面向物流工程的射頻識別虛擬仿真實驗的教學探索研究

蔡奇

摘 要：隨著電子通信的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的推廣，射頻識別（RFID）技術在物流行業(yè)有著重要的用途。RFID利用射頻信號的空間耦合傳輸，通過非接觸的方式識別目標、讀取數(shù)據(jù)，可以用于物流管理、倉儲分揀、安全監(jiān)測、信息傳遞等場景。讀寫器是RFID系統(tǒng)中的關鍵裝置，負責對電子標簽進行讀取或寫入信息。在面向物流工程專業(yè)的RFID課程教學中，由于閱讀器系統(tǒng)架構復雜、理論性強，使得學生對RFID讀寫器機制的理解存在困難。在RFID教學中引入射頻EDA仿真軟件，通過虛擬仿真實驗直觀展示RFID讀寫器的工作機理，加強學生的實踐和創(chuàng)新能力。文章探索了結合物流行業(yè)開展RFID教學活動，通過引入基于虛擬仿真的實踐教學環(huán)節(jié)，提升教學質量，為物流工程專業(yè)培養(yǎng)復合型高素質人才。

關鍵詞：射頻識別；物流；虛擬仿真實驗；教學研究

中圖分類號：F259.22；G642；TN925文獻標志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.10.032

Abstract： With the development of electronic communication and the promotion of the Internet of Things， Radio Frequency Identification （RFID） technology has important applications in the logistics industry. RFID utilizes the spatial coupling transmission of radio frequency signals to identify targets and read data in a non-contact manner. It can be used in scenarios such as logistics management， warehouse sorting， security monitoring and information transmission. The RFID reader is a key device in the RFID system to read or write information to tags. In the teaching of RFID courses for logistics engineering majors， due to the complex architecture and strong theoretical nature of RFID reader， it is difficult for students to understand the mechanism of RFID reader. Introducing radio frequency EDA simulation software into RFID teaching， intuitively demonstrating the working mechanism of RFID readers through virtual simulation experiments strengthens students' practical and innovative abilities. The paper explores the implementation of RFID teaching with the logistics industry， by introducing practical teaching links based on virtual simulation， the teaching is improved， and the composite and high-quality talents for the logistics engineering are cultivated.

Key words： Radio Frequency Identification （RFID）；logistics；virtual simulation experiment；teaching research

0? ? 引? ? 言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流行業(yè)成為我國經(jīng)濟的重要支持?！笆奈濉币?guī)劃指出要進一步打造現(xiàn)代化物流體系，加快物流技術的創(chuàng)新與升級。射頻識別（RFID）技術早在20世紀90年代就用于物流倉儲管理的精細化作業(yè)[1-3]。RFID技術利用射頻信號的空間耦合，可以實現(xiàn)非接觸式信息傳遞并識別目標對象，具有速度快、效率高、多目標、操作簡便、準確精細、性能穩(wěn)定等特點，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等智慧化技術，在現(xiàn)代物流管理的存儲、配送、分銷、運輸、零售、巡檢、預警等環(huán)節(jié)上具有顯著優(yōu)勢[4-6]。

物流技術的高速發(fā)展也對高校教學提出了新的要求，物流工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)都開展RFID技術相關的課程，教授現(xiàn)代物流的發(fā)展、RFID技術及相關理論，以及RFID技術在現(xiàn)代物流中的應用等內容，培養(yǎng)符合物流行業(yè)需求的高素質專業(yè)化人才。RFID技術及相關理論是教學中的重點和難點，而讀寫器作為前端的數(shù)據(jù)收發(fā)采集設備，是RFID系統(tǒng)的核心，也是決定系統(tǒng)性能的關鍵模塊。因此，理解RFID系統(tǒng)讀寫器的架構和工作機理，對于培養(yǎng)學生掌握RFID技術原理、獲得解決相關問題的能力具有重要意義。

1? ? 面向物流工程的射頻識別教學面臨的挑戰(zhàn)

在物流行業(yè)中，RFID讀寫器的射頻發(fā)射模塊通過天線發(fā)送特定頻率的無線電波，電子標簽接收到該電波后，利用感應電流產(chǎn)生的能量將自身信息發(fā)回。讀寫器通過射頻接收模塊來接收信號，并在此過程中，為電子標簽提供能量，實現(xiàn)防碰撞功能、消息鑒權、數(shù)據(jù)信息處理等操作。讀寫器的性能優(yōu)劣，如工作頻率、發(fā)射功率、動態(tài)靈敏度等直接影響目標識別的性能。因此，有必要讓學生學習和掌握RFID讀寫器的工作原理。

