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WLAN+RFID组合系统的应用方案详解

2018年11月12日

  无线局域网(WLAN)能够降低网络基础设施的成本,使用户能够享受移动网络的应用,获得高效率、高质量和低成本的服务。

  引言

  无线局域网(WLAN)能够降低网络基础设施的成本,使用户能够享受移动网络的应用,获得高效率、高质量和低成本的服务。可移动性使用户在使用掌上计算机或数据采集器等设备的同时能自由地变换位置,极大地方便了在工作时需要不断移动位置的人员。这些设备能实时访问存储在中心数据库里的数据。无线射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性,实现对被识别物体的自动识别。它具有数据储存量大、可读写、穿透力强、识别距离远、识别速度快、使用寿命长和环境适应性好等特点。此外,它还是惟一可以实现多标签同时识读的自动识别技术 。本文研究由WLAN 和RFID 组成,称为WLAN+RFID的组合系统(以下简称组合系统)。它建立在无线局域网和无线射频识别技术的基础之上,利用WLAN的无线传输和RFID的非接触式自动识别的特点,为用户提供更快捷更灵活的识别服务。

WLAN+RFID组合系统的应?用方案详解

  1 WLAN+RFID组合系统的应用

  RFID设备由电子标签(简称标签,Tag)和阅读器(读头,Reader)组成。在实际应用中,标签附在被识别物品上的表面或内部,当被识别物品通过可识读范围时,阅读器自动以无接触的方式将标签中的约定识别信息取出来,从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能。手持机(Handheld Reader)是阅读器当中的一种,职员用它能很快地从货物堆中识别出要寻找的货物。

  以LucentTechnologies公司的WaveLAN系列产品为例,WLAN设备包括有:无线接入网桥(接入点Access Point,AP),产品有Orinoco AP-1000和Orinoco Wave POINT-II、无线网卡OrinocoPCCard、天线、网桥设置软件OrinocoWaveManagerAP v6.00、无线网卡驱动程序OrinocoClientv6.0和漫游协议Wave AROUND。

  在港口码头、车站或物流中心的室外露天大型货场,由于场地大且物资的种类繁多,传统的人工操作耗费大量的人力和时间,而且容易出现差错。建立组合系统识别货物,并对中心数据库进行无线访问,使货物的收货、发货和盘点的整个处理过程非常方便快捷,而且差错率大大减少。职员在对货物进行验收、存放、登记、挑选、寻找和运输时,他们和铲车的位置需要移动。在货场建筑物的楼顶或有关地方安装多个AP,使WLAN的无线信号覆盖整个货场。手持机可以在覆盖区内漫游,并通过WLAN连接到货场的存货系统,由此解决了操作人员的流动性问题。

  在收货时,职员携带手持机靠近货物。在识读范围内,标签的数据可以在手持机的液晶显示屏上显示出来,并通过WLAN进入中心数据库。职员也可以在手持机的小型键盘输入其它相关数据,这些数据也通过WLAN进入中心数据库。接下来,系统将该货物的存放地点和有关数据反馈回手持机,并在显示屏上显示。职员和铲车司机按照指令将货物送到存放地点。在出货时,职员根据库存管理系统提供的出货清单,到达货物的存放地点附近。只要货物的标签进入手持机的识读范围内,手持机就会从货物堆中识别出要寻找的货物,并在显示屏上显示出该批货物的数据。盘点货物与收货和发货的方法相同。库存管理系统一直跟踪收货、发货和盘点整个过程的进行,从而能实时和方便地生成准确的存货报告。在货场的出口处安装读头,用来识别运出的货物。当货车将要通过出口处时,读头对所有货物的标签进行识别。如果全部是出货清单上的货物,读头会发出语音提示,并通过控制系统自动打开通道的闸门,放行货物。与此同时,库存管理系统数据库自动更新数据。反之,如果有不准放行的货物,包括隐藏在准予运出的货物包装箱内,读头会自动识别出来,关闭通道的闸门,并发出提示。因此,应用组合系统对货物也能起到防盗监控的作用。

  2 RFID及其数据通信

  2.1 RFID的阅读器和电子标签

  阅读器由控制系统、通信接口、微带天线和电源等模块构成。手持机是一种适合于用户手持使用的阅读器,其工作原理和其它的阅读器、读头完全一样。它除了一般阅读器所具有的4个模块以外,还带有液晶显示屏和键盘。

  手持机的供电电压采用可充电池供电,6 V或9 V直流;操作系统可以采用WinCE或其它操作系统;数据存储32MB闪存,32 MB内存:天线为内置天线或探针探测器;通信接口可选RS232等接口以及802.11接口。手持机还可以加入条形码扫描模块,使其同时具有RFID识别和条形码扫描功能。

