可調輻射功率於RFID多重標籤應用之研究

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(1)國立高雄大學電機工程學系研究所碩士論文. 可調輻射功率於 RFID 多重標籤應用之研究 The Study of an Adaptive Radiation Power in the Multi-Tag RFID. 研究生：蔡穗山撰指導教授：梁明正博士吳國棟博士. 中華民國九十七年一月.

(2) 可調輻射功率於 RFID 多重標籤應用之研究. 指導教授：梁明正博士吳國棟博士國立高雄大學電機工程所研究生：蔡穗山國立高雄大學電機工程所摘要隨著無線射頻辨識系統(RFID)技術的進步，讀卡機(Reader)早期只能夠辨識單張標籤(tag)進步到可以辨識多張，進而促使 RFID 在應用上更多元化。RFID 在執行多重標籤辨識上，利用四種不同的方式來進行存取：空間分割多重存取(SDMA)、頻率分割多重存取(FDMA)、時間分割多重存取(TDMA)及編碼分割多重存取(CDMA)。在 Reader 成本考量下，TDMA 比其他方式還要來得低，故採用 TDMA 方式來執行多重辨識存取。然而此方式在資訊顯示上，卻會隨機排列並且無法得知物品前後順序。若系統能夠同時具有多重辨識以及得知物品前後順序的功能，並將 RFID 應用(貨品、人員、車輛…等) 與自動化機器作整合在執行上會顯得更有效率，並透過自動化作業來預防人為疏失發生。本文中提出可調輻射功率於 RFID 多重標籤辨識，其輻射功率大小是透過搜尋演算法以及電子標籤數量來決定，進而得知電子標籤排列次序。實驗結果顯示，此演算機制將可改善 RFID 在排序上的問題並同時具有多重存取的功能。且由實驗結果得知，系統在執行排序上，具有接近於零的錯誤率。. 關鍵字：RFID、防碰撞、搜尋法、輻射功率. I.

(3) The Study of an Adaptive Radiation Power in Passive RFID Tag. Advisor(s)：Dr. Ming-Cheng Liang Dr. Kou-Tan Wu Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung Student：Suei-Shan Cai Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung Abstract The reader can identify single tag in the early. Along with RFID technology advances, the reader can identify many tags at present so that the application of RFID is more diversified than before. The access methods for identification of multi-tag can separate as four different ways: Space Division Multiple Access, Frequency Domain Multiple Access, Time Domain Multiple Access and Code Division Multiple Access in the RFID. But for cost down, TDMA is the popular one than other access methods, so TDMA is picked on. However, because the random sort situation of TDMA, system cannot sort these tags in order. In multiple identification environments, if a system can not only read the multi-tag but also sort these tags in order, it may more efficient for application in automatic machines. That is developing this system with this automatic machines can prevent the human negligence from happening. Therefore, this paper improved the random sort problem by the adaptive radioactive power. Power of the radiation is decided by the search-algorism and the amount of the tags. Thus the system can sort these tags in order. After experimental the results show that the algorithm can sort these tags with almost zero error rates for read multi-tag in this RFID system.. Keyword：RFID、Anti-collision、Search Algorithm、Radiation Power. II.

(4) 致謝首先要感謝我的指導教授 - 梁明正老師、吳國棟老師，能夠讓我順利完成論文。每當研究遇上瓶頸時，梁老師都會適時給予指導以及教誨，使學生能夠有所突破、成長。當生活遇上不如意時，吳老師則會適時給予關心，使學生能夠有愉悅的生活。另外也感謝口試委員徐忠枝老師、楊惠民老師、侯兆徽老師在口試時，給予學生寶貴的意見。在求學過程中，感謝立璁、敬文在程式和問題上大力的幫忙使疑惑能有所解答。在求學的生活中，感謝宗哲、阿明所帶來的歡笑和溫暖使得碩士生活能夠多采多姿。另外也感謝毓鄉、碩一學弟、大學部學弟(妹)在生活上所帶來的歡笑使得碩士生活添增了更多的樂趣。最後要感謝我的家人，對於當初我要報碩士考試時，大力的支持以及鼓勵，使得我能順利考上。並在求學過程中，每當有所挫折時都給予適時的打氣，使得我能夠迎接每一次的挫折。. III.

(5) 目錄摘要............................................................................................................................................ I Abstract .....................................................................................................................................II 致謝......................................................................................................................................... III 圖目錄..................................................................................................................................... VI 表目錄...................................................................................................................................VIII 第一章序論........................................................................................................................1 1.1 研究背景................................................................................................................1 1.2 研究動機與目的....................................................................................................2 1.3 研究方法................................................................................................................4 1.4 論文架構................................................................................................................5 第二章無線射頻辨識系統理論........................................................................................6 2.1 RFID 系統簡介 .....................................................................................................6 2.1.1 讀卡機........................................................................................................6 2.1.2 電子標籤....................................................................................................7 2.1.3 天線..........................................................................................................10 2.1.4 應用系統..................................................................................................10 2.2 RFID 系統操作原理 ...........................................................................................10 2.3 RFID 系統操作頻率 ...........................................................................................11 2.4 RFID 系統多重存取法 .......................................................................................13 2.4.1 空間分割多重存取(SDMA) ...................................................................14 2.4.2 頻域多重存取(FDMA) ...........................................................................14 2.4.3 分碼多重存取法(CDMA).......................................................................15 2.4.4 時域多重存取(TDMA) ...........................................................................15 第三章研究方法..............................................................................................................19 3.1 傳統的架構..........................................................................................................19 3.2 搜尋演算法簡介..................................................................................................21 3.2.1 循序搜尋法..............................................................................................22 3.2.2 二元搜尋法..............................................................................................22 3.2.3 小結..........................................................................................................23 3.3 發展的機制..........................................................................................................24 3.3.1 架構說明..................................................................................................24 3.3.2 機制程序..................................................................................................25 3.3.3 實例說明..................................................................................................27 第四章實驗結果與分析..................................................................................................30 4.1 實驗架構與環境..................................................................................................30 4.2 實驗假設..............................................................................................................31 IV.

(6) 4.3. 實驗結果與分析..................................................................................................33 4.3.1 考慮反射(金屬材質)的實驗結果...........................................................34 4.3.2 考慮反射(非金屬材質)的實驗結果.......................................................36 4.3.3 不考慮反射的實驗結果..........................................................................38 4.3.4 探討電子標籤角度旋轉..........................................................................41 4.3.5 探討電子標籤數量與時間上的關係......................................................43 4.3.6 綜合討論..................................................................................................44 第五章結論......................................................................................................................46 參考文獻..................................................................................................................................47. V.

(7) 圖目錄圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 2-1 讀卡機的方塊圖 ........................................................................................................6 2-2 電子標籤的方塊圖 ....................................................................................................8 2-3 RFID 操作原理 ........................................................................................................11 2-4 SDMA 系統..............................................................................................................14 2-5 FDMA 系統..............................................................................................................15 2-6 ALOHA 系統 ...........................................................................................................16 2-7 Slot ALOHA 系統 ....................................................................................................17 2-8 Binary Search 系統 ..................................................................................................18 3-1 主從關係架構 ..........................................................................................................19 3-2 單一電子標籤 ..........................................................................................................20 3-3 非單一電子標籤 ......................................................................................................21 3-4 循序搜尋法 ..............................................................................................................22 3-5 二元搜尋法 ..............................................................................................................23 3-6 可調輻射功率架構圖 ..............................................................................................24 3-7 運用二元法和訊號強度法的分類機制流程圖 ......................................................26 3-8 (a) 輻射功率未經衰減所偵測到的情形.................................................................27 3-8 (b) 輻射功率衰減後所偵測到的情形.....................................................................27 3-8 (c) 輻射功率再次衰減後所偵測到的情形.............................................................28 3-8 (d) 輻射功率增加後所偵測到的情形.....................................................................28 3-8 (e) 輻射功率衰減後所偵測到的情形.....................................................................28 3-8 (f) 輻射功率增加後所偵測到的情形 .....................................................................29 3-9 發射功率增減值 ......................................................................................................29 4-1 實驗環境架構圖 ......................................................................................................31 4-2 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率 ..................................35 4-3 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率 ..................................35 4-4 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率 ..................................36 4-5 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率 ..............................37 4-6 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率 ..............................38 4-7 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率 ..............................38 4-8 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率 .................................................39 4-9 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率 .................................................40 4-10 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率 ...............................................40 4-11 系統判讀錯誤率(n = 2) .........................................................................................42 4-12 系統判讀錯誤率(n = 3) .........................................................................................42 4-13 系統判讀錯誤率(n = 4) .........................................................................................42 4-14 完成分類所需的時間(Tag 彼此距離 20cm).........................................................43 VI.

(8) 圖 4-15. 完成分類所需的時間(Tag 彼此距離 40cm).........................................................44. VII.

