一種確定被動(dòng)式超高頻RFID標(biāo)簽優(yōu)選位置的方法

朱智源，趙 健，任 禾

（中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所綜合信息系統(tǒng)研究中心，北京 100190）

1 引 言

RFID全稱無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification），是一種基于無(wú)線射頻通信的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。由于具有很多優(yōu)點(diǎn)，RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物流與供應(yīng)鏈管理、電子商務(wù)、信用卡、防偽和安全控制、交通管理和控制、生產(chǎn)管理和控制等各個(gè)領(lǐng)域[1]。但是，由于RFID標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，設(shè)備種類多樣，各廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品之間性能存在較大差異，其實(shí)際應(yīng)用，特別是在物流行業(yè)中的應(yīng)用并不成熟。許多RFID應(yīng)用系統(tǒng)并不是在最佳狀態(tài)下工作，甚至工作性能還達(dá)不到其標(biāo)稱值，因此有必要采取一些手段來(lái)優(yōu)化RFID系統(tǒng)的應(yīng)用。由于被動(dòng)式超高頻RFID系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為RFID應(yīng)用的主流，所以該文主要討論這類系統(tǒng)。在被動(dòng)式超高頻RFID應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了很多積極的探索。Hodges[2]通過(guò)機(jī)械手臂自動(dòng)貼標(biāo)簽，然后繪制標(biāo)簽在各個(gè)位置獲得的信號(hào)強(qiáng)度分布圖，通過(guò)分析這個(gè)分布圖來(lái)分析標(biāo)簽的優(yōu)選位置。泰克使用實(shí)時(shí)頻譜分析評(píng)估和優(yōu)化RFID系統(tǒng)[3]。Michael Buettner在實(shí)際環(huán)境中，用實(shí)驗(yàn)方法研究了UHF RFID系統(tǒng)性能表現(xiàn)及優(yōu)化方法。Ramakrishnan分析了影響RFID應(yīng)用性能的各種因素，提供了一套標(biāo)簽性能的基準(zhǔn)測(cè)試方法，并對(duì)RFID標(biāo)簽在部分典型的應(yīng)用環(huán)境的性能表現(xiàn)進(jìn)行了分析。該文針對(duì)規(guī)則物體，提出了一種可操作性較強(qiáng)且測(cè)試結(jié)果可重現(xiàn)的確定RFID標(biāo)簽優(yōu)選位置的測(cè)試方法。該文以下各節(jié)安排如下，第2節(jié)對(duì)被動(dòng)式超高頻RFID系統(tǒng)性能的影響因素做了簡(jiǎn)單分析，并在此基礎(chǔ)上提出了測(cè)試方法；第3節(jié)對(duì)測(cè)試環(huán)境做了詳細(xì)地描述；第4節(jié)闡述了測(cè)試的具體過(guò)程；第5節(jié)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，并得出了一些關(guān)于確定貨箱的RFID標(biāo)簽優(yōu)選位置的一般性結(jié)論；最后一節(jié)是結(jié)論部分，對(duì)方法的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并列舉了該方法的局限性及未來(lái)有待進(jìn)一步研究的方向。

2 被動(dòng)式超高頻RFID系統(tǒng)性能的影響因素

決定RFID系統(tǒng)性能很重要的一個(gè)因素是標(biāo)簽的讀取范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，由閱讀器的天線發(fā)出的電磁場(chǎng)可以為標(biāo)簽提供足夠的能量使其足以激活微型片電路，并將轉(zhuǎn)換后的電磁信號(hào)再傳遞給閱讀器天線。因?yàn)殚喿x器天線發(fā)出的能量是隨著距離的加長(zhǎng)而不斷衰減的，所以這個(gè)范圍是很有限的。在理想環(huán)境下，標(biāo)簽的讀取范圍可以用弗林斯傳輸方程來(lái)計(jì)算：

式中：Ptag——標(biāo)簽的接收功率；

Preader——閱讀器的輸入功率；

Gtag——標(biāo)簽天線的增益；

Greader——閱讀器天線的增益；

λ——電磁波在自由空間的波長(zhǎng)；

R——標(biāo)簽和天線之間的距離。

從式（1）中可以看出，在標(biāo)簽和閱讀器固定不變的理想環(huán)境中，標(biāo)簽接收到的能量與標(biāo)簽和天線之間距離的平方成反比。當(dāng)然，這是在理想條件下，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，很多因素會(huì)對(duì)標(biāo)簽的讀取范圍產(chǎn)生影響，主要包括：