  电子标签由数据存储、数据处理、通信接口、微带天线和电源等模块构成。标签写入ID代码和物体的有关信息。标签根据不同的供电形式分为无源标签和有源标签。无源标签的电能供应从阅读器发出的射频信号中取得,因此阅读器要有较高的发射功率,识别距离较近。目前的低电压和低功耗供电技术可以解决无源标签要求阅读器发射功率高的缺点。有源标签依靠自身的微型电池供电,因此对阅读器的发射功率要求较低,系统的识别距离较远。无源标签与有源标签相比较,具有成本低、不用维护、可靠性高和寿命长的优点。在组合系统中,可以应用无源标签和有源标签。

  2.2 RFID的数据通信

  RFID 的数据通信通过阅读器与标签之间的射频传输来进行。阅读器与标签之间的信息传输应符合选定的通信协议。标签先发言(TTF)和阅读器先发言(RTF)是RFID的两种抗冲突协议方式。TTF是指标签不需要阅读器的指令,就可以主动发送自身的ID代码。RTF是指标签接收到阅读器的指令才能发送。两者相比较,TTF具有识别速度快和稳定的特点,能适应高速传输和标签数量动态变化的情况。对于无源标签,它需要将阅读器的射频信号的能量转变为自身所需要的电能,因此一般采用RTF。有源标签不需要阅读器提供能量,因此可以采用RTF或TTF。

  RFID的一个很大的特点是多标签同时识读,即一个阅读器能对接多个标签。阅读器以无线电广播方式同时向各个标签发射信号,各个标签同时接收这些信号;各个标签以多路存取的方式向阅读器传送信号。当采用TTF时,所有标签随机地反复发送自身的ID代码,在不同的时候不同的标签被阅读器读取。当采用RTF时,阅读器首先对识读范围内的一批标签发出隔离指令,只保留一个标签处于激活状态,并与其建立起无冲突的通信联系;通信结束后指令该标签进入休眠状态。然后依照上述完成对一个个标签的识读。

  3 组合系统的工作频率选择

  FCC的无线电频谱条例第15部分(修订),允许不用经过批准,无线网络产品就可以在ISM 频带中运行。ISM 包括了3个频段:902~928 MHz、2.4~2.4835 GHz、5.725~5.85 GHz。目前,902MHz频段的WLAN在美国部署运行,它并非在全球适用。2.4 GHz是全球适用的惟一非特许频段。现在全球占主导地位的WLAN产品工作在2.4 GHz频段。

  标签与阅读器之间进行无线通信的频段是:低频135KHz以下,高频13.56 MHz,超高频869 MHz、902~928 MHz和微波2.4 GHz、5.8 GHz。低频和高频的通信距离近,数据传输速率慢。高频、超高频和微波的通信距离远,数据传输速率快。

  目前,RFID存在两个技术标准:欧美的EPC标准和日本的UID标准。两者使用的无线频段不一样,EPC标准采用超高频902~928 MHz,UID标准采用2.45 GHz和13.56 MHz。

  在组合系统中,WLAN 与RFID必须共存,两者的射频信号互相不干扰。频率分割是最好最简单的选择。因此,在组合系统中的WLAN选用2.4 GHz频段,RFID选用902 MHz频段。它们都是可以自由使用的开放频段,但是发射功率受到规定的限制。

  4 组合系统采用的调制技术

  截至目前,DSSS与FHSS以现有的产品参数比较,DSSS在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势,而FHSS在需要低成本的应用中占优势。DSSS由于采用全频带传送资料,速度较快,而且具有抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力、隐蔽性和保密性强、不干扰同频的系统等性能优点。

  因为DSSS有以上的优点,组合系统中的WLAN 采用DSSS。DSSS的高数据传输速率能满足大型货场对数据传输速率的要求;良好的抗干扰性能适应了在货场中比较复杂的传播环境,例如由于物体移动产生的信号衰落所造成的多径干扰;DSSS的传输距离比较远,在相同面积的货场中设置AP的数量可以少。

  组合系统中的WLAN采用IEEE802.11b标准。802.11b是802.11的一个扩充,规定采用2.4GHz频段。它在802.11协议的物理层中增加了两个新的速率:5.5 Mbps和11 Mbps。为了实现这个目标,DSSS被选作该技术的惟一物理层传输技术,这是由于FHSS在不违反FCC原则的基础上无法再提高速度了。DSSS的调制方式在1 Mbps时为DBPSK,在2 Mbps时为DQPSK,在5.5 Mbps和11 Mbps时采用了CCK,都使用QPSK作为调制技术。RFID的射频传输可以采用电感耦合方式,又称为负载调制,常用在近距离的低频和高频识别系统。射频传输也可以采用电磁反向散射耦合方式,又称为反向散射调制,常用在较远距离的超高频(如902 MHz)和微波(如2.4 GHz)识别系统。在组合系统中,RFID采用反向散射调制,工作频率为902MHz频段。

  反向散射调制的工作原理是:在无源标签将数据发回给读头时,标签根据要发回的数据信号控制天线开关,使标签的天线处于阻抗失配或阻抗匹配状态,因此标签反射回读写器的能量相应也有大和小的两种情况,分别代表了二进制信号中的“0”和“1”。

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