基于RFID技術(shù)的家庭智慧角應(yīng)用方案

張嘉信

（北京第八中學，北京 100000）

1 研究背景和目的

1.1 項目背景

21世紀是信息化的時代，物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動了人類文明的快速進度。隨著人們生活水平的提高以及科技的高速發(fā)展，萬物互聯(lián)已不是夢，無人商超、人臉識別、無感支付等各類高新技術(shù)與人們的生活結(jié)合地越來越緊密，新興科技的應(yīng)用無處不在。

在一次無人超市的購物體驗中，發(fā)現(xiàn)貼有標簽的商品不再需要柜員一一掃碼，而是通過一個類似安檢機的通道即可被感知并自動結(jié)算，帶著這個好奇我百科了自動識別標簽，知道了RFID的存在，同時了解了它是物聯(lián)網(wǎng)感知外界的重要支撐技術(shù)，并且為社會生產(chǎn)和生活帶來諸多便利。由此聯(lián)想，日常生活中，我們經(jīng)常會遇到鑰匙或者學生卡丟在沙發(fā)縫或某個角落無法快速找尋到和就此丟失的情況，假如鑰匙上也加裝一個能夠被自動識別的標簽，人攜帶一套便攜式標簽讀寫設(shè)備進行查找，是否能大幅度提高找尋效率呢？帶著這個疑問，開始了對RFID在家庭生活中應(yīng)用的深入研究。

1.2 項目目標

本項目的研究目標主要包含如下幾部分：

（1）充分了解RFID技術(shù)的理論知識，包含RFID工作原理、標簽種類和特性、各類標簽適用場景等，加深對物理學中電磁場原理及應(yīng)用的了解。

（2）通過不斷實驗，找出適用于家居生活場景的RFID標簽，以達到快速準確查找丟失物品的目的：明確不同材質(zhì)的物品適合加裝的不同類型RFID標簽，明確RFID技術(shù)在此類應(yīng)用中的最佳場景，了解RFID技術(shù)使用給家居生活帶來的優(yōu)勢以及便利等。

（3）通過一系列的研究和實驗，了解物聯(lián)網(wǎng)給家居生活帶來的變革，為未來對智慧生活中RFID技術(shù)的進一步研究和暢想打好基礎(chǔ)。

2 RFID技術(shù)介紹

2.1 RFID介紹

射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。

無線電的信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從粘貼在物品上的標簽中傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發(fā)出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池；也有標簽本身擁有電源，并可以主動發(fā)出無線電波（調(diào)成無線電頻率的電磁場）。標簽芯片內(nèi)包含了電子存儲的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識別。與傳統(tǒng)條形碼不同的是，射頻標簽不需要處在識別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

2.2 RFID工作原理

2.2.1 RFID系統(tǒng)的基本組成

最基本的RFID系統(tǒng)主要由以下四部分組成：

（1）標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。

（2）讀寫器（Reader）：讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。通過發(fā)射特定頻率的無線電波使在感應(yīng)范圍內(nèi)的標簽做出回應(yīng)。

（3）天線（Antenna）：是標簽和讀寫器間傳遞信號的媒介。讀寫器發(fā)射特定頻率的視頻信號，由天線轉(zhuǎn)化為電磁波，給標簽芯片提供能量，將芯片激活，然后芯片發(fā)送存儲在其中的產(chǎn)品信息或其他的存儲信息，讀寫器讀取信息并解碼，然后向更高層級傳送，使數(shù)據(jù)得到處理。

（4）應(yīng)用軟件系統(tǒng)：包括中間件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等。通常讀寫器與計算機相連（或者集成在一起比如智能手持機設(shè)備），所讀取的標簽信息被傳送到計算機上進行下一步處理，RFID信息處理系統(tǒng)即應(yīng)用支撐軟件整合的信息由讀寫器來收集。

2.2.2 RFID的基本工作原理

RFID標簽進入讀寫器識讀范圍后，接收到讀寫器發(fā)出的特殊射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得能量，將帶有芯片存儲內(nèi)容的信息發(fā)送回讀寫器，或者主動發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器讀取信息并解碼后，送至信息處理系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

一套完整的RFID系統(tǒng),是由讀寫器與電子標簽也就是所謂的應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成, 其工作原理是：

（1）讀寫器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出；（2）當應(yīng)答器進入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流，將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出；（3）讀寫器依序采用信息并解碼；（4）讀寫器將信息/數(shù)據(jù)送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)做相應(yīng)的處理。

在具體的應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，RFID系統(tǒng)的組成會有所不同，但一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線等部分組成。

