一種確定被動式超高頻RFID標簽優選位置的方法

朱智源，趙 健，任 禾

（中國科學院自動化研究所綜合信息系統研究中心，北京 100190）

1 引 言

RFID全稱無線射頻識別（Radio Frequency Identification），是一種基于無線射頻通信的非接觸式自動識別技術。由于具有很多優點，RFID技術已經被廣泛應用于物流與供應鏈管理、電子商務、信用卡、防偽和安全控制、交通管理和控制、生產管理和控制等各個領域[1]。但是，由于RFID標準尚未統一，設備種類多樣，各廠家生產的產品之間性能存在較大差異，其實際應用，特別是在物流行業中的應用并不成熟。許多RFID應用系統并不是在最佳狀態下工作，甚至工作性能還達不到其標稱值，因此有必要采取一些手段來優化RFID系統的應用。由于被動式超高頻RFID系統具有很多優點，目前已成為RFID應用的主流，所以該文主要討論這類系統。在被動式超高頻RFID應用系統的優化方面，國內外已經做了很多積極的探索。Hodges[2]通過機械手臂自動貼標簽，然后繪制標簽在各個位置獲得的信號強度分布圖，通過分析這個分布圖來分析標簽的優選位置。泰克使用實時頻譜分析評估和優化RFID系統[3]。Michael Buettner在實際環境中，用實驗方法研究了UHF RFID系統性能表現及優化方法。Ramakrishnan分析了影響RFID應用性能的各種因素，提供了一套標簽性能的基準測試方法，并對RFID標簽在部分典型的應用環境的性能表現進行了分析。該文針對規則物體，提出了一種可操作性較強且測試結果可重現的確定RFID標簽優選位置的測試方法。該文以下各節安排如下，第2節對被動式超高頻RFID系統性能的影響因素做了簡單分析，并在此基礎上提出了測試方法；第3節對測試環境做了詳細地描述；第4節闡述了測試的具體過程；第5節對測試結果進行了分析，并得出了一些關于確定貨箱的RFID標簽優選位置的一般性結論；最后一節是結論部分，對方法的應用進行了總結，并列舉了該方法的局限性及未來有待進一步研究的方向。

2 被動式超高頻RFID系統性能的影響因素

決定RFID系統性能很重要的一個因素是標簽的讀取范圍。在這個范圍內，由閱讀器的天線發出的電磁場可以為標簽提供足夠的能量使其足以激活微型片電路，并將轉換后的電磁信號再傳遞給閱讀器天線。因為閱讀器天線發出的能量是隨著距離的加長而不斷衰減的，所以這個范圍是很有限的。在理想環境下，標簽的讀取范圍可以用弗林斯傳輸方程來計算：

式中：Ptag——標簽的接收功率；

Preader——閱讀器的輸入功率；

Gtag——標簽天線的增益；

Greader——閱讀器天線的增益；

λ——電磁波在自由空間的波長；

R——標簽和天線之間的距離。

從式（1）中可以看出，在標簽和閱讀器固定不變的理想環境中，標簽接收到的能量與標簽和天線之間距離的平方成反比。當然，這是在理想條件下，在現實環境中，很多因素會對標簽的讀取范圍產生影響，主要包括：

吸收作用。在標簽和天線之間的介質會阻礙電磁波的傳遞，一部分能量可以認為是被介質吸收了。

多徑效應。天線發射的電磁波傳播信道經常有許多時延不同的傳輸路徑，不同路徑的相同信號在標簽處疊加就會增大或減小信號的能量。

極化損失。因為標簽的方向導致從閱讀器天線發送到RFID標簽的能量不能最有效地被標簽吸收。

阻抗失配。標簽的阻抗設計一般是在沒有任何附著物的自由空間中進行的。當標簽被貼附在物體上時，就會產生一種解諧作用。這種作用會導致傳遞給標簽的能量受到一些損失。

近年來，有很多關于被動式超高頻RFID系統中電磁波傳播過程能量損失的研究[4-6]。但因為這些影響因素相互作用，無法被直覺感知，而且很難被預測，所以這些研究仍然沒有辦法應對復雜多變的實際應用環境，RFID系統的應用仍然受到了很大的影響。該文從實用角度出發，重點研究標簽的貼附位置對系統性能的影響，提出了一種標簽優選位置的測試方法。此方法可以用來指導RFID應用，在一定程度上優化系統性能。

3 測試環境

RFID的實際應用環境一般比較復雜，例如位置、距離、溫度、濕度、介質材料以及電磁干擾等諸多因素都會對RFID系統的性能造成影響[7-8]。為屏蔽這些干擾因素對分析測試結果的影響，選擇在半電波暗室中進行試驗。半電波暗室的地面鋪設有走道型吸波材料，四周及屋頂均鋪設有角錐型泡沫吸波材料，用以降低測試環境的背景噪音，消除外界雜波干擾，提高測試精度。自動測試系統（如圖1）主要由滑塊導軌、滑塊、貨箱支架、閱讀器天線支架、滑塊控制器、RFID閱讀器、控制計算機和RFID標簽組成。

