CN113938164B - 一种基于uhf rfid射频干扰的数据传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，包括射频干扰节点、RFID阅读器和服务器，所述射频干扰节点包括控制模块、射频干扰模块、RFID标签和传感器。所述控制模块用于获取传感器采集的传感数据，根据所述传感数据控制射频干扰模块开启或关闭；所述射频干扰模块在开启时，干扰RFID阅读器阅读所述RFID标签，所述射频干扰模块关闭时，所述RFID阅读器正常阅读所述RFID标签；所述服务器，通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据。本发明利用UHF RFID技术低功耗、低成本、通信协议简单的优点，采用射频干扰技术实现传感数据的传输。

Description

一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统
技术领域
本申请属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统。
背景技术
无线传感器网络被广泛应用于实际场景中，它具有感知、计算和通信的功能。可以监测环境的变化，包括温度、湿度、光照强度等。
但是无线传感器节点的通信模块非常耗能，经常更换电池带来很大的不便和不菲的成本开销。并且无线传感器节点实现网络通信需要复杂的网络协议来支持，这样会带来额外的能量和计算资源的开销，还会增加数据的时延。
UHF RFID技术是一种非接触式的自动识别技术。它包含阅读器、标签。阅读器是读写标签信息的设备，标签由天线和芯片组成，每个标签具有全球唯一的EPC（电子编码）。UHFRFID系统的工作原理是：阅读器以广播的方式向周围连续发送携带能量和信息的载波信号，标签捕获载波信号能量给自己供能以便于芯片的正常工作，然后将自身携带的数据通过反向散射的方式发送给阅读器。UHF RFID系统主要特点是标签不需要额外的能量供应，它工作的能量来自于阅读器发送的射频信号。主要功能是识别和定位，被广泛应用于物品的追踪、定位、库存的盘点。例如:物流管理，超市管理，仓库管理。UHF RFID技术具有低功耗、低成本、通信协议简单的优点。但是RFID标签只能够发送标签中固有的数据，不能够发送可变的数据，即不具备发送传感数据的能力。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，以克服无线传感器节点无线通信模块能耗高、无线网络协议复杂以及UHF RFID技术不能传输传感数据的问题。
为了实现上述目的，本申请技术方案如下：
一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，所述基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，包括射频干扰节点、RFID阅读器和服务器，所述射频干扰节点包括控制模块、射频干扰模块、RFID标签和传感器，其中：
所述控制模块，用于获取传感器采集的传感数据，根据所述传感数据控制射频干扰模块开启或关闭；
所述射频干扰模块在开启时，干扰RFID阅读器阅读所述RFID标签，所述射频干扰模块关闭时，所述RFID阅读器正常阅读所述RFID标签；
所述服务器，通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据。
进一步的，所述射频干扰节点还包括电源模块，所述电源模块为电池。
进一步的，所述射频干扰模块发射功率为射频干扰模块对RFID标签产生完全干扰的最低发射功率。
进一步的，所述射频干扰模块的天线与RFID标签的距离小于2mm。
进一步的，所述传感数据传输的最大数据率等于所述RFID阅读器最大读取速率的一半。
进一步的，所述服务器通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据，包括：
服务器通过RFID阅读器持续不断的发送查询命令，来读取RFID标签信息，以此来进行采样，获取的RFID标签信息包括读取RFID标签的时间戳，从而可以计算出RFID标签持续可读的时间以及持续不可读的时间；
当持续可读的时间为T1，且T1在[nT-t，nT+t]的范围内，T为单位比特时间，t为误差变化值，则解码为n个比特1；
当持续不可读的时间为T0，且T0在[mT-t，mT+t]的范围内，则解码为m个比特0。
进一步的，所述RFID标签信息还包括RFID标签的EPC信息，所述服务器根据所述EPC信息来区分不同的射频干扰节点。
本申请提出的一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，利用现有成熟的商用RFID技术，扩展了传统RFID系统的功能，使其能够进行环境感知，并且相比较于传统的无线传感器节点，省去了复杂的无线传感器网络协议，去掉了无线传感器节点高功耗和复杂的无线通讯模块，节点功耗也大大降低，延长了节点工作时间，进而减少了电池维护次数。本申请利用UHF RFID技术低功耗、低成本、通信协议简单的优点，采用射频干扰技术实现传感数据的传输。
附图说明
图1为RFID阅读器查询标签过程图；
图2为同频干扰现象过程图；
图3为射频干扰模块干扰RFID标签过程图；