(9) 表目錄表表表表. 1-1 Bar-code 和 RFID 的差異 .........................................................................................2 1-2 不同 Reader 頻率的傳輸距離...................................................................................2 2-1 RFID 操作頻帶 ........................................................................................................12 2-2 各國 RFID 操作頻帶 ...............................................................................................13. VIII.

(10) 第一章序論 1.1 研究背景近年來，RFID(Radio Frequency Identification)的技術愈來愈受重視，但是此技術並非是這幾年才有的新技術。RFID 技術早在第二次世界大戰中(約 1940 年)，就已經被應用。當時此技術主要是用於敵我識別上(分辨敵方飛機和我方飛機)，在我方飛機上裝載著高耗電量的主動式標籤，當雷達發送一個詢問(Request) 的訊號時，我方飛機上的主動式標籤會適時的回應，並藉由此方式來判斷空中的飛機是敵方或是我方。然而因為礙於成本與技術上的限制，並未能將其技術應用於軍事以外的用途上。一直到了 1970 年代末期，美國政府方面透過 Los Alamos 科學實驗室把 RFID 的技術轉移至民間。然而此技術轉移至民間後，在商業上最先應用於動物身上。到了 1980 年代，美國與歐洲方面有幾家公司開始著手於 RFID 標籤上又研發。直到 1990 年代才開始被應用於供應鏈系統上。此時自動化廠商也已經開始著手於導入 RFID 的系統佈局，例如：西門子、歐姆龍、洛克威爾等，都已經將 RFID 系統與既有的自動化系統作結合。但是直到沃爾瑪 (Wal-Mart)與美國國防部宣佈要在 2005 年開始全面啟用 RFID 系統，此時才真正開始市場對 RFID 技術方面的重視。沃爾瑪並規定旗下的供貨商必需將商品貼上 RFID 電子標籤，將使商品上原先的二元條碼(Bar-code)皆由 RFID 電子標籤來取代。因為美國國防部和沃爾瑪大力推動，使各家廠商紛紛投入 RFID 技術上的研究以及開發。至於條碼(Bar-code)與無線射頻辨識(RFID)有何差異呢？連零售業者的龍頭 Wal-Mart 也決定將條碼完全由 RFID 來取代之。然而 RFID 到底魅力為何，使得愈來愈多廠商一直跟進此技術的佈局，二者之間的差異性如表 1-1 所示：. 1.

(11) 表 1-1. Bar-code 和 RFID 的差異. 最大的儲存容量. RFID. Bar-code. 多 (數 Megabyte). 少 (數千 Byte). 標籤出廠後，還可以進行經印刷出廠後，即無法更更新的動作改. 重複性使用資料辨識上. 可同時辨識多筆資料. 一次只能辨識一筆資料. 安全性. 高. 低. 環境變化的忍受度及耐污性. 高 (惡劣的環境下也可做辨識). 低 (惡劣的環境下無法做辨識). 屏障閱讀. 能進行穿透性(非金屬)傳輸. 無法進行穿透性傳輸. 成本. 高 (仍需要成本). 低 (甚至可以免費). 1.2 研究動機與目的 RFID 利用無線電波來完成辨識的動作，例如：貨物、人員、車輛只要貼上電子標籤均可完成辨識的動作。讀卡機(Reader)在傳輸距離上，也會依據 Reader 頻率上的不同，傳輸距離也會有所不同，如表 1-2 所示。. 表 1-2. 不同 Reader 頻率的傳輸距離. Reader 頻率. 傳輸距離. 135kHz (LF). 13.56MHz (HF). 860~930MHz (UHF). 2.45GHz (Microwave). ≦10cm. ≦1m. ≦10m. ≦10m. 大部份應用都使用高頻無線射頻讀卡機為主，主要的優點在於價格便宜(與超高頻、微波作比較)、技術上也較超高頻(微波)成熟、使用上也較穩定[1]。但缺點在於傳輸距離過短。所以廠商紛紛把焦點都集中於超高頻無線射頻讀卡機的開發上，以被動式電子標籤而言最遠傳輸距離可到達至 10m，主動式電子標籤傳輸距 2.

(12) 離更大於 10m 以上。然而隨著 RFID 技術的提昇，因此有許多相關研究開始針對 Multi-tag 環境下的應用提出了許多的看法以及評估[2][3]。至於在 Multi-tag 環境下所產生的碰撞效應，也有許多想關研究開始針對傳統碰撞演算法來進行改善[4][5]，透過閒置和碰撞時槽的減少進而達到 Reader 與 tag 之間通訊時間縮短，使得系統能夠更快速完成多重標籤辨識。接下來將提出問題所在，當 Reader 送出一個請求 (Request)訊號時，Reader 感測範圍內的電子標籤收到 Reader 的請求訊號後，會送出一個回應(response)訊號給 Reader，再進行資料的傳遞。若 Reader 同時收到多張電子標籤所送出的回應訊號時，則會有碰撞的情形，Reader 會依據防碰撞 (Anti-collision)機制來完成資料的辨識[6]，但在辨識的過程中，Reader 將隨機選取 Reader 感測範圍內所有電子標籤[7]，直到所有電子標籤完成辨識[8][9][10]。由上述的情形可知，Reader 系統只具備多重標籤辨識方面上的功能並無法完成分類的動作。假若系統能同時具備多重標籤顯示並且資訊排序正確的功能，在應用範圍上想必能更廣泛。例如：在混凝土裝填上，可以透過此系統，區分出裝填車輛以及待裝填車輛，並依照工程的需求來裝填混凝土多寡。在商品(貨物)管理上，也可以藉由此系統，指示機器針對於 A 類商品、B 類商品、C 類商品該做那些處理。在停車場管理上，可透過此系統來指示電子柵門需要打開那一扇門，原本需要在進出口的電子柵門上各設置一台 Reader，也只需要一台即可完成進出口閘門控管[11][12]。本研究的目的是為了解決多重標籤在分類上的問題，然而造成多重標籤無法分類的問題在於多重標籤無法正確排序出來所造成的，所以必需透過新的演算機制來解決多重標籤在排序上的問題，進一步使系統能完成分類的動作。. 3.

(13) 1.3 研究方法目前在無線網路環境下，進行定位服務的定位模式有以下四種方法[13]： 1.. 收訊角度法(Angle of Arrival , AOA)：接收端利用方向性天線或天線陣列來決定出傳送端訊號來源的方向，來得. 知傳送端訊號可能的方向。 2.. 收訊時間法(Time of Arrival, TOA)：利用傳送端訊號到達接收端時所需的傳播時間，再將傳播時間和傳播速度. 作相乘，來得知傳送端位置所在。 3.. 收訊時間差法(Time Difference of Arrival, TDOA)：利用二台接收器，來接收傳送端訊號到達接收端所需的傳播時間，再將二. 台接收器分別收到的傳送訊號時間相減後再乘上傳播速度之後，代入雙曲線來求出此方程式，並得知傳送端的距離。 4.. 訊號強度法(Received Signal Strength, RSS)：利用傳送端所送回訊號強度的強弱，進一步判定傳送端位置所在。. 上述四種方法中，以訊號強度法較適合於室內環境(短距離傳輸)，其餘另外三種方法則是較適合於室外環境(長距離傳輸)。目前常用的搜尋演算法有以下五種方法： 1.. 循序搜尋法(Linear Search). 2.. 二元搜尋法(Binary Search). 3.. 插補搜尋法(Interpolation Search). 4.. 雜湊搜尋法(Hashing Search). 5.. 費伯那西搜尋法(Fibonacci Search) 本論文中，採用訊號強度法則配合上搜尋演算法來解決多重標籤分類上的. 問題。訊號強度法是完成電子標籤的辨識[14]，搜尋演算法是完成電子標籤的排序。Reader 與電子標籤因為距離無法太遠，所以當電子標籤收到 Reader 送出的. 4.

(14) 發射功率，電子標籤回應 Reader 因為彼此間距離不遠，所以 Reader 在收到電子標籤的時間差幾乎是幾毫秒的差距，系統無法處理這麼短的時間差，故不採用 TOA、TDOA 方式來完成。Reader 會隨著位置角度的擺放，所接收到的電子標籤也會有所不同，因為差異性很大，故不採用 AOA 方式來完成。最後採用 RSS 方式來完成。搜尋演算方式採用的是二元搜尋法，此方法在進行搜尋執行時，所執行的次數遠比循序搜尋法還要少，因此在搜尋方面節省很多的時間，使系統在執行上能更有效率[15][16][17]。. 1.4 論文架構本論文共分成五章，其大綱如下所示：第一章：序論。介紹 RFID 的背景，並說明研究動機以及目的為何。第二章：RFID 的基礎理論部份。介紹 RFID 相關的簡介、操作原理、操作頻率、多重存取方式。第三章：設計一個新的演算機制。此演算機制中運用到接收訊號強度法結合搜尋演算法，首先利用訊號強度法則來完成 Reader 感測範圍中所有電子標籤的數量，並再利用搜尋演算法來進行訊號強度的增減，此演算機制稱之為可調輻射功率演算法。系統透過此演算機制來完成多重標籤的排序。第四章：實驗結果與分析。針對系統加入新的演算機制後，並透過環境的架設而得到的實驗結果，再由實驗結果來証實系統是否能完成多重標籤排序的動作，進而完成分類的動作，接著分析電子標籤旋轉方向與系統錯誤率關係以及電子標籤數量與時間上的關係。第五章：結論。針對實驗環境的架設以及實驗測量的結果做整合性的分析與討論，並在最後提出此演算法有何需要改進的空間以及未來展望。. 5.

