Zigbee承担物联网传输任务的障碍。

  移动通信网:有人说随着技术的进步,手机将变得更加智能化,成本也将更低,因而,移动通信网将承担起物联网的任务。这种说法也是片面的,因为:

  1. 手机本身太复杂,它完全依赖于移动基站,对一般物联网的应用来讲,它不仅本身成本高,而且还需要长期支付网络服务费。对物联所涉及的天文数字的物以及人之间的信息传输来讲,这样的费用用户也支付不起。

   2. 即使手机成本再低,就是将它安装在到集装箱上这样大型的物件上,也不实际,因为它还需要随时充电。

   3. 移动网与广电网、电信网和互联网一样,它们仅只是广域公共通信网的一种,它们只能在承担远距离信息传输这一层面上发挥作用,但它远不能代表物联网。

  射频识别系统:有人说物联网就是射频识别系统,这显然也不对,因为:

  1. 射频标签无线身份识别,仅仅是物联网功能的一部分,即使包括定位在内,也远远不是物联网的全部。另外,身份识别除了射频识别外,还可由条码,指纹,红外等多种方式来完成。

  2. 即使能够实现远距离传输的有源射频标签,目前所能够做的工作也主要是身份识别,定位和少量相关数据的传输而已,物联网还需要通过传感器了解目标对象的状况,还需要向目标对象下达工作指令等,而这些是现有有源射频标签还不能承担的任务。

  显然,无论是传感器网络或移动通信网,还是射频识别系统,都不能满足物联网信息传输的需要,它们中的任何一个都不能代表物联网。物联网不应该是一个单一性质的网络,而是各种信息传输和采集手段的集成,它包括条码、无源射频标签、各种传感器、有源射频标签、计算机、手机、移动通信网和其它公网等。

  从经济实用的角度出发,我们不可能在每一个销售的牙刷上,或仓库中运输托盘上的每一个物品上都安装一个有源射频标签,而一个条码标签显然是最优和最现实的选择。由于条码识别距离很近,为了将条码所代表的牙刷或其它物品的信息,以一种低成本,简单快速的方式传入网络,我们可以在手持条码读写器中,包括每个仓库运输托盘上,安装一个有源射频标签,并在仓库中安装一个与移动公网或互联网连接的远距离(500米以上)有源射频标签读写器,我们便可以轻而易举的,将手持条码读写器所读到的,关于牙刷和托盘上物品的相关信息,传到安装在托盘上的有源射频标签中,再通过有源射频标签,间接传给有源射频标签读写器,或由手持条码读写器中的有源射频标签,直接传给有源射频标签读写器。然后再通过读写器,将这些信息传入公网或互联网。这样我们便可以利用一台联网的计算机,在任何地方掌握这只牙刷或托盘上物品的相关信息,包括它们的位置信息了。这里我们涉及到近距离条码识别(也可以是诸如红外测温等其它传感器信息的采集)、有源射频标签远距离无线传输、计算机和公共信息传输网络以及互联网等。在这个简单的例子里,我们可以清楚看到整个信息的传输不仅仅是某一个单一的传输系统或网络,它是多种信息采集和传输手段的组合,应该算作是一个“泛在网”。

  物联网也不是一个忽然从天上掉下来“外星人”,它应该是在我们现有技术基础上发展起来的。我们可能已经建立起了一个物联网的粗略概念,也知道物联网将大大改变我们的整个生活。然而,到今天为止,人们好象还感觉不到物联网已经进入我们的生活,至少,还远没有像互联网一样,已经进入到了几乎我们每个人的生活。

  原因又在哪里呢?如果我们从上到下梳理一下物联网的整个信息连接和传输过程,我们不难发现:上面的公网、移动网以及互联网等用于信息远距离传输所需的网络已经建立,而且十分成熟,最多也仅仅是改进升级而已;而在与人或物直接相关的最下层,条码标签识别技术、无源射频标签的近距离识别技术,以及各种采集物品状态信息的常用传感器技术(温度,湿度,压力等)也都比较成熟。问题则出在如何将传感器、条码标签,以及无源射频标签等所采集到的有关物和人的这些基本信息,以简单和低成本的方式,传到几十米,甚至到1公里外的公共网络中。而问题的关键是:这种传输方式必须是低成本的,而且是无线的,低功耗的和可靠的! 

