超高頻RFID發(fā)光電子耳標(biāo)測試方法研究

張 旭，張晶聲，董 明，金聞名，楊 晶，于遵波，馮 哲，李保明

(1.中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.涿州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局所，河北涿州 072750；4.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，北京 102200)

射頻識別技術(shù)(RFID)是一種信息感知技術(shù)，通過無線傳輸方式對人、動物或其他物品進行信息采集，具有非接觸、識別速度快、準(zhǔn)確率高的特點，在現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的溯源追蹤、育種管理、動物行為收集等方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。RFID系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器和主機三個部分組成。RFID系統(tǒng)的基本工作過程是由閱讀器內(nèi)置的天線向四周發(fā)射一定頻率的射頻信號，帶有標(biāo)簽的目標(biāo)物體進入射頻信號的可識別區(qū)域后，標(biāo)簽通過內(nèi)置發(fā)送天線將自身編碼等信息發(fā)送出去；閱讀器內(nèi)置的天線接收到從標(biāo)簽發(fā)來的載波信號，對載波信號進行解碼，然后將信息送到主機系統(tǒng)處理；主機系統(tǒng)判斷該射頻信號的合理性并做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號，控制并執(zhí)行相應(yīng)的功能。按照閱讀器及標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式可分為：電感耦合及后向散射耦合。一般低頻、高頻的標(biāo)簽大多采用第一種方式，而超高頻標(biāo)簽采用第二種方式[2]。在電感耦合系統(tǒng)中，讀寫器和標(biāo)簽之間的射頻信號的實現(xiàn)為變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，該系統(tǒng)依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。電感耦合系統(tǒng)典型的工作頻率為125 kHz、134.2 kHz和13.56 MHz。該系統(tǒng)的識別距離小于1 m，典型作用距離為10～20 cm。在后向散射耦合系統(tǒng)中，讀寫器和標(biāo)簽之間的射頻信號的實現(xiàn)為雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后被反射，同時攜帶回目標(biāo)信息，該系統(tǒng)依據(jù)的是電磁波的空間傳輸規(guī)律。后向散射耦合系統(tǒng)典型的工作頻率為800～900 MHz和920～925 MHz。該系統(tǒng)的識別距離大于1 m，典型作用距離為2～3 m。

電子耳標(biāo)是利用超高頻RFID技術(shù)對動物進行個體標(biāo)識的電子標(biāo)簽，具有非接觸、遠距離識別及測量等特點，它承載了動物個體信息，是動物可被識別的電子身份證，常應(yīng)用于動物科研、飼養(yǎng)、管理、追溯等自動化、信息化管理領(lǐng)域。一旦發(fā)生動物疫情和畜產(chǎn)品質(zhì)量等問題，即可快速追溯其來源，及時采取應(yīng)對措施。目前,澳大利亞、美國、加拿大、日本等40多個國家已采用基于RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽進行牲畜身份識別追溯管理。在澳大利亞，2006年1月開始全面啟動國家牲畜追溯體系，規(guī)定每頭牛都必須佩戴12位數(shù)字編碼的電子耳標(biāo)[3]。在美國，每個電子耳標(biāo)包含15位數(shù)字，以840開頭，剩余12位作為個體動物的唯一性標(biāo)識[4]。近年來，我國也逐步推行使用電子耳標(biāo)。2012年農(nóng)業(yè)部印發(fā)《動物電子耳標(biāo)試點方案》[5]，在天津、內(nèi)蒙古、湖南、新疆等地開展電子耳標(biāo)試點工作。2019年青海省全面啟動牦牛、藏羊原產(chǎn)地可追溯工程[6]，牦牛藏羊?qū)⑷颗宕麟娮佣鷺?biāo)。

1 超高頻電子耳標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)及測試規(guī)范

超高頻標(biāo)簽的協(xié)議及測試規(guī)范是研究發(fā)光電子耳標(biāo)測試的基礎(chǔ)，發(fā)光指令通過在合適的存儲區(qū)增加指令或讀取合適的存儲區(qū)來實現(xiàn)，與標(biāo)簽的射頻指令不能發(fā)生沖突。目前國內(nèi)常見的超高頻RFID空口協(xié)議有國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。最為通用的標(biāo)準(zhǔn)為6C標(biāo)準(zhǔn)，即ISO/IEC 18000-63，另外還有我國在2014年5月正式實施的中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768。對應(yīng)ISO/IEC 18000-63的測試規(guī)范為ISO/IEC 18047-6，對應(yīng)GB/T 29768的測試規(guī)范為GB/T 35102。電子標(biāo)簽測試規(guī)范是用來通過標(biāo)準(zhǔn)讀寫器發(fā)出的指令，對標(biāo)簽進行測試的一種方法和規(guī)范。