(15) 第二章無線射頻辨識系統理論 2.1 RFID 系統簡介所謂無線射頻辨識(Radio Frequency Identification , 簡稱 RFID)，主要是經由有、無線通訊方式且又不需經過任何接觸方式，就能夠辨識物體的一種通訊系統。RFID 系統主要是由下列元件所組成：. 2.1.1 讀卡機讀卡機(Reader)與應用系統相互溝通的介面，可透過有線的方式(例： RS232、RS485、RS422)、無線的方式(例如：Bluetooth、GPS、Zigbee)。當應用系統要進行辨識時，可經由控制 Reader 來發送無線電波能量，對 Tag 內的資訊作讀取(Read)和寫入(Write)的動作。Reader 主要是由下列四部分所組成如圖 2-1 所示：. 圖 2-1. 1.. 讀卡機的方塊圖[18]. 控制模組(Control Module)： ¾. 資料處理功能：包含資料的編碼(Encode)、解碼(Decode)、檢查(Check)、儲存(Store)，以及與應用系統之間的通訊操作。 6.

(16) ¾. 與 Tag 之間的通訊管理：包含喚醒 Tag 傳送資料、通訊機制的初始化、讀取與寫入資料、安全認証，整合檢查與時序(Timing)控制等。. ¾. 實體的通訊：控制收發模組與收發天線並發射 RF 無線電波能量，進行對 Tag 的讀取和寫入資料的動作。. 2.. 射頻模組(RF Module)： ¾. 發射機功能：發射 RF 電磁波，經由所發射的電磁波用以提供被動式 (passive)Tag 傳送資料所需的電源，並籍此讀取 Tag 內的資訊，再利用脈波調變(Plus Modulation)方式將資料寫入 Tag 內。. ¾. 接收機功能：接收 Tag 所傳回已調變數位訊號(資料)，調變訊號的型式可以是振幅鍵移(Amplitude-Shift Keying, ASK)、相位鍵移(Phase-Shift Key, PSK)、頻率鍵移(Frequency-Shift Keying, FSK)。. 3.. 收發天線(Antenna)：主要是用來發射 RF 無線電波能量，通常都內建於 Reader 中，除非要讀取. 距離長，才會外加在 Reader 外部。 4.. 電源供應器(Power Supply)：提供各模組電路運作所需的電源與面板顯示燈的電源，其中又以 RF 無線電. 波能量之射頻模組與收發天線最為耗電。. 2.1.2 電子標籤 Tag 主要功能是用來接收能量與訊號，並以另一頻率將內存的資料傳送出去；傳送出去的數位訊號之必須使用不同的頻率，以避免因為干擾而導致接收到微弱訊號。Tag 本身也有內建 RF 發射機模組與控制電路，當 Tag 接收到 Reader 端所發送過來的無線電波時，Tag 內的控制電路會自行將此一無線電波能量轉換成電源，讓 Tag 有足夠的電源可以做傳送的動作，並以內建之 RF 無線電波傳回 Tag 之識別碼(ID)等一系列的識別資料。Tag 主要包括三部份如圖 2-2 所示：. 7.

(17) 圖 2-2. 1.. 電子標籤的方塊圖. 類比電路(Analogue Circuitry)： ¾. RF 收發機制：接收 Reader 所發射出的電磁波、更新資料並傳回資料給 Reader。. ¾. 電源供應：在被動式(passive)Tag 方面，電源主要是由 Tag 內充電用的電容器所提供。主動式(active) Tag 方面，電源則由 Tag 內的鋰電池來提供。. 2.. 數位電路(Digital Circuitry)： ¾. 控制邏輯電路(Control Logic)：Tag 內部的控制模組，主要是用來控制整個 Tag 的操作時脈(Clock)與相關命令解析和執行運作. ¾. 安全邏輯電路(Security Logic)：主要是針對於資料安全性方面的處理，例如：資料的編碼(Encode)、解碼(Decode)、調變(Modulation)與解調 (Demodulation)。. ¾. 內部邏輯電路與微處理器(Internal Logic/Microprocessor)：微晶片內的微處理器與相關的內部邏輯電路的運作。然而 Tag 內的微晶片(Microchip) 會隨應用的不同，而有不同尺寸大小和配置方式。. 3.. 記憶體類型(Memory Type)： ¾. 可保存的記憶體(Non-volatile Memory)：記憶體內的資料可以隨時被讀 8.

(18) 取以及覆寫，例如：EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。 ¾. 唯讀記憶體(Read Only Memory)：僅能當作讀取的功能，無法寫入資訊於記憶體上。. ¾. 隨機存取記憶體(Random Access Memory)：資料暫時先存放於記憶體中，一旦 Passive Tag 離開 Reader 所發射 RF 無線電波磁場範圍內，此時記憶體內的資料會消失。. Tag 在功能上嚴格來講可分成三種型式[19]： 1.. 主動式(Active)Tag： Tag 本身內含電池可隨時地傳送資料給 Reader，其優點在於：使用距離較. 長、更大的記憶體提供資料的讀取與寫入、抗雜訊能力好、資料傳輸率高。其缺點為：價格昂貴、體積較大、壽命較被動式短。 2.. 半主動式(Semi-passive)Tag： Tag 本身內含電池但其操作方式和主動式不同之處在於：主動式本身不會處. 於睡眠的狀態下，隨時可傳送資料給 Reader。半被動式通常都是睡眠的狀態下，直到接收到 Reader 或喚醒器所發射出的 RF 能量後，才會執行資料讀取/寫入的動作。喚醒器：操作頻率不同於 Reader 的便宜裝置，安置在特定出入處，當持有主動式 Tag 的人員或物品通過此處時，此 Tag 才會甦醒動作，如此可以節省其電池的耗電量，因此會比主動式 Tag 還擁有較久的壽命。 3.. 被動式(Passive)Tag： Tag 本身未含電池，電源的取得來自於 Reader 所發射過來的 RF 無線電波能. 量；當 Tag 接收到此能量時，其內部的天線模組會感應耦合出電流，並對其內的電容器充電變成可用的電源，以便將微晶片內記憶體中的識別碼資料以內建的 RF 收發機傳回給 Reader。其優點在於：價格便宜、體積小、壽命長、數位資料可攜性等[20]。其缺點為：距離較主動式近。. 9.

(19) 2.1.3 天線 Reader 與 Tag 之間的資料傳輸主要是以無線方式來進行溝通，因此雙方都必須各自擁有天線，來執行資料的讀取與寫入。整體上來說，Tag 會因為造型的不同而有不同的佈線方式，最常見到的方式為線圈(Coil)方式，此種方式的特色是細薄、輕巧又具彈性；假如 Tag 欲達到較遠的傳輸距離可增加：線圈環繞次數、加大天線尺寸、提高操作頻率、內建電池…等。Reader 方面的天線大部份都是由銅絲或銅管所製作而成，一般都內建於 Reader 機殼內部；假如 Reader 欲達到較遠的傳輸距離，通常天線都會單獨存在並和 Reader 相互做連接。. 2.1.4 應用系統主要是用來控制 Reader 資料收發、辨識與管理工作；在資料通訊過程中，可以利用加解密的方式與防火牆…等技術，使資料在通訊傳輸過程中不容易被竊取而竄改其資料造成資料的不正確性產生具有保密的功效，若再結合資料庫管理系統與其他電腦網路方面，還可即時提供更安全的即時監控系統功能與資料自動化整合之應用。. 2.2 RFID 系統操作原理 RFID 的操作原理：利用 Reader 發送 RF 無線電波能量給嵌入或貼附在物件上的 Tag，以進行無線資料辨識及擷取工作。整個 RFID 系統的物件辯識如下所示[21]： 1). 應用系統透過有線(例如：RS-232/485/422)或無線(例如：Bluetooth、 GPS、Zigbee)方式下達控制命令給 Reader。 2). 當 Reader 收到控制命令時，其內部之控制器會透過內建之 RF 收發機 (Transceiver)發送出某一操作頻段之無線電波能量(Power)。 3). Tag 內的天線接收到此一電磁能量時，其內部之 RF 收發機制會感應耦 10.