    2. 有源射频标签

  由于有源射频标签本身具有结构简单、体积小、低成本、功耗低和可实现远距离传输的基本特性,它自然也就成为人们解决物联网信息传输这个关键问题的希望所在。我们可以从2009年9月刚刚召开的IEEE有源射频标签国际标准制定小组会议所提交的文件中,清楚看出人们对有源射频标签的这种期待。参见:IEEE有源射频标签国际标准制定小组在 2009年9月会议上,提交和讨论的制定物理层标准的相关文件。

   “Final PHY proposal presentations heard and discussed during September 2009 ”

  下面是有源射频标签国际标准工作组,2008年10月提交的立项请求书的部分内容:

    参见:“IEEE 802.15.4f Project Authorization Request (PAR) is available at the following URL: https://mentor.ieee.org/802.15/file/08/15-08-0763-01-rfid-802-15-4f-par-document-submittal.doc”

  5.2 推荐标准的范围(Scope of Proposed Standard)

  可支持读写器与标签进行有效的通信,支持与传感器的连接,具有低的工作占空比和低的发射功率;射频工作参数灵活可设置;支持单向和双向通信,支持点对点和点对多点通信,支持标签与标签之间的通信,支持数据的多级中继,可处理海量标签,支持数据读写认证;支持精确定位,具有高的工作可靠性,使用频段世界通用;可与频段内其它现有工作系统共存,而不相互干扰。

  5.4 推荐标准的目的(Purpose of Proposed Standard)

  提供一个低成本、低功耗、应用灵活、工作可靠的通信方法,支持身份识别和传感器信息传输。空中接口可以支持电子标签广泛应用的各种需求,而且具有为在全世界大规模广泛使用的改进空间和灵活性。

  5.5 项目的必要性(Need for the Project)

  目前尽管也有一些有源射频标签的技术标准,但没有一个能满足以上提出的所有需要。而当今实际情况是大量的非标的系统在使用。因而,当前急需一个统一的合符要求的国际标准。

  由于缺乏全球性的统一标准,有源射频标签领域还不能形成一种规模经济。当今不少有源标签的制造商所生产的有源射频标签只能适用于某种用户非常特殊的应用环境(专用而不能相互兼容)。有源射频标签的国际标准制定,就是为不断增长对有源射频标签的市场需求,设定一个基准,以便能够实现有源射频标签生产的标准化和产业化,从而给整个行业带来规模化效益。

  为了减少能耗,当今大多数有源标签使用的都是单向发射标识符(ID)的方式,其唯一的目的就是识别和定位,而没有考虑拥堵和信号碰撞问题。有源射频标签需要具有双向通信和远距离通信的能力,需要具有处理海量标签的能力,但同时消耗的功率需要非常低。目前还没有一个国际标准能够满足这个需要。EPCglobal认识到只有802.15.4是一个非常可能满足这些需要的空中接口

  对一个广泛需求的国际标准而言,它至少应该包括如下要求:
  – 超低功耗(低占空比);
  – 低的发射功率;
  – 可单向和双向通信;
  – 可处理海量标签;
  – 读写器既可点播标签,标签之间网状网通信;
  – 读写器广播通信;
   – 可授权认证;
  – 集成传感器,传输传感器信息;
  – 精确定位能力;
   – 100米通信距离;
  – 国际通用频道;
  – 信道带宽应小于3 MHz;
  — 可与频道内工作的其它系统共存而互不干扰。

  从该文件中,我们也可以清楚看到现有有源射频标签的问题所在:

  “为了减少能耗,当今大多数有源标签使用的都是单向发射ID的方式,其唯一的目的就是识别和定位,而没有考虑拥堵和信号碰撞问题。有源射频标签需要具有双向通信和远距离通信的能力,需要具有处理海量标签的能力,但同时消耗的功率非常低。”

  “目前还没有一个国际标准能够满足这个需要。” 这显然是一个挑战!