吸收作用。在標(biāo)簽和天線之間的介質(zhì)會(huì)阻礙電磁波的傳遞，一部分能量可以認(rèn)為是被介質(zhì)吸收了。

多徑效應(yīng)。天線發(fā)射的電磁波傳播信道經(jīng)常有許多時(shí)延不同的傳輸路徑，不同路徑的相同信號(hào)在標(biāo)簽處疊加就會(huì)增大或減小信號(hào)的能量。

極化損失。因?yàn)闃?biāo)簽的方向?qū)е聫拈喿x器天線發(fā)送到RFID標(biāo)簽的能量不能最有效地被標(biāo)簽吸收。

阻抗失配。標(biāo)簽的阻抗設(shè)計(jì)一般是在沒(méi)有任何附著物的自由空間中進(jìn)行的。當(dāng)標(biāo)簽被貼附在物體上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種解諧作用。這種作用會(huì)導(dǎo)致傳遞給標(biāo)簽的能量受到一些損失。

近年來(lái)，有很多關(guān)于被動(dòng)式超高頻RFID系統(tǒng)中電磁波傳播過(guò)程能量損失的研究[4-6]。但因?yàn)檫@些影響因素相互作用，無(wú)法被直覺(jué)感知，而且很難被預(yù)測(cè)，所以這些研究仍然沒(méi)有辦法應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，RFID系統(tǒng)的應(yīng)用仍然受到了很大的影響。該文從實(shí)用角度出發(fā)，重點(diǎn)研究標(biāo)簽的貼附位置對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提出了一種標(biāo)簽優(yōu)選位置的測(cè)試方法。此方法可以用來(lái)指導(dǎo)RFID應(yīng)用，在一定程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能。

3 測(cè)試環(huán)境

RFID的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境一般比較復(fù)雜，例如位置、距離、溫度、濕度、介質(zhì)材料以及電磁干擾等諸多因素都會(huì)對(duì)RFID系統(tǒng)的性能造成影響[7-8]。為屏蔽這些干擾因素對(duì)分析測(cè)試結(jié)果的影響，選擇在半電波暗室中進(jìn)行試驗(yàn)。半電波暗室的地面鋪設(shè)有走道型吸波材料，四周及屋頂均鋪設(shè)有角錐型泡沫吸波材料，用以降低測(cè)試環(huán)境的背景噪音，消除外界雜波干擾，提高測(cè)試精度。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（如圖1）主要由滑塊導(dǎo)軌、滑塊、貨箱支架、閱讀器天線支架、滑塊控制器、RFID閱讀器、控制計(jì)算機(jī)和RFID標(biāo)簽組成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

其中，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線分別與滑塊控制器和RFID閱讀器相連，用于向滑塊控制器發(fā)送指令來(lái)驅(qū)動(dòng)滑塊沿著水平導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接收RFID閱讀器讀取的數(shù)據(jù)。RFID標(biāo)簽貼在待測(cè)貨箱之上，待測(cè)貨箱的幾何中心線和發(fā)射天線的幾何中心線保持重合，且與水平導(dǎo)軌平行，貨箱支架置于滑塊之上。為了更明確地標(biāo)定RFID標(biāo)簽在貨箱上的貼附位置，定義了3個(gè)方向，分別是K、L和M向。其中K向是指向貨箱面對(duì)發(fā)射天線一面的方向，L向是指向貨箱背對(duì)發(fā)射天線一面的方向，M向是貨箱側(cè)面方向，指向?yàn)榇怪眻D1所示紙面向內(nèi)。貨箱選用物流應(yīng)用中常見(jiàn)的上開(kāi)蓋可堆式塑料周轉(zhuǎn)箱。

