基于DOE的PCB集成化RFID標簽讀取參數(shù)優(yōu)化研究

熊 戈 ，洪 濤 ，方文娟

（1.中國計量大學 質量與安全工程學院，杭州 310018；2.華立科技股份有限公司，杭州 310035）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術之一，射頻識別技術RFID以其作用范圍廣、識別速度快、使用周期長、抗污染性強等優(yōu)點，被廣泛地應用到電能表行業(yè)中。針對RFID應用的現(xiàn)狀，文獻[1-3]開展了多方面的研究工作，然而針對集成到PCB中的RFID電子標簽的測試未見報道。鑒于越來越多的企業(yè)開始普及智能產品，PCB集成化RFID也越來越受到重視，因此，通過測試研究PCB集成化RFID電子標簽的最優(yōu)讀取參數(shù)，從而為其在實際生產加工過程中的部署提供參考顯得尤為重要。本文正是基于這一目標而展開。

1 制造現(xiàn)狀及分析

傳統(tǒng)的電能表行業(yè)應用條形碼技術作為信息記錄和傳遞的載體，以粘貼的方式附著在產品表面，通過手持儀器人工掃描和讀取。不僅浪費人力物力，且出錯率高，生產效率低下。隨著智能電表的發(fā)展，RFID技術逐漸替代了條形碼，成為了負載產品信息的新模式。而將RFID技術設計并集成在PCB版上，更是引領了智能電表行業(yè)加工模式的轉型。在前期設計及試運行的基礎上，發(fā)現(xiàn)集成標簽的讀取率波動較大，受外界因素影響明顯，人員的走動和產品的運輸都會對讀取效果造成不同程度的影響，在生產加工過程中接收信號強度RSSI在-45～-25 dBm大范圍內有波動。標簽讀取過程的好壞直接決定著產品品質及制造周期，因此，制造部門提出合理的布置讀取環(huán)境來提高讀寫成功率。RSSI計算公式如下所示：

通過計算，使接收信號強度RSSI可以穩(wěn)定在-27±1 dBm的較好范圍內，就能滿足企業(yè)生產制造過程的基本要求。

2 正交試驗設計方案

2.1 正交試驗設計簡介

正交設計是安排多因素試驗、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率的試驗設計方法[4]，滿足“均勻分散性”和“整齊可比性”的正交原理。利用正交表來科學有效地安排與分析多因子試驗，從全部水平組合中，均勻的挑選出部分有代表性的進行試驗，以較小的試驗規(guī)模和較少的試驗成本來獲得最佳試驗結果。通過對試驗結果的數(shù)據(jù)處理與分析，找出最適宜的水平組合，利用極差分析法或方差分析法獲得各因子對測試結果影響的主次因素和變化規(guī)律，達到優(yōu)化讀取參數(shù)的目的[4-5]。

2.2 正交試驗設計步驟

不同的產品由于需求的差異，在進行試驗設計時也遵循著不同的步驟[6]。正交設計主要包括試驗指標、試驗因子、試驗水平三大組件。試驗指標是用來衡量試驗效果好壞的特性值，試驗因子是可能影響試驗指標的因子，試驗水平是試驗因子所處的某一數(shù)量等級，一般由具有代表性的數(shù)值組成[7-8]。本次試驗的試驗目的是得到各因子對PCB集成化RFID電子標簽讀取率的影響，找到影響最大的因子，結合不同組合的測量結果，來確定實際應用中的最佳因子組合，從而獲得最優(yōu)的讀取參數(shù)，達到最佳讀取效果?；玖鞒倘鐖D1所示。

圖1 正交試驗設計流程Fig.1 Orthogonal experiment design flow chart

2.2.1 試驗指標及因子

試驗前考慮到讀取效果為定性指標不利于衡量，因此將其轉化為同類的定量指標，即接收信號強度RSSI值，來衡量標簽的讀取效果。該指標為望大特性，由公式轉換后呈現(xiàn)負數(shù)形式，數(shù)值越大表明接收到的信號強度越大，讀取效果越好。

PCB集成化RFID電子標簽在生產加工的過程中，是隨著流水線搭載信息流轉的。由于各工序安裝的天線位置不同，標簽流轉時距離天線的高度也會不同，對讀取效果有一定的影響。閱讀器發(fā)射的功率大小也會對信號的讀取有一定的影響。此外，標簽流轉的過程造成了標簽在天線輻射范圍內的偏移，當標簽位于特定角度時讀取效果較好，離開信號區(qū)時通信結束。因此，結合前期的企業(yè)應用試點情況，確立了3個相關因子進行試驗，分別是標簽距離天線的垂直高度A、閱讀器發(fā)射功率B以及標簽偏移中心的水平角度C。確定試驗范圍后，等間距的在范圍內分別對這3個定量因子選取3個不同水平進行試驗，擬定因子水平如表1所示。

