超高頻RFID集聚識別技術的研究

童廷洋

（航天信息股份有限公司，北京 100195）

超高頻射頻識別RFID技術具有無源、體積小、遠距離識別、高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，廣泛應用在物流、制造、交通運輸、醫療、防偽和資產管理等領域。實際應用中，經常遇到識別范圍不可控、電子標簽誤讀、密集標簽識別率低以及盲點標簽無法識別等問題。

超高頻射頻識別電子標簽附著在單個產品或物流運輸的箱體上，標識物品或物流運輸信息。采集密集電子標簽數據時，產生盲點和誤讀現象。金屬屏蔽可以解決電子標簽誤讀，但是隨后產生的空腔效應和多路徑效應加劇盲點現象，降低識別率[1]。

本文采用集聚識別技術，對于大批量單品標簽識別采集數據時，降低或減少盲點和誤讀問題，同時克服空腔效應和多路徑效應，快速而且全部識別高度密集的射頻電子標簽，實現集聚電子標簽識別率100%的識讀。

集聚識別技術是針對超高頻RFID高度密集的射頻標簽無法全部識別的問題，通過采用超高頻遠距離電子標簽、射頻識別金屬屏蔽效應和交變磁場集聚識別等技術，克服外部標簽干擾和內部射頻識別空腔效應，降低或減少遮擋盲點和疊加盲點，快速識讀全部密集標簽，同時不誤讀任何標簽。

1 超高頻遠距離電子標簽技術

超高頻射頻識別電子標簽附著在單個產品或物流運輸的箱體上，應用在箱體上需要滿足實際流水線識讀的要求，標簽識別靈敏度應小于等于-6.5 dBm[2]，尺寸為60 mm×18 mm的長條形，標簽面紙采用白色PET材質，其采用HFSS設計，外觀如圖1所示，天線增益如圖2所示。

圖1 箱體標簽天線設計

圖2 天線的增益方向圖

實驗測試過程中，讀寫器天線端口發出的傳導功率為 29.15 dBm，天線增益為 6 dBi，等效于讀寫器發送的前向鏈路 ERP為33 dBm，載波頻率為 925 MHz，標簽與讀寫器天線正對。暗室情況下，傳輸損耗與距離、工作頻率有關，公式為：

其中，Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，f為工作頻率[3]。測試時，讀寫器與標簽間隔距離為3 m。接收靈敏度與工作頻率之間的關系為：

隨機抽取的3個標簽實驗測試數據，標簽靈敏度測試折線圖如圖3所示。數據表明，實際標簽與設計理論值相符，滿足實際情況的要求。

圖3 標簽靈敏度測試折線圖

2 射頻識別金屬屏蔽效應

為保證批量識別電子標簽信息的準確性，防止外界標簽的繞射干擾，采用金屬箱內識讀是最好的方式。讀寫器發出的電磁波在封閉的金屬環境里會形成一種叫做空腔效應的特殊場分布。理論上，空腔效應是不良反應，應該避免的。實際應用中卻往往無法避免，其最終的分布狀況比較復雜又無法計算和預估，例如：大量的金屬反射面極易造成信號疊加而產生信號盲點，即多路徑效應[4]。

當RFID系統應用在金屬環境中時，金屬對電磁場還有屏蔽作用。由于電場會造成金屬內部自由電荷的移動，從而損失能量。電磁波能到達金屬內部的深度用趨膚深度表示：

假設金屬為鐵（K=1.06×106S/m，μ=300），在 868 MHz頻率下，趨膚深度為 2.2 μm，所以在一般情況下，電磁波是無法直接穿過金屬傳播的，在金屬后方有一個無法讀取的區域。當金屬尺寸不是很大時，這個區域會因為電磁波的衍射而變小[5]。

在讀寫器和標簽之間放置金屬板，金屬板的尺寸為300 mm×300 mm，金屬板距離標簽保持 1 m，讀取率測試結果如圖4所示。由圖4可知，金屬板遮擋時有個區域無法識讀，稱為盲區。由于實際應用的情況復雜，應當盡量減小金屬遮擋產生的屏蔽效應。