图4为本申请基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统示意图；
图5为本申请实施例的信号调制图；
图6为本申请实施例RFID阅读器的信号采样图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
RFID系统中阅读器读取标签的过程如图1，阅读器发射带有信号的载波，RFID标签可以从载波中捕获能量给自己供电，解码信息。阅读器先发送Query命令，RFID标签正确接收后返回一个16位的随机数(RN16)给阅读器。紧接着阅读器接收到RN16后，给RFID标签发送一个确认的命令(ACK)。RFID标签正确接收到ACK后，就会给阅读器返回协议控制字段(PC)、EPC以及一个校验码(CRC)。阅读器正确接收后发送一个QueryRep命令，标签读取完成。任何一个环节出现错误，都会导致阅读器读取标签失败。
射频干扰现象如图2所示，阅读器给RFID标签发射信号，当附近没有相同频段的信号干扰的时候，RFID标签可以正常解码阅读器发射的信号。当RFID标签附近产生相同频段的射频信号的时候，这个干扰信号会和阅读器发射的信号发生碰撞，导致RFID标签不能够解码出阅读器发射的信号。
射频干扰模块干扰RFID标签的过程如图3所示，干扰模块产生的干扰信号会导致RFID标签无法解码阅读器的Query命令或者ACK命令，任何一个命令没有接收到都会导致阅读器读取RFID标签失败，导致RFID标签不可读。
在一个实施例中，如图4所示，提出了一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，包括射频干扰节点、RFID阅读器和服务器，所述射频干扰节点包括控制模块、射频干扰模块、RFID标签和传感器，其中：
所述控制模块，用于获取传感器采集的传感数据，根据所述传感数据控制射频干扰模块开启或关闭；
所述射频干扰模块在开启时，干扰RFID阅读器阅读所述RFID标签，所述射频干扰模块关闭时，所述RFID阅读器正常阅读所述RFID标签；
所述服务器，通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据。
在本实施例中，传感器采集传感数据，例如温度传感器采集温度，光照传感器采集光照强度，本实施例选用了DS18B20温度传感器和BH1750FVI光照传感器。容易理解的是，传感器是用于采集环境数据，本申请不限于具体的传感器类型。
控制模块从传感器中读取传感数据，将其转化为数字信号，数字信号可以采用二进制来进行表示，例如表示为11001011。
本领域技术人员容易理解的是，上述传感信号转换为二进制后，可以按照比特时间控制射频干扰模块开启或关闭，射频干扰模块开启时，发送干扰信号，射频干扰模块关闭时，不发送干扰信号。
结合之前阐述的，射频干扰模块用来同频干扰RFID标签，当RFID标签附近产生相同频段的射频信号的时候，这个干扰信号会和RFID阅读器发射的信号发生碰撞，导致RFID标签不能够解码出RFID阅读器发射的信号，从而导致RFID阅读器无法阅读RFID标签。
本实施例通过控制模块控制射频干扰模块开启与关闭来调制数据，控制模块输出的高电平表示比特1，即关闭射频干扰模块，RFID标签可读；控制模块输出的低电平表示比特0，即开启射频干扰模块，RFID标签不可读。容易理解的是，控制模块输出的高电平也可以视为开启射频干扰模块，此时控制模块输出的低电平视为关闭射频干扰模块。
如图5，若传感数据表示为11001011，则控制模块输出如图5所示的电平信号，控制射频干扰模块开启与关闭。射频干扰模块依次关闭2T，打开2T，关闭1T，打开1T，关闭2T。
本实施例中，服务器通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据，包括：
服务器通过RFID阅读器持续不断的发送查询命令，来读取RFID标签信息，以此来进行采样，获取的RFID标签信息包括读取RFID标签的时间戳，从而可以计算出RFID标签持续可读的时间以及持续不可读的时间；
当持续可读的时间为T1，且T1在[nT-t，nT+t]的范围内，T为单位比特时间，t为误差变化值，则解码为n个比特1；
当持续不可读的时间为T0，且T0在[mT-t，mT+t]的范围内，则解码为m个比特0。
具体的，RFID阅读器不断的采样RFID标签的信息，然后上传给服务器，服务器从采样信息中解调出传感数据。服务器通过RFID阅读器不断的采样RFID标签信息，对于采样到的RFID标签信息，服务器可以进行解码。服务器通过RFID阅读器持续不断的发送查询命令，来读取RFID标签的信息，以此来进行采样，获取的信息包括RFID标签的EPC和时间戳。从而可以计算出RFID标签持续可读的时间以及持续不可读的时间。其解码过程如下：记录连续可读的持续时间为T1，连续不可读的持续时间为T0。若T1在[nT-t，nT+t]的范围内，则解码为n个比特1；若T0在[mT-t，mT+t]的范围内，则解码为m个比特0。如图5为发送数据为11001011的采样图，其解码的判断依次为11 00 1 0 11。即RFID阅读器能够阅读RFID标签，则解调为1，否则解调为0。
在一个具体的实施例中，所述RFID标签信息还包括RFID标签的EPC信息，所述服务器根据所述EPC信息来区分不同的射频干扰节点。