表1 因子水平Tab.1 Factor level

2.2.2 正交表的選取及試驗搭建

確立了指標和因子后，若不采用正交設計方法，三因子三水平將進行27次全面試驗。為了能夠安排全部試驗因子，以最少的試驗次數(shù)和水平組合數(shù)獲得最佳的試驗結果，選定了L9（34）作為正交試驗表，來安排本次試驗，如表2所示。由于3個因子來自不同的技術領域，本次試驗不考慮因子間的交互作用，把各因子分別排入正交表表頭的第一、二、三列上，完成表頭設計并進行試驗環(huán)境的搭建。

選定了試驗表之后，搭建由閱讀器、天線、電子標簽組成的RFID試驗系統(tǒng)來進行正交試驗。讀寫器的型號為Impinj Speedway R420，配合aird Technologies S9028PCR，9dBic圓極化天線，采用Monza4E單極子彎折UHF電子標簽。試驗開始前，在閱讀器內部設置天線屬性為最大接收模式。

由于試驗選用的是單極子RFID標簽進行測量，標簽在實際測量中存在左右信號強度不均的現(xiàn)象，且標簽天線距離閱讀器天線距離小時讀取信號更好。為保證試驗結果更具說服力，特采用標簽天線距離讀寫器天線的遠端和標簽左側信號強度更弱處對標簽進行測試，對照L9（34）正交試驗表格，選取10塊相同型號的RFID電子標簽，將得到的測量數(shù)據(jù)平均值記錄在正交表最后一列中，結果如表2所示。其中，試驗指標RSSI值由應用軟件直接輸出顯示在頁面中，因子垂直高度A和因子水平角度C由操作人員進行更改，因子發(fā)射功率B由操作人員通過底層編譯代碼在閱讀器內部進行配置。試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗現(xiàn)場實物Fig.2 Experiment site map

3 試驗結果與分析

L9（34）正交試驗設計方案及其結果如表2所示。

對比9組正交試驗結果，可以初步看出，3號試驗即因子組合為垂直高度10 cm、發(fā)射功率30 dBm、水平角度20°時試驗指標有最大值。采用極差分析法分析3種試驗因子對RFID電子標簽讀取率的影響。表2中，K1這一行對應的3個數(shù)值，分別是因子A、B、C的第1水平所在試驗中對應的指標RSSI值之和。R為平均值極差，即各因子水平均值k1、k2、k3中最大、最小值之差。一般來說，各列的極差是不同的，這說明各因子的水平改變時對試驗指標的影響是不同的，極差越大，說明該因子的水平改變時對試驗指標的影響越大[9]。具體計算過程列舉如下：

表2 L9（34）正交試驗設計方案及其結果Tab.2 Orthogonal experiment design scheme and results of L9（34）

不難看出，因子A極差為最大，因此因子A是首要考慮的因素，因子B的極差為6.9，僅次于因子A，因子C的極差最小，說明它的水平改變時對試驗指標的影響最小?？梢缘贸?個因子對試驗指標的影響大小為A＞B＞C。分析各因子對指標的影響趨勢，匯總成圖3。

圖3 各試驗因子對DOE試驗指標的影響趨勢Fig.3 Impact of each experiment factor on DOE indicators trends

由圖3可知，因子A垂直高度在第一水平的時候指標RSSI有最大值，因此因子A的第一水平影響力最大，同理，因子B發(fā)射功率在第三水平時和因子C水平角度在第二水平時水平的影響力最大，RSSI有最大值。各水平得到的最優(yōu)組合為垂直高度10 cm、發(fā)射功率30dBm、水平角度20°，與3號試驗結果相同。

綜合上述分析可知，各因子對試驗指標（接收信號強度）的影響按大小排序為A＞B＞C，優(yōu)化后的最佳讀取參數(shù)應當是A1B3C3，即垂直高度10 cm、發(fā)射功率30 dBm、水平角度20°。

考察了單個因子的作用后，利用Minitab軟件進行正交試驗的方差分析，結果如圖4所示。方差分析法較極差法更為精細和準確，可以體現(xiàn)因子影響的顯著性水平[10]。設置置信區(qū)間及置信水平后，當P＞0.05時因子不顯著，P＜0.05時因子顯著。由圖4可知，因子A十分顯著，因子B和因子C不顯著。后期可以將垂直高度作為主要因子進行調整，以獲取最佳讀取率。

圖4 方差分析結果Fig.4 Analysis of variance results

4 試驗驗證

根據(jù)DOE正交試驗分析得到的結果，采用優(yōu)化后的參數(shù)對電子標簽讀取率進行了生產試驗。選取企業(yè)制造加工時的貼片機貼片和回流爐回流焊的過程，將標簽放置在設備間的傳送裝置上，配置試驗參數(shù)，搭建試驗環(huán)境，再次對標簽進行讀取測試。具體步驟如下：

