便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀設(shè)計

田正其，歐陽曾愷，徐 晴，祝宇楠，楊 帆

(1．國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210019；2．國家電網(wǎng)有限公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 210019；3．中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥，230601)

0 引言

在無線電通信技術(shù)中，射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是一種非視覺、無機械或光接觸的雙向通信自動識別技術(shù)。該技術(shù)具有靈敏度高、速度快、抗干擾能力強、信息豐富可加密和壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈、車輛識別、門禁系統(tǒng)、圖書管理、自動收費和生產(chǎn)制造等領(lǐng)域[1-3]。

RFID標簽因其自身的非可視閱讀、遠距離閱讀、自動識別和追蹤、能在惡劣環(huán)境下工作等眾多優(yōu)勢，具有代替條形碼的潛力[4]。隨著RFID系統(tǒng)的快速發(fā)展和市場需求的增加[5]，各種RFID產(chǎn)品紛紛涌現(xiàn)，使人們對RFID產(chǎn)品的質(zhì)量要求也變得更高。因此，RFID產(chǎn)品性能的檢測裝置應(yīng)運而生。但是傳統(tǒng)的RFID檢測面臨諸多困難，如標準多、性能要求高、檢測系統(tǒng)設(shè)備笨重等[6-8]，而且相關(guān)RFID電子標簽和閱讀器的設(shè)計也變得多樣化，因此便攜式RFID檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)變得非常有必要[9-10]。便攜式RFID檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)對各應(yīng)用領(lǐng)域RFID系統(tǒng)的環(huán)境部署以及標簽、閱讀器設(shè)備的檢測。

1 RFID技術(shù)的基本原理

RFID技術(shù)是一種無接觸式的技術(shù)，不需要個人行為的介入。RFID技術(shù)可以在各種惡劣條件下工作，通過射頻識別對研究對象自動識別，并對電子標簽進行讀寫操作。這種識別操作不但能夠識別運動中的物體，而且能夠識別不同的電子標簽。

一套完整的RFID最小系統(tǒng)由控制終端、閱讀器、標簽以及天線等組成[11]，如圖1所示。

圖1 RFID最小系統(tǒng)示意圖

①控制終端?？刂平K端是整套RFID系統(tǒng)的控制核心，包含應(yīng)用軟件的計算機或嵌入式主板，用于協(xié)調(diào)整套系統(tǒng)各部件之間的工作。

②閱讀器。閱讀器是讀取標簽信息的設(shè)備，通常包含一個控制單元和一個射頻模塊。射頻模塊包含發(fā)射器與接收器。根據(jù)支持的標簽類型以及完成的功能不同，閱讀器的復(fù)雜程度顯著不同。

③標簽。標簽是RFID閱讀器識別的對象，通常由天線和射頻芯片組成，用于存儲用戶所要了解的對象的信息，通常安置在被識別物體的表面。

④天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。

控制終端控制閱讀器通過天線發(fā)送電磁波。標簽進入該電磁波磁場后，其內(nèi)部的線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電流。標簽獲得電流后開始工作，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號。如果是無源標簽(又稱被動標簽)，其將會發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息；如果是有源標簽(又稱主動標簽)，其將會主動發(fā)送某一頻率的射頻信號。閱讀器通過天線獲取該信號，解碼后送至閱讀器的控制單元進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，并最終反饋至控制終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

2 硬件架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的RFID現(xiàn)場檢測儀，是基于高性能射頻收發(fā)模塊和高速現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)通信模塊而設(shè)計的一種小型、便攜的檢測系統(tǒng)儀器[12]。該現(xiàn)場檢測儀的硬件架構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)場檢測儀主要由以下幾個部分組成。

圖2 檢測儀硬件架構(gòu)圖

①可編程嵌入式雙核處理器。該部分選用賽靈思Zynq芯片，采用片上系統(tǒng)(system on chip,SOC)技術(shù)將處理器系統(tǒng)(processing system，PS)和可編程邏輯(programmable logic，PL)兩大部分集成在一片F(xiàn)PGA中，使得軟件與邏輯分別在PS和PL中實現(xiàn)成為可能，提升了系統(tǒng)的集成度、靈活性和可擴展性。

