面向智慧物流的射頻識別虛擬仿真實驗教學(xué)探索

宛 汀，孫晨陽，閆夢陽

（1.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003；2.東南大學(xué) 毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

0 引 言

無線射頻識別（Radio frequency identification, RFID）技術(shù)是一種利用射頻無線通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點，可提供快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標(biāo)識別、定位及長期跟蹤管理等服務(wù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一[1-2]?，F(xiàn)代智慧物流通過智能軟硬件、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智慧化技術(shù)手段實現(xiàn)物流各環(huán)節(jié)的自動化、精細(xì)化和可視化管理，從而有效提高了物流運轉(zhuǎn)效率。RFID技術(shù)適應(yīng)智慧物流對于整個環(huán)節(jié)全程智能、可控的要求，因此在現(xiàn)代物流管理領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿3-5]。面向智慧物流領(lǐng)域?qū)τ赗FID技術(shù)的需求，高等院校的物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)均開展RFID技術(shù)的相關(guān)課程教學(xué)，以適應(yīng)信息化時代培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才的要求；其主要教學(xué)內(nèi)容涵蓋智慧物流和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢、RFID技術(shù)原理和特點、RFID技術(shù)在智慧物流中的應(yīng)用等方面。其中，RFID技術(shù)原理和特點的介紹是教學(xué)內(nèi)容的重點和難點。射頻天線作為RFID標(biāo)簽和讀寫器收發(fā)無線信號的重要前端部件，是物流管理中實現(xiàn)非接觸式識別的重要裝置，也是RFID系統(tǒng)的重中之重。因此，理解RFID天線收發(fā)無線信號的機理，對于全面掌握RFID技術(shù)原理及其在智慧物流中的應(yīng)用具有突出意義。

1 面向智慧物流的射頻識別教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

在智慧物流系統(tǒng)中，對象的識別需要實時、動態(tài)和高效，這對RFID標(biāo)簽和閱讀器的性能提出了嚴(yán)苛的要求。區(qū)別于傳統(tǒng)條形碼所采用的視距掃描方式，RFID的標(biāo)簽和閱讀器通過天線在空氣中傳輸電磁波來實現(xiàn)高速、遠(yuǎn)距離和多目標(biāo)識別。因此，學(xué)習(xí)和掌握RFID天線的工作機理是重要基礎(chǔ)。當(dāng)前的RFID天線教學(xué)面臨如下挑戰(zhàn)：第一，內(nèi)容理論性強、概念抽象，由于RFID傳輸信號以電磁波為載體，而電磁波是看不見、摸不著的，這給理解信號在RFID標(biāo)簽和閱讀器中的產(chǎn)生和傳輸帶來了不小的困難，使得理論教學(xué)缺乏實感。第二，實驗教學(xué)能夠讓學(xué)生通過實際操作儀器設(shè)備，以及數(shù)據(jù)交互來觀察RFID天線收發(fā)電磁波的機理，但是，電磁類實驗不僅對場地和儀器要求高，而且對實驗者的專業(yè)技能和操作水平要求高，難以在教學(xué)中開展。針對上述兩方面問題，通過引入虛擬仿真實驗的教學(xué)模式，能夠獲得較好的解決。虛擬仿真實驗在計算機系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境和對象模型，讓實驗者可以在仿真軟件環(huán)境中完成預(yù)定實驗，獲得類似于真實實驗的學(xué)習(xí)效果。

計算機技術(shù)的高速發(fā)展及其與數(shù)值計算方法的高度融合，催生了一批優(yōu)秀的電磁仿真軟件，例如：CST、HFSS和ADS等，為RFID領(lǐng)域的教學(xué)和科研提供了重要支持。借助這類電磁仿真軟件，能夠避免對于實驗環(huán)境和操作者的苛刻要求，將演示實驗帶入理論課，還能打破時間和地域的限制為學(xué)生提供開放式實驗。這類電磁仿真軟件人機交互界面友好、易于操作，數(shù)據(jù)輸出形象生動，能夠讓RFID天線的工作性能參數(shù)、射頻信號的產(chǎn)生和輻射等內(nèi)容以曲線、彩圖甚至動畫的形式展示，為學(xué)生提供清晰直觀的感知，有效促進學(xué)生對于抽象理論知識內(nèi)容的理解。