  这里,我们不妨先将现有各种有源射频标签做一个简单的比较,:包括基本物理性能,工作方式,以及功能等,并对中间存在的一些主要问题加以简单评述。

  2.1. 有源射频标签基本物理性能比较

  2.1.1. 通信频率


  400MHz, 800MHz, 900MHz超高频系统的带宽窄,用户多,频段十分拥挤干扰大:
  433MHz:车载台、业余台、对讲机、各种数传电台充斥;
   800MHz~ 900MHz:与移动通信造成相互干扰;
  5.8GHz系统技术要求高,技术尚未十分成熟,现有的芯片通信距离近,功耗大,且成本高。UWB 也一样,而且在不同国家的使用还会受到一定的限制;

  2.4GHz已相当成熟,成本也低,作为射频标签使用通信速率足够,相应的产品也比较多。尽管该频段也有不少用户,但由于该频段规划管理较好,一般都是新产品,采用了新技术(跳频或扩频技术)相互之间兼容共存性较好。

  2.1.2. 通信方式

  现有一般标签,包括大多数400MHz、 800MHz、900MHz和一般2.4GHz有源射频标签,出于技术难度和成本考虑,基本上采用的都是相对落后的点频窄带通信方式。这种通信方式直接带来的问题是:

  A. 系统工作不稳定。由于系统工作频点很窄,因而,决定系统工作频率的晶振,将因为温度变化(温漂)和自身老化产生自振频率的变化,导致系统工作频点的变化,使系统的工作频点偏离有限的工作范围,从而使系统不能正常工作。这样的例子太多:兖州煤业集团一大型煤矿433MHz的井口考勤系统和上海市三家燃气自动抄表公司安装的几万套433MHz无线抄表系统,在使用不到一年后,全部都被拆除。

  B. 标签移动速度的限制。当射频标签快速移动时,由于多径效应和多谱勒效应的影响,都有可能造成信号频率偏移出很窄的系统工作范围,同样使系统不能正常工作。

  C. 与现有系统的共存性(工作可靠性和抗干扰能力)差。点频窄带的通信方式很容易受到环境噪声的干扰,同时也容易干扰到别的通信系统。由于点频窄带工作在一个很窄的点上,环境中的更多的噪声往往是集中在某一个或某几个频点上,包括在同一工作频点上来自其它系统的工作信号都将对点频窄带工作系统造成严重干扰,特别是在400MHz、800MHz和900MHz这样一些特别拥挤的频段。而采用直序扩频通信方式,即使系统在某一个或几个频点上受到干扰,系统都可以通过通信码片之间的相关关系,将被干扰部分的信号恢复,因而不容易受到环境噪声的干扰。由于扩频系统工作在较宽的一个频带上,在每一个工作频点上的发射能量就很小,因而也就很难干扰到别的通信系统。如果我们使用一个GSM,手机和一个CDMA手机,在一个正在通话中的座机旁边打电话时,我们便很容易观察到,使用直序扩频通信技术CDMA手机和没有使用扩频技术之间的差别了。

  D. 通信距离比较:在同样发射功率和调制解调方式的情况下,采用DSSS通信方式的系统,由于有扩频增益,因而通信距离更远。

  2.1.3. 保密性

  直序扩频可以通过使用PN码来增加空中通信的保密性。

  2.1.4. 通信速率

  高频系统通信速率比低频系统更高,这也为使用软件加密提供更大的数据空间。

   2.1.5. 体积大小

  高频系统由于波长短,因而,标签的尺寸可以做得很小。

  2.1.6. 绕射,反射,钻缝传输能力


  低频系统绕射能力比高频系统好,而高频系统穿过细小缝隙传输的能力比低频信号好。高频信号更多通过建筑物表面反射信号来实现绕障碍物传输,因而,通过充分利用高低频信号传输的不同特性,我们可以得到很好的通信效果。大量的应用实践表明,2.4G HzDSSS 有源射频标签,可以很好地应付各种射频识别的需要。