2.3 RFID產(chǎn)品分類

2.3.1 產(chǎn)品分類

圖1 RFID系統(tǒng)的基本組成

按照工作頻率的不同，RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。不同頻段的RFID工作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。目前國際上廣泛采用的頻率分布于4種波段，低頻(125KHz)、高頻(13.54MHz）、超高頻（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。每一種頻率都有它的特點，被用在不同的領(lǐng)域，因此要正確使用就要先選擇合適的頻率。

2.3.2 RFID超高頻與高頻的分析對比

RFID超高頻產(chǎn)品與高頻產(chǎn)品對比具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

（1）距離遠。超高頻標簽比高頻標簽距離更遠，更適合家庭智慧角的使用。（2）范圍廣。超高頻作用范圍廣,現(xiàn)最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都是采用超高頻電子標簽技術(shù)。高頻作用范圍很近，現(xiàn)在主要是運用于對感應(yīng)距離要求不高或者非常近的領(lǐng)域范圍內(nèi)，如食堂收費和門禁卡系統(tǒng)等等。（3）傳輸速度快。超高頻傳送數(shù)據(jù)速度快，每秒可達單標簽讀取速率170張/秒，高頻標簽傳送數(shù)據(jù)速度較慢。（4）方便性。超高頻標簽?zāi)軐崿F(xiàn)一次性讀取多物品，高頻多標簽讀取效率遠低于超高頻。超高頻標簽可讀可寫。（5）性價比高。超高頻標簽價格比高頻標簽價格低，一般一張超高頻標簽使用壽命都是10年以上。

2.4 研究方法及結(jié)論

2.4.1 研究方法

為了給后續(xù)實驗提供堅實的基礎(chǔ)，前期主要針對RFID技術(shù)的理論知識進行了深入研究，研究途徑包含：（1）互聯(lián)網(wǎng)搜索RFID技術(shù)的研究資料；（2）圖書館查閱RFID技術(shù)相關(guān)書籍，了解RFID技術(shù)的工作原理；（3）在互聯(lián)網(wǎng)上搜索并學習RFID技術(shù)目前在實際工業(yè)、智慧城市和智能家居中的使用案例；（4）與指導(dǎo)老師分析探討了不同RFID產(chǎn)品適用的不同應(yīng)用場景，討論了在家庭智慧角應(yīng)用的可行性。

2.4.2 研究結(jié)果

（1）選擇超高頻標簽作為本次項目測試使用的標簽（文中技術(shù)實踐部分提到的標簽如無特別說明均為超高頻標簽）。

RFID產(chǎn)品分為了低頻（125和134.2KHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（840MHz～960MHz）和微波（2.4G）幾個頻段。其中小型的低頻和高頻RFID設(shè)備感應(yīng)距離很近，只有3-5cm，微波頻段的RFID讀取距離可以到20米以上，而且標簽中必須有電池，不適合用于查找物品。而小型超高頻RFID設(shè)備可以讀取0-3米距離，也可以穿透除金屬和水之外的物體讀取標簽，通過功率調(diào)整可以讀取合適的距離。所以選擇超高頻作為實驗頻段進行測試。

（2）選取多種不同材質(zhì)的家居物品作為測試標的物。研究RFID標簽特性發(fā)現(xiàn)，RFID標簽讀取效率和距離也受到外界環(huán)境的影響會有所不同，為探明RFID標簽會受到哪些因素的影響而選取不同材質(zhì)的家居物品，同時需實驗丟失在不同的角落里會出現(xiàn)的識別情況差異。

（3）采購多種不同材質(zhì)的超高頻標簽來標識不同的物品。了解到不同材質(zhì)的標簽可能適用的物品會有所不同，本實驗需采購不同材質(zhì)的超高頻標簽，以便智慧角應(yīng)用方案的全面性和實用性更高。

3 技術(shù)實踐

3.1 實驗設(shè)備和場地

3.1.1 技術(shù)設(shè)備

本實驗包含的技術(shù)設(shè)備主要包含兩大部分：

（1）硬件部分主要有十個超高頻RFID標簽、一臺超高頻RFID手持讀寫器，其中標簽需采購不同材質(zhì)的超高頻標簽，此次實驗主要采購了紙質(zhì)類和抗金屬類的各五個。

（2）軟件部分包含手持讀寫器讀寫DEMO以及后續(xù)軟件部分的升級改造。

3.1.2 家居物品

本實驗選取多種不同的家居物品參與實驗，選取的標準：一是常見易丟類小物品或品類相似、數(shù)量多且易混淆類物品，二是從以上物品中盡量選取材質(zhì)不同的物品。主要參與測試的物品包含：（1）卡片類（塑料材質(zhì)內(nèi)部帶磁條）：學生卡兩張，或多張銀行卡；（2）薄厚書本五本（紙質(zhì)類）；（3）鑰匙兩把（金屬類）。

