射頻電子標(biāo)簽可靠性試驗研究★

過峰，聶義，俞建峰

（1.無錫出入境檢驗檢疫局，江蘇　無錫　214174；2.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇　無錫　214122）

射頻電子標(biāo)簽可靠性試驗研究★

過峰1，聶義1，俞建峰2

（1.無錫出入境檢驗檢疫局，江蘇無錫214174；2.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其可以通過射頻信號來自動地識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。射頻電子標(biāo)簽在使用的過程中存在著由各種環(huán)境因素引起的讀取可靠性的問題，以用于服裝和牛只識別的射頻電子標(biāo)簽為研究對象，通過環(huán)境試驗方法分析了影響這兩種射頻電子標(biāo)簽的可靠性的因素，并獲得了影響牛只射頻電子標(biāo)簽和服裝射頻電子標(biāo)簽的可靠性的關(guān)鍵環(huán)境因素。

射頻電子標(biāo)簽；環(huán)境試驗；可靠性

0　引言

射頻識別 （RFID：Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其可以通過無線電訊號來自動地識別特定的目標(biāo)并讀寫相關(guān)的數(shù)據(jù)，而無需在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3個部分[1]。其中，電子標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長和可重復(fù)使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別和多目標(biāo)識別等應(yīng)用。該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，可在物流、交通、醫(yī)療、運輸、跟蹤、門禁和生產(chǎn)管理與控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。

射頻電子標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，如果其可靠性存在缺陷，則會導(dǎo)致其性能參數(shù) （例如：識讀距離、識讀率和靈敏度等）發(fā)生變化，環(huán)境試驗的目的是考核產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下的適應(yīng)能力，是評價產(chǎn)品可靠性的重要方法之一。本研究選取服裝電子標(biāo)簽和牛只電子標(biāo)簽作為試驗對象，選擇與電子標(biāo)簽使用環(huán)境相適應(yīng)的環(huán)境試驗方法來驗證電子標(biāo)簽的可靠性。

1　試驗?zāi)康募霸囼瀸ο蟮倪x取

射頻電子標(biāo)簽是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈感知層的重要環(huán)節(jié)，作為物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)的關(guān)鍵節(jié)點，其可靠性將直接影響物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。而電子標(biāo)簽的各種惡劣的使用環(huán)境條件會對其造成不同程度和不同種類的損傷，例如：溫度、濕度可能會使RFID的智能芯片受損，造成絕緣擊穿、電性能變壞和材料膨脹收縮等。因此，本試驗對現(xiàn)有的射頻標(biāo)簽的環(huán)境應(yīng)用條件進行了調(diào)查分析，采用環(huán)境試驗手段對室內(nèi)和室外應(yīng)用的射頻電子標(biāo)簽進行環(huán)境試驗，以深入地剖析典型環(huán)境變化條件下射頻電子標(biāo)簽環(huán)境可靠性的關(guān)聯(lián)性變化。

本次共選取180個超高頻 （UHF）牛只標(biāo)簽和服裝標(biāo)簽為試驗對象進行試驗。其中，硅膠材質(zhì)的牛只標(biāo)簽60個，其外觀如圖1所示；1#紙質(zhì)材質(zhì)的服裝標(biāo)簽60個，其外觀如圖2所示；2#紙質(zhì)材質(zhì)的服裝標(biāo)簽60個，其外觀如圖3所示。

圖1　牛只標(biāo)簽

圖2　1#服裝標(biāo)簽

圖3　2#服裝標(biāo)簽

2　試驗項目的選取

通過查閱和梳理相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)影響電子電器產(chǎn)品可靠性的環(huán)境因素主要有振動、溫度和濕度等。結(jié)合RFID產(chǎn)品的實際使用環(huán)境情況，發(fā)現(xiàn)牛只標(biāo)簽和服裝標(biāo)簽在存儲、運輸和使用等過程中通常會受到高溫、低溫、高低溫交變、高溫濕度、振動和太陽輻射等典型的環(huán)境因素的影響，因此本次研究選擇的試驗項目為：低溫步進試驗、高溫步進試驗、溫度變化試驗、溫度濕度試驗、振動試驗和太陽輻射試驗。

a）低溫步進試驗

按照GB/T 2423.1-2008標(biāo)準(zhǔn)[3]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品在實際使用中可能經(jīng)歷的低溫環(huán)境分析，選取0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃和-60℃6個溫度，采用步進方式進行試驗，每個溫度保持96 h。

b）高溫步進試驗

按照GB/T 2423.2-2008標(biāo)準(zhǔn)[4]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品可能經(jīng)歷的高溫環(huán)境分析，選取40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和100℃6個溫度，采用步進方式進行試驗，每個溫度保持96 h。

