新型RFID系統基準性能測試指標體系設計*

劉敬光 吳斯棟 梁小明 洪曉斌

（1.廣州市標準化研究院 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

新型RFID系統基準性能測試指標體系設計*

劉敬光1吳斯棟2梁小明1洪曉斌2

（1.廣州市標準化研究院 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

本文介紹了無線傳感識別測控平臺，根據性能測試可測量、可重復、可對比以及應用有效原則，采用系統結構劃分方法，提出集成傳感器RFID系統的基準性能測試指標新體系，并分別介紹了測試指標體系中各個指標的內容、使用導向與評價標準，為保證集成傳感器RFID系統的工作性能和有效部署奠定了基礎。

RFID；基準性能；指標體系；傳感器

1 引言

隨著RFID技術的蓬勃發展，市場對RFID設備的需求也日趨旺盛。越來越多的廠商和企業投入到RFID設備生產這一領域內，各種不同類型的RFID設備不斷涌現。然而，不同的設計方案與制作工藝導致了不同品牌和型號的RFID設備性能出現顯著的差異，并且RFID設備生產商所標稱的產品及系統性能參數都是基于不同的測試方法和標準，產品之間的比較缺乏統一的基準平臺，這給對同類產品性能進行有效公正的橫向比較以及系統集成應用帶來了困難[1]。因此，對RFID設備及系統進行科學的評估成為有效部署RFID系統的一項關鍵任務。

目前國內外幾大主要地區的相關研究機構根據不同地域的產業特點、業務需求以及政企管理需要，分別設計了不同特點的RFID基準測試體系，并建立了相應的RFID測試中心。如美國Sun RFID測試中心，設計了注重解決優化標簽和后臺數據整合問題的RFID測試體系；歐洲英飛凌科技公司RFID解決方案展示和測評中心采用的RFID基準測試體系，主要針對專用RFID系統基礎設施的開發和驗證[2]；中國科學院自動化研究所RFID研究中心建立的國內首個國家級RFID測試實驗室，根據應用可靠性測試的原則總結出了一套系統及應用實務評測體系；上海復旦大學Auto-ID中國實驗室的RFID演示平臺，提出了為標準制訂和產品設計提供的參考評測體系等[3]。同時，傳感網作為物聯網核心技術之一，呈現出與RFID技術的互補融合趨勢，促使集成傳感器RFID系統技術逐漸成為物聯網發展研究熱點。因此，建立一套符合RFID系統發展趨勢所需的測試基準體系具有重要的研究意義和前瞻性。本文基于前期研究，設計了一套集成傳感器RFID系統基準性能測試指標體系。

2 WSID網絡測控平臺

本文前期設計了一套WSID測控平臺[4]。該平臺分為現場測控層、企業級監控層及遠程監控層三層結構。現場測控層是對底層現場的數據采集及處理；企業級監控層即在線控制現場設備；遠程監控層可利用當前的商業以太網實現遠程檢測與控制。現場測控層采用IEEE 802.15.4的Zigbee網絡協議，構建一個多跳的自組織網絡，WSN網絡節點集成了無源RFID標簽和傳感器，分別負責采集物品信息和環境等參量。現場測控網與企業監控層網絡通過網關進行連接，企業監控層采用以太網網絡，在系統服務器中存放各種數據庫等資源，并通過Web服務器與外界Internet相連。現場測控層對測控數據的傳遞起著橋梁的作用，主要包括多個無源RFID傳感裝置、匯聚節點/網關、現場監控微機，各組成單元在系統中承擔不同的測控任務。企業級監控層位于現場測控層的上層，具體包括測控策略服務器、系統服務器、工作站及Web服務器等，主要負責綜合監控測控現場的所有信息并集中顯示，進行系統測控策略設計。遠程測控層構建在Internet框架上，在線提供現場測控參數的實時數據和歷史數據，用戶可以隨時瀏覽測控現場的各種實時數據，了解現場的工作情況。

