摘 要： 為了挖掘和開發(fā)RFID系統(tǒng)的有效資源,，構(gòu)造更完善的RFID解決方案,，提高RFID系統(tǒng)控制的高效性和可靠性是實際應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié),。使用基于模糊技術(shù)的自調(diào)節(jié)讀取距離的RFID設(shè)計方案，針對實際應(yīng)用中設(shè)備的讀寫距離不能滿足設(shè)定區(qū)間,、無法自動調(diào)節(jié)的缺陷,構(gòu)造一個面向服務(wù)的RFID中間件架構(gòu),，使系統(tǒng)在通用性、高效性和智能性方面得以提升,。
關(guān)鍵詞： 自調(diào)節(jié),；RFID；中間件,；模糊技術(shù)
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射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù),。近年來RFID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、供應(yīng)鏈管理、車輛收費管理和移動商務(wù)等行業(yè)領(lǐng)域[1],。尤其在物流應(yīng)用中,，智能移動設(shè)備可以隨時隨地讀取商品和廣告牌中嵌入的電子標(biāo)簽，讀取并解析其中的數(shù)據(jù),，通過Web服務(wù)器查找信息,，實現(xiàn)在線操作。
1 自調(diào)節(jié)器原理框架
目前智能移動設(shè)備中設(shè)計的多數(shù)讀寫器只有一個大致的讀寫區(qū)間,，而不是一個準(zhǔn)確的讀寫距離[2],。這使得在應(yīng)用時無法確定其正確的應(yīng)用場合,，并且當(dāng)發(fā)現(xiàn)讀寫距離不能滿足要求時,，必須手動更改，這給應(yīng)用帶來諸多不便,。為此在嵌入式設(shè)備上設(shè)計了一個基于模糊技術(shù)的智能自調(diào)節(jié)中間件系統(tǒng),。
自調(diào)節(jié)讀取距離的讀寫器工作如下：首先由用戶在讀寫器提供的顯示器界面上輸入要讀取的距離。該距離值送給距離調(diào)節(jié)控制體,，距離調(diào)節(jié)控制體根據(jù)輸入距離自動調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率,，讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送相應(yīng)頻率的射頻信號。當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流,，射頻標(biāo)簽獲得能量后將自身編碼等信息通過標(biāo)簽內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去,，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標(biāo)簽發(fā)來的載波信號傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼,，然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理[3],。由輸入電路、距離調(diào)節(jié)控制體,、執(zhí)行器組成的原理框圖如圖1所示,。
距離調(diào)節(jié)控制體系包括可調(diào)衰減器、衰減器轉(zhuǎn)角位置傳感器,、模糊控制模塊三部分,，它們被封裝為一體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個直流電機(jī)和相關(guān)的傳動部件組成,。輸入電路用來輸入讀寫器的閱讀距離,，距離調(diào)節(jié)控制體有正反兩個位置傳感器作為控制可調(diào)衰減器轉(zhuǎn)度的反饋信號調(diào)節(jié)點，通過衰減器內(nèi)部的一對高精度電位器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)度下相應(yīng)的電壓反饋值,。該反饋值與可調(diào)衰減器轉(zhuǎn)過的角度成線性變化,。執(zhí)行器的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要采用MSP430單片機(jī)、UC3717A芯片完成程序控制調(diào)節(jié)控制算法,，通過機(jī)械傳動來轉(zhuǎn)動可調(diào)衰減器的旋轉(zhuǎn)按鈕,，如圖2所示。
自動調(diào)節(jié)讀取距離的讀寫器，使用了S3C44BOX-ARM7芯片,，其操作系統(tǒng)內(nèi)核小,、資源占用少、可靠性高,；具有多串口和網(wǎng)口,，訪問方便。在這樣一個閉環(huán)控制過程中,，將用戶需要讀取的距離作為讀寫器輸入,，經(jīng)過鍵盤電路轉(zhuǎn)化后發(fā)送到模糊控制器。同樣,，衰減器轉(zhuǎn)角的位置傳感器作為反饋信號,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送到模糊控制器。兩個信號在模糊控制器中進(jìn)行比較,，并且用模糊控制器裝載模糊規(guī)律進(jìn)行模糊推理,，推理結(jié)果發(fā)送到自調(diào)節(jié)控制節(jié)點和模糊控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由該節(jié)點的MSP430處理后產(chǎn)生相應(yīng)的信號給電機(jī)驅(qū)動芯片UC3717A,，輸出驅(qū)動信號至電機(jī),。
2 中間件設(shè)計參數(shù)
射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個關(guān)鍵參數(shù)。影響射頻標(biāo)簽讀寫距離的因素包括天線工作頻率,、讀寫器的輸出功率,、讀寫器的接收靈敏度、射頻標(biāo)簽的功耗,、天線及諧振電路的Q值,、天線方向、讀寫器和射頻標(biāo)簽的耦合度,，以及射頻標(biāo)簽本身獲得的能量及發(fā)射信號的強(qiáng)度等,。
在868 MHz、915 MHz,、2.45 GHz或者更高頻率的系統(tǒng)中,，可采用反向散射調(diào)制系統(tǒng)，利用電磁反射完成從電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸[4],。天線的有效輻射功率為PEIRT,，其計算公式：
其中，PTX為讀寫器的發(fā)射功率,，GTX為讀寫器發(fā)射天線的增益,。
在距離讀寫器R處的電子標(biāo)簽功率密度S為：
R是電子標(biāo)簽和讀寫器之間的距離。在電子標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對準(zhǔn)和正確極化時,，電子標(biāo)簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比,，即：
其中,，GTag為電子標(biāo)簽接收無線增益，λ為波長,。電子標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸中,，電子標(biāo)簽返回的能量與其雷達(dá)散射截面σ成正比，該比值是目標(biāo)反射電磁波能力的測量,。散射面取決于一系列的參數(shù)[6],，例如目標(biāo)的大小、形狀,、材料,、表面結(jié)構(gòu)、波長和極化方向等,。電子標(biāo)簽的返回發(fā)射功率為PBack,，其計算公式為：
??? 