2 基于CST軟件的虛擬仿真實驗平臺

本課程基于CST（Computer Simulation Technology）仿真軟件平臺，對如何在面向智慧物流的RFID課程中引入虛擬仿真實驗進行了探索與實踐。CST是一款由德國CST公司開發(fā)的三維電磁仿真軟件，包含多個工作室子軟件，能為用戶提供完整的系統(tǒng)和器件層面的數(shù)值仿真優(yōu)化。CST軟件覆蓋整個電磁頻段，提供完善的時域和頻域全波電磁算法，典型應(yīng)用包括天線、電波傳播、電磁兼容和電路互連等。CST軟件提供了友好的人機交互界面，簡潔、易于操作，能輸出天線阻抗、輻射方向圖和電磁近遠(yuǎn)場等，并支持曲線和三維圖等多元的結(jié)果顯示[6]。CST軟件套裝中的微波工作室平臺，是CST公司的旗艦產(chǎn)品，包括多種精確的電磁數(shù)值算法，可精確仿真任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜材料組成的目標(biāo)的電磁特性。本課程教學(xué)使用CST微波工作室作為虛擬仿真實驗平臺。

一個完整的RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽、閱讀器和控制終端3個部分，其中標(biāo)簽和閱讀器是核心設(shè)備，它們之間通過電磁波反向散射完成信息傳輸，閱讀器發(fā)送能量到標(biāo)簽，標(biāo)簽收集能量并通過反向散射識別數(shù)據(jù)來響應(yīng)閱讀器。標(biāo)簽和閱讀器的天線承擔(dān)了收發(fā)無線電信號的重要任務(wù)，是整個RFID系統(tǒng)的重要組成部分，很大程度上決定了系統(tǒng)的工作性能。在智慧物流的RFID課程教學(xué)中，通過CST軟件平臺對標(biāo)簽和閱讀器中的天線進行虛擬仿真實驗，能夠直觀清晰地觀察RFID天線的性能參數(shù)、電波傳播特性、器件表面電場分布等，充分了解RFID天線的工作機理與射頻電波的傳播規(guī)律，有助于學(xué)生更加深入地掌握RFID技術(shù)知識。

3 教學(xué)案例一：智慧物流中RFID標(biāo)簽天線的仿真實驗

標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中存儲可識別對象數(shù)據(jù)的電子設(shè)備，使用時附著在檢測對象目標(biāo)上。當(dāng)標(biāo)簽接收到閱讀器傳輸?shù)男盘枙r，啟動執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，包括數(shù)據(jù)讀寫和加密等。射頻天線是標(biāo)簽的重要組成部分。智慧物流場景中，需根據(jù)實際應(yīng)用綜合考慮尺寸、帶寬、增益和成本等因素來進行天線的設(shè)計[7]。下面以智慧物流運輸監(jiān)測中常用的UHF頻段標(biāo)簽天線為例來介紹RFID標(biāo)簽天線的虛擬仿真實驗。

以一個典型的電感耦合式彎折臂標(biāo)簽天線為例，在CST仿真軟件環(huán)境中建立該天線模型，如圖1所示。采用彎折臂的方式來減小天線尺寸，并利用對稱結(jié)構(gòu)來改善天線的輻射特性。天線介質(zhì)基板使用介電常數(shù)為4.4的FR4材料，天線的總尺寸為52mm×44mm×0.5mm，其中a=17mm，b=4mm，c=20mm，d=4mm，金屬帶線寬度為2mm。

