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[摘 要]RFID在物联网等领域的高速发展也带动了其在设备制造行业的广泛应用。本文介绍了RFID的基本原理及其在长距离移动设备定位中的应用具体案例。
[关键词]RFID技术；定位精度优化；编码器校正
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0398-02
一、引言
进入工业4.0时代，设备的智能化程度大大提高，因此对设备的控制精度也要求更高。传统的单一编码器在长距离的定位中由于误差以及设备本身机械特性等造成的偏差已经不能满足需要。而可靠稳定的校正功能可以在一定程度上解决这个问题。随着移动互联网的发展及物联网技术的兴起，基于位置的服务技术得到显著提升。除了大众熟悉的GPS之外，还有像WIFI、蓝牙和RFID等技术也得到广泛应用。其中RFID除了具有低成本、定位精度高和识别速度快等特点，还有非接触、非视距的特点得到了广泛的应用。
二、RFID基本原理
2.0 RFID技術
RFID（Radio Frequency identification）无线射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标（标签）并读写相关数据而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电讯号是通过调成无线电频率的电磁场进行识别器和标签之间的数据交换。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，也可以嵌入被追踪物体之内。
RFID最早应用于第二次世界大战中辨别敌我飞机身份，随着物联网技术的发展，高性价比的RFID标签开始广泛应用于生产和生活的各个方面。
RFID主要性能特点：
①快速扫描。RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签，目前最快的超高频读写器可以达到单标签1000次每秒。即每个标签的处理速度为1ms。
②标签体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状的限制。RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。目前有胶带状的、卡片式、纽扣式以及专门安装于金属上的。
③抗污染能力和耐久性。目前工业上应用的RFID产品的防护等级普遍都达到了IP67。
2.1 RFID工作原理
RFID系统一般包含标签（tag）、读写头（Reader）、控制器（Controller）组成，如图1所示。
标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。标签一旦进入RFID读写头的扫描范围内，即可进行射频信号交换。
读写头：又称为阅读器/扫描器，是RFID系统的关键元件。读写头不断地向外发出无线电讯号进行扫描，对检测区域内的标签数据进行读写。读写头有多种形式，可分为手持式和固定式，无需接触即可读写标签中的信息。
控制器：负责将控制指令和数据发送至读写头，并接受来自读写头的数据和状态。同时将处理好的数据送至上位机或PLC控制系统，由上位机或者是PLC控制系统对其进行管理。
三、基于RFID的定位精度优化
目前长距离移动设备（如：港口门机、岸桥、散料场斗轮机）的定位都是采用编码器进行定位。而单一的编码器定位在实际应用中由于编码器的相对误差和移动机构打滑等情况造成的偏差会随着移动距离的增加而不断累积以致造成较大的误差致使设备无法进行自动作业。传统的位置校正和优化措施则因为恶劣的设备工作環境和大量的线路敷设等难以维持稳定。通过应用RFID系统能稳定有效的解决此类问题。
在设备移动路径上安装一组平行于移动轨迹的RFID标签，根据RFID标签安装的精确位置设定标签中的存储内容。将RFID读写头安装至设备移动部位上，调整好读写头与标签的距离。设备在移动过程中通过RFID读写头读取标签中的数据得到精确的位置信息，然后用该位置信息去校准编码器。利用上述方法消除编码器的累积误差，从而达到提高定位精度的作用。
简要流程图如图2所示。
系统包含如下部分：
①RFID的初始化：