與低頻電子耳標(biāo)相比，超高頻電子耳標(biāo)具有識讀距離遠、傳輸速度快、保存時間長、多標(biāo)簽防沖突等特點，在動物追溯領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。目前各檢測機構(gòu)均依據(jù)ISO18000-63、ISO18047等國際標(biāo)準(zhǔn)及GB29768、GB35102等國家標(biāo)準(zhǔn)對超高頻電子耳標(biāo)進行符合性測試，在檢測技術(shù)和檢測方法上基本成熟。

2 典型的發(fā)光電子耳標(biāo)

發(fā)光標(biāo)簽是一種帶有光提醒功能的超高頻電子標(biāo)簽，能在物品管理中快速尋物，廣泛應(yīng)用于圖書、檔案、貨品查找定位。超高頻RFID發(fā)光標(biāo)簽在被盤點后，能根據(jù)收到的指令控制LED閃爍，方便盤點人找到標(biāo)簽編碼對應(yīng)的物品。目前市面上的兩種典型發(fā)光電子耳標(biāo)分別基于國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，這類耳標(biāo)除具有一般超高頻電子耳標(biāo)的功能外，同時具備發(fā)光標(biāo)簽的功能，可實現(xiàn)動物個體的快速查找與定位，均具有良好的穩(wěn)定性。

2.1 復(fù)旦微電子開發(fā)的有源發(fā)光電子耳標(biāo) 復(fù)旦微電子公司開發(fā)的超高頻RFID發(fā)光電子耳標(biāo)是基于GB/T 29768-2013標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的[7]，發(fā)光指令寫在GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留的存儲區(qū)域內(nèi)，頻率范圍為920～925 MHz，具有防沖突功能，支持群讀和批量點亮功能，廣泛應(yīng)用于可應(yīng)用在動物耳標(biāo)、物資管理、檔案管理等領(lǐng)域。

超高頻RFID發(fā)光標(biāo)簽芯片可提供一個對地的模擬開關(guān)，讀寫器可以通過管腳輸出控制命令，控制被選中的標(biāo)簽中模擬開關(guān)的通斷。發(fā)光控制的頻率為1.5 Hz，時間為0～20 s。該發(fā)光電子耳標(biāo)通過自定義命令實現(xiàn)點亮，這條點亮指令是在GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)的公開指令集以外增加的一條命令，指令的具體格式如表1所示。該指令用于打開關(guān)閉標(biāo)簽芯片控制管腳的NMOS管，從而控制LED燈亮滅，命令代碼為1011110000001110b，開關(guān)設(shè)置中的X表示標(biāo)簽的通斷，當(dāng)X=0時，標(biāo)簽不被點亮，當(dāng)X=1時，標(biāo)簽被點亮。超高頻RFID發(fā)光標(biāo)簽在被盤點后，根據(jù)收到的指令控制LED閃爍，方便盤點人找到標(biāo)簽編碼對應(yīng)的標(biāo)簽。標(biāo)簽收到開關(guān)指令后，如果命令句柄正確，CRC校驗通過，返回操作成功狀態(tài)。如果句柄不正確，或者CRC校驗失敗，則標(biāo)簽不執(zhí)行該命令。標(biāo)簽的響應(yīng)見表2。

表1 復(fù)旦微電子發(fā)光標(biāo)簽的點亮指令

表2 復(fù)旦微電子發(fā)光標(biāo)簽的響應(yīng)

2.2 凱路威開發(fā)的電子耳標(biāo) 凱路威有限公司開發(fā)的超高頻RFID發(fā)光標(biāo)簽是基于EPCgen2及ISO/IEC18000-63標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的[8]，頻率范圍為840～960 MHz，能實現(xiàn)讀寫設(shè)備遠距離點亮芯片LED Pad外連接的LED燈，該功能能夠很好的適應(yīng)多種應(yīng)用需求，LED功能連接方式如圖1所示。

圖1 LED功能連接方式

凱路威沿用了現(xiàn)有的讀取命令，但定義了一個自定義參數(shù)即RFU區(qū)第4個Word來實現(xiàn)點亮，也就是說這條讀命令是在ISO18000-63標(biāo)準(zhǔn)的公開指令集以內(nèi)的，沒有增加新的命令，讀命令用于點亮?xí)r，其參數(shù)使用了一個不存在的地址。當(dāng)發(fā)送特定指令時(讀取地址為RFU區(qū)第4個word)，被選中的芯片會點亮與之連接的LED燈。指令的具體格式及響應(yīng)如表3、表4所示。

表3 基于ISO18000-63標(biāo)準(zhǔn)的讀指令

表4 基于ISO18000-63標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽對成功讀取的響應(yīng)