3 交變磁場集聚識別

對于大批量單品標簽識別采集數據時，需要克服屏蔽及射頻盲點，才能實現電子標簽100%的識讀。以智能電表產品為例，每只智能表單品上均貼有超高頻射頻識別電子標簽。智能表主要部件由電路板組成，對電子標簽具有屏蔽效應[6]。智能表的基本存儲單元為貼有射頻標簽的周轉箱，每箱裝有12只智能表，30個周轉箱以品字形3垛疊放在托盤上，共計360個電表標簽。30箱360個電表品字形疊放如圖5所示。

圖4 金屬屏蔽的測試結果

圖5 30箱360個電表以品字形疊放

本系統采用電波屏蔽室，30箱以品字形疊放，試驗測試無法100%識讀全部的360個電表標簽。讀取率與識讀時間測試數據如圖6所示。

圖6 30箱360個電表標簽測試時間

測試過程中，經常有4～5個標簽無法識讀，調整天線的位置、角度之后，這4～5個標簽被識讀出來，但是又有另外4～5個標簽無法識讀。經電表標簽測試統計分析軟件分析，未能識讀的電表標簽集中在中間灰色區域。品字形電表疊放示意圖如圖7所示，其中10、11、21、25、22、26沒有識讀的概率最高 80%～90%； 另外，17、18、19、29、30、31 沒有識讀的概率也到達 60%～70%。按照金屬反射及屏蔽分析，此處的標簽處于盲點。盲點具有不確定性，會根據天線角度、位置和射頻強度發生改變。

圖7 品字形電表疊放示意圖

實驗發現，盲點具有不確定性，改變天線的位置，盲點也會發生改變。采用射頻天線的橫向移動，改變天線箱體內的輻射模式和場域，形成交變磁場，有效利用空腔效應中多路徑識別，動態覆蓋盲區，解決標簽批量識別的問題[7]。移動天線及控制單元如圖8所示。

圖8 移動天線及控制單元

實驗室測試兩個天線橫向移動時采集數據的有效性。讀取數量和讀取率與識讀時間的折線圖如圖9和圖10所示。數據表明，10 s內可以完全識讀集聚標簽，而且10 s之后的識讀成功率為100%，效果非常好。

圖9 標簽讀取數量與識讀時間

試驗表明，交變磁場能有效克服盲點不可識讀的難題，可以將集聚超高頻電子標簽的識別率提升到100%。

本文對集聚識別技術進行研究和闡述，為高度密集的超高頻電子標簽的識讀問題提出核心處理方法，對解決現實問題具有重要意義。本文闡述的超高頻遠距離電子標簽技術、交變磁場集聚批量識別技術及相關技術獲得發明或實用新型多項專利，在危險品流通監管、產品防偽追溯等多個政府、企業項目中成功應用。

圖10 標簽讀取率與識讀時間

[1]劉永，熊興中，李曉花.RFID防碰撞技術的研究[J].電信科學，2012（2）：138-143.

[2]馬昌社.前向隱私安全的低成本RFID認證協議[J].計算機學報，2011（8）：1387-1398.

[3]童廷洋，馬振洲.超高頻RFID標簽一致性的近場檢測技術[J].電子技術應用，2013，39（4）：62-64.

[4]WAKI H，IGARASHI H，HONMA T.Analysis of magnetic shielding effect of layered shields based on homogenization[J].IEEE Transactions on Magnetics， 2006， 42（4）： 847-850.

[5]唐志軍，席在芳，詹杰.無源反向散射RFID系統識別距離的影響因素分析[J].計算機工程與應用，2012（23）：85-89.

[6]QingXianming， Chen Zhining.UHF near-field RFID antennas， 10.1109/IWAT.2010.5464851[C].Lisbon： Antenna Technology（iWAT）International Workshop on Digital Object Identifier，2010.

[7]Ren Ankang， Wu Changying， Gao Yao， et al.A robust UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2012，60（4）：1690-1697.