(20) 合出電流，並經由電容器充電，來達到所需的電源；此一電源將會驅使微控制器(Microcontroller)把記憶體內的識別碼(ID)經由內建之 RF 收發機，以另一操作頻段之數位資料方式傳送回去給 Reader。 4). Reader 端的 RF 收發機接收到由一個或多個 Tag 所傳送回來的識別碼後，再分別以有線或無線的方式傳回應用系統中。 5). 當應用系統接收到由 Reader 端所傳送來的識別碼時，會進行物件之辨識及管理方面等的工作。圖 2-3 所示為 RFID 操作原理：. 圖 2-3. RFID 操作原理. 2.3 RFID 系統操作頻率 RFID 系統另一項重要的元件是作為通信協定的操作頻率，此操作頻率除了決定 Reader 與 Tag 之間可讀取的範圍外，還關係到資料傳輸率；愈高的操作頻率，則資料傳輸率可以愈高。反之，則相反。目前最常用的操作頻率範圍主要是以低頻、高頻以及微波三種方式為主，這三種方式各有其優劣之處，整體上來說，較低的頻率雖然可讀取的資料的範圍不遠，以及有較慢的傳輸速率。但卻可以在金屬或液體(濕氣)環境下還能保持較佳的讀取能力，反之，則相反。表 2-1 所示為 RFID 系統常用的操作頻帶[22]：. 11.

(21) 表 2-1. RFID 操作頻帶. 頻帶項目通訊頻率耦合方式. 天線設計. 低頻. 高頻. 極高頻. 微波. (Low Frequency). (High Frequency). (Ultra High Frequency). (Microwave). 125 ~ 135 KHz 感應耦合. 13.56MHz 感應耦合. 100 ~ 960MHz 反散射耦合. 2.45、5.8GHz. Tag 四周環繞著天線線圈. 與低頻一樣設計，但環繞的線圈比低頻少. 定向天線. 雙極天線設計. 0 ~ 10 公尺 (被動式) >10 公尺 (主動式). 0 ~ 10 公尺 (被動式) >10 公尺 (主動式). 64k ~ 512k. 16k ~ 64k. 快. 最快較複雜. 0~50 公分讀取距離. 0 ~ 50 公分. (ISO 14443) 0~1.5 公尺 (ISO 15693). 反散射耦合. 8k ~ 128k. 資料傳輸率. 低. (ISO 14443) 256k ~ 512k (ISO 15693) 中等. 電路複雜度. 簡單. 中等. 較複雜. 磁場強度. 72 dBμA/m. 42 dBμA/m. 10mW ~ 4W. 價格上. 低. 中等. 較高. 4W(USA) 500mW(Europe) 較高. 比較上. 與高頻的比較上，對干擾比較不敏感，故在金屬或液體環境下有較好的讀取能力. 與低頻的比較上，對干擾比較敏感，故在金屬或液體環境下讀取能力較差. 與低頻的比較上，對干擾比高頻還要更敏感. 與低頻的比較上，微波對干擾比高頻、超高頻更為敏感. 記憶體容量. 64 ~ 1k. (bytes). . 應用上. . 資料存取控制動物追蹤倉儲控制非接觸式智慧卡 . 物件蹤航空司行追蹤建築存取. 12. 追公李物. 生產供應鏈上貨車追蹤通行道徵收系統. 交通工具之存取控制.

(22) RFID 操作頻率的選擇主要是依照 Reader 和 Tag 之間的範圍，以及國家所開放的頻帶所定；每個國家所使用的頻帶不盡相同，而且會因為應用之不同而有不同的操作頻率；表 2-2 所示為各個國家 RFID 所使用的操作頻帶：. 表 2-2. 各國 RFID 操作頻帶頻帶. 低頻. 高頻. 極高頻. 微波. (LF). (HF). (UHF). (Microwave). 美國、加拿大. 125KHz. 13.56MHz. 915 MHz. 2.45GHz. 歐洲. 125KHz. 13.56MHz. 865 ~ 868 MHz. 2.45GHz. 915MHz. 2.45GHz. 國家. 中國大陸日本. 125KHz. 13.56MHz. 950 ~ 956 MHz. 2.45GHz. 澳洲. 125KHz. 13.56MHz. 918 ~ 926 MHz. 2.45GHz. 南非. 125KHz. 13.56MHz. 913 ~ 915 MHz. 2.45GHz. 台灣. 125KHz. 13.56MHz. 922 ~ 928 MHz. 2.45GHz. 韓國. 125KHz. 13.56MHz. 910 ~ 914 MHz. 2.45GHz. 2.4 RFID 系統多重存取法 RFID 系統中，Reader 從許多個 Tag 之中試著讀取某一個 Tag 時，若有許多個 Tag 同時回應 Reader，然而這些互相衝突的通訊訊號可能會造成彼此間的干擾；這時候的干擾稱之為碰撞(Collision)，可能會因為此碰撞而造成資料傳輸上的失敗。因此必須要使用一套反碰撞運算法則，來避免碰撞的問題產生，現階段有以下幾種方法來解決碰撞的問題發生[23][24][25]：. 13.

(23) 2.4.1 空間分割多重存取(SDMA) 籍由操控 Reader 指向型天線，使指向型天線直接瞄準電子標籤。透過此方式，電子標籤會依據 Reader 感應範圍內的角度位置互相區分開來，透過空間上的分割來完成多重存取的技術。然而此技術仍然有缺點存在，需透過複雜的天線系統來完成，成本花費上相當高，所以此技術僅限制於某些特殊應用上。圖 2-4 所示為其系統。. 圖 2-4. SDMA 系統. 2.4.2 頻域多重存取(FDMA) 在電子標籤選擇上，使用可調整、非發送頻率，並有多個頻率可供選擇。並透過 Reader 的最佳適用頻率，來對 Tag 進行能量供應以及信號控制的傳輸，透過頻率上的分割來完成多重存取技術。然而此技術有缺點存在，每個接收通道上都必需各自擁有接收器，然而卻造成 Reader 費用相當高，所以此技術僅限制於某些特殊應用上。圖 2-5 所示為其系統。 14.

(24) 圖 2-5. FDMA 系統. 2.4.3 分碼多重存取法(CDMA) Reader 將每個傳輸訊號的電子標籤都各自分派一個序列碼(code)，如此一來即使使用相同頻段也可以加以區隔，達到相同頻段同時被多個訊號使用，而訊號彼此間也沒有相互干擾的問題產生。. 2.4.4 時域多重存取(TDMA) 在同一頻帶中，將時間分割成週期性的訊框(frame)，再將每一個 frame 分割成多個時槽(slot)，使各個使用者能把訊息放入不同的 slot 中傳輸，因而即使在相同頻帶中做訊息的傳輸也不會有互相干擾的事情發生。利用 TDMA 來完成多重存取方法有下列幾項： 15.

(25) 1.. ALOHA：當若干個電子標籤，在一個循環週期中將資料發送給 Reader，電子標籤可以. 透過不同的時間區段來傳輸其資料，使資料封包不會有碰撞衝突發生。圖 2-6 所示為三個 Tag 利用 ALOHA 演算法將資料發送給 Reader[26]。由圖 2-6 不難發現，利用此演算方式所發生碰撞的機率很高，所以通道傳輸效率為 18.4%。雖然此方式通道傳輸效率低，但由於此方式在實現上是最簡單的，仍有不少人使用。. 圖 2-6 ALOHA 系統. 2.. Slot ALOHA： Slot ALOHA 和 ALOHA 演算方式很類似，只差別在於 Slot ALOHA 規定電. 子標籤在同步時槽中才可進行傳輸資料封包，然而同步時槽則是由 Reader 來控制。圖 2-7 所示為若干個 Tag 利用 Slot ALOHA 演算法將資料發送給 Reader。由圖 2-7 得知，透過 Slot ALOHA 可以完全解決 ALOHA 部份碰撞的問題發生，因此通道傳輸效率提昇為 36.8%。但缺點在於需要同步機器來控制時槽，使所有在 Reader 讀取範圍內的電子標籤能夠同時開始傳送。. 16.

(26) 圖 2-7 Slot ALOHA 系統. 3.. 二進位搜尋法(Binary Search)：假設電子標籤的序號為 8bit，Reader 首先會送出請求(Request)指令，在 Reader. 讀取範圍內所有的電子標籤都必需回應，如圖 2-8 所示。對於所接收的序號 0bit、 1bit、3bit、4bit、5bit、6bit 來說，由於回應的電子標籤對這些位元的不同而產生了衝突(以×來表示)，因此可以推斷在 Reader 讀取範圍內有多個以上的電子標籤存在，由碰撞情形可知至少在 11000000～10111111 之間，會有一個電子標籤存在，但為了選擇到單獨的電子標籤，所以選擇 10111111 來限制下一次搜查範圍，因此 Reader 會再送出新的 Request(<10111111)進行第二次搜尋，此時所接收到的序號 0bit、1bit、4bit、5bit 產生了衝突，再重新限制新的搜尋範圍(1010000～ 1001111)，Reader 又送出的 Request(<1001111)進行第三次搜尋，所接收到的序號 0bit、4bit t 產生了衝突，再重新限制新的搜尋範圍(1001000～1000111)，Reader 又送出的 Request(<1000111)進行第四次搜尋，最後選擇到只剩一個電子標籤，並進行資料讀取動作，執行完畢之後，電子標籤進入靜止狀態(即使收到 Reader 所發出的 Request 指令，也不作任何回應)。接下來再重複相同的運算方法選擇下一個電子標籤，直至所有的電子標籤全部都被讀取完畢。. 17.