??? 其中
，U0為電子標(biāo)簽天線中感應(yīng)出的電壓,，Rr為電子標(biāo)簽中天線的輻射電阻,。反射的電磁波以球形方式向空間輻射,，其輻射功率與輻射源(反射)距離的平方(R2)成正比,，最終反射到讀寫器天線的輻射功率密度，即電子標(biāo)簽返回讀寫器的功率密度為：
??? 
??? 將式(4)代入式(5)中得：
??? 
??? 由式(3)得知電子標(biāo)簽的有效面積Ae與其增益GTag成正比,。對大多數(shù)的天線構(gòu)造形式來說,，由于其增益為已知[5]，所以有效面積Ae及其橫截面S在通過天線的阻抗SA 和終端阻抗ZT相等的情況下,，有效面積為：
??? 
??? 接收功率為：
??? 
由式(8)得知,，如果以接收的電子標(biāo)簽反射能量為標(biāo)準(zhǔn)，則反向散射的射頻識別系統(tǒng)的作用距離與讀寫器發(fā)射功率的四次方根成正比,。即如果想要使電子標(biāo)簽發(fā)射到讀寫器的輻射功率增加1倍,，也即距離增加1倍，則必須使發(fā)射功率在其他條件不變的情況下增加16倍,。因此,，由上述推算得出，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率的方式來精確定位讀寫器的閱讀距離,。而對于發(fā)射功率的調(diào)節(jié),，只需對衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但上述推導(dǎo)過程的計算比較復(fù)雜,，不利于調(diào)節(jié)控制,。
3 精確數(shù)學(xué)模型控制問題的解決方案
近年來，模糊控制已逐漸發(fā)展成為一門成熟的技術(shù),。人們將模糊理論應(yīng)用于工業(yè)過程控制,、醫(yī)學(xué),、地震預(yù)報、工程設(shè)計,、信息處理以及經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域,。模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為工具，將善于處理模糊概念的人腦思維方法體現(xiàn)出來,，并做出正確判斷[7],。模糊控制最適宜用于難以用精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)的控制系統(tǒng)，因此可利用模糊數(shù)學(xué)的方法解決上述問題,。
首先對讀寫器的閱讀距離進(jìn)行模糊劃分和定義,，取模擬量Ai，令模糊集D={A1,，A2,，…}；其次對衰減器轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行模糊劃分和定義,，取模擬量Bi,，令模糊集α={B1，B2,，…},，建立模糊推理規(guī)則if(D=Ai) then (α=Bi)，i=1,，2,，…。通過上述模糊推理規(guī)則,，可以計算得出衰減器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的模擬量,，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)距離的目的。
例如把衰減器轉(zhuǎn)過的角度和讀寫器能閱讀到的距離作一個模糊劃分：0°～15°表示距離為15 m,，15°～30°表示距離為30 m,，30°～50°表示距離為50 m，50°～80°表示距離為80 m,，80°～100°表示距離為100 m,。衰減器轉(zhuǎn)角偏差eθ，衰減器轉(zhuǎn)角偏差變化率Δeθ和控制角α分成5個模糊量,。eθ,、Δeθ、α={NS(減小),，PS(稍減小),，Z(正好)，PB(稍增大),，NB(增大)},。距離遞增時,，衰減器在順時針方向角度增大；距離遞減時,，衰減器在逆時針方向角度減小,。表1參數(shù)所示為距離遞增的模糊推理規(guī)則。
由于單片機(jī)控制程序中寫入了模糊調(diào)節(jié)算法,，因此其成本降低,，易于修改。而此前設(shè)計的系統(tǒng)沒有模糊控制模塊,，盡管框架設(shè)計簡單,，但實際使用只能在某一固定區(qū)域內(nèi)讀取標(biāo)簽，用戶不能任意調(diào)節(jié)和改變,。如果要增大閱讀距離,，則需重新設(shè)計，這增加了開發(fā)周期,，加大了開發(fā)成本,。加入模糊控制，不僅可以方便用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求輸入距離值,，由讀寫器的自動調(diào)節(jié)模塊調(diào)整距離,，而且有效縮短了開發(fā)周期并節(jié)約了成本。模糊控制模塊大大提高了讀寫器的智能性和高效性,，從而提升了RFID在各領(lǐng)域的實施應(yīng)用功能,。
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