【物联网】第2章 自动识别技术与RFID

2.1自动识别技术

• 光复号识别技术
• 语音识别技术
• 生物计量识别技术（虹膜，指纹）
• IC卡技术（集成电路卡，Intergrated Circuit Card）
• 条形码技术（UPC码，EAN码，ITF25码，Code39码，ISBN码等）
• 二维条形码技术（根据编码原理有：线性堆叠式二维码，矩阵式二维码，邮政码）
• 射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）：利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的

2.2RFID技术分析

• 一般，RFID系统由5个组件构成，包括传送器，接收器，微处理器，天线，标签。（传送器，接收器和微处理器通常封装在一起，统称为阅读器）
  【图片】
  天线同阅读器相连，阅读器可以连接多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。
  标签由耦合元件，芯片，微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。
• 数据存储方式：电可擦可编程只读存储器（EEOROM），铁电随机存取存储器（FRAM），静态随机存取存储器（SRAM）。三种存储方式有各自特点。
• 分类：被动式标签，主动式标签，半主动式标签（根据是否内置电池）
• 频率：低频，高频，超高频（应用少，穿透性差）

2.3RFID标签冲突
由于标签硬件能力的限制，所有的冲突仲裁度需要由阅读器来实现。

• 基于ALOHA的防冲突算法
  （1）ALOHA算法是一种随机接入方法： 阅读器接收到信号之后，检测是否有冲突发生。如没有冲突发生，阅读器正确识别标签标识符并发送确认消息；如果发生冲突，阅读器就发送冲突确认，标签接收到冲突确认之后随机独立地等待一段时间后再重新发送以避免冲突，直到发送成功为止。
  （2）S-ALOHA算法（分时隙ALOHA算法）：将纯ALOHA算法的时间分为若干时隙，每个时隙大于或等于标签标识符发送的时间长度，并且每个标签只能在时隙开始时刻发送标识符。
  （3） 基于帧的时隙ALOHA（FSA）：在S-ALOHA的基础上，将若干时隙组织为一帧，阅读器按照帧为单元进行识别。识别过程：在每一帧开始时，阅读器广播帧长度f，即帧所包含的时隙个数，并激活场中所有标签。每个标签在接收到帧长之后随机独立地在0~（f-1）中选择一个整数作为自己发送标识符的时隙序号，并将这个序号存在寄存器SN中。紧接着，阅读器通过时隙开始命令启动一个新的时隙，如果标签SN的值等于0则立即发送标识符号，如果不等于0则只是其标识符减1而不发送标识符。如果发送成功即无冲突发生，则改标签进入休眠状态，之后的时隙不再活动；如果冲突发生，则该标签进入等待状态，在下帧中选择一个时隙重新发送。这个过程一直重复持续下去，知道阅读器在某一帧中没有收到任何标签信号。（f的选择：可证明只有当帧的长度等于阅读器场内标签数目时，FSA的性能才能达到最大）
  （4）由于阅读器场内标签数目是未知的，所以帧的长度影响FSA性能。动态自适应设置帧长度的算法：
  a.根据前一帧通信获取的空的时隙数目，发生碰撞的时隙数目和成功标识标签的时隙数目，来估计当前的标签数从而设置下一帧的最优长度
  b.根据前一时隙的反馈动态调整为2的整数倍（Q算法）。在Q算法中当出现当一帧出现过多的冲突时隙时，阅读器会提前结束该帧并发送一个新的更大的帧；当一帧出现过多的空闲时隙时，此帧也不是最佳的帧，阅读器会提前结束该帧并启动一个新的更小的帧。
• 基于二进制树的防冲突算法：
  （1）基本思想是按照递归的工作方式将冲突的标签集合划分为两个标签子集，直到集合中只剩下一个标签为止。
  （2）每个标签维持一个计数器，计数器初始值为0。在每一个时隙开始时，如果标签的计数器为0则立即发送子集的标识符号。范式被成功识别的标签都处于沉默状态。
  （3）每一个时隙结束时阅读器会将接收到的结果（冲突或不冲突）反馈给标签，场内的标签根据自己维持的计数器进行调整：（下面是随机二进制树算法过程）
  a.如果该时隙有冲突发生，发送标识符号的标签会从0或1两个数字中随机选择一个，并将其加到自己的计数器上。没有发送标识符号的标签将自己的计数器减1。（标签被分为两个集合）
  b.如果该时隙没有发生冲突，说明该时隙要么没有标签发送标识符号或仅有一个标签发送成功标识符号。被成功识别的标签保持沉默知道一个新的识别过程开始。没有被成功识别的标签则需要将自己的计数器减1。
  （4）查询二进制树算法是一个无状态协议，不需要标签内部维持任何状态，只需要根据阅读器广播的前缀符号比较即可。
  （5）每个时隙开始时，阅读器广播该二进制前缀，电子标签将自己的标识符号前几位与此二进制前缀进行比较，若相同则立即发送识别信号。如果阅读器检测到冲突，则在下次查询中在原来的二进制前缀后面增加0或1，重新查询，直到识别完所有的标签。