配置溫濕度閱讀器內部對溫度、濕度的要求分別為運行溫度：-20℃～+50℃；濕度：5%～95%，非凝結。經測定，試驗環(huán)境位于在該參數(shù)范圍內，且基本穩(wěn)定，符合測試標準。

減少吸波介質由于閱讀器是金屬材料對標簽讀取效果有一定的影響，因此將閱讀器固定在傳送裝置遠端。在閱讀器的信號輻射范圍內，除加工儀器本身對標簽的影響外，減少其余吸波介質的存在對試驗的干擾，例如驅散無關逗留人員、避免成品集中堆放等。

天線擺放在天線距離操作臺垂直高度為10 cm處，將天線固定在傳送軌道中心位置，根據(jù)所選天線的參數(shù)模型，盡量讓標簽在讀取過程中位于天線的主波瓣范圍內，減少誤差的產生。

標簽測試將標簽固定在操作臺上，在軟件內部設置發(fā)射功率為30 dBm，操作人員利用儀器調整并設置水平角度偏移為20°。選取10塊相同的標簽依次進行測試，記錄其讀取過程的RSSI值，每塊標簽進行10組以上試驗，獲取試驗結果平均值，基本穩(wěn)定在-26.4～-27.6區(qū)間內，滿足企業(yè)要求，優(yōu)化了讀取參數(shù)，試驗獲得的最優(yōu)水平組合可以作為參考。測試軟件界面如圖5所示，將試驗結果轉化為曲線如圖6所示。

圖5 測試軟件界面示意Fig.5 Experiment software interface diagram

圖6 讀取結果平均值曲線Fig.6 Average curve diagram of the reading results

5 結語

本文提出了基于DOE試驗設計對PCB集成化RFID電子標簽讀取參數(shù)進行優(yōu)化的一種方法。重點介紹了正交試驗過程，通過極差分析法和方差分析法對試驗結果進行了分析，采用最優(yōu)參數(shù)組合對標簽進行了生產驗證。得出以下幾點結論：①因子改變時對指標影響的顯著性順序為因子A（垂直高度）＞因子B（發(fā)射功率）＞因子C（水平角度），因子A十分顯著；②基于DOE正交試驗，對PCB集成化RFID電子標簽的讀取參數(shù)進行了優(yōu)化，最優(yōu)讀取參數(shù)組合為標簽距離天線的垂直高度10 cm、閱讀器發(fā)射功率30 dBm、標簽偏移中心水平角度20°；③試驗指標RSSI值相比較原生產過程提高了13%左右，平均RSSI值的區(qū)間基本穩(wěn)定在-26.4～-27.6，能夠滿足企業(yè)要求即RSSI值位于-27±1范圍內，試驗結果具有一定的可信性，能夠為企業(yè)后期生產加工過程提供參考，為后期PCB集成化RFID電子標簽大量投入使用提供了依據(jù)。

實際應用中，還需參考具體的加工環(huán)境，考慮人員、設備、加工時間等因素對標簽讀取造成的影響，以及多標簽可能產生的碰撞和損耗等問題，再對讀取現(xiàn)場進行布置，以達到標簽識讀率的最大化，避免不必要的碰撞，降低產品損耗，增加生產效率、提高經濟效益。

[1]高洪林.UHF頻段無源RFID標簽性能研究與測試分析[D].長春：長春理工大學，2011.

[2]馬廣.基于自主標準的RFID標簽性能測試方法研究與實現(xiàn)[D].長沙：國防科技大學，2014.

[3]劉禹，朱智源，關強，等.基于試驗設計的RFID應用組合測試優(yōu)化研究[J].自動化學報，2010，36（12）：1674-1680.

[4]李超杰，袁紹國.DOE試驗設計在選礦工藝參數(shù)優(yōu)化中的應用[J].礦業(yè)工程，2017，15（2）：25-28.

[5]王贏，武敬偉，李書陽.基于DOE試驗設計的某車型頂蓋造型設計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（10）：48-49.

[6]Lidong Wang.Testing of Radio Frequency Identification and Parameter Analysis based on DOE[J].International Journal of Electrical and computer Engineering（IJECE），2014（2）：145-150.

[7]馬曉麗，曹力軍，陳秋龍，等.基于DOE方法的機器人焊接試驗設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（1）：54-57.

[8]胡慶軍，王炯琪.導彈武器射程評估的多因素正交試驗設計方法[J].大學數(shù)學，2015，31（2）：66-71.

[9]向青春，張偉，邱克強，等.基于DOE的大型下架體鑄鋼件鑄造工藝優(yōu)化研究[J].機械工程學報，2017，53（6）：88-93

[10]Xing Wang，Dong Wang.Experimental study on RFID performance factors of conveyor belt system using DOE methodology[J].Future Networks，2010（1）：22-24.