(27) 圖 2-8. Binary Search 系統. 18.

(28) 第三章研究方法在此章節中，首先說明傳統的 RFID 在收集資料時所遭遇的一些情形，使其無法有分類的能力。本論文將提出一個新的機制來解決無線射頻系統所遭遇的情形，並透過此機制而使其具有分類的能力，進而使其應用層面因此而更廣泛。最後利用一個例子來說明分類機制的操作流程。. 3.1 傳統的架構應用系統要從電子標籤中讀出所需的資料或是將資料寫入電子標籤中，皆必需透過 Reader 來當作之間的溝通橋樑。對於電子標籤的讀取以及寫入的動作主要是按照｀主–從架構＇來操作的，如圖 3-1 所示。也就是說 Reader 和電子標籤所有的指令皆是由應用系統來控制。因此 Reader 的任務就是喚醒電子標籤、建立彼此之間的通信、負責應用系統和電子標籤之間的資料傳輸、電子標籤之間防碰撞發生以及身份驗証。. 圖 3-1. 主從關係架構. 假若應用系統向 Reader 發出讀取命令的指令，此時 Reader 會送出一個請求訊號，假若有電子標籤在 Reader 的感測範圍內，此時會有二種情形發生：. 19.

(29) 1.. 單一電子標籤：當電子標籤收到來自 Reader 所送出的請求訊號時，電子標籤會回送一個回. 應訊號告知 Reader，經確認過後，應用系統可以對此電子標籤資料的讀、寫動作，如圖 3-2 所示：. 圖 3-2 2.. 單一電子標籤. 非單一電子標籤：當電子標籤收到來自 Reader 所送出的請求訊號時，電子標籤會回送一個回. 應訊號告知 Reader。當 Reader 收到不止一個電子標籤的回應時，此時 Reader 會利用多重存取方式來避免電子標籤彼此之間的碰撞產生，來保存資料的完整性。至於多重存取方式已在 2.4 節有詳細的介紹。然而大部份的廠商礙於成本上的考量，皆採用 TDMA 存取方式，來完成多重標籤的辨識，其辨識的過程中均無法正確排列出電子標籤的先後順序，進而無法執行分類的動作。如圖 3-3 所示：. 20.

(30) 圖 3-3. 非單一電子標籤. 由上述的情況看來，RFID 利用多重存取方式解決了多張電子標籤碰撞的問題，然而若能夠再加上分類的功能，想必在其應用上一定能更加的廣泛。至於應用的例子已於 1.2 節詳細的介紹。接下來，將介紹新的演算機制，並利用此機制來解決無線射頻系統分類上的問題。. 3.2 搜尋演算法簡介搜尋的定義是指在一群資料中尋找到符合特定條件的資料，何謂特定條件，例如>=、<=、==、>、<等。假若是執行大範圍資料的搜尋動作可以看成是在執行飾選功能，然而飾選功能也算是搜尋的延伸。在執行搜尋時，主要是比對搜尋的資料和資料序列中的資料。假若資料不符合，再利用特定方式來指定下一次所選取的資料，並做比對。直到找到相符合的資料，或者是將資料序列中的資料全部比對完畢，直到找不到相符合的資料。搜尋演算法算是最基本的演算法，有關於這方面的介紹也很多，但在此只介紹二種常用、簡單的搜尋演算法[27]：. 21.

(31) 3.2.1 循序搜尋法在所有的搜尋演算法中，最簡單的搜尋方式莫過於循序搜尋演算法，並且資料並不需要事先經過排序，其作法如下所示：步驟一：利用線性方式(資料是一個接著一個慢慢查詢)，來完成資料搜尋動作，並逐一比對資料是否符合。步驟二：假如所要搜尋的資料和找到的資料互相符合時，搜尋程序結束，否則再和下一筆資料做比對，直到比對出來或是所有資料全比對完找不到符合的資料，才會結束搜尋的程序。如圖 3-4 所示：. 圖 3-4. 循序搜尋法. 3.2.2 二元搜尋法在整體上，二元搜尋法在搜尋效率上遠比循序搜尋法還要來的快，但是要利用二元搜尋法來執行搜尋的動作，其先決條件是資料必需事先經過排序。其作法如下所示：步驟一：假設陣列 D 存放著一群資料，而且資料已事先完成排序，搜尋範圍的下界標假設為 L、上界標假設為 H。假設所要搜尋的資料為 value，一開始會先從資料的中間位置(以 M 來做表示)來做搜尋。步驟二：在執行搜尋的期間，會有三種情形發生： 1.. 若 value = D[M]，代表搜尋到的資料符合。. 2.. 若 value < D[M]，代表搜尋到的資料位於 L 和 M-1 之間，如圖 3-5(a)。. 3.. 若 value > D[M]，代表搜尋到的資料位於 M+1 和 H 之間，如圖 3-5(b)。 22.

(32) 步驟三：符合第一種情況，則終止搜尋的動作。符合第二、三種情況，則會調整搜尋資料的範圍，分別為(1)L 不變、H=M-1 (2)L=M+1、H 不變。並再重複執行步驟二的動作，直到符合第一種情況為止。若 L>H 時，一直無法找到符合的資料，也將終止搜尋的動作。. 圖 3-5. 二元搜尋法 (a)value < D[M] (b)value > D[M]. 3.2.3 小結在本節中將探討二種不同的搜尋法和接收訊號強度(RSS)的關係，(1)循序搜尋演算法結合接收訊號強度法，(2)二元搜尋演算法結合接收訊號強度法，並分別討論其適用性，如下所示： (1). 循序法結合接收訊號強度法：循序搜尋法的優點是，作法上簡單和資料無須事先經過排序，雖然在執行上不論是效率、時間都會遠比其他搜尋法還要來的差，但基於前面二點的優勢仍有許多人使用。訊號強度主要是為了偵測 Reader 內電子標籤是否存在，再利過循序搜尋法來線性增加接收訊號強度的值，並透過此方式來完成 Reader 的範圍內所有電子標籤的排序動作。在執行上，若是最佳的情況下只需一次就可完成排序的動作，反觀若是最差的情況下卻需要 n 次才可完成排序的動作。因此在執行排序上，時間上的等待是無法得知的。 (2). 二元法結合接收訊號強度法：二元搜尋法不論在時間、效率都遠比循序搜尋法來的好，但要利用此演算 23.

(33) 法的條件是資料得先經過排序完成，因為礙於此限制所以二元搜尋法並無法取代循序搜尋法的地位。二元搜尋法在執行上，最佳的情況下也是只需一次就可完成排序的動作，最差的情況也只需要 n = 2 k ，n 為所要搜尋的資料數，k 為最多要搜尋的次數。因此在執行排序上，時間上的等待是可得知的。因此，在本論文研究中，雖然二者都可完成排序的動作，但是基於時間和效率上的考量以及所要搜尋的資料也符合使用二元搜尋法，故利用二元搜尋法來執行排序的動作進而完成分類的功能。接下來本論文將提出新的演算機制，利用二分搜尋法結合接收訊號強度法來改善分類的問題。. 3.3 發展的機制 3.3.1 架構說明圖 3-3 所示，Reader 在偵測電子標籤時，為了使其偵測的距離更遠皆以最大的輻射波來發射。所以勢必要控制輻射功率，才能夠使資料能夠正確的分類出來。圖 3-6 系統架構圖是經由圖 3-3 所修改來的。由圖 3-6 所示，不同的顏色代表 Reader 發送不同的輻射功率。至於輻射功率值的大小，則是由搜尋法以及電子標籤碰撞的情形來決定。透過此演算機制使系統達到分類的功能。. 圖 3-6. 可調輻射功率架構圖 24.

(34) 3.3.2 機制程序本論文接下來要介紹分類機制的演算法步驟和程序，如下所示：步驟一：首先 Reader 會先發射最大的輻射功率，偵測範圍內是否有多張的電子標籤存在，此時會有二種情形產生：(1)單張電子標籤存在，執行步驟六的動作。(2)多張電子標籤存在(數量用 N 來表示)，執行步驟二的動作。步驟二：重新設定 Reader 輻射功率的大小。依照二元搜尋演算法的規則，取中間值大小並將此值當成下一次所發射的輻射功率的大小。步驟三：Reader 每次要偵測電子標籤時，將利用不同輻射功率的值，來取得電子標籤數量值。步驟四：Reader 利用不同輻射功率偵測到的電子標籤數量(數量用 D 來表示) 和系統排列完成的電子標籤數量(開始都從 0 開始，數量用 S 來表示)互相做比較，這時會有三種情形產生： 1.. D = S：表示此範圍內，偵測不到電子標籤或是依然偵測到已經排序完成的那些電子標籤。利用二元搜尋法來提高輻射功率的值。. 2.. D = S+1：表示此範圍內，偵測到單張新的電子標籤(還沒排序到的電子標籤)，S 自動增加 1。利用二元搜尋法來提高輻射功率的值。. 3.. D > S+1：。表示此範圍內，偵測到多張新的電子標籤。利用二元搜尋法來降低輻射功率的值. 步驟五：判斷 N (Reader 利用最大輻射功率所得到的電子標籤數量)是否等於 S。此時會有二種情形產生： 1.. N 等於 S：執行步驟六的動作. 2.. N 不等於 S：首先會判斷執行的次數是否等於系統所自訂的最大執行次. 數。(1)相等的情形下：重新執行步驟四的動作(2)不相的情形下：重新執行步驟三的動作。步驟六：將排序完成的電子標籤顯示出來，並指示自動化機器執行。. 25.