由于每个RFID标签的EPC是唯一的，所以对于不同的射频干扰节点可以通过EPC区分出来，这样即使在RFID阅读器可读范围内有多个射频干扰节点，也都可以解码并进行区分，从而支持多个射频干扰节点的环境感知。即所述服务器在解码出传感数据的同时，还根据所述RFID标签的EPC信息，来区分不同的射频干扰节点。
本实施例中，传感数据发送和接收的数据率R由单位比特时间T决定，即单位比特时间T=1/R，也就是发送一个比特数据的时候，控制模块控制射频干扰模块开启或者关闭的时间。
因此，可以通过改变T来修改数据率，但是最大数据率受到RFID阅读器的最大读取速率的限制，根据奈奎斯特-香农采样定理，在连续波形中捕获和重建所有信息所需的采样率必须大于连续波形中最大频率的两倍。即，本实施例的最大数据率等于RFID阅读器最大读取速率的一半。
在一个具体的实施例中，所述射频干扰节点还包括电源模块。
电源模块给整个节点提供稳定电源，射频干扰节点的供电方式，可以是有线电源供电也可以是电池供电，本实施例采用的是CR2032型号的纽扣电池，因为本来射频干扰节点耗能不高，用纽扣电池可以增加其移动性。
在一个具体的实施例中，控制模块可以是中央处理器，本实施例采用的是德州仪器的低功耗处理器MSP430FR5969。
在一个具体的实施例中，传感器可以采用不同类型的传感器，本实施传感器可以是一个传感器的接口，可以将不同传感器模组添加到接口上面，本实施例选用了DS18B20温度传感器和BH1750FVI光照传感器。
在一个具体的实施例中，RFID标签可以根据需求选择不同的商用RFID标签，本实施例采用的是Alien 9662，因为其通信距离很长，在不加干扰的情况下，实验中测得通信距离超过20m，选用这款标签可以增加通信距离。
在一个具体的实施例中，射频干扰模块可以采用能够产生915MHz频段信号的射频发生器。因为UHF RFID采用的是915MHz频段，相同频段才能产生干扰。本实施例采用的是华普微公司的RFM119A型号的射频发生器，本款射频发生器支持915MHz频段，操作简单，成本低，功耗低。
在一个具体的实施例中，对于射频干扰模块发射功率的配置，可以根据实际测得的最低干扰功率来设置，最低干扰功率为射频干扰模块对RFID标签产生完全干扰的最低发射功率。通过理论分析和实验发现，当RFID阅读器距离射频干扰节点越远时，其最低干扰功率越小。当射频干扰模块距离RFID标签越近时，其最低干扰功率越小。根据这个规律和实际情况来设置射频干扰模块的最小干扰功率。优选的RFID标签和射频干扰模块的天线越近越好，这样可以降低射频干扰模块的发射功率，降低能耗，本实施例射频干扰模块天线与RFID标签的距离小于2mm。
在一个具体的实施例中，RFID阅读器通过商用的RFID协议来读取RFID标签的信息，优选的可以采用合适的超高频阅读器。本实施例采用的是Impinj R420，支持915MHz频段，本阅读器可以支持4根天线，可以扩大覆盖范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，包括射频干扰节点、RFID阅读器和服务器，所述射频干扰节点包括控制模块、射频干扰模块、RFID标签和传感器，其中：
所述控制模块，用于获取传感器采集的传感数据，将其转化为二进制数字信号，按照比特时间控制射频干扰模块开启或关闭；
所述射频干扰模块在开启时，干扰RFID阅读器阅读所述RFID标签，所述射频干扰模块关闭时，所述RFID阅读器正常阅读所述RFID标签；
所述服务器，通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据；
其中，所述服务器通过所述RFID阅读器采样RFID标签信息，解码出传感数据，包括：
服务器通过RFID阅读器持续不断的发送查询命令，来读取RFID标签信息，以此来进行采样，获取的RFID标签信息包括读取RFID标签的时间戳，计算出RFID标签持续可读的时间以及持续不可读的时间；
当持续可读的时间为T1，且T1在[nT-t，nT+t]的范围内，T为单位比特时间，t为误差变化值，则解码为n个比特1；
当持续不可读的时间为T0，且T0在[mT-t，mT+t]的范围内，则解码为m个比特0。
2.根据权利要求1所述的基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述射频干扰节点还包括电源模块，所述电源模块为电池。
3.根据权利要求1所述的基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述射频干扰模块发射功率为射频干扰模块对RFID标签产生完全干扰的最低发射功率。
4.根据权利要求1所述的基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述射频干扰模块的天线与RFID标签的距离小于2mm。
5.根据权利要求1所述的基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述传感数据传输的最大数据率等于所述RFID阅读器最大读取速率的一半。
6.根据权利要求1所述的基于UHF RFID射频干扰的数据传输系统，其特征在于，所述RFID标签信息还包括RFID标签的EPC信息，所述服务器根据所述EPC信息来区分不同的射频干扰节点。
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