②射頻(radio frequency，RF)捷變收發(fā)器。該部分主要采用AD9361射頻捷變收發(fā)器完成射頻信號的收發(fā)工作，前端部分支持多輸入多輸出(multiple input and multiple output，MIMO)收發(fā)，頻段可達70～6 000 MHz，同時支持GPS時鐘同步，滿足多方面需求。

③按鍵功能模塊與電容觸摸屏。該部分主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

④異步收發(fā)器。該部分主要實現(xiàn)檢測儀的通信接口功能。

⑤電源管理。該部分主要用于實現(xiàn)外、內(nèi)部供電模式轉(zhuǎn)換。

3 軟件功能設(shè)計

RFID現(xiàn)場檢測儀軟件功能設(shè)計主要包括兩大方面：一方面是RFID系統(tǒng)部署過程中的信號監(jiān)測，另一方面是閱讀器和標簽的性能評估。

3.1 RFID部署過程監(jiān)測

RFID系統(tǒng)部署過程中的信號監(jiān)測，主要包括對RFID設(shè)備部署環(huán)境探測、RIFD設(shè)備射頻通信信令分析和基于參考標簽的性能評估。

3.1.1 環(huán)境探測

在RFID系統(tǒng)部署過程中，將便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀及天線放置于RFID設(shè)備部署環(huán)境中，啟動信號強度檢測功能，并使用檢測儀記錄各個信道的信號強度。根據(jù)設(shè)置的頻率在實時頻譜分析帶寬內(nèi)實時顯示最新的頻譜掃描數(shù)據(jù)，可對現(xiàn)場環(huán)境進行評估。此外，對于復(fù)雜射頻環(huán)境中的信號干擾問題，可捕獲射頻通信過程信號，在較長的時間內(nèi)采集大數(shù)據(jù)，獲取在未知時間未知地點出現(xiàn)的一個持續(xù)時間未知的干擾事件。

3.1.2 射頻通信信令分析

在RFID系統(tǒng)處于工作狀態(tài)的情況下，將便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀與天線放置于被測系統(tǒng)的工作范圍以內(nèi)。啟動信令分析功能，使用檢測儀分析閱讀器和標簽的通信情況，記錄工作過程中的信令、時序等參數(shù)。

信令分析功能主要針對讀寫器和標簽的通信信令的探測、驗證和分析，能夠分析信令收發(fā)序列，并且進行跟蹤和檢測，從而直觀觀察到讀寫器和標簽間通信的時序，分析出存在問題的信令點。當(dāng)被測系統(tǒng)處于異常工作狀態(tài)時，可以進一步分析異?，F(xiàn)象的具體情況，并追溯出現(xiàn)異常的原因。

在RFID設(shè)備射頻通信信令模式配置下，檢測儀在閱讀器模擬、標簽?zāi)M、信號監(jiān)聽等不同的檢測模式下工作。閱讀器模擬模式能主動發(fā)射指令信號，同時接收和分析標簽響應(yīng)信號，適用于電子標簽檢測。標簽?zāi)M模式能接收和分析指令信號，同時發(fā)射響應(yīng)信號，適用于閱讀器的符合性和性能檢測。信號監(jiān)聽模式能采集、實時流盤和回放RFID系統(tǒng)的通信信號，適用于RFID系統(tǒng)的整體性能檢測和故障診斷。

3.1.3 基于參考標簽的性能評估

在RFID系統(tǒng)未處于工作狀態(tài)的情況下，將便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀及配套設(shè)備，包括檢測天線、參考標簽套件等，放置于被測系統(tǒng)的工作范圍以內(nèi)。

參考標簽與被測的閱讀器進行通信，啟動射頻性能評估功能，使用檢測儀采集被測產(chǎn)品的射頻信號進行時域和頻域的分析，得出射頻性能的主要參數(shù)，包括工作頻率、帶內(nèi)功率、讀取距離、寫入距離等。

當(dāng)被測系統(tǒng)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)時，還可以采用參考標簽替代射頻性能參數(shù)下降的失效產(chǎn)品進行驗證，對系統(tǒng)故障進行輔助定位和診斷。