(35) 其分類機制流程圖如下所示：. 圖 3-7. 運用二元法和訊號強度法的分類機制流程圖. 26.

(36) 3.3.3 實例說明. 根據上節所描述的分類機制，現在利用一個實例來說明：假設現在有三張電子標籤分別為 Tag A、 Tag B、Tag C 分別在 Reader 所偵測的範圍內，如圖 3-8(a)所示。. 圖 3-8 (a) 輻射功率未經衰減所偵測到的情形. 系統便開始衰減發射功率，然而發射功率的值則由二元演算法來決定。系統會將決定好的發射功率，當成下一次 Reader 要偵測電子標籤時，所發射出的功率，如圖 3-8(b)所示。藍色區域表示發射功率衰減後 Reader 所偵測到的範圍。從偵測範圍來看，仍然有多張電子標籤存在。. 圖 3-8(b) 輻射功率衰減後所偵測到的情形. 之後系統會持續利用二元法來衰減發射功率，直到無碰撞的情形發生，如圖 3-8(c)所示，青綠色區域表示發射功率所偵測到的範圍。並將此電子標籤記錄下來，下次 Reader 發出請求時，此電子標籤並不會有所回應。並將此次的發射功率設定為下界標。. 27.

(37) 圖 3-8 (c) 輻射功率再次衰減後所偵測到的情形. 接著 Reader 會增加其發射功率，試著找出其他的電子標籤。當發射功率增加時，依然偵測到多張的電子標籤，如圖 3-8(d)所示，紫色區域表示發射功率所偵測到的範圍。並將此次的發射功率設定為上界標。. 圖 3-8 (d) 輻射功率增加後所偵測到的情形. 利用上、下界標值，並透過二分法取值，來決定發射功率，如圖 3-8(e)所示，天藍色區域代表發射功率所偵測到的範圍。記錄此電子標籤之後，並讓此電子標籤無法回應 Reader 所送出的請求。並把此次的發射功率設定為下界標。. 圖 3-8 (e) 輻射功率衰減後所偵測到的情形. 再利用二分法來增加其發射功率，如圖 3-8(f)所示，淺藍色區代表發射功率所偵測到的範圍。記錄此電子標籤，並完成所有電子標的排序。. 28.

(38) 圖 3-8 (f) 輻射功率增加後所偵測到的情形. 最後，再透過系統資料庫的指示來針對電子標籤 A、電子標籤 B、電子標籤 C 作何種處理，進而完成商品分類的動作。籍由分類的動作，除了可降低人員、自動化機器方面的出錯，也可提昇作業上的效率。接著說明 Reader 如何決定下次發出請求訊號時，發射功率值的大小。由圖 3-9 所示，0%和 100%分別代表 Reader 發射最小功率以及最大功率。當 Reader 每送出一次請求訊號時，藉由碰撞與否並自我調整發射功率，至於發射功率值的調整方式則利用二元搜尋法的公式來決定。. a0 + an 2. am =. …………………………………..(3.1). a0 : Reader 發射最低功率、 a n : Reader 發射最高功率、 a m :. 決定下次 Reader. 發射功率的值，然而圖 3-9 是配合 3.3.3 節所假設的例子所得到的發射功率增減值。 100 80 60 Reader發射功率. 40 20 0 1. 2. 3. 4. 5. Reader偵測次數. 圖 3-9. 發射功率增減值 29. 6.

(39) 第四章實驗結果與分析在本章節中，本論文首先將分別實驗系統(1)經過電磁波反射(2)未經過電磁波反射所造成的影響，之後再探討電磁波反射和系統二者間的關係。並在最後根據實驗結果的顯示，來對系統做出評估與建議。. 4.1 實驗架構與環境本論文的實驗環境架構於室內環境。在室內環境中，盡可能將會干擾到 Reader 收發訊號的儀器、設備給移除(例如：900MHz wireless telephone、900MHz wireless local area networking (WLAN) equipment...等)。其硬體設備以及軟體環境如下所示：硬體設備：讀卡機：AWID 公司開發的產品，MPR-2010 系列的讀卡機(UHF 頻段) 電子標籤：ISO-18000-6B 的規格軟體環境：作業系統：Windows XP 網路設置：Ethernet 100Mbps 程式語言：Visual C# 在設備的配置上，Reader 通常都會置於一定的高度之上，為了電子標籤擺放上的方便，故將 Reader 置高於 1 公尺左右[28]。如圖 4-1 所示。其中 R 與 r 分別代表 Reader 和電子標籤之間的距離以及電子標籤和電子標籤之間的距離。. 30.

(40) Reader Tag A. R. Tag B. r. Distance Distance 圖 4-1 實驗環境架構圖. 4.2 實驗假設本實驗所得到的實驗結果，有做一些基本的假設條件，而所得到的實驗結果也是以這些基本假設為基礎，這些假設如下所示： 1. 電子標籤皆有相同的感應距離：電子標籤收到 Reader 所發出的電磁波之後，並傳送回 Reader，這之間的距離稱做感應距離。電子標籤若沒有相同的感應距離，則會有下列二種情形發生： (1)過於近：當電子標籤移動到一定距離之後，會產生無法偵測到感應距離較近的電子標籤。 (2)過於遠：當電子標籤移動到一定距離之後，會產生只有感應距離較遠的電子標籤被偵測到。為了避免上述情形發生，因而取電子標籤最短的感應距離，來當作實驗最遠的距離。. 2. 電子標籤規格皆相同：電子標籤的規格有許多種，例如：EPC、ISO…等。不同的應用所對應的電 31.

(41) 子標籤皆不同，例如：玻璃、紙箱…等。在本論文中，首先只探討想同型式、應用，不同型式、應用並非在此次的討論之中。. 3. Reader 與電子標籤傳輸媒介穩定： Reader 與電子標籤之間資料傳遞是透過空氣來當作傳輸媒介。故天然(溫、溼度…等)、人為(人員、物品移動時，有 900MHz 的設備)因素的影響，勢必也會影響到 Reader 無法判讀到電子標籤的存在(電子標籤仍在 Reader 偵測範圍內)，盡可能排除這些不必要的因素，來保持 Reader 與電子標籤之間資料傳遞穩定。. 4. Reader 與電子標籤處於靜止狀態：在執行分類機制時，是需要時間上的花費。若電子標籤處於移動的狀態中，則勢必會無法完成分類的程序。所以當電子標籤紛紛進入到 Reader 的偵測範圍內，皆必需先保持靜止的狀態，當系統執行完分類機制後，方可再進行移動。. 5. Reader 固定角度偵測： Reader 透過角度的調整，所得到的結果勢必也會有所不同。為了避免因角度的不同而導致結果的非一致性，所以 Reader 在擺設上，皆以固定方向(水平擺設)來執行分類機制。 6. 單一 Reader：在本實驗中，只需一台 Reader 即可完成分類機制。多台 Reader 也可完成分類機制，但必需要考慮到彼此間碰撞的問題產生以及成本上的花費。在成本以及複雜性的考慮下，選擇利用一台 Reader 來執行。. 32.

(42) 4.3 實驗結果與分析本章節所做的實驗結果，主要是針對於系統是否會因為電磁波的反射干擾而造成誤判的情形發生，分別針對二種情形來做探討(1)不考慮反射的情形 (2) 考慮反射的情形。在考慮反射情形下，又分別探討電磁波經過金屬材質與非金屬材質二者之間的關係。經由上述二種情形，來探討電磁波反射干擾影響的程度。不論在何種情形之下，其實驗環境的架構將如圖 4-1 所示，然而在電子標籤數量選擇下，先從系統需要進行分類機制，所需的最少張數(n=2)來做實驗，首先固定 R 的距離(30cm)，r 則以每隔 10cm 做一次實驗記錄直到 r 到達 50cm。再變動 R 的距離(40cm)，r 依續保持每隔 10cm 做一次記錄，以此類推下去。藉由以上的實驗來找到最佳的 r。並利用最佳的 r 為基準點來增加 Tag 數量，並分析系統是否會因為 Tag 數量的增加而使誤判的情形產生。在錯誤率的計算方面，電子標籤採取互調的方式進行(第一次實驗，A 標籤擺放於 B 標籤前方完成每筆記錄後。第二次實驗 B 標籤擺放於 A 標籤前方再記錄每筆記錄，以此類推下去)，每點位置錯誤率如下所示：. FR − r =. F .....…………………….………. ……………………..(4.1) N. N: 單點位置總執行次數、F: 單點位置判讀失敗次數、 FR − r :單點位置錯誤率，最後再取其平均值來計算出其錯誤率如下所示：. errorR − r =. FR − r −1 + L + FR − r − n × 100% N. .………………..…….(4.2). N: 平均數量、 FR − r − n : 單點位置錯誤率、 errorR − r : 錯誤率，再將其錯誤率記錄於圖中。接著探討標籤天線角度旋轉和系統之間的關係。最後將會探討此系統中，電子標籤的數量以及執行時間二者之間的關係。. 33.