當前的RFID讀寫器教學面臨如下挑戰(zhàn)：首先，RFID讀寫器系統(tǒng)架構復雜、電路和通信理論性強。由于讀寫器需要在通過射頻收發(fā)模塊發(fā)送和接收電磁波，通過解調解碼模塊將射頻信號轉換為數(shù)字信號，電路模塊眾多，包括射頻收發(fā)、基帶控制、I/O接口及電源等幾大模塊，各模塊又由眾多子電路組成。實際教學“重講解而輕實踐”，學生在學習時只能“走馬觀花”地認識各個組成電路，對于設計參數(shù)如何選取、系統(tǒng)架構如何搭建、射頻收發(fā)如何工作缺乏實踐認知。其次，RFID實驗教學需要綜合電磁場類實驗和電子電路類實驗，對實驗場所、實驗儀器和操作人員的專業(yè)技能要求都比較高，學生在掌握理論知識的基礎上，還需要投入大量的時間和精力學習電路布局布線、儀器操作使用、系統(tǒng)裝配測試等，才能取得預期的實驗結果，在教學過程中難以開展。

為了解決上述問題，在教學過程中引入虛擬仿真實驗，利用高速發(fā)展的射頻EDA仿真軟件，如CST、HSFF、ADS等，為面向物流工程的RFID教學提供支撐[7-8]。學生不再局限于固定的實驗室和上課時間，只需要一臺計算機就可以搭建虛擬的實驗環(huán)境，直接調用仿真平臺的行為級模型電路，在教學理論的指導下完成RFID讀寫器系統(tǒng)的虛擬仿真實驗，從而達到實踐教學的學習效果，加深學生對教學內容的理解和掌握，增強學生學以致用的能力。

2? ? ?基于射頻EDA軟件的虛擬仿真實驗平臺

本課程基于射頻EDA軟件ADS（Advanced Design System）的仿真平臺，探索了如何在面向物流工程的RFID課程中引入虛擬仿真實驗的教學實踐。ADS是由是德科技（Keysight Technologies）公司開發(fā)的電子設計自動化軟件，也是當今業(yè)界和各高?？蒲袡C構主流的微波射頻電路、天線、通信系統(tǒng)、RFIC設計開發(fā)軟件之一。ADS軟件能提供功能強大的時域和頻率電路仿真、三維電磁仿真、通信系統(tǒng)仿真和鏈路預算設計、數(shù)字信號處理仿真等，并具有豐富的應用模型庫，可以實現(xiàn)從電路到系統(tǒng)的各級仿真，方便用戶全方位對射頻電路和系統(tǒng)設計進行開發(fā)評估[9-10]。本課程教學將ADS作為RFID虛擬仿真的實驗平臺，基于行為級模型的仿真實驗，采用模塊化的系統(tǒng)搭建方式，設置簡潔明了，學生在教學實驗中易于操作上手，也更容易理解各功能模塊參數(shù)和RFID系統(tǒng)設計指標。

根據(jù)RFID系統(tǒng)的工作原理，其系統(tǒng)組成包括電子標簽、讀寫器、應用系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡。電子標簽也稱為應答器（tag），包括標簽天線和芯片，用于存儲被識別目標的屬性、狀態(tài)等相關信息。讀寫器對電子標簽進行讀寫操作，與其進行通信聯(lián)系，用作前端的數(shù)據(jù)采集，是RFID系統(tǒng)的核心。一方面，讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻率；另一方面，讀寫器的發(fā)射功率決定了RFID系統(tǒng)的工作距離，接收功率決定了RFID系統(tǒng)的動態(tài)范圍和靈敏度。ISO/IEC18000-6標準協(xié)議對RFID系統(tǒng)的射頻標簽和讀寫器之間通信的電磁波頻率做了規(guī)定，主要針對超高頻（UHF，860～960MHz），在國際上也被主流物流廠商認可，因此本課程的虛擬仿真教學實驗以UHF頻段為例，讓學生直觀清晰地掌握RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)及其各模塊性能參數(shù)，充分了解RFID讀寫器的工作機理，幫助學生深入掌握RFID技術知識。

3? ? 教學案例一：物流工程中RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的仿真實驗

鎖相環(huán)是RFID讀寫器的頻率合成單元，用于對發(fā)送信號進行調制，對接收到來自標簽的信號進行解調，對讀寫器的工作頻率具有重要意義，直接影響RFID系統(tǒng)的通信質量和抗干擾能力。教學中以物流運輸監(jiān)測常用的UHF頻率為例來介紹RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。