4 測(cè)試流程

整個(gè)測(cè)試過(guò)程幾乎全部通過(guò)電腦控制，人為影響因素很小。在測(cè)試之前，首先要記錄環(huán)境信息，包括測(cè)試時(shí)間、讀寫(xiě)器型號(hào)、標(biāo)簽型號(hào)、環(huán)境溫度、濕度、環(huán)境電磁場(chǎng)強(qiáng)度以及貨箱的材質(zhì)、形狀、大小等信息。其次要確定測(cè)試的位置。選擇了16個(gè)具有代表性的RFID標(biāo)簽粘貼位置來(lái)做實(shí)驗(yàn)，這些位置的詳細(xì)分布如圖2所示。圖2中位置1～6分布在貨箱朝向閱讀器的面上，即圖1中K向所指的面；圖2中位置7～12分布在貨箱背離閱讀器的面上，即圖1中L向所指的面；圖2中位置13～16分布在貨箱的側(cè)面。

圖2 RFID標(biāo)簽粘貼位置示意圖

對(duì)于上述16個(gè)位置，重復(fù)以下步驟：

（1）進(jìn)行系統(tǒng)初始化。把RFID標(biāo)簽貼到測(cè)試貨箱上的指定測(cè)試位置。通過(guò)計(jì)算機(jī)端向滑塊控制器發(fā)送命令，使滑塊沿著水平導(dǎo)軌移動(dòng)到靠近RFID閱讀器發(fā)射天線端，使RFID閱讀器發(fā)射天線和RFID標(biāo)簽之間的初始距離為0.4m。

（2）測(cè)試不同位置的RFID標(biāo)簽的讀取率。通過(guò)計(jì)算機(jī)向滑塊控制器發(fā)送命令，使RFID閱讀器天線和滑塊之間的距離步進(jìn)增加10mm。對(duì)每一個(gè)位置測(cè)試RFID標(biāo)簽的讀取率。當(dāng)讀取率在標(biāo)簽到天線距離增加到某一值后一直保持為0時(shí)，則該位置的測(cè)試結(jié)束，摘除標(biāo)簽。其中，測(cè)試讀取率的方法是讀取100次，記錄其成功讀取的次數(shù)。讀取率的計(jì)算方法如下：

讀取率=成功讀取的次數(shù)/100

（3）繪制讀取率隨該位置的標(biāo)簽到天線距離變化的關(guān)系曲線。

5 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)束之后，共得到了16條距離-讀取率曲線，分別對(duì)應(yīng)貨箱上的16個(gè)RFID標(biāo)簽粘貼位置。其中，橫坐標(biāo)代表發(fā)射天線與滑塊之間的距離，單位是mm，縱坐標(biāo)代表閱讀器100次讀取中成功獲得標(biāo)簽響應(yīng)的次數(shù)，換算成百分比即為標(biāo)簽讀取率。

根據(jù)這16組曲線的相似性將其分為三組，第一組是位置14和16所對(duì)應(yīng)的曲線，如圖3所示。它們的共性是讀取率衰減很快，最遠(yuǎn)讀取距離只有360mm。所謂最遠(yuǎn)讀取距離，是指讀取率開(kāi)始一直保持為0的那一刻所對(duì)應(yīng)的距離。參考其他位置的讀取率曲線（圖4和圖5）可知，這兩個(gè)位置表現(xiàn)最差。

第二組曲線如圖4所示。它們的共性是讀取率在區(qū)間[1080，2200]上振蕩，最遠(yuǎn)讀取距離是2200mm。

雖然測(cè)試環(huán)境采用的是半電波暗室，但仍然存在著一定的多徑效應(yīng)[9]，由各直射波和反射波疊加合成的多徑效應(yīng)必然會(huì)引起某些區(qū)域的信號(hào)衰落[10]，影響系統(tǒng)讀取性能。為了方便分析，對(duì)曲線的表現(xiàn)做了如下定義：

在指定的距離P，如果曲線A所對(duì)應(yīng)的讀取率比曲線B所對(duì)應(yīng)的讀取率高，就稱在距離為P處曲線A所對(duì)應(yīng)的粘貼位置比曲線B所對(duì)應(yīng)的粘貼位置更優(yōu)。如果對(duì)于一個(gè)距離區(qū)間[P，Q]內(nèi)的各點(diǎn)，曲線A所對(duì)應(yīng)的讀取率都高于曲線B，就稱曲線A所對(duì)應(yīng)的粘貼位置在區(qū)間[P，Q]上優(yōu)于曲線B所對(duì)應(yīng)的粘貼位置。