  2.2. 有源射频标签工作方式比较

  2.2.1. 目前国内外有源射频标签的基本工作方式

  A. 周期性向外发射自身ID号的方式 -----这是目前普遍采用的工作方式:当射频标签采用这种工作方式工作时,它的发射功率,发射的时间间隔,发射频道信道都是固定的。这种工作方式也是实时定位系统(Real Time Location System, RTLS)ISO国际标准中,定位标签的基本工作方式。

  B. 采用低频唤醒高频工作的方式。为了降低射频标签的功耗,射频标签中安装有一个无源低频检波系统,激励器或唤醒器经过低频发射天线(往往是一个线圈天线),发射出的强的低频电磁信号,使射频标签中的低频检波器产生一个开启高频通信系统的信号,从而使射频标签将进入一种按预先设定方式,发射自身 ID的工作状态,发射预定的时间和次数后,射频标签即进入休眠待激活状态。由于标签中的低频检波系统是无源的,因而这种低频系统激活天线所发射的功率必须要很大,而且它能激活标签的范围也非常有限。因而,系统工作灵活性受到很大限制。

  C. 采用两套通信系统的工作方式:包括超宽带UWB加2.4GHz, UWB 加 125kHz 低频,以及 2.4GHz加 125kHz 低频,(参阅IEEE有源射频标签国际标准工作组,在2009年,3月,7月和9月会议上所提供的相关文件)。类似RTLS国际标准(ISO/IEC 24730-2, 以及ISO /IEC JTC I/SC 31/WG 3/SG 1)中所定义的系统,射频标签中安装了一套有源的的低频接收机,周期性(200ms)地监听并接收来自Programmer和Exciter的信号。采用这种工作方式,仅仅是为了实现双向通信。这种工作方式存在的问题是,标签本身变得十分复杂,标签耗电大,电池寿命短,而且,标签与Programmer和Exciter之间的通信距离也非常近,因而,能够利用这种双向通信机会,来增加系统工作的灵活性和适应性的作用也就非常有限,超长的响应时间也是该系统存在的问题,这些我们都可以从相关文件中清楚看到。

  2.2.2. 现有有源射频标签存在的若干问题

  由于2.2.1中,B和C两种标签不仅结构复杂,成本高,体积大,而且由于低频通信距离很短,使标签的工作灵活性受到很大限制,因而使用很有限。因而,我们这里主要讨论目前普遍使用的第一种标签工作方式存在的问题:

  首先,它们在时间上和空间上,不能按需工作,即在需要工作的时候才工作,在需要工作的地方才工作;其次,它们也不能根据实际需要,来对标签的工作参数和方式进行调整。

  因而:

  A. 它们将造成环境的电磁污染:试想,随着射频标签越来越广泛的应用,特别是物联网的应用展开,大量的射频标签始终不停地向外发射射频信号,必将对我们环境造成严重的电磁污染。
  B. 在一般情况下,在一个时刻,我们往往只对某一个特定目标对象的识别感兴趣,因而,我们只需要接收该目标射频标签的信号即可,而其它标签发射的信号就是干扰信号。其结果必将影响系统内有用信号的接收。不仅如此,大量的标签发射的信号,还可能干扰同一频道上其它无线系统的工作。
  C. 射频标签不停地向外发射信号,还会增加电池的消耗,降低电池的使用寿命。
  D. 射频标签不停地向外发射信号时所消耗的能量与发射功率成正比,对于远距离识别,例如船只等,射频标签必须要使用大的发射功率来发射信号,射频标签的这种工作方式,自然就不能满足远距离识别的需要。
  E. 另外,射频标签发射信号的间隔越短,电池消耗就越快,而很多实际应用又要求对射频标签进行快速读取,例如,对快速经过的车辆的识别。这与射频标签为了省电的目的,往往需要增加发射信号的间隔时间是相矛盾的,这种工作方式不能根据实际需要来调整发射周期,因而也就无法满足许多实际应用的需要;
  F. 如果我们需要射频标签除了发射自身ID外,还需要发射更多的相关信息,则射频标签每次发射所需的时间将更长,这就需要占用系统更多的空中时间并消耗更多的电池能量。因而,为了保证电池的使用寿命和减少空中信号的碰撞,系统往往需要限制射频标签发射的信息量,这必然要限制射频标签的使用范围。
  G. 由于标签不能根据需要调整自身的发射功率,因而,当它用于定位时,也就不能同时适应不同范围大小的工作环境。
  H. 保密性差:当用于军事应用时,由于射频标签始终向外发射信号,因而信号裸露时间长,裸露的空间范围大,敌人很容易截取和分析裸露的信号。
  I. 适应性差:由于现有的这种有源射频标签不能根据实际应用需要,来调整自身工作参数和工作方式,因而工作适应性极差。
  J. 远不能满足当今物联网信息传输的需要。

