電磁屏蔽在RFID系統(tǒng)自動(dòng)分揀集中識(shí)別中的應(yīng)用研究

胡琛 張苗苗

摘 要 在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中，由于RFID系統(tǒng)的閱讀區(qū)范圍過(guò)大而且有效閱讀邊界模糊，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)被讀取，而導(dǎo)致分揀出錯(cuò)。本文通過(guò)研究電磁屏蔽原理以及屏蔽材料，提出利用電磁屏蔽解決RFID系統(tǒng)的天線閱讀區(qū)邊緣識(shí)讀率不穩(wěn)定現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單的屏蔽箱，對(duì)其效果進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了此理論。

關(guān)鍵詞 集中識(shí)別；RFID；電磁屏蔽

引言

RFID可以在非接觸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下多目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別，這一優(yōu)勢(shì)在物流行業(yè)相當(dāng)適用[1]。尤其是物流倉(cāng)庫(kù)中的入庫(kù)、自動(dòng)分揀等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的物流信息采集過(guò)程，貨物需要在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下被識(shí)別，RFID技術(shù)能夠達(dá)到此目的，因此RFID的性能直接影響了物流各個(gè)環(huán)節(jié)的信息采集的準(zhǔn)確性。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)國(guó)外的物流行業(yè)已較早地使用了RFID，但國(guó)內(nèi)仍在起步階段。1996年許勝余總結(jié)分析物流行業(yè)的自動(dòng)分揀技術(shù)，經(jīng)歷了人工分揀、機(jī)械分揀和自動(dòng)分揀的三個(gè)過(guò)程[2]。2008年肖筠、張小強(qiáng)結(jié)合RFID技術(shù)，設(shè)計(jì)了快遞物流配送系統(tǒng)，在分揀系統(tǒng)的入庫(kù)傳送帶的始端設(shè)置一個(gè)閱讀器[3]。2013年孫勇軍的基于RFID技術(shù)的郵區(qū)中心局總包生產(chǎn)作業(yè)流程設(shè)計(jì)中，由于還是處于理論階段，并沒(méi)有利用RFID進(jìn)行信函分揀，分揀過(guò)程中，安置于格口內(nèi)的RFID接收器掃描放入的信件是否為本格口信息，不是則報(bào)警，提醒分揀人員剔出[4]。

可靠的RFID識(shí)讀率是RFID技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)分揀系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中，由于RFID系統(tǒng)的閱讀區(qū)范圍過(guò)大而且有效閱讀邊界模糊，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)被讀取，而導(dǎo)致分揀出錯(cuò)。調(diào)整天線方向和改變閱讀器的發(fā)射功率雖能夠改變天線有效閱讀區(qū)的大小，但是有效閱讀區(qū)的邊緣識(shí)讀率不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的識(shí)讀區(qū)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽讀取順序和位置不一致，即先進(jìn)入閱讀區(qū)的有可能被后讀取，這會(huì)使分揀信息出錯(cuò)[5]。

本文根據(jù)電磁屏蔽原理，設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單的屏蔽箱，利用屏蔽箱改變RFID系統(tǒng)閱讀區(qū)的形狀，進(jìn)而解決了閱讀區(qū)邊緣識(shí)讀率不穩(wěn)定現(xiàn)象，保證閱讀器一次只能讀取一個(gè)標(biāo)簽，為RFID技術(shù)在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 電磁屏蔽原理

RFID是依靠電磁波通訊的電子通信技術(shù)，在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境下，會(huì)受到一定的電磁場(chǎng)干擾[6]。

電磁屏蔽原理和光入射玻璃發(fā)生的反射和折射而損耗的原理很相似。電磁屏蔽是利用屏蔽體的發(fā)射、衰減等使得電磁輻射場(chǎng)源所產(chǎn)生的電磁能流不進(jìn)入被屏蔽區(qū)域[7]。屏蔽材料屏蔽電磁傳播，通常用三種不同的原理使電磁波衰減：①未被反射部分，進(jìn)入屏蔽體被吸收損耗；②在入射表面的發(fā)射損耗；③在屏蔽體內(nèi)部發(fā)生多重反射而損耗。

2 屏蔽測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試平臺(tái)

搭建RFID系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境，建立RFID測(cè)試平臺(tái)，為RFID的性能測(cè)試提供了必要的保障。為了實(shí)驗(yàn)屏蔽材料對(duì)天線閱讀區(qū)的影響，裝備屏蔽箱體，通過(guò)吸收、反射和多重反射電磁波，而將閱讀區(qū)的邊界變得明確。

RFID測(cè)試環(huán)境主要包括三個(gè)方面：①硬件設(shè)備：固定式閱讀器、閱讀器天線、電子標(biāo)簽（含紙質(zhì)標(biāo)簽、抗金屬標(biāo)簽）、膠帶輸送機(jī)、紙箱；②測(cè)試軟件：RFID系統(tǒng)測(cè)試軟件。③屏蔽材料：本實(shí)驗(yàn)的屏蔽箱體采用304不銹鋼作為屏蔽材料，304不銹鋼是一種韌性高、加工性能好的常用工業(yè)材質(zhì)。因含有18%的鉻以及8%以上的鎳，具有高達(dá)1.37的電導(dǎo)率和較低的磁導(dǎo)率，所有較高的反射損耗，304不銹鋼的屏蔽效能優(yōu)良，大于80dB。

屏蔽箱體是一個(gè)多處開(kāi)了口的長(zhǎng)方體箱體，底部完全開(kāi)口，貨物運(yùn)行的方向兩側(cè)開(kāi)口大小完全相同，能滿足實(shí)驗(yàn)貨物通過(guò)，箱體頂部正中開(kāi)口，大小剛好能容納RFID天線，為了保證一定的物理強(qiáng)度，以及良好的屏蔽效果，屏蔽箱體厚度為1mm。