WSID網絡測控平臺能夠充分發揮以WSN作為前端測控網絡、以無源RFID傳感裝置采集物品相關信息的優勢，擴展了物聯網的發展空間。在結合中間監控層和后端服務層需要的同時，如何保證測控網絡前端采集信息的實時性和有效性則是測控平臺總體規劃中的首要技術要求。因此，有必要針對WSID網絡測控平臺前端的集成傳感器RFID系統進行科學的性能評估。

3 集成傳感器RFID系統基準性能測試體系框架結構

從WSID網絡測控平臺的集成傳感器RFID系統基準性能測試體系的直觀性、應用有效性和客觀性等方面考慮，系統性能測試指標須符合如下要求：評價標準可測量；評價方法可重復；評價結果可對比。對RFID設備及系統進行科學評估不僅要求評估各個系統組成部分的獨立性能，同時要求評估各個系統組成部分相互聯系時的構造性能[5]。只有同時滿足以上評估要求，才能全面地評價既有的RFID設備及系統的性能，保證RFID應用系統可靠有效運行，為有效部署RFID系統提供重要依據。因此，本文分別從RFID標簽、閱讀器、天線、智能傳感器混合模式接口（Mixed Mode Interface，MMI）以及系統五個部分，研究集成傳感器RFID系統的基準性能測試指標體系。

RFID標簽在系統中負責信息標識以及傳感器工作能量儲備和供應。它在電路設計、加工工藝和現場部署等多個程序上存在差別，導致其在多個方面呈現性能差異。根據這些性能差異在應用效果上的影響程度，設計出五個子指標，對實現RFID標簽功能的模塊進行相應的標簽性能評價，分別為標簽工作場強閾值、標簽靈敏度降級、標簽介質影響、標簽芯片功耗以及標簽排列密度。這五個指標均采用標簽的反向散射強度作為評價標準，以考察RFID應用系統中相關標簽配置信息對標簽工作性能的影響。

閱讀器在系統中負責能量的輸送以及信號的收發，其硬件設計的差別會導致能量和信號質量的差異；在處理復雜環境下通信問題的過程中，采用不同的調度算法和處理算法也同樣會導致閱讀器性能出現多方面差異。因此，設計三個閱讀器性能指標對實現閱讀器功能的模塊進行評價，包括閱讀器頻譜表現、閱讀器接收靈敏度和閱讀器防碰撞能力。

RFID系統中天線性能的評估，注重讀寫器經天線發出的電磁波能量分布，即天線能量分布。它可以與由標簽芯片功耗和閱讀器接收靈敏度組合確定的功率閾值作對比，從而在天線能量分布圖上獲取一個RFID系統正常工作的范圍。

混合模式接口能夠實現傳感數據的傳輸和轉化。傳感器接口采用不同的設計方案或者系統采用不同的接入算法都會使其性能在多方面體現出差異。對混合模式接口的關注，主要集中在近年來IEEE1451.4混合模式傳感器接口引發的對傳統模擬式傳感器和傳感器的自識別功能的發展上。集成傳感器RFID系統應用中設計了兩個描述智能傳感器插拔過程的性能指標，分別為影響傳感器接入質量的即插即用性能以及影響傳感器插拔安全的熱插拔性能。

最后，在前面所述的四個分支指標確定的前提下，利用既選的RFID標簽、閱讀器、天線及IEEE1451.4智能傳感器構建一個RFID應用系統，針對該應用系統進行系統性能的總體評價，即為系統穩定性能。

