論有源RFID在自動化堆場中的應(yīng)用

葉知春 上海交海信息科技有限公司

當(dāng)今車輛識別主要分為視讀和機(jī)讀兩種。視讀技術(shù)的代表為OCR，即視頻識別系統(tǒng)，主要由普通車牌、攝像頭、電腦、視頻識別軟件組成。機(jī)讀技術(shù)的代表是RFID，即射頻識別系統(tǒng)，主要由電子車牌、讀寫器、電腦、讀寫軟件組成。兩種識別方式在應(yīng)用上各有優(yōu)劣。但從防止黑車和套牌車的能力上來看，RFID車輛識別技術(shù)更勝一籌。

此次實(shí)驗的RFID車輛識別場景是一個自動化堆場，在這個場景中需要運(yùn)用RFID技術(shù)對堆場中的作業(yè)車輛信息和位置進(jìn)行識別，并將識別結(jié)果傳送給后臺，后臺再利用收到的車輛數(shù)據(jù)來通知自動化吊車按計劃作業(yè)。

首先對無源RFID和有源RFID技術(shù)進(jìn)行了比較，經(jīng)過比較，有源RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯。并且，由于試驗現(xiàn)場自動化設(shè)備上RFID讀寫器安裝位置有限，讀寫器天線無法正對集卡車頭，只能由側(cè)面朝向集卡車頭，而無源RFID天線對電子標(biāo)簽的方向要求非常高，因此經(jīng)過論證認(rèn)為該環(huán)境中不適合使用無源RFID識別技術(shù)。

在確定使用有源RFID識別方案后，要選定有源RFID的工作頻段。目前常用的有源RFID頻段有433Mhz、2.4Ghz、5.8Ghz。在此次的項目中由于需要對有源標(biāo)簽進(jìn)行一個相對精準(zhǔn)的定位，因此對頻段的要求是頻率越高越好。首先考慮的是5.8Ghz，其次是2.4Ghz，而433Mhz頻段適合遠(yuǎn)距離傳輸，因此不做此次項目的考慮。

目前5.8Ghz的設(shè)備非常稀少，因此不適合大范圍應(yīng)用。而2.4Ghz應(yīng)用廣泛，且作業(yè)現(xiàn)場2.4Ghz頻段干擾弱，現(xiàn)場只有少量的間歇性工作的2.4Ghz設(shè)備，這樣的環(huán)境有利于2.4Ghz有源讀寫器的正常工作。經(jīng)過上述分析決定此次選用2.4Ghz頻段的有源RFID設(shè)備。

2.4 Ghz設(shè)備由于其用途大多用作信號覆蓋，因此2.4Ghz有源RFID設(shè)備天線最常用的是全向天線。而采用全向天線的設(shè)備只要波瓣長度能控制好就可以生成一個精確的讀卡邊界，但這種理想方式只是一種假設(shè)。在港口堆場實(shí)際應(yīng)用中由于周邊環(huán)境金屬物的反射和屏蔽，這個讀卡邊界往往形同虛設(shè)。在測試前搭了一個模擬港口堆場道路的實(shí)驗環(huán)境。2.4Ghz讀寫器采用陶瓷高增益全向天線，設(shè)備放在三角支架頂端，離地高度1.5米，支架底部支撐在水泥地面，支架放置在道路一側(cè)。讀寫器中的射頻芯片衰減共計32檔，考慮到常用的集卡長度約為15米，因此測試時將衰減設(shè)為第八檔，對應(yīng)的讀卡參考距離=15米。2.4Ghz電子標(biāo)簽擺放在集卡車頭駕駛操作臺上。集卡以小于等于5公里/小時的時速向讀卡器行駛進(jìn)行測試。測試了多輛集卡后發(fā)現(xiàn)每次的測試結(jié)果都不相同，但都不能達(dá)到理想值。測試結(jié)果顯示，在模擬的堆場環(huán)境中采用全向天線的有源RFID設(shè)備無法確保在指定區(qū)域中正常工作。

第二步測試時在讀寫器上改用定向天線，此次試驗選用的是PCB天線和八木天線。最終發(fā)現(xiàn)PCB和八木天線在現(xiàn)場環(huán)境的測試中依然無法發(fā)揮出定向天線的優(yōu)勢，波瓣邊界模糊，寬度時大時小。

自此，根據(jù)以上兩大類的天線測試，得出的結(jié)論是有源RFID設(shè)備要用作堆場中對電子車牌識別的話，其天線不適合采用全向和定向的方式。最后決定采用對角線交叉極化的矩形同相口徑天線。

根據(jù)矩形同相口徑天線具有信號束縛能力強(qiáng)、波瓣邊界清晰、信號穩(wěn)定的特征，以及現(xiàn)場設(shè)備的頻段以及讀寫器的讀卡波瓣需求，我們自己制作了一款矩形同相口徑天線，并且在現(xiàn)場通過調(diào)整天線角度，達(dá)到了令人滿意的讀卡效果。天線的設(shè)計主瓣寬度為3米，安裝角度是水平朝下45°，由于其口徑場向z方向傳播直線到達(dá)地面距離為10米，遠(yuǎn)小于波瓣長度，因此天線正面干擾可以忽略不計。集卡進(jìn)入到自動化堆場后都需要排隊等候在計劃貝位，等待自動化機(jī)械前來吊裝集裝箱。此時集卡的隊伍都是按列排對，即后車車頭對前車車尾呈直線排列。常規(guī)的長掛車總長度約為15米，極少數(shù)的短掛車長度約為9米，因此控制在寬度為3米的天線波瓣能準(zhǔn)確的讀到當(dāng)前集卡的電子標(biāo)簽，對于處在距離波瓣中軸左右各15米開外的標(biāo)簽?zāi)芡耆苊庹`讀。

在現(xiàn)場應(yīng)用時在軌道吊橫梁上以40尺貨柜作業(yè)位置為基準(zhǔn)安裝了第一臺讀寫器，然后在這臺讀寫器向前和向后3米位置再各安裝一臺獨(dú)立的同頻天線。三臺天線形成了一種天線陣列。按照設(shè)計要求進(jìn)行饋電和空間排列后，測試發(fā)現(xiàn)該陣列能準(zhǔn)確的讀到車輛信息。讀寫器陣列精度提為3米。由于天氣及現(xiàn)場環(huán)境的原因，為確保讀卡的準(zhǔn)確率因此我在配置時讓相鄰天線之間的輻射單元存在一個小交集，這一調(diào)整讓陣列天線輻射單元將集卡的位置信息控制在3米至6米的范圍內(nèi)。在堆場實(shí)際作業(yè)時還會遇到集卡提20尺貨柜，這種貨柜尺寸只有40尺貨柜的一半，箱子放置在掛車前半段或后半段。進(jìn)行此類小箱作業(yè)時集卡車頭位置會比40尺貨柜作業(yè)位置會向前或向后3米，憑借排列的這種天線陣列可以很好的識別當(dāng)前集卡停放的作業(yè)貝位，并將位置上報給自動化機(jī)械，用作現(xiàn)場作業(yè)計劃的參考。

應(yīng)用有源RFID技術(shù)對車輛進(jìn)行識別的方案提升了自動化吊車對集卡的識別準(zhǔn)確率及效率，大大減少了后臺人工干預(yù)的頻次。對減輕作業(yè)人員負(fù)擔(dān)，降低人力成本起到了很大的作用。

此項新技術(shù)在港口自動化項目中是第一次嘗試，從實(shí)驗結(jié)果來看優(yōu)于國外類似的自動化港口方案。