2.2 屏蔽測(cè)試內(nèi)容

為測(cè)試屏蔽設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，進(jìn)行以下幾組實(shí)驗(yàn)：

（1）在不裝備屏蔽箱體的情況下，固定傳送帶速度為1m/s和閱讀器的發(fā)射功率15dBm，分別測(cè)試兩種標(biāo)簽間距在10cm、15cm和20cm時(shí)的動(dòng)態(tài)識(shí)讀率。

（2）在安裝屏蔽箱體的情況下，固定傳送帶速度為1m/s和閱讀器的發(fā)射功率15dBm，分別測(cè)試兩種標(biāo)簽間距在10cm、15cm和20cm時(shí)的動(dòng)態(tài)識(shí)讀率。

2.3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：將標(biāo)簽粘貼在尺寸大小一致的紙箱上，并保證標(biāo)簽在紙箱上的相對(duì)位置一致。不裝備屏蔽箱體，固定發(fā)射功率15dBm，在傳輸帶1m/s的速度下，測(cè)試標(biāo)簽不同間距下識(shí)讀情況，當(dāng)先進(jìn)入識(shí)讀區(qū)的標(biāo)簽被先讀到，后進(jìn)入識(shí)讀區(qū)的標(biāo)簽后被閱讀則視為成功的閱讀，否則稱為失敗。貼有標(biāo)簽的紙盒從遠(yuǎn)處，隨著傳送帶進(jìn)入閱讀區(qū)，設(shè)置標(biāo)簽間距為10cm、15cm、20cm三組情況，每組測(cè)試100次，測(cè)試標(biāo)簽間距對(duì)RFID連續(xù)識(shí)讀的影響，兩種標(biāo)簽的連續(xù)識(shí)讀成功率和間距關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)二：在上述的測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)屏蔽罩，其他條件不變，測(cè)試三組數(shù)據(jù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，在15dBm的發(fā)射功率下，不同間距下的識(shí)讀成功率不同，間距越大集中識(shí)讀的成功率越高，間距越小集中識(shí)讀的成功率越低，其中抗金屬標(biāo)簽比紙質(zhì)標(biāo)簽測(cè)試時(shí)的整體成功率高。在沒(méi)有安裝屏蔽箱時(shí)，識(shí)讀區(qū)邊緣的不穩(wěn)定區(qū)域很大，當(dāng)相鄰標(biāo)簽間距大于不穩(wěn)定區(qū)范圍時(shí)，集中識(shí)讀才具有較高的成功率。

對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在安裝屏蔽箱后，集中識(shí)讀的成功率整體得到了提高，當(dāng)標(biāo)簽間距在10cm時(shí)，成功率最低的紙質(zhì)標(biāo)簽已經(jīng)達(dá)到了83%；當(dāng)標(biāo)簽間距在15cm時(shí)，抗金屬標(biāo)簽的成功率達(dá)到了100%，而紙質(zhì)標(biāo)簽的成功率也達(dá)到98%；當(dāng)標(biāo)簽間距在20cm時(shí)，紙質(zhì)標(biāo)簽和抗金屬標(biāo)簽的連續(xù)識(shí)讀成功率都達(dá)到了100%。

在自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，貨物的間距是影響分揀效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)今的大部分自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，貨物之間的間距在15cm左右。從測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)增設(shè)屏蔽設(shè)備有達(dá)到成功率100%連續(xù)識(shí)讀的可能。

3 結(jié)論與展望

本論文對(duì)RFID技術(shù)在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試研究，通過(guò)測(cè)試分析，確定了增加屏蔽設(shè)備可以解決RFID在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中的天線有效閱讀區(qū)的邊界問(wèn)題。不但對(duì)RFID在自動(dòng)分揀集中識(shí)別中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，對(duì)RFID技術(shù)的應(yīng)用推廣也具有示范借鑒意義。

本論文通過(guò)增加屏蔽箱體，提高了集中識(shí)別的成功率，改善了天線的閱讀區(qū)。屏蔽測(cè)試結(jié)果顯示：安裝屏蔽箱體后測(cè)，當(dāng)標(biāo)簽間距10cm時(shí)，紙質(zhì)標(biāo)簽識(shí)讀成功率提高了28%，抗金屬標(biāo)簽的識(shí)讀成功率提高了32%；當(dāng)標(biāo)簽間距15cm時(shí)，紙質(zhì)標(biāo)簽識(shí)讀成功率提高了40%，抗金屬標(biāo)簽識(shí)讀成功率提高了36%；當(dāng)標(biāo)簽間距20cm時(shí)，紙質(zhì)標(biāo)簽識(shí)讀成功率提高了30%，抗金屬標(biāo)簽識(shí)讀成功率提高了20%。

雖然本論文為模擬自動(dòng)分揀集中識(shí)別做了相關(guān)研究，取得了一些進(jìn)展，但是所做的工作僅僅是一個(gè)初步的探索，由于研究水平和條件限制，本文的研究工作也存在一些亟待改進(jìn)解決的問(wèn)題，如在研究屏蔽設(shè)備對(duì)RFID閱讀區(qū)的影響時(shí)，只做了簡(jiǎn)單的測(cè)試研究，并沒(méi)有從原理上定量的分析屏蔽后的電磁場(chǎng)的分布情況。今后還需要在該方面做深入的研究。

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作者簡(jiǎn)介

胡?。?990-），男，天津市人；畢業(yè)院校：天津科技大學(xué)，專業(yè)：物流工程，學(xué)歷：碩士研究生，現(xiàn)就職單位：天津科技大學(xué)，研究方向：物流工程。