(43) 4.3.1 考慮反射(金屬材質)的實驗結果當系統從發射端射出電磁波後，經過一個金屬良好導體，在導體內的電磁波會衰減很快，使得場量受限於導體表面區域，而產生了趨膚效應(skin effect)。因此當電磁波經過金屬良好導體時，會沒有折射的現象產生，幾乎會全部反射回去，故外界常用金屬導體來遮蔽外界電磁波的干擾。因此透過鋪設一層金屬導體 (金、銀、銅、鐵...等)的實驗，來驗証電磁波在無折射損失的情形下，系統對於電子標籤的分類上是否會有誤判的情形產生。在圖 4-2 中，x 軸表示 Tag 與 Tag 彼此之間的距離，右上方表示 Reader 與 Tag 彼此之間的距離，y 軸表示 Reader 與 Tag 再進行資料擷取時，所得到資料的準確性(準確率愈高，錯誤率相對性會愈低)，並經由圖 4-2 實驗結果得知，當 Tag 與 Tag 彼此之間的距離≧20cm，不論 Reader 與 Tag 彼此之間的距離為何，系統皆可正確的判讀出順序，並和自動化機器完成分類的操作。. 錯誤率. 100% 80%. 30 cm. 60%. 40 cm 50 cm 60 cm. 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. Tag與Tag之間的距離. 34. 40. 50 (單位： cm).

(44) 錯誤率. 100% 80%. 70 cm. 60%. 80 cm 90 cm 100 cm. 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-2. 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率. 由上述實驗得知，當 Reader 與 Tag 彼此之間的距離≧70cm 時，Tag 與 Tag 之間的距離拉進到 10cm，系統並無誤判情形產生。但實驗的主要目地是不論電子標籤置於何處，系統皆能夠正確的判斷，因此 Tag 與 Tag 彼此之間的距離必需≧20cm。故接下實驗將以 Tag 與 Tag 彼此之間 20cm 為基準，然而也是每隔 10cm 做一次實驗記錄。圖 4-3 所示為電子標籤數量三張時，Reader 判讀的情況。圖 4-4 為電子標籤數量四張時，Reader 判讀的情況。由圖 4-3、4-4 得知，即使電子標籤往上增加至三、四張，只要 Tag 與 Tag 彼此之間≧20cm 皆可使 Reader 在判讀上無誤。. 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-3. 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率 35.

(45) 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-4. 考慮反射(金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率. 4.3.2 考慮反射(非金屬材質)的實驗結果當系統從發射端射出電磁波後，從原本的媒質進入到另一個媒質(非金屬材質)時，會有反射波、折射波的問題產生。由於有折射的情形發生，故電磁波反射回來的能量勢必會減少，對於 Reader 在判讀電子標籤也會有所影響。底下的實驗，是透過鋪設一層非金屬材質(木板...等)所做的結果，來驗証電磁波在有折射損失的情形，Reader 對於判讀電子標籤的分類上是否會有所影響。實驗結果如下圖所示，由圖 4-5 來觀察雖然只有在二點區間有誤判的情形產生，但若和圖 4-2 做比較在誤判的情形下顯然好的許多。隨著不同的環境改變，電磁波折射的情形也會有所不同，而導致 Reader 與電子標籤在判讀上會有所不同。但隨著電子標籤彼此間距離的增加(≧20cm)，Reader 與電子標籤在判讀上錯誤率會幾乎接近於零誤差。. 36.

(46) 100%. 錯誤率. 80% 30 cm. 60%. 80 cm. 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 40 cm. 80%. 50 cm. 60%. 60 cm. 錯誤率. 100%. 40%. 70 cm 90 cm. 20%. 100 cm. 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-5. 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率. 接下來的實驗，將隨著電子標籤的增加，電子標籤彼此間的距離保持≧20cm 以使系統在執行判讀上幾乎接近零錯誤率。圖 4-6 所示為電子標籤數量三張時， Reader 判讀的情況。圖 4-7 所示為電子標籤四張時，Reader 判讀的情況。由底下的實驗結果可得知，將距離拉大到≧20cm，電子標籤的增加一樣會使系統在判讀上接近零錯誤率。. 37.

(47) 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-6. 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率. 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-7. 考慮反射(非金屬材質)，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率. 4.3.3 不考慮反射的實驗結果上述二小節分別說明電磁波經反射、反射加折射的實驗之後，Reader 在判讀電子標籤上所產生的結果。然而在進行電磁波的實驗中，忽略電磁反射干擾的因素常常被考慮進去，主要是避免因電磁波反射干擾，而造成實驗結果上的誤差產生。故此節將忽略反射的情形，並透過實驗得到的結果來和上述二小節做一些. 38.

(48) 比較。實驗結果如下圖所示。由圖 4-8 實驗結果得知，忽略反射因素的實驗結果顯然比圖 4-2 在誤判的情形上好許多，雖然和圖 4-5 在誤判上同是有二個誤判，然而其相異之處，也是忽略反射此因素的優點是，Reader 並不會隨著的環境改變，而導致 Reader 與電子標籤在判讀上會有所不同。然而下圖的實驗結果顯示 Reader 在執行電子標籤判讀幾乎零錯誤率的結果也與上述二節一樣，電子標籤彼此間距離也需≧20cm。. 100%. 錯誤率. 80% 30 cm. 60%. 40 cm. 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 100% 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-8. 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=2)的錯誤率. 39.

(49) 接下來隨著電子標籤數量的增加，電子標籤彼此間距離≧20cm，所做的實驗結果。圖 4-9 所示為 Reader 判讀電子標籤(n=3)時，所產生的錯誤率。圖 4-10 所示為 Reader 判讀電子標籤(n=4)時，所產生的錯誤率。由底下的實驗得知，其結果與上述二小節的情形相同。. 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-9. 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=3)的錯誤率. 100% 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 100 cm. 錯誤率. 80% 60% 40% 20% 0% 0. 10. 20. 30. 40. 50 (單位： cm). Tag與Tag之間的距離. 圖 4-10. 不考慮反射，Reader 對電子標籤(n=4)的錯誤率. 40.

(50) 4.3.4 探討電子標籤角度旋轉由第二章節得知，被動式標籤因為本身不具有電力因此無法將資料送回 Reader 端。所以在電力取得上，必需依賴 Reader 所發送的電磁波能量並將其轉換成電能來驅動電子標籤送回資訊。然而在電磁波能量的接收上天線是重要因素，並隨著天線接收面的大小將會使得在接收電磁波能量上有所不同，公式如下所示： Eθ =. η0I0 ⎛π ⎞ cos ⎜ cos θ ⎟ …………………..…(4.3) 2 π r sin θ ⎝ 2 ⎠. 由上述式子可見 θ = 0 ° 與 θ = 180. θ = 270. °. °. ，沒有電磁輻射能量。而 θ = 90 ° 與. ，即電磁輻射能量最強[29]。接著將探討標籤旋轉角度和系統準確性. 二者間關係，最後再分析實驗結果。實驗環境依然以圖 4-1 來實驗，R 以及 r 分別為 40cm 和 20cm(系統無誤判的最短距離)。在旋轉角度分配上，由右至左每隔 15 度做記錄直到 360 度。由式子 4.3 所示得知，天線接收面與 Reader 輻射面垂直時，天線接收到的能量遠比其它角度所收到的能量還大。所以在實驗中，當旋轉單一標籤時其餘標籤皆與 Reader 輻射面垂直，並持續每隔 15 度旋轉直到 360 度。接著換旋轉第二標籤，將第一標籤與 Reader 輻射面垂直，以此類推。當所有標籤旋轉記錄完畢，再進行互調的方式並重新記錄。每點角度位置錯誤率如下所示：. FA− n − m =. FA .....…………………….………. ……………………..(4.4) NA. N A : 單點角度位置總執行次數、 F A : 單點角度位置判讀失敗次數、 F A − n − m : 單點角度位置錯誤率，其中 A：角度旋轉、n：第幾個標籤執行角度旋轉、m：標籤位置順序。最後再取其平均值來計算出其錯誤率如下所示：. errorA =. FA− n −1 + L + FA− n − m × 100% N 41. …….………………..…….(4.5).