c）溫度變化試驗

按照GB/T 2423.22-2012標(biāo)準(zhǔn)[5]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品可能經(jīng)歷的溫度變化環(huán)境分析，選取-20～60℃、-30～70℃、-40～80℃和-50～90℃4個典型的溫變區(qū)間進行試驗，每個溫變區(qū)間保持3 h、循環(huán)5次。

d）溫度濕度試驗

按照GB/T 2423.3-2006標(biāo)準(zhǔn)[6]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品可能經(jīng)歷的溫濕度變化環(huán)境分析，選取30℃、93%RH，40℃、93%RH，50℃、93%RH和85℃、85%RH 4個典型的溫濕度環(huán)境點進行試驗，每個溫濕度環(huán)境點保持48 h。

e）振動試驗

按照GB/T 2423.10-2008標(biāo)準(zhǔn)[7]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品可能經(jīng)歷的振動環(huán)境分析，選取正弦掃頻的方式進行試驗，其中，選取的頻率范圍為：10～500 Hz；振幅為：0.75 mm；振動類型為：三方向；振動時間為：每個方向2 h；循環(huán)次數(shù)為：10次。

f）太陽輻射試驗

按照GB/T 2423.24-2013標(biāo)準(zhǔn)[8]測試規(guī)范要求，結(jié)合被測標(biāo)簽樣品可能經(jīng)歷的光照老化環(huán)境進行分析，將試驗樣品置于輻照強度為0.55 W/m2、波長為340 nm的紫外光下進行試驗，紫外光照射方式為：連續(xù)照射；試驗持續(xù)時間為：15 d。

3　樣本量的分配

為了增加試驗數(shù)據(jù)的客觀性，本次試驗對每種經(jīng)功能初始測試合格后的標(biāo)簽進行了隨機編號分組，將被篩選的180個樣本分為18組，每組10個樣本。各試驗的樣本量的具體分配情況如表1所示。

表1　 樣本量分配表

4　試驗設(shè)備的選取

各個試驗項目所選用的檢測設(shè)備的情況如表2所示。

表2　　主要的檢測設(shè)備一覽表

5　試驗?zāi)Ｐ图皸l件的設(shè)置

所確定的6類環(huán)境可靠性試驗在江蘇檢驗檢疫機電產(chǎn)品及車輛檢測中心可靠性實驗室進行，各個試驗條件參數(shù)的設(shè)置情況如表3-8所示。其中：低溫步進試驗放置狀態(tài)如圖4所示，高溫步進試驗放置狀態(tài)如圖5所示，溫度變化試驗放置狀態(tài)如圖6所示，溫濕度試驗放置狀態(tài)如圖7所示，振動試驗放置狀態(tài)如圖8所示，太陽輻射試驗放置狀態(tài)如圖9所示。

圖4　低溫試驗

表3　　低溫步進試驗條件設(shè)置

表4　　高溫步進試驗條件設(shè)置

表5　　溫步變化試驗條件設(shè)置

表6　　溫度濕度試驗條件設(shè)置

表7　振動試驗條件設(shè)置

圖5　高溫試驗

圖6　溫度變化試驗

圖7　溫濕度變化試驗

圖8　振動試驗

圖9　太陽輻射試驗

表8　 太陽輻射試驗

6　試驗結(jié)果與分析

6.1試驗結(jié)果

為了驗證射頻標(biāo)簽在典型的環(huán)境影響試驗后的可靠性性能，實驗以射頻標(biāo)簽試驗前后的讀寫距離性能指標(biāo)為判斷依據(jù)。3種標(biāo)簽環(huán)境試驗前的典型初始讀寫距離性能指標(biāo)如表9所示，其中：牛只標(biāo)簽的平均距離為28.5 cm，1#服裝標(biāo)簽的平均距離為48.2 cm；2#服裝標(biāo)簽的平均距離為18.4 cm。經(jīng)過環(huán)境試驗后牛只標(biāo)簽、1#服裝標(biāo)簽和2#服裝標(biāo)簽的讀寫距離測試結(jié)果如表10-12所示。

表9　3種標(biāo)簽的典型初始讀寫距離

表10　　牛只標(biāo)簽環(huán)境測試后的讀寫距離測試結(jié)果表

6.2試驗結(jié)果分析

6.2.1從標(biāo)簽失效角度分析

a）牛只標(biāo)簽

低溫步進、高溫步進試驗后標(biāo)簽的失效比例為70%，溫度變化試驗后的失效比例為20%，溫濕度試驗后的失效比例為10%，振動試驗后的失效比例為20%，太陽輻射試驗后的失效比例為50%。

b）1#服裝標(biāo)簽

低溫步進、高溫步進、溫度變化、振動和太陽輻射試驗后每個標(biāo)簽均可運行無失效，溫濕度試驗后的失效比例為20%

c）2#服裝標(biāo)簽

低溫步進、高溫步進、溫度變化、溫濕度和太陽輻射試驗后每個標(biāo)簽均可運行無失效，振動試驗后的失效比例為10%。6.2.2從環(huán)境測試后的平均讀寫距離衰減角度分析