4 RFID系統基準性能測試指標體系

以下分別從測試指標的內容、導向和評價標準三方面分析RFID基準性能測試體系。

4.1 RFID標簽性能測試指標

① 工作場強閾值

標簽工作場強閾值可分為識別磁場強度閾值、讀磁場強度閾值、寫磁場強度閾值、最大工作磁場強度閾值以及生存磁場強度閾值。識別磁場強度閾值是指標簽識別所需要的磁場強度閥值水平，標簽需要能量工作，能量則來自于磁場，識別磁場閾值是允許標簽識別的最小場強；讀磁場強度閾值是指標簽讀操作所需要的最小磁場強度閥值水平；寫磁場強度閾值是指標簽寫操作所需要的最小磁場強度閥值水平；最大工作磁場強度閾值是指標簽和讀寫器實現正常識別、讀寫通信的最大工作磁場強度；生存磁場強度閾值是指當標簽放置環境的磁場強度超過該強度后，即使將磁場強度再降低到識別磁場強度閾值和最大工作磁場強度閾值之間，標簽也不再能工作。標簽工作場強閾值是為了給使用者提供一個對標簽進行各種操作時的正常且安全的場強水平，其評價標準直接采用磁場強度計量。

② 標簽靈敏度降級

標簽靈敏度降級是指標簽在各個不同的方向（方位角和俯仰角）上對標簽工作性能造成的差異影響。標簽靈敏度降級有助于使用者直觀地了解一款RFID標簽產品在相對閱讀器不同方位下的性能表現，從而指導使用者配置性能表現更好的標簽方位。標簽靈敏度降級的評價標準采用標簽的反向散射強度，更直觀地反映出RFID標簽工作的有效性，同時方便定量測量和連續測量，最重要的是隔離了閱讀器對測量結果的影響。

③ 介質影響

介質影響是指RFID標簽的工作性能可能由于介質材料和介質間距引發的諧振頻率漂移問題發生改變。介質影響的測試是為了幫助使用者獲得標簽工作在不同介質或不同介質距離環境下的性能表現，從而指導使用者采用合適的介質配置方法，降低標簽周圍的介質對標簽性能的影響。標簽介質影響采用標簽的反向散射強度作為評價標準。

④ 芯片功耗

標簽芯片功耗是指標簽在工作時所需要的最小能量消耗。標簽芯片功耗的測試，可以協助使用者選擇功耗更低、識讀機會更高的RFID標簽。標簽芯片功耗采用標簽的反向散射強度作為評價標準。

⑤ 標簽排列密度

標簽排列密度是指測試標簽位于一個標簽群中時，測試標簽工作性能受到周圍不同空間排列和不同密度標簽群的干擾影響。標簽排列密度測試可以協助使用者在構建多標簽環境的RFID應用系統時，選擇效果更好的標簽群部署方式，減少標簽間的干擾影響，保證更好的標簽工作性能。標簽排列密度采用標簽的反向散射強度作為評價標準。

4.2 閱讀器性能測試指標

① 頻譜表現

閱讀器頻譜表現是指閱讀器產品直接輸出的頻譜信號，包括信道帶寬及信道占用帶寬、載波頻率容限、發射功率和鄰道功率泄漏比等。閱讀器頻譜表現的測試結果與使用者所在地無線電管理機構分配到的RFID閱讀器頻譜特性要求的對比，可以協助使用者選擇頻譜符合標準的閱讀器產品。閱讀器頻譜表現采用頻域信號作為評價標準，具有直觀、可測量和抗干擾的性能。

② 接收靈敏度

閱讀器接收靈敏度是指閱讀器能夠正確解讀反射鏈路中標簽傳送回來信號時的最小功率，是表征閱讀器接收微弱信號能力的指標。閱讀器接收靈敏度測試是為了協助使用者選擇識別效果更好的閱讀器，為構造一個合理的系統工作范圍提供依據。

③ 防碰撞能力

閱讀器防碰撞能力是指閱讀器在識讀不同數量級的RFID標簽群過程中的有效識讀能力。閱讀器防碰撞能力可以協助使用者在多數量標簽群的工作環境下選用性能更好的閱讀器，避免發生傳輸失敗、信息丟失等狀況。閱讀器防碰撞能力采用時隙信號作為評價標準，評價結果是識讀過程中有效時隙占總體時間的占空比，即吞吐率。