(51) N: 平均數量、 FA− n − m : 單點角度位置錯誤率、 errorA : 錯誤率，再將其錯誤率記錄於圖中。其實驗結果如下所示：. 系統誤判率 100 80 錯誤率. 60 40 20 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180195 210 225 240 255 270 285 300315 330 345 360 Tag旋轉角度. 圖 4-11 系統判讀錯誤率(n = 2). 系統誤判率 100 80 錯誤率. 60 40 20 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135150 165 180 195 210 225240 255 270 285 300 315330 345 360 Tag旋轉角度. 圖 4-12. 系統判讀錯誤率(n = 3). 系統誤判率 100 80 錯誤率. 60 40 20 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180195 210 225 240 255 270 285 300315 330 345 360 Tag旋轉角度. 圖 4-13. 系統判讀錯誤率(n = 4) 42.

(52) 圖 4-11、4-12、4-13 分別為標籤數量 2、3、4 時，所得到的實驗結果。由上述的實驗結果得知，當旋轉角度在 90 ± 15 ° 以及 270 ± 15 ° 時，系統依然能夠判讀無誤。然而隨著天線接收面的減少，系統在準確性上會明顯的下降。當旋轉角度到達 0 ° 、180. °. 時，此時幾乎沒有電磁能量，因此系統在準確性上幾乎接近 0%。. 4.3.5 探討電子標籤數量與時間上的關係最後將探討系統執行時間和電子標籤數量二者的關係。隨著辨識的電子標籤數量的增加，系統完成分類後所需的時間勢必會隨著增加。為了使系統能達到零失誤以及完成分類之後花費的時間最久，所以在 Tag 與 Tag 之間的距離擺設以 20cm 為基準，實驗結果如圖 4-14 所示。由圖 4-14 得知，隨著所送的訊號時間的不同、以及在 Reader 偵測範圍內電子標籤的數量不同，所需的時間會相對的增加。然而隨著電子標籤數量的愈多，勢必會產生有一、二個電子標籤偵測不到的問題產生。為了避免此問題產生，所以必需控制電子標籤的最大數目，而使系. 完成分類所需的時間. 統不會有 Loss 的情形產生。. 60 50 40 30. n = 2 n = 3 n = 4 n = 5. 20 10 0. n = 6. (單位：秒). 0. 50. 100. 150. 200(單位：毫秒). 隔多久送一次訊號. 圖 4-14. 完成分類所需的時間(Tag 彼此距離 20cm). Reader 在相同的偵測距離之下，若 Tag 與 Tag 彼此之間的距離擺設以 40cm 為基準，則實驗結果如圖 4-15 所示。由圖 4-15 的實驗得知，隨著 Tag 與 Tag 彼 43.

(53) 此之間距離的增大，而使得系統在執行電子標籤分類所需的次數相對性減少許. 完成分類所需的時間. 多，因而使得所需花費的時間大幅的縮短。. 35 30 25 20 15 10 5 0. n=2 n=3 n=4. (單位：秒). 0. 50. 100. 150. 200. (單位：毫秒). 隔多久送一次訊號. 圖 4-15. 完成分類所需的時間(Tag 彼此距離 40cm). 由上述的實驗結果得知，偵測到的電子標籤數量愈多，系統所需執行的時間也相對性的增加。若能(1)將 Tag 與 Tag 彼此之間距離拉大，(2)降低 Reader 收發一次訊號的時間，都將能夠減少系統在執行上時間的花費。. 4.3.6 綜合討論綜合以上各項的實驗數據，可以得到以下的結論： 1.. 針對系統是否會因為電磁波反射而造成誤判而言，經由上述的實驗數據來. 看，當忽略反射因素所得到的數據會比考慮反射因素要來的好，故電磁波的反射的能量增大，對系統在執行判讀上所造成誤判的情況會相對的增加。但隨著 Tag 與 Tag 彼此之間距離的增大，反射因素對於系統的影響則是愈來愈小甚至可以說可以忽略。 2.. 由實驗數據來看，三種實驗環境之下可以明顯看出，若系統能在完全無反射. 的環境下執行分類的機制會遠比其他二種環境下還要好。圖 4.8 所示，當 Reader 與 Tag 之間的距離的加大(≧50cm)時，Tag 與 Tag 之間的距離可以拉進到 10cm 44.

(54) 也不會出現誤判的情形。然而反射(金屬材質)則需要加大至≧70cm，才可拉進彼此之間的距離。至於反射(非金屬材質)，則會隨著不同的環境改變，電磁波折射的情形也會有所不同，而導致 Reader 與電子標籤在判讀上會有所不同。 3.. 針對系統正確無誤執行電子標籤判讀的觀點來看，三種實驗環境皆有共同的. 點，也就是當 Tag 與 Tag 彼此之間的距離≧20cm，不論 Reader 與 Tag 距離多少，幾乎接近零誤判。並透過電子標籤數量的增加，系統在執行電子標籤判讀上，依然能夠保持零誤判的情形。 4.. 針對標籤旋轉方向來看，隨著天線接收輻射量的減少，系統造成誤判的情形. 愈明顯。並由公式(4.3)來得証實驗，當旋轉方向於 90 ° 、 270 ° 天線接收輻射能量最大，系統無誤判產生。然而隨著天線接收輻射量的減少，系統在準確性上會明顯下降。 5.. 針對時間觀點來看，圖 4.14 所示，隨著電子標籤數量的增加(1)所需花費的. 時間也相對的久，(2)系統也會有 Loss 的情形發生[30,31]。為了使系統能夠快速完成分類以及無 Loss 情況發生，電子標籤的數量控制也是重要的因素。除了數量的控制上可以縮短時間外，另外將電子標籤彼此之間的距離增大，也能夠使系統在與電子標籤進行傳輸時執行次數減少進而縮短時間，實驗結果如圖 4.15 所示。 6.. 雖然系統在距離、旋轉方向上有所限制。然而有些應用即使在此限制下依然. 能夠使用，例如：混凝土填裝、車輛進出口柵門控管、貨物管理(貨盤運進先後… 等)。. 45.

(55) 第五章結論本論文目的在於提出一個分類的機制，使 Reader 除了能夠辨識多重標籤外，同時也能夠將其分類完成。原本的 RFID 是利用反碰撞演算法來達到能夠辨識多重標籤的存在，但資料卻是隨機讀取進來的。所以在辨識的過程中，雖然系統可得知有那些物品、資訊，但卻不知其先後順序，還是得靠人力來進行分類。實驗結果顯示，本論文所提出的分類機制，除了能保有多重標籤辨識的功能外，還能夠使 RFID 達到分類的功能。由實驗結果來看，雖然無反射環境下會比其他二種環境下還要來的好，但大部份的應用環境都以反射(金屬材質)、全反射(非金屬材質)為主。然而不論是那種環境，為了要達到零誤判的情況，Tag 與 Tag 彼此間的距離必需要大於或等於 20cm。然而此距離，在系統需要執行分類應用下是足夠的。本論文是藉由二元演算法配合輻射功率來做探討，把焦點集中在改善系統無法完成分類的功能。在未來，有關本論文其他可行的主題探討，例如：不同型態 Tag、Multi-Reader 的加入、Tag 與 Tag 彼此間距離的縮短、系統辨識後所需的時間縮短，這些都是在分類機制下，值的去探討的主題。. 46.

(56) 參考文獻 [1]. N. Adair, “Radio Frequency Identification (RFID) Power Budgets for Packing Applications”, November 2005. < http://www.iopp.org/files/MSUAdair.pdf >. [2]. L. Bolotnyy, G. Robins, “Multi-Tag Radio Frequency Identification Systems”, In Proc. IEEE, pp.83-88, October 2005. [3]. L. Bolotnyy, G. Robins, “The case for Multi-Tag RFID System”, In Proc. IEEE International Conference on Wireless Algorithms, System and Application, pp.174-186, August 2007. [4]. H. S. Choi, J. H. Kim, “Anti-collision algorithm using Bin slot in RFID System”, In Proc. IEEE, pp.1-6, November 2005. [5]. C. P. Wong, Q. Feng, Senior Member, IEEE, “Grouping Based Bit-Slot ALOHA Protocol for Tag Anti-collision in RFID System”, In Proc. IEEE Communications Letters, vol. 11, no. 12, pp.946-948, December 2007. [6]. A. C. V. Gummalla, J. O. Limb, “Wireless Collision Detect (WCD) : Multiple Access with Receiver Initiated Feedback and Carrier Detect Signal”, In Proc. IEEE , vol. 1,pp.397-401, June 2000. [7]. W. Xu, Graham Campbell, “A Distributed Queueing Random Access Protocol for a Broadcast Channel”, In Proc. ACM, vol. 23, no. 4, pp.270-278, October 1993. [8]. S. Jain, S. R. Das, “Collision Avoidance in a Dense RFID Network”, In Proc. ACM, Los Angeles, California, USA, pp.49-56, September 2006. [9]. J. Waldrop, D. W. Engels, S. E. Sarma, “Colorwave : An Anti-collision Algorithm for the Reader Collision Problem.”, In Proc. IEEE , vol. 2, pp. 1206-1210, May 2003.. 47.