  2.3. 现有有源射频标签能够实现的功能

  现有的有源射频标签,无论是单方向发射的有源射频标签,还是利用两套不同频率的通信系统来实现双向通信的有源射频标签,都只能承担身份识别和简单定位的功能。凡是涉及需要双向通信才能完成的许多功能:例如授权认证,数据读写记录,工作指令传输等,都根本无法实现,更不用在低成本,低功耗的前提下,满足当今物联网信息传输的各种需要了。 

    3. 具有我国自主知识产权的交互式射频识别技术

  如果说新近IEEE国际有源射频标签标准制定组所提供的资料,反应了西方当前在有源射频标签技术的最新水平的话,我们应该可以说,这一次在物联网的研究中,我们不但没有落后,而且是走在前面了,至少目前在物联网关键的近距离信息传输技术上是这样。因为,西谷公司经过5年多脚踏实地的艰苦实践,在将当今世界上最新的,包括RFID和Zigbee在内的近距离无线微功率通信技术成果,用于解决生产实践中各种实际问题的过程中,创造出了一种全新的交互式智能射频标签,或者说 I3RFID。它是一种具有完全自主知识产权的,结构简单体积小,低成本,功耗低,工作可靠,而且具有超远距离通信能力的多功能有源射频标签。它不仅能够完全满足IEEE有源电子标签国际标准制定组相关文件中所提出的,作为一种国际标准应该满足的所有要求,而且还在许多方面还大大超出了文献要求。例如,在保证超低功耗的的情况下,它既可承担远近不同距离身份识别(几厘米到2公里),又可满足 “物联网”基本信息无线传输的各种需要,同时还具有一种先进独创,简单实用的精确定位功能。更重要的是,交互式智能射频标签技术,是一个经过众多实际应用验证了的一种全新技术。 

    我们通过标签自动跳转工作频道的方法,低成本的解决了交互式智能射频标签的双向通信问题(自主专利技术);通过无效信号快速过滤技术,解决了交互式智能射频标签的超低功耗问题(自主专利技术);利用超低功耗待机状态与定式动作的组合工作方式,解决了交互式智能射频标签按需工作和灵活工作的问题(自主专利技术);通过交互式智能射频标签自动时分,频分和码分方式,解决了海量射频标签信息的处理问题(自主专利技术);通过使用新的先进独创的定位技术,简单有效地解决了在不同大小应用环境中的精确定位问题(自主专利技术)。除此之外,我们的交互式智能电子标签的通信距离,不仅可以从近到几个厘米,远到两公里的范围内根据需要通过软件进行自由调整,同时还能保持超长的电池使用寿命,而这是一般电子标签根本没法做到的。