3.1.3 測試角落

本實驗參與測試的場地以家庭生活中常活動的房間為主，選取房間中不同的角落為最終的測試角。主要參與測試的角落包含：（1）皮質(zhì)沙發(fā)（或床）：沙發(fā)上邊，沙發(fā)底下，沙發(fā)縫；（2）木質(zhì)書柜和書桌：大書柜每層，書桌抽屜；（3）其他房間角落。

3.2 實驗過程及結(jié)果

3.2.1 初步接觸

在前期對RFID的理論研究中基本了解了RFID的特點，但僅僅停留在理性認知上，并未實際接觸并操作RFID標簽的工作過程，本階段通過真實感知并實驗來達到對技術(shù)設(shè)備的感性認識。

測試角：選取客廳皮質(zhì)沙發(fā)為測試場地。

技術(shù)設(shè)備：手持讀寫器，不同材質(zhì)的標簽各一個。

測試過程一：將全部標簽平鋪在沙發(fā)上，手握手持讀寫器，并打開手持機的RFID功能，從手持讀寫器距離標簽20厘米的位置開始測試，選取東西南北四個方位逐漸遠離標簽，不斷觀察讀寫DEMO讀取標簽的狀態(tài)。

測試結(jié)果一：從靠近標簽20厘米的位置開始，讀寫器的讀取效率和準確度非常高，逐漸遠離標簽，發(fā)現(xiàn)在2米以內(nèi)讀寫器的準確度相對比較理想，超過兩米后無法讀取到，另外讀取結(jié)果與讀寫器所在方位和標簽材質(zhì)沒關(guān)系，方圓2米內(nèi)均可讀取。

測試過程二：將全部標簽放在陰暗的沙發(fā)底部，隔著沙發(fā)進行讀取測試，測試方法同測試過程一。

測試結(jié)果二：隔著沙發(fā)讀取時，手持讀寫器在方圓1米范圍內(nèi)均可以讀取到，讀取結(jié)果不受讀寫器所在方位和標簽材質(zhì)影響。

測試結(jié)果分析：（1）超高頻RFID標簽在2米范圍內(nèi)讀取準確度比較高，同時超高頻RFID具有穿透物體的特性，它不依賴光線，不怕物體的遮擋。（2）采用同種測試方法，將標簽分別放在紙張、被褥等遮擋的位置進行測試，發(fā)現(xiàn)標簽也能被感知，初步判定，超高頻RFID標簽應(yīng)用在家庭智慧角是可行的。

3.2.2 測試方案

3.2.2.1 單個紙質(zhì)標簽的測試方案

測試準備：選取一本一厘米厚的常用書本，將一張紙質(zhì)標簽粘貼在書本的任意位置，此張標簽即標識了書本的身份，隨后選取家庭不同的角落進行測試。

測試過程：（1）請求家庭成員幫助，將書本放入書架任一位置比如第二層第二格，放置完成后，本人手持讀寫器對書架進行掃描，發(fā)現(xiàn)當讀寫器靠近第二層第二格時讀取效果非常好；（2）按照相同方法分別將書本放入書包里，塞入床上被褥內(nèi)，書桌抽屜里、沙發(fā)縫隙等位置進行測試；（3）按照（1）（2）同樣的操作步驟，測試物品換成學生卡、鑰匙等易丟物品進行測試。

3.2.2.2 多個紙質(zhì)標簽的測試方案

測試準備：在測試方案1的測試結(jié)果中，選取5本書作為測試物品，每本書上均粘貼一張紙質(zhì)標簽，每張標簽含有唯一的標簽編碼分別代表不同的書本，隨后選取不同的角落和存放方式進行測試。

測試過程：（1）選取書架為測試場地，將五本書分別全部散開分布、兩本疊放或者多本疊放來進行測試；（2）按照相同的疊放方式放在不同的角落再次進行測試；（3）使用卡片類物品重復(fù)（1）（2）的測試。

測試結(jié)果及分析：（1）多本書或卡不論疊放方式如何，讀寫器均可以在合理范圍內(nèi)分別讀取到，家居多處角落讀取均可以穿透；（2）讀寫器讀寫DEMO目前能顯示每一標簽的唯一編碼，但與物品無法一一匹配，需要將物品信息寫入標簽內(nèi)，在識別的同時查看到物品具體信息；（3）智慧角散落多個標簽時，使用讀寫器進行讀寫目前無法針對指定物品進行辨識，經(jīng)與指導(dǎo)老師討論，可以通過改造軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)。