主要包括对RFID标签的类型、需要存储数据的长度、对应读写头的数量、与硬件对应的接口进行设置
②RFID硬件及通讯的故障诊断
主要包括RFID控制器通过读写头反馈的状态、辅助设备的状态进行逻辑编程判断RFID的硬件与通讯是否正常，以及RFID的初始化是否完成。
③RFID的读写控制逻辑
包含各个标签写入数据的具体方式、设置正常工作状态下RFID连续读取标签数据的方式。
④触发读写头读取标签的控制信号处理
由于RFID读取头能在一定范围内对标签进行读取，为保证读取数据时的位置精度需要对读写头的读取进行设置。所以采用瞬时触发信号进行读取操作。
⑤编码器的校正功能
主要包括读取标签数据并将其转化为位置数据，然后对编码器的值进行校正。
⑥RFID故障判定
该部分包括RFID标签的故障诊断及触发读取信号的诊断。
大致原理如下：
通过对走行设备编码器采集的实际值与所有标签区域的位置值进行循环比较，判断设备是否在某一标签区域。若在标签区域，同时触发读取信号（该信号用两个接近开关实现），但是RFID的读写头未读取到RFID的标签数据和状态则可以认定此标签异常；若设备在标签区域，读写头检测到标签数据和状态但是没有触发信号则可以认定触发信号异常。
⑦RFID故障标签的判定算法
该部分是针对RFID标签出现异常的位置判断。实际使用过程中标签数量多。当其中某个标签出现异常，系统不能自动辨别出错误的标签号码而通过后续人为进行判定的话，工作量大，且不容易实现。因此必须在程序中能自动识别故障标签位置。
具体如下：
为了方便进行判定，必须每个标签的间距相同。根据标签安装的实际位置从小到大设定标签的代码依次为1、2、3、…、n。假设标签间距为：a；编码器采集的设备实际位置为：l。
当程序执行过程中判断出RFID标签出现异常时，取此刻编码器的实际值。则出现故障的标签代码：
i = l/a 并取整数
四、结语
RFID以其低成本、定位精度高、识别速度快、非接触、高防护等级等特点，在工业现场恶劣环境中能稳定工作。并随着其在物联网和移动通信技术行业内的广泛应用，RFID技术将日益精湛，也将应用到国民生活更多的领域中。因此，对RFID在工业设备中的应用研究具有非常积极的作用。
参考文献
[1] 张燕宁，杜辉.基于RFID的室内定位算法研究.电脑编程与维护，2016.
[关键词]RFID技术；定位精度优化；编码器校正
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0398-02
一、引言
进入工业4.0时代，设备的智能化程度大大提高，因此对设备的控制精度也要求更高。传统的单一编码器在长距离的定位中由于误差以及设备本身机械特性等造成的偏差已经不能满足需要。而可靠稳定的校正功能可以在一定程度上解决这个问题。随着移动互联网的发展及物联网技术的兴起，基于位置的服务技术得到显著提升。除了大众熟悉的GPS之外，还有像WIFI、蓝牙和RFID等技术也得到广泛应用。其中RFID除了具有低成本、定位精度高和识别速度快等特点，还有非接触、非视距的特点得到了广泛的应用。
二、RFID基本原理
2.0 RFID技術
RFID（Radio Frequency identification）无线射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标（标签）并读写相关数据而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电讯号是通过调成无线电频率的电磁场进行识别器和标签之间的数据交换。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，也可以嵌入被追踪物体之内。
RFID最早应用于第二次世界大战中辨别敌我飞机身份，随着物联网技术的发展，高性价比的RFID标签开始广泛应用于生产和生活的各个方面。
RFID主要性能特点：
①快速扫描。RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签，目前最快的超高频读写器可以达到单标签1000次每秒。即每个标签的处理速度为1ms。