  我们目前不仅在有源射频标签通信控制技术上走在了世界的前面,(这实际上也就是在物联网关键的近距离信息传输技术上走在了世界的前面);而且,我们还在这个核心应用技术的基础上,开发出了我们自己的微功率射频收发机芯片---“唐芯”系列产品。(“唐芯一号”已于2009年10月24日在西安发布)。“唐芯”不是对国外现有微功率射频收发机芯片的简单复制,而是根据我们大量应用实践的需要开发出来的。它不仅为我们国家各种需要保密的物联网应用提供了必要的安全保证,而且,进一步为我们有源射频标签独有的应用专利新技术,提供了更好的硬件支持。

  3.1. 交互式有源射频识别技术

  1. 工作频率:2.4G 国际通用的 ISM频段,
  2. 通信方式:宽带直序扩频 DSSS 方式
  3. 可选择频道 98个,带宽1Mhz
  4. 可选择发射功率15个,步长 3 – 5 dB,用以支持先进独创的定位技术

  3.2. 基本工作方式

  a) 时间和空间上按需工作,平常并不对外发射任何射频信号,处于一种低功耗的待机状态(平均功耗 < 20 uA,唤醒速度 < 1 s 且任意可调)当需要工作时,可以通过一个 1 - 100 mw的协调器,在0 - 2000米的距离上,在唤醒频道上将其唤醒(唤醒距离可调),并给予所需的工作指令;射频标签在工作频道上,完成与读写器信息交流工作后,将立即进入唤醒频道上的低功耗的待机状态,等待下一次唤醒及新的工作指令。(自主专利技术)
  b) 我们通过快速无效信号过滤的方式解决了有源电子标签的低功耗问题。(自主专利技术)
  c) 工作方式上按需工作:射频标签中根据不同应用需要,储存有该应用所需的各种工作模式包:包括发射ID模式、发射定位信号包模式、更改工作参数模式、读写数据模式、传感器信息采集和传输模式,进入与读写器对话的工作模式、对接收到的数据进行简单处理的模式等。而系统则可随时根据不同的需要,通过射频标签工作协调器,发射调用所需的工作模式包的指令信息,射频标签在完成相应的工作指令后,将回到低功耗的待机状态。(自主专利技术)
  d) 根据需要选择最优的工作参数:射频标签可以根据需要事先选择不同的频道、PN码、发射功率、发射时间间隔等工作参数、而且还可以通过协调器进行更改;我们通过系统安装前对现场的频道扫描来选择干净频道,就可以避开其它系统可能的干扰:即使在工作场所存在像WIFI这样的宽带系统,我们也可以在两个WIFI频道之间的5兆带宽范围内,安排我们一兆带宽的工作频道。
  e) 可自动利用时分,频分和码分的方式,来增加系统处理海量射频标签信息的能力,因而,也就解决了现有有源射频标签系统处理高密度射频标签信息的难题。(自主专利技术)

  3.3. 交互式射频标签的优点

  不使需要使用两套通信系统(不增加任何硬件)的情况下,以一种低成本,低功耗,高可靠性的方式(平均功耗 < 20 uA),保证了射频标签与读写器之间,在几厘米到2000米的距离上,可以随时快速地建立起一种双向通信联系,从而实现射频标签在时间和空间上,工作参数选择上,以及工作方式上,都能按实际需要来工作的高效工作模式。其带来的好处是显而易见的:

  避免了对环境的电磁污染和通信干扰:由于射频标签真正工作的时间很短,因而,进入空中的电磁信号时间非常短,这不仅避免了环境的电磁污染,提高了所需信号的接收效率,同时大大减少了对其它通信系统造成干扰的可能,很好地满足了与现有其他通信系统共存而不相互干扰的要求。