4.3 天線、MMI及系統性能測試指標

① 天線能量分布

天線能量分布是指在固定頻率和功率的信號驅動下，天線輻射出去的能量在空間極坐標系中的功率或場強的分布特性。天線能量分布的評價標準可以直接采用功率或場強表示。

② 即插即用

針對智能傳感器混合模式接口的特點，設計了識別速度和識別成功率兩個子指標作為MMI即插即用性能測試指標。MMI即插即用性能的測試可以協助使用者在算法未知的情況下選擇效率和可靠性更高的傳感器接口。

③ 熱插拔

一般的插拔操作可能產生過電流、瞬態電壓或靜電釋放等危害，其中尤以靜電釋放的危害最大，瞬態電壓可能為正常工作電壓的幾倍，但是靜電釋放電壓卻可以達到幾千伏。因此，針對靜電釋放危害的破壞性進行實驗來檢驗MMI接口的熱插拔性能。熱插拔性能的實驗結果可以協助使用者選擇安全性更高的傳感器接口，避免接口或系統損壞。

④ 系統工作性能

對于系統工作性能的評價比較宏觀，設計靜態測試和動態測試環境下系統的識讀范圍和識讀速度作為系統性能指標。識讀范圍一般定義為標簽不能被讀取的最短距離，它表示在這段距離內閱讀器能可靠地讀取標簽中的數據。識別速度是指單位時間內閱讀器識讀標簽的總次數。識讀范圍和識讀速度可以作為評價一個現有RFID應用系統的顯示標準。

5 結束語

目前集成傳感器RFID系統的概念和研究受到物聯網專業人士的廣泛重視，但其技術驅動和應用仍處在初期階段。集成傳感器RFID系統將在相對較長的一段時間內成為物聯網發展的底層重心，對于它的性能評估和保障也將隨之得到進一步重視。本文提出集成傳感器RFID系統基準性能測試指標體系，兼顧了典型RFID系統基準性能評估中應該注意的各個系統組成部分，使測試指標的分析全部定量化，并且具備指標組合重構的潛能。加入了傳感器性能測試的思想，增加了系統接口的穩定性和可靠性，為未來進一步的集成傳感器RFID系統的性能測試發展需要奠定基礎。

[1] J.David Porter,Richard E.Billo,Marlin H.Michie.A Standard Test Protocol for Evaluation of Radio Frequency Identification Systems for Supply Chain Applications[J].Journal of Manufacturin Systems,2004,23(1):46-55.

[2] 徐永成,羅日榮,陶利民,等.射頻識別技術國內外應用現狀、問題與對策[J].測控技術,2008,27(11):96-99.

[3] 劉禹,朱智源,關強,等.基于試驗設計的RFID應用組合測試優化研究[J].自動化學報,2010,36(12):1674-1680.

[4] 洪曉斌,周欽河,杜喜鵬,等.IPv4/IPv6共存多層智能測控平臺設計[J].制造業自動化,2008,30(7):88-92.

[5] ISO/IEC Information Technology—Automatic Identification and Data Capture Techniques —Radio Frequency Identification Device Performance Test Methods, ISO/IEC TR 18046,2006.

Design on Benchmark Performance Testing Indexes System for a RFID System

Liu Jingguang1Wu Sidong2Liang Xiaoming1Hong Xiaobin2
(1. Guangzhou Institute of Standardization 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology）

The WSID networked measuring and controlling platform is presented in the paper. On the basis of principles of performance testing, including measurability, comparability, repeatability and application availability, a benchmark performance testing indexes system of a new-type RFID system is put forward with the method of system structure. The contents, guides and evaluation criterions of each index are presented. The indexes system lays a foundation for guaranteeing performance and efficient deployment of the new-type system integrating sensors.

RFID; Benchmark Performance; Indexes System; Sensor

國家自然科學基金項目（61101015）

劉敬光，男，1978年生，工學碩士，工程師，主要從事編碼及自動識別、檢測技術及標準化研究工作。