3.2 RFID系統(tǒng)性能檢測評估

根據(jù)被檢測RFID系統(tǒng)不同類型，檢測可分為標簽檢測、閱讀器檢測兩大類別。每一個類別具體又包含一個或多個功能面板。RFID系統(tǒng)性能檢測流程如圖3所示。

以太網(wǎng)連接嵌入式RFID檢測模塊與主板，配置正確的IP地址，打開軟件與設(shè)備連接，連接成功后可配置各項檢測參數(shù)。開始檢測后，通過采集到的時域波形來判斷信號是否被正確采集到。數(shù)據(jù)采集回來就可以通過軟件自動或者手動定位信號，并把分析結(jié)果顯示出來。最后，把采集的信號與分析的結(jié)果數(shù)據(jù)保存到磁盤。

圖3 RFID系統(tǒng)性能檢測流程圖

3.2.1 標簽符合性檢測

射頻識別標簽符合性檢測通過給被測標簽發(fā)送指令信號，采集并分析返回的響應(yīng)信號。

射頻識別標簽符合性主要技術(shù)參數(shù)主要包括調(diào)制深度(modulation depth,MD)、脈沖寬度(pulse width，PW)、過調(diào)制(over modulation，OM)、欠調(diào)制(under modulation，UM)等。

調(diào)制深度也稱調(diào)制度，指的是被調(diào)制波的幅度與載波幅度的比值，用百分數(shù)Rmd表示。

有信號的調(diào)制函數(shù)p(t)為：

p(t)=[A+m(t)]×cos2πft

(1)

式中：A為載波幅度；m(t)為被調(diào)制波形函數(shù)；f為頻率；t為時間。

則調(diào)制深度Rmd可以表示為：

(2)

式中：peak(m) 為被調(diào)制波形函數(shù)的峰值。

調(diào)制深度Rmd也可以用已調(diào)波與載波的幅度關(guān)系來表示：

(3)

式中：mmax為已調(diào)波的最大振幅；mmin為已調(diào)波的最小振幅；pmax為載波的最大振幅；pmin為載波的最小振幅。

脈沖寬度為脈沖所能達到幅值所持續(xù)的周期，用T表示，即：

T=tum+tom+tam

(4)

式中：tum為欠調(diào)制時間；tom為過調(diào)制時間；tam正常調(diào)制幅度的時間。

欠調(diào)制，也叫欠沖，用調(diào)制信號波峰的峰值低于正常調(diào)制幅值的時間tum與脈沖寬度時間T的比值表示為：

(5)

過調(diào)制也叫過沖，用調(diào)制信號的某些峰值超過正常調(diào)制幅值的時間tom與脈沖寬度T的比值表示為：

(6)

頻域分析包括被測信號的中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比以及相位。

中心頻率是理論中心頻率，用fo表示。

頻率漂移是指射頻設(shè)備長時間連續(xù)工作時，其輸出頻率值隨著時間單方向變化的情況。頻率漂移fΔ用被測信號中心頻率的實際檢測值fmea與理論中心頻率fo的差值表示為：

fΔ=fmea-fo

(7)

鄰道泄漏比(adjacent channel leakage ratio，ACLR)是用來衡量射頻設(shè)備工作時對主工作頻率外信道的影響特性，用被測讀寫器在發(fā)射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)比值表示為：

(8)

軟件設(shè)計了通信數(shù)據(jù)模塊，包括解碼數(shù)據(jù)、顯示射頻信號解碼與識別結(jié)果。該模塊還可以分析被測信號的反向鏈路頻率的相關(guān)測量值、編碼、前導(dǎo)碼校驗、循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)等，實現(xiàn)對射頻識別標簽各項指標的符合性檢測。

3.2.2 閱讀器符合性檢測

閱讀器符合性檢測通過采集閱讀器發(fā)出的信號，分析中心頻率、采集時間、采樣率、帶寬等參數(shù)開展檢測。

時域信號分析可以顯示變頻后的時域波形及基于時域波形所分析得到的各項參數(shù)。閱讀器檢測頻率分析內(nèi)容與標簽符合性檢測分析內(nèi)容相似，也包括中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比和相位等。閱讀器符合性檢測的通信數(shù)據(jù)模塊，除了包括解碼數(shù)據(jù)、前導(dǎo)碼校驗和CRC校驗外，還分析了編碼方式相關(guān)測量值與基準時間Tc的測量。