a）牛只標(biāo)簽

在低溫步進試驗、高溫步進試驗、溫度變化試驗、溫度濕度試驗、振動試驗和太陽輻射試驗后，其平均讀寫距離的衰減分別為-77.5%、-87.7%、-31.6%、-41.8%、-61.4%和-71.6%。

b）1#服裝標(biāo)簽

在低溫步進試驗、高溫步進試驗、溫度變化試驗、溫度濕度試驗、振動試驗和太陽輻射試驗后，其平均讀寫距離的衰減分別為-47.9%、-14.3%、-4.1%、-23.4%、-1.9%和-2.1%。

c）2#服裝標(biāo)簽

在低溫步進試驗、高溫步進試驗、溫度變化試驗、溫度濕度試驗、振動試驗和太陽輻射試驗后，其平均讀寫距離的衰減分別為-21.2%、-21.2%、-23.4%、-14.7%、-15.8 %和-9.8%。

表11　 1#服裝標(biāo)簽環(huán)境測試后的讀寫距離測試結(jié)果表

表12　2#服裝標(biāo)簽環(huán)境測試后的讀寫距離測試結(jié)果表

6.2.3從外部環(huán)境因素影響失效的角度分析

a）牛只標(biāo)簽對低溫步進、高溫步進和太陽輻射這3種環(huán)境因素非常敏感，在這3種試驗中有50%～70%的概率失效。

b）1#服裝標(biāo)簽在低溫步進、高溫步進、溫度變化、振動和太陽輻射試驗時可靠性高，無失效現(xiàn)象；但其對溫濕度較敏感，在溫濕度試驗中有20%的概率失效。

c）2#服裝標(biāo)簽在低溫步進、高溫步進、溫度變化、溫濕度和太陽輻射試驗中可靠性高，無失效；但其對振動應(yīng)力較敏感，在振動試驗中有10%的標(biāo)簽失效。

6.2.4從外部環(huán)境因素影響讀寫距離的衰減的角度分析

a）對牛只標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素其程度由高到低依次為：高溫、低溫、太陽輻射、振動、溫度濕度和溫度變化。

b）對1#服裝標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素其程度由高到低依次為：低溫、溫度濕度、高溫、溫度變化、太陽輻射和振動。

c）對2#服裝標(biāo)簽產(chǎn)生衰減影響的環(huán)境因素其程度由高到低依次為：溫度變化、低溫、高溫、振動、溫度濕度和太陽輻射。

7　結(jié)束語

對3類標(biāo)簽進行橫向比較，不難發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素對被測試標(biāo)簽均產(chǎn)生了顯著的影響，而且RFID的實際應(yīng)用環(huán)境其實更為復(fù)雜。由此可見，不管是在生產(chǎn)還是研發(fā)方面都應(yīng)加大對RFID的環(huán)境可靠性的研究，形成RFID環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)，推動RFID環(huán)境可靠性的不斷提高。

[1]羅衡峰，朱建紅，李金華，等.RFID系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系及評估模型 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009，27（5）：56-59.

[2]李鷹，李倩，朱建紅，等.RFID系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010，28（2）：41-51.

[3]全國電工產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗A：低溫：GB/T 2423.1-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4]全國電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法 試驗B：高溫：GB/T 2423.2-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[5]全國電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法 試驗n：溫度變化：GB/T 2423.22-2012[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2013.

[6]全國電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Cab：恒定濕熱試驗GB/T 2423.3-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[7]全國電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動 （正弦）：GB/T 2423.10-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[8]全國電工產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Sa：模擬地面上的太陽輻射及其試驗導(dǎo)則：GB/T 2423.24-2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Experimental Research on the Reliability Test of RFID

GUO Feng1，NIE Yi1，YU Jian-feng2

（1.Wuxi Entry-exit Inspection&Quarantine Bureau，Wuxi 214174，China；2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

RFID is a non-contact automatic identification technology.It can automatically identify the target object and obtain relevant data through radio-frequency signals，so it has a broad market prospect.RFID will appear reading problems caused by various environmental factors during use.Taking RFIDs for garment and cattle identification as the research objects，the factors that affect the reliability of these two kinds of RFID are analyzed through environmental test，and the key environmental factors that affect the reliability of the two kinds of RFID are obtained.

RFID；environmental test；reliability

TP 391.45;TB 114.37

A

1672-5468（2016）04-0001-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

★江蘇出入境檢驗檢疫局科研 （2015KJ16）項目資助

2016-04-22

過峰 （1978-），男，江蘇無錫人，無錫出入境檢驗檢疫局高級工程師，主要從事機電產(chǎn)品檢測技術(shù)研究工作。