②标签体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状的限制。RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。目前有胶带状的、卡片式、纽扣式以及专门安装于金属上的。
③抗污染能力和耐久性。目前工业上应用的RFID产品的防护等级普遍都达到了IP67。
2.1 RFID工作原理
RFID系统一般包含标签（tag）、读写头（Reader）、控制器（Controller）组成，如图1所示。
标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。标签一旦进入RFID读写头的扫描范围内，即可进行射频信号交换。
读写头：又称为阅读器/扫描器，是RFID系统的关键元件。读写头不断地向外发出无线电讯号进行扫描，对检测区域内的标签数据进行读写。读写头有多种形式，可分为手持式和固定式，无需接触即可读写标签中的信息。
控制器：负责将控制指令和数据发送至读写头，并接受来自读写头的数据和状态。同时将处理好的数据送至上位机或PLC控制系统，由上位机或者是PLC控制系统对其进行管理。
三、基于RFID的定位精度优化
目前长距离移动设备（如：港口门机、岸桥、散料场斗轮机）的定位都是采用编码器进行定位。而单一的编码器定位在实际应用中由于编码器的相对误差和移动机构打滑等情况造成的偏差会随着移动距离的增加而不断累积以致造成较大的误差致使设备无法进行自动作业。传统的位置校正和优化措施则因为恶劣的设备工作環境和大量的线路敷设等难以维持稳定。通过应用RFID系统能稳定有效的解决此类问题。
在设备移动路径上安装一组平行于移动轨迹的RFID标签，根据RFID标签安装的精确位置设定标签中的存储内容。将RFID读写头安装至设备移动部位上，调整好读写头与标签的距离。设备在移动过程中通过RFID读写头读取标签中的数据得到精确的位置信息，然后用该位置信息去校准编码器。利用上述方法消除编码器的累积误差，从而达到提高定位精度的作用。
简要流程图如图2所示。
系统包含如下部分：
①RFID的初始化：
主要包括对RFID标签的类型、需要存储数据的长度、对应读写头的数量、与硬件对应的接口进行设置
②RFID硬件及通讯的故障诊断
主要包括RFID控制器通过读写头反馈的状态、辅助设备的状态进行逻辑编程判断RFID的硬件与通讯是否正常，以及RFID的初始化是否完成。
③RFID的读写控制逻辑
包含各个标签写入数据的具体方式、设置正常工作状态下RFID连续读取标签数据的方式。
④触发读写头读取标签的控制信号处理
由于RFID读取头能在一定范围内对标签进行读取，为保证读取数据时的位置精度需要对读写头的读取进行设置。所以采用瞬时触发信号进行读取操作。
⑤编码器的校正功能
主要包括读取标签数据并将其转化为位置数据，然后对编码器的值进行校正。
⑥RFID故障判定
该部分包括RFID标签的故障诊断及触发读取信号的诊断。
大致原理如下：
通过对走行设备编码器采集的实际值与所有标签区域的位置值进行循环比较，判断设备是否在某一标签区域。若在标签区域，同时触发读取信号（该信号用两个接近开关实现），但是RFID的读写头未读取到RFID的标签数据和状态则可以认定此标签异常；若设备在标签区域，读写头检测到标签数据和状态但是没有触发信号则可以认定触发信号异常。
⑦RFID故障标签的判定算法
该部分是针对RFID标签出现异常的位置判断。实际使用过程中标签数量多。当其中某个标签出现异常，系统不能自动辨别出错误的标签号码而通过后续人为进行判定的话，工作量大，且不容易实现。因此必须在程序中能自动识别故障标签位置。
具体如下：
为了方便进行判定，必须每个标签的间距相同。根据标签安装的实际位置从小到大设定标签的代码依次为1、2、3、…、n。假设标签间距为：a；编码器采集的设备实际位置为：l。
当程序执行过程中判断出RFID标签出现异常时，取此刻编码器的实际值。则出现故障的标签代码：
i = l/a 并取整数
四、结语
RFID以其低成本、定位精度高、识别速度快、非接触、高防护等级等特点，在工业现场恶劣环境中能稳定工作。并随着其在物联网和移动通信技术行业内的广泛应用，RFID技术将日益精湛，也将应用到国民生活更多的领域中。因此，对RFID在工业设备中的应用研究具有非常积极的作用。
参考文献
[1] 张燕宁，杜辉.基于RFID的室内定位算法研究.电脑编程与维护，2016.