圖1 標(biāo)簽彎折臂天線模型示意圖

采用CST進行電磁仿真，可以得到標(biāo)簽天線的回波損耗隨頻率變化的S參數(shù)曲線，如圖2所示。實際中，希望天線的無線電波全部輻射出去，而不是反射回來，因此回波損耗直觀展示了電波反射回來的功率情況。天線工作的中心頻率為917 MHz，可以看到，在900～940 MHz范圍內(nèi)，天線的回波損耗都低于10 dB，符合設(shè)計要求。圖3給出了中心頻率下天線的平面方向圖和三維方向圖，天線在正反面方向上的最大增益均在1 dB以上，滿足一般標(biāo)簽天線的設(shè)計要求。通過上述二維曲線方向圖和三維立體方向圖，清晰地展示了天線工作時無線電波傳播的能量分布情況，大大增加了學(xué)生的直觀體驗和對于標(biāo)簽天線工作機制的理解程度。

圖2 標(biāo)簽天線的回波損耗

圖3 標(biāo)簽天線的切面和三維輻射方向圖

4 教學(xué)案例二：智慧物流中RFID閱讀器天線的仿真實驗

閱讀器是負(fù)責(zé)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的設(shè)備。為了最大限度地擴大識別范圍，通常在閱讀器上使用高增益的定向天線，使得信號以最高有效全向輻射功率進行發(fā)送。閱讀器天線需針對具體的應(yīng)用要求來進行設(shè)計，如識別范圍、耐用性和易附性等。與固定式閱讀器天線相比，手持式閱讀器天線具有更嚴(yán)格的要求，如：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、機械強度高等[8]。下面以智慧物流倉儲中常用的手持式閱讀器平面倒F天線（Planar inverted-F antenna, PIFA）為例來介紹RFID閱讀器天線的虛擬仿真實驗。

在CST仿真軟件環(huán)境中建立PIFA天線模型，如圖4所示。PIFA及其耦合單元在平面上形成2個 “L”形狀，因此這種結(jié)構(gòu)也稱雙L型天線。PIFA單元長57 mm，寬25.8 mm，高12.9 mm；耦合單元長54 mm，寬、高和PFIA保持一致。耦合單元與PFIA天線之間的距離為9 mm、耦合單元微帶短路線距離邊緣為4 mm。天線工作在815～977 MHz的UHF頻段。高頻振蕩的能量通過饋電點傳遞給天線，天線將其變成射頻電磁波輻射出去，實現(xiàn)與標(biāo)簽天線之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 手持式閱讀器PIFA天線模型示意圖

采用CST進行電磁仿真，可以觀察到閱讀器中原始射頻信號在PFIA天線上激發(fā)出的電場分布情況，如圖5所示，在PIFA以及其耦合單元的邊緣激發(fā)出了較強的電場強度。圖6則展示了電場的矢量分布情況。電場及其矢量分布圖讓學(xué)生能夠清晰直觀地觀察到電波與天線作用的機理。圖7給出了PFIA天線在840 MHz處的三維輻射方向圖，從圖中可以觀察到，電波輻射的能量主要集中在天線的斜上方附近，最大增益約為3.76 dBi，為實際天線的使用、安裝提供了指導(dǎo)。通過電場及輻射方向圖，清晰地展示了天線工作時輻射無線電波的傳播情況，同時了解了智慧物流應(yīng)用中天線在閱讀器上的工作規(guī)范，大大增加了學(xué)生的直觀體驗和理解程度。

圖5 閱讀器天線表面電場分布

圖6 電場矢量分布圖

圖7 閱讀器天線三維輻射方向圖

5 結(jié) 語

通過在RFID課程教學(xué)中引入基于CST軟件平臺的虛擬仿真實驗，不僅將抽象枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為可視化的圖像，而且有利于學(xué)生將專業(yè)理論融入智慧物流實際應(yīng)用中。教學(xué)實踐證明，針對RFID課程天線教學(xué)中面臨的理論性強、抽象度高等方面的問題，基于CST平臺的虛擬仿真實驗與理論教學(xué)相結(jié)合的新型教學(xué)模式，有效地增強了學(xué)生對于專業(yè)知識的理解，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，為物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的途徑。