圖1 測試系統原理圖

其中，控制計算機通過數據線分別與滑塊控制器和RFID閱讀器相連，用于向滑塊控制器發送指令來驅動滑塊沿著水平導軌方向運動，同時接收RFID閱讀器讀取的數據。RFID標簽貼在待測貨箱之上，待測貨箱的幾何中心線和發射天線的幾何中心線保持重合，且與水平導軌平行，貨箱支架置于滑塊之上。為了更明確地標定RFID標簽在貨箱上的貼附位置，定義了3個方向，分別是K、L和M向。其中K向是指向貨箱面對發射天線一面的方向，L向是指向貨箱背對發射天線一面的方向，M向是貨箱側面方向，指向為垂直圖1所示紙面向內。貨箱選用物流應用中常見的上開蓋可堆式塑料周轉箱。

4 測試流程

整個測試過程幾乎全部通過電腦控制，人為影響因素很小。在測試之前，首先要記錄環境信息，包括測試時間、讀寫器型號、標簽型號、環境溫度、濕度、環境電磁場強度以及貨箱的材質、形狀、大小等信息。其次要確定測試的位置。選擇了16個具有代表性的RFID標簽粘貼位置來做實驗，這些位置的詳細分布如圖2所示。圖2中位置1～6分布在貨箱朝向閱讀器的面上，即圖1中K向所指的面；圖2中位置7～12分布在貨箱背離閱讀器的面上，即圖1中L向所指的面；圖2中位置13～16分布在貨箱的側面。

圖2 RFID標簽粘貼位置示意圖

對于上述16個位置，重復以下步驟：

（1）進行系統初始化。把RFID標簽貼到測試貨箱上的指定測試位置。通過計算機端向滑塊控制器發送命令，使滑塊沿著水平導軌移動到靠近RFID閱讀器發射天線端，使RFID閱讀器發射天線和RFID標簽之間的初始距離為0.4m。

（2）測試不同位置的RFID標簽的讀取率。通過計算機向滑塊控制器發送命令，使RFID閱讀器天線和滑塊之間的距離步進增加10mm。對每一個位置測試RFID標簽的讀取率。當讀取率在標簽到天線距離增加到某一值后一直保持為0時，則該位置的測試結束，摘除標簽。其中，測試讀取率的方法是讀取100次，記錄其成功讀取的次數。讀取率的計算方法如下：

讀取率=成功讀取的次數/100

（3）繪制讀取率隨該位置的標簽到天線距離變化的關系曲線。

5 結果分析

測試結束之后，共得到了16條距離-讀取率曲線，分別對應貨箱上的16個RFID標簽粘貼位置。其中，橫坐標代表發射天線與滑塊之間的距離，單位是mm，縱坐標代表閱讀器100次讀取中成功獲得標簽響應的次數，換算成百分比即為標簽讀取率。

根據這16組曲線的相似性將其分為三組，第一組是位置14和16所對應的曲線，如圖3所示。它們的共性是讀取率衰減很快，最遠讀取距離只有360mm。所謂最遠讀取距離，是指讀取率開始一直保持為0的那一刻所對應的距離。參考其他位置的讀取率曲線（圖4和圖5）可知，這兩個位置表現最差。

第二組曲線如圖4所示。它們的共性是讀取率在區間[1080，2200]上振蕩，最遠讀取距離是2200mm。

雖然測試環境采用的是半電波暗室，但仍然存在著一定的多徑效應[9]，由各直射波和反射波疊加合成的多徑效應必然會引起某些區域的信號衰落[10]，影響系統讀取性能。為了方便分析，對曲線的表現做了如下定義：

在指定的距離P，如果曲線A所對應的讀取率比曲線B所對應的讀取率高，就稱在距離為P處曲線A所對應的粘貼位置比曲線B所對應的粘貼位置更優。如果對于一個距離區間[P，Q]內的各點，曲線A所對應的讀取率都高于曲線B，就稱曲線A所對應的粘貼位置在區間[P，Q]上優于曲線B所對應的粘貼位置。

從圖4可以看出，位置7和位置15在區間[1080，2200]上大部分占優，且沒有明顯的死區[11]。所謂死區是指標簽讀取率接近于零的區間。有效找出存在死區的標簽粘貼位置，并避免將RFID標簽粘貼于此，可對RFID系統的實際性能起到重要的優化作用。

第三組曲線如圖5所示。它們的共性是在[1480，3 080]上振蕩，最遠讀取距離是3 080 mm。分析圖中的曲線，位置10和位置11出現了明顯的死區。位置2和位置8在整個區間相對較優，且無明顯死區。

綜合上述分析，發現標簽貼在貨箱2、7、8、15的位置較優，即將標簽貼在貨箱的角部位置相對較優。

6 結束語

該文針對被動式超高頻RFID標簽優選位置的選擇問題，提出了一種基于標簽讀取率的簡單測試方法，并通過搭建自動測試系統予以驗證。測試結果表明，該文提出的方法及測試系統可用于快速評估在貨箱與天線相對靜止的條件下，單個電子標簽貼附在貨箱表面的不同區域時的性能表現，從而歸納出貨箱優選位置分布的一般性結論，有助于結合應用需求為用戶提供科學的指導意見。但是，該方法目前仍然具有很多局限性：

首先，目前僅對塑料材質的貨箱進行了測試，在未來的工作中，有必要對其他材質的具有規則形狀的物體進行測試。其次，對于不規則形狀的物體，需要驗證方法的可行性和實用性。再次，對于多閱讀器的應用環境，需要考慮很多復雜因素，該方法有可能不再適用。最后，對于多標簽應用環境，本方法的可行性和實用性有待進一步考察。

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