  1. 真正解决了有源射频标签电池寿命问题:由于射频标签平常处于一种低功耗的待机状态,只有在需要工作的非常短的时间内才消耗有限的电流,因而,电池寿命可以非常长。特别是用于远距离目标,例如船只等的识别定位,以及陆上海上搜救等,因为远距离射频标签平常的耗电与近距离射频标签并没有任何差别,而使用大功率发射自身ID号的有限工作时间的电池消耗则非常有限。这也是一般射频标签没法做到的。
  2. 高度的使用灵活性和应用需求的适应性:由于射频标签可以随时随地根据实际应用需要来调整自己的工作参数,工作时间以及工作模式。因而,交互式射频标签完全可以满足包括远近目标识别,RTLS精确定位在内的近距离无线通信,特别是物联网基本通信的各种需要。
  3. 一卡通功能:智能射频标签不需要重新设置,就可以同时满足远距离读写识别的需要,和代替IC卡,无源卡近距离(几厘米范围内)接触读写认证的需要。
  4. 高度的保密性:除了系统采用的2.4G DSSS 通信方式本身可以通过PN码来加密,以及通过软件加密外,射频标签平常并不向外发射任何信号,只有在需要的有限时间内,和需要的有限的空间范围内发射信号,因而,别人也很难截取标签的信号,并对其进行分析破解;而且,我们通过协调器向射频标签发射的唤醒信号,不仅可以使用不同的频道,不同的PN密码,而且还可以使用不同的唤醒密码;既可使用广播唤醒的方式,也可使用点播唤醒的方式;另外,还可通过调整发射功率的大小,来控制信号的覆盖范围;因而系统具有非常高的保密特性。特别是使用具有自主知识产权的唐芯芯片,将更进一步提升保密的等级和层次,因而,将能满足国家机关,和军队中(例如军事物资管理和军事物流等)各种应用的需要
  5. 可以同时利用时分,频分和码分的多种方式,来增加系统的容量,从而大大提高了系统对高密度标签应用的处理能力:例如,当需要我们在短时间内,快速处理海量射频标签信息时,我们便可通过协调器向射频标签发射按照各自末尾ID号的数字,来使用不同频道,信道和时延,来与对应的读写器进行通信的指令,这样,系统便可轻而易举地完成对海量标签的读写。
  6. 它又是一个理想的RTLS定位标签:只需要协调器向被定位的射频标签,发送一个精确定位指令,射频标签就将使用各种不同的发射功率,并在每种功率上发射固定数量的定位信号包;而定位系统中具有已知固定位置的读写器,就可以根据在不同功率上接收到定位包的丢包率,再使用我们消除系统误差的计算方法,准确的计算出射频标签所在的位置。从而将智能标签和RTLS系统,简单有效地合二为一了(自主专利技术)。
  7. 结构简单成本低体积小:与一般最简单的有源射频标签在硬件上没有任何差别,仅仅在软件上采用了完全不同的控制方法。
  8. 已经经过5年多应用实践的考验,从河南高速公路车辆路径识别的现场实践,到上海浦东亚洲最大公交车停车场智能化车辆管理项目的实施;从克拉玛依油田油井的自动化控制项目的立项,到广州地铁的通信系统的应用;从人民银行金库的人员自动管理系统项目的正式启动,再到北京城市供暖系统的自动温度采集系统的全面铺开,成都市单灯控制系统的建设项目等等,……众多的生产应用实践和权威机构的严格测试,无一不证明这种交互式智能标签技术的实践性,先进性和巨大市场应用前景。 

    4. 结论

  为了减少能耗,当今大多数有源射频标签使用的都是单向发射ID的方式,其唯一的目的就是识别和定位,而没有考虑信号拥堵和碰撞,以及一系列因此而产生的其它各种问题;同时,它们也不能满足各种应用领域急剧增长的多种需求,特别是物联网信息传输的急迫需要。实际上,现有有源射频识别技术存在的问题,以及当今物联网信息传输急待解决的关键问题,都可以简单归结为如何解决公网以下,几米到上千米的距离范围内,各种信息的超低成本,超低功耗,灵活可靠的无线传输的问题。而一种全新的,具有完全自主知识产权的近距离无线传输技术—交互式智能电子标签技术,就是一种经过实践验证的,简单和切实可行的解决方案。

    作者:西安西谷 成都物联网研究院 廖应成 孙长征 中国电子技术标准化研究所 王文峰
分享到新浪微博         责任编辑:苏洁   投稿邮箱:editor@yktworld.com
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