從圖4可以看出，位置7和位置15在區(qū)間[1080，2200]上大部分占優(yōu)，且沒(méi)有明顯的死區(qū)[11]。所謂死區(qū)是指標(biāo)簽讀取率接近于零的區(qū)間。有效找出存在死區(qū)的標(biāo)簽粘貼位置，并避免將RFID標(biāo)簽粘貼于此，可對(duì)RFID系統(tǒng)的實(shí)際性能起到重要的優(yōu)化作用。

第三組曲線如圖5所示。它們的共性是在[1480，3 080]上振蕩，最遠(yuǎn)讀取距離是3 080 mm。分析圖中的曲線，位置10和位置11出現(xiàn)了明顯的死區(qū)。位置2和位置8在整個(gè)區(qū)間相對(duì)較優(yōu)，且無(wú)明顯死區(qū)。

綜合上述分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽貼在貨箱2、7、8、15的位置較優(yōu)，即將標(biāo)簽貼在貨箱的角部位置相對(duì)較優(yōu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)被動(dòng)式超高頻RFID標(biāo)簽優(yōu)選位置的選擇問(wèn)題，提出了一種基于標(biāo)簽讀取率的簡(jiǎn)單測(cè)試方法，并通過(guò)搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)予以驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，該文提出的方法及測(cè)試系統(tǒng)可用于快速評(píng)估在貨箱與天線相對(duì)靜止的條件下，單個(gè)電子標(biāo)簽貼附在貨箱表面的不同區(qū)域時(shí)的性能表現(xiàn)，從而歸納出貨箱優(yōu)選位置分布的一般性結(jié)論，有助于結(jié)合應(yīng)用需求為用戶提供科學(xué)的指導(dǎo)意見(jiàn)。但是，該方法目前仍然具有很多局限性：

首先，目前僅對(duì)塑料材質(zhì)的貨箱進(jìn)行了測(cè)試，在未來(lái)的工作中，有必要對(duì)其他材質(zhì)的具有規(guī)則形狀的物體進(jìn)行測(cè)試。其次，對(duì)于不規(guī)則形狀的物體，需要驗(yàn)證方法的可行性和實(shí)用性。再次，對(duì)于多閱讀器的應(yīng)用環(huán)境，需要考慮很多復(fù)雜因素，該方法有可能不再適用。最后，對(duì)于多標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境，本方法的可行性和實(shí)用性有待進(jìn)一步考察。

[1] Mcelroy D，Turban E.Using smart cards in electronic commerce [J]. International Journal of Information Management，1998，18（1）：61-72.

[2] Hodges S T A，Mallinson H，F(xiàn)loerkemeier C.Assessing and optimizing the range of uhf rfid to enable realworld pervasive computing applications [R]. Paper Presented at：Lecture Notes in Computer Science，2007.

[3] 泰 克.使用實(shí)時(shí)頻譜分析評(píng)估和優(yōu)化射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)[J].電子與電腦，2007（6）：85-88.

[4] Clarke R T D，Tazelaar J R，Boyer K K.Radio frequency identification（RFID） performance:the effect of tag orientation and package contents [J].Packaging Technology and Science，2006，19（1）：45-54.

[5] Aroor S，Deavours D.Evaluation of the state of passive UHF RFID：An experimental approach[J].IEEE Systems Journal，2007，1（2）：168-176.

[6] Kim D I，Smith M A.Measurements of small-scale fading and path loss for long range RF tags[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（8）：1740-1749.

[7]Parker L.復(fù)雜RF環(huán)境下的RFID測(cè)試挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（6）：21-23.

[8] 張貴艷，張明揚(yáng).遠(yuǎn)距離RFID讀寫(xiě)天線的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（10）：18-19.

[9] 潘仲英.電磁波、天線與電波傳播[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[10]張碧軍.空時(shí)編碼及相關(guān)技術(shù)研究[M].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[11]白承森，馬志新.如何提高RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取率[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（11）：246-247.