3.2.2.3 單個或多個抗金屬標簽的測試方案

測試準備：在測試方案1的測試結(jié)果中，選取多把鑰匙作為測試物品，鑰匙上加裝抗金屬標簽，隨后選取不同的角落進行測試。

測試過程：（1）選取沙發(fā)作為測試場地，將鑰匙疊放或者散落來進行測試；（2）按照相同的疊放方式放在不同的角落再次進行測試；（3）使用卡片類物品重復(fù)（1）（2）的測試。

測試結(jié)果及分析：多把鑰匙不論疊放方式如何，讀寫器均可以在合理范圍內(nèi)分別讀取到，家居多處角落讀取均可以穿透，標簽受鑰匙金屬材質(zhì)影響比紙質(zhì)標簽好很多。

4 分析和討論

4.1 測試結(jié)果整體分析

（1）通過對不同的物品加裝不同的標簽，使用手持讀寫器可達到快速識別的效果，包含散落在家中不易發(fā)現(xiàn)的角落里的物品；讀取效果不受物品的材質(zhì)，以及隱藏物品的家具材質(zhì)的影響。

（2）手持讀寫器對物品定位框定在一米范圍內(nèi)，再結(jié)合人工搜索能盡快找到丟失物品。說明此應(yīng)用方案是可行的。

（3）通過對RFID技術(shù)的研究應(yīng)用，家中的物品仿佛也變得有生命了，能夠被外界感知，加深了我們對物聯(lián)網(wǎng)的了解。

4.2 測試方案進一步改進

4.2.1 購買更多超高頻RFID標簽

將家居生活中易丟失物品按照所屬材質(zhì)進行整理分類，采購充足的RFID標簽，分別粘貼在整理的物品上，然后放置在家中不同的角落，進一步驗證第三章的測試方案。測試更多標簽下此方案應(yīng)用的可行性。一般家居物品需要被感知的總計不超過兩三百個，而在一米范圍內(nèi)同時存在的標簽數(shù)量不會超過一百個，手持讀寫器對此數(shù)量的讀取毫無壓力，均可以準確識別，因此此類家居應(yīng)用是可行的。

4.2.2 升級讀寫器軟件demo

當加裝標簽的物品數(shù)量逐漸增多時，光看讀寫器識別的標簽編碼已無法定位到具體的物品，即使識別到想要的物品也無法提示使用人已定位到，為了整理方案的更易用，讀寫器軟件demo必須進行升級改造，改造需求包含：

（1）可將物品信息寫入標簽，查看識別結(jié)果時不再單一查看編碼信息，而是直接查看物品信息；

（2）可根據(jù)查找需求，輸入特定的查找目標，當讀寫器靠近目標時及時告知，配合音樂或語音提醒；

（3）當讀取到物品，但還是無法精準定位時，可以通過軟件調(diào)整讀取功率，讓功率逐漸降低，以減少可識讀標簽的距離，最后將物品定位在很小的范圍內(nèi)。

4.2.3 房間角落使用超高頻標簽進行物理定位

既然家居物品可以使用標簽來進行身份標識，那家里的每一個角落均可粘貼標簽進行唯一標識，每個標簽寫入房間角落的位置信息。嵌入了讀寫模塊的智能讀寫器平日工作時每當經(jīng)過某一角落時都將在該角落識別的標簽都標識一個位置信息，這樣當向讀寫器發(fā)送查找物品指令時能快速知道物品所屬的位置信息標簽，也能實現(xiàn)快速定位的目的。

4.2.4 與語音識別技術(shù)結(jié)合使用

超高頻讀寫模塊加入語音識別技術(shù)，查找指令將不再單純依賴手寫輸入的模式，而是可以隨時隨地聽取語音信息來執(zhí)行指令，使用人只需要將查找物品的關(guān)鍵信息語音告知讀寫器即可完成查找定位目的。

5 項目結(jié)論

超高頻RFID無源標簽非常適用于家庭常用物品的查找，將很重要、但容易丟落在家中角落里不易找到的物品粘貼上合適的RFID標簽，用于唯一標識物品身份，使用帶RFID功能的設(shè)備可以快速定位到對應(yīng)物品，從而使家居物品的收納和整理變得更加智能便利。家庭智慧角解決方案易用好操作，既有創(chuàng)新性也兼具實用性，未來用RFID技術(shù)定制智能防丟貼片，這類產(chǎn)品將在家庭生活將大有所為。并且由于成本較低，該方案在家用化方面將有著極大的優(yōu)勢。