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件選型

3.1.1 照度計的選型 照度計用于實現(xiàn)發(fā)光標(biāo)簽亮度的測試。通過測量放置于暗箱內(nèi)的電子耳標(biāo)的照度值,可顯示標(biāo)簽是否被點亮。由奎斯特采樣定理可知，照度計的采樣頻率需要為標(biāo)簽發(fā)光頻率的3倍，已知發(fā)光頻率為1.5 Hz，所以照度計的采樣頻率應(yīng)選用fc≥4.5 Hz。選取型號為TES-1339的照度計，如圖2所示，其采樣頻率為5 Hz，滿足使用要求。

3.1.2 暗箱的選型 電波暗箱用于屏蔽環(huán)境中的干擾信號。電波暗箱由屏蔽箱體、屏蔽門、信號接口板、吸波材料、天線、被測件平臺等構(gòu)成(圖3)，用于實現(xiàn)發(fā)光電子耳標(biāo)的射頻性能測試和發(fā)光性能測試。電波暗箱的具體技術(shù)參數(shù)見表5。

圖3 電波暗箱

表5 電波暗箱技術(shù)參數(shù)

3.2 硬件的搭建 測試系統(tǒng)主體包括FPGA及上頻、下頻處理器和收發(fā)天線，實現(xiàn)對發(fā)光標(biāo)簽進行盤存。除測試系統(tǒng)主體以外，主要電子配件及調(diào)試工具包括電波暗箱和照度計。

將發(fā)光標(biāo)簽、接收天線、照度計安裝于電波暗箱內(nèi)，如圖4所示。照度計主機與傳感探頭相連，傳感探頭輸出信號與主機com口相連。接收天線通過環(huán)形器與上、下變頻器相連。

圖4 電波暗箱內(nèi)部構(gòu)造

3.3 測試流程 根據(jù)發(fā)光標(biāo)簽說明書，基于labview平臺，編寫發(fā)光標(biāo)簽測試軟件?；趪覙?biāo)準(zhǔn)設(shè)計的有源發(fā)光標(biāo)簽的具體測試流程為：向發(fā)光標(biāo)簽發(fā)出盤存指令，標(biāo)簽返回信號后，向發(fā)光標(biāo)簽發(fā)出發(fā)光指令，標(biāo)簽按一定頻率閃爍，照度計傳感探頭采集標(biāo)簽閃爍的頻率及照度，通過com口將采集信息傳輸?shù)杰浖K端?；趪H標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的發(fā)光標(biāo)簽的具體測試流程為：向發(fā)光標(biāo)簽發(fā)出盤存指令，標(biāo)簽返回信號后，向發(fā)光標(biāo)簽發(fā)出讀指令，讀取RFU區(qū)第4個word，若返回錯誤代碼，則激活發(fā)光功能，標(biāo)簽按一定頻率閃爍，照度計傳感探頭采集標(biāo)簽閃爍的頻率及照度，通過com口將采集信息傳輸?shù)杰浖K端。

4 采集結(jié)果分析

4.1 基于國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的有源發(fā)光標(biāo)簽的采集及分析結(jié)果

4.1.1 盤存指令及信號響應(yīng) 設(shè)置發(fā)射功率為15 dbm,接收功率為-5 dbm,選擇“盤存標(biāo)簽”,得到標(biāo)簽的時域響應(yīng)，此時標(biāo)簽點亮燈為“暗”，如圖5所示。

圖5 標(biāo)簽盤存后的響應(yīng)信號

4.1.2 發(fā)光指令及發(fā)光顯示 接上一步，立刻發(fā)送“點亮標(biāo)簽”指令，可得到標(biāo)簽的時域響應(yīng)，此時標(biāo)簽點亮燈為“亮”，如圖6所示。經(jīng)過盤存指令和點亮指令后，標(biāo)簽得到正確的相應(yīng)并顯示點亮，則判斷點亮性能符合要求。

圖6 標(biāo)簽點亮后的響應(yīng)信號

4.2 基于國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的發(fā)光標(biāo)簽的采集及分析結(jié)果

4.2.1 盤存指令及信號響應(yīng) 發(fā)送Select指令，得到標(biāo)簽的響應(yīng)，如圖7所示。

圖7 標(biāo)簽盤存后的響應(yīng)信號

4.2.2 發(fā)光指令及發(fā)光顯示 接上一步，立刻發(fā)送Read指令，當(dāng)相應(yīng)顯示為Error code=03時，說明點亮指令使用了一個不存在的地址，標(biāo)簽點亮符合要求，如圖8所示。

圖8 標(biāo)簽點亮后的響應(yīng)信號

5 小 結(jié)

本文基于市面上已有的兩種電子耳標(biāo)，搭建了發(fā)光電子耳標(biāo)測試平臺，通過發(fā)送相應(yīng)的盤存指令和發(fā)光指令，得到電子耳標(biāo)的響應(yīng)信號，判斷出標(biāo)簽是否被點亮，實現(xiàn)了電子耳標(biāo)發(fā)光性能的測試，為發(fā)光電子耳標(biāo)在養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用做出了探索性的研究。