考慮到實際應用中要實現(xiàn)對電子標簽的寬頻帶掃描，在仿真教學實驗時，設計鎖相環(huán)電路在830MHz到1GHz的頻帶內產(chǎn)生協(xié)議規(guī)定的射頻信號。在ADS仿真軟件環(huán)境中搭建鎖相環(huán)行為級系統(tǒng)模型，如圖1所示。為了抑制雜散邊帶，采用三階無源環(huán)路低通濾波器，環(huán)路帶寬選取10kHz，相位裕度選取45°，壓控振蕩器的增益為12MHz/V，電荷泵電流為5mA，分頻器的分頻數(shù)為4 500。環(huán)路濾波器初始參數(shù)選取為Cp1=986 pF，Cp2=8.4 nF，Cp3=88 pF，Rp1=4.1 kΩ，Rp2=20.1 kΩ。

在ADS中進行交流仿真，圖2為鎖相環(huán)的幅度響應和相位響應，在10kHz處，環(huán)路幅度為0.008，相位裕度為46.5°，基本滿足鎖相環(huán)穩(wěn)定工作的條件，達到設計目標。圖3為鎖相環(huán)跳頻時的鎖定時間，可以看到，當環(huán)路頻率從915MHz調頻到915.2MHz（跳頻間隔200kHz），鎖定時間為255 us，滿足EPC C1G2協(xié)議規(guī)定的500us最大穩(wěn)定時間。通過上述虛擬仿真實驗，向學生清晰展示了RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)設計過程中，各參數(shù)含義以及對系統(tǒng)性能的影響程度，加深了學生對讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)工作原理的理解和掌握。

4? ? 教學案例二：物流工程中RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的仿真實驗

在RFID系統(tǒng)中，電子標簽返回的響應信號被讀寫器天線接收后，通過讀寫器的射頻接收機完成解調及解碼工作，并將數(shù)據(jù)傳送給后端的處理系統(tǒng)，將系統(tǒng)終端與各目標物體上的電子標簽進行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)功能。射頻接收機在解調接收信號的同時，要能抑制鏡頻信號、濾除噪聲干擾。此外，接收機的價格、功耗、集成度等都是需要考慮的因素。下面以無線接收機中常見的雙通道零中頻接收機為例，來介紹RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。

在ADS仿真軟件中搭建零中頻接收機行為級模型，如圖4所示。首先，零中頻接收機因為沒有中頻，所以發(fā)射與接收信號不會互相影響；其次，系統(tǒng)搭建只需要混頻器和低噪聲放大器，結構簡單易實現(xiàn)。變頻后上下兩路基帶信號的相位差180°，可以有效抑制直流偏差干擾。接收機前端的帶通濾波器采用四階切比雪夫濾波器，中心頻率設置為915MHz，3dB帶寬26MHz，截止帶寬40MHz，帶外衰減40dB，前端放大器增益設置為20dB。本振頻率和接收信號頻率一致，都設置為915MHz?；祛l器取下邊帶，增益設置為3dB。模擬基帶部分，信道選擇采用切比雪夫低通濾波器，截止頻率設置為600kHz。

在ADS中進行系統(tǒng)仿真。圖5為讀寫器接收機頻帶選擇性結果，可以看到頻帶選擇濾波器偏離中心頻率25MHz處，衰減達到30dB，具有良好的選擇性，能有效濾除帶外干擾。接收到的射頻信號經(jīng)過混頻器和低通濾波器，得到100kHz的下變頻基帶信號，如圖6所示。基帶輸出信號的時域波形如圖7所示。圖8展示了接收系統(tǒng)各電路單元的增益預算分配情況，可以看到，帶通濾波器增益為-1dB，低噪聲放大器增益為23dB，為實際系統(tǒng)的指標分析提供了指導。通過解調信號波形及增益預算仿真，清晰地展示了射頻接收機各電路單元節(jié)點的工作情況，同時了解了物流應用中讀寫器性能參數(shù)的設置要求，加強了學生對RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)工作機理的理解和掌握。

5? ? 結? ? 語

隨著RFID技術的廣泛應用，各高?；径奸_設了RFID相關課程。在具體教學過程中存在理論學習難度較大、課內實驗學習不足、學生短時間難以熟悉使用實驗教學平臺等狀況。通過在RFID課程教學中引入基于ADS軟件平臺的虛擬仿真實驗，結合行業(yè)熱點增加相關的實踐教學環(huán)節(jié)，有利于學生將課程所學理論知識與物流行業(yè)的實際應用相結合，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學生學習的原動力，對促進物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)高素質專業(yè)化人才具有積極意義。

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