通過對超高頻和微波頻段RFID系統(tǒng)部署過程中的信號監(jiān)測，以及閱讀器和標簽的性能評估，能夠有效優(yōu)化系統(tǒng)的部署，解決布置多少個天線、如何確定每個天線的最佳位置以及每種物品的最佳貼標位置等問題，實現(xiàn)RFID系統(tǒng)部署過程的最優(yōu)化。

4 試驗結(jié)果與分析

以電子標簽檢測為例，對所設(shè)計的便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀的檢測能力進行測試。選用已部署RFID系統(tǒng)的車輛開展電子標簽的性能檢測，選一條環(huán)境較復(fù)雜的車道，將便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀布置在道路一邊，用裝有電子標簽的汽車開展兩個具有代表性的試驗。

試驗一：速度與電子標簽識別率關(guān)系測試。試驗車以不同的速度通過同一測試點，記錄不同速度下電子標簽的識別情況，統(tǒng)計出不同速度下的電子標簽識別率。

試驗二：距離與電子標簽識別率關(guān)系測試。試驗車以固定的速度通過不同的測試位置，記錄不同位置下的電子標簽識別情況，統(tǒng)計出距離與電子標簽識別率的關(guān)系。

速度、距離與識別率的關(guān)系分別如圖4、圖5所示。

圖4 速度與識別率關(guān)系圖

圖5 距離與識別率關(guān)系圖

從圖4可以看出，部署的RFID電子標簽系統(tǒng)優(yōu)化前，隨著移動速度開始增加，識別率就開始下降。當(dāng)車速在20 km/h左右，識別率有90%左右；當(dāng)車速為20～40 km/h，識別率僅為80%多。而距離方面，從圖5中可以看出，部署的RFID電子標簽系統(tǒng)優(yōu)化前，RFID電子標簽與天線距離在1 m以上就出現(xiàn)了識別率下降的情況，距離在6 m左右時識別率在95%左右。

綜合速度與距離兩種因素，即使速度保持在20 km/h，距離在6 m，識別率只有85%左右。如果在高速路收費站只有85%左右的識別率，10次經(jīng)過收費站就有1次多出現(xiàn)識別不成功的情況，影響不停車收費系統(tǒng)(electionic toll collection,ETC)全自動收費的效率。

采用本文所設(shè)計的便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀，對汽車上部署的RFID電子標簽系統(tǒng)進行診斷。診斷結(jié)果表明：車輛中電子標簽的功率偏低，加上車輛擋風(fēng)玻璃較厚，進一步影響電子標簽的識別成功率。適當(dāng)調(diào)整電子標簽的位置，并且更換功率稍大的電子標簽，再次開展相同的測試。

優(yōu)化后的試驗結(jié)果可知，20 km/h以內(nèi)識別率為100%，8 m以內(nèi)識別率為100%，綜合識別率高達100%；在20 km/h到50 km/h范圍內(nèi)，在8 m內(nèi)的識別率也有94%以上。

通過便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀，對RFID電子標簽部署系統(tǒng)開展診斷分析，找出系統(tǒng)性能下降的原因并開展有效優(yōu)化，可提高系統(tǒng)各項指標。

5 結(jié)束語

為完成對RFID相關(guān)設(shè)備的檢測，從硬件架構(gòu)設(shè)計、軟件功能設(shè)計等方面開展了相關(guān)研究，設(shè)計、研制了便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀，實現(xiàn)了對標簽識別、閱讀器、RFID系統(tǒng)部署環(huán)境的檢測與性能評估。該便攜式RFID現(xiàn)場檢測儀外形小巧，既滿足RFID電子標簽以及閱讀器基本指標測試要求，又能檢測、診斷出RFID系統(tǒng)由于環(huán)境或自身等因素導(dǎo)致各項指標下降的原因。以電子標簽檢測為例，開展了相關(guān)試驗驗證。試驗結(jié)果表明，便攜式RIFD現(xiàn)場檢測儀能夠?qū)σ巡渴鸬腞IFD系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進行有效的診斷，并有針對地提出改善意見，提高了RFID系統(tǒng)性能。