一種模擬應用場景的RFID設備檢測方法研究

劉一濤+劉濱

中圖分類號： TP391.44 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0053-002

Research on RFID Device Testing Method for Simulation Application

LIU Yi-tao LIU Bin

（Shanghai Zhongjing FudianElectronic Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201303，China）

1 RFID產品檢測現狀

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。RFID產業在技術標準、產品標準、制造與生產方法上是比較成熟的，但由于在實際復雜環境中存在各種干擾及不確定性，如何保證或提高產品大規模行業應用時的有效性和可靠性，是目前面臨的主要問題。

目前我國RFID系統應用測試技術還處于探索研究和起步建設階段，沒有形成系統的應用標準體系，應用測試技術與系統開發水平與國外差距較大。自2011年左右起，中國物品編碼中心、中科院自動化所等科研院所和高校開始建立RFID測試實驗室，并研究開發我國自主標準的RFID 測試系統，目標是突破核心技術，形成核心能力，實現射頻識別技術應用性能、產品及系統性能及安全性能的專業測試。

在實際應用中，一方面RFID技術將會有越來越多的物聯網系統集成商開始踏足規模化行業應用業務；另一方面由于企業自身條件或客戶所處特殊行業限制（包括地理位置、現場環境等），又會出現難于即時獲得應用現場進行系統調試的情況，尤其是那些關系系統運行穩定的關鍵要素環境，如通信基站或高壓輸變電設備（線路）附近的電磁場環境、時速150km/h的高速行駛環境、酷暑（+65℃）嚴寒（-20℃）環境等。對于系統開發商來說，在項目開發階段，為了調試系統，就得頻繁奔波于應用現場，從項目成本控制的角度講，這種做法顯然不可取。

有鑒于此，研究建立自主標準應用場景模擬檢測實驗室，可以針對物聯網技術在各行業的實際應用情況，為系統集成商提供特定運行環境要素下的系統驗證服務，使得其行業應用系統最終盡可能符合客戶現場環境要求，達到實際部署、運行的標準。

2 特定應用場景檢測需求

RFID技術已經在工業、交通、物流和公共安全等多個領域得到了越來越廣泛地應用，并且日益顯示出它的巨大潛力。因為在實際應用中復雜現場環境的有著各種干擾，為保證系統或產品的正常工作，往往要通過現場的反復調試、測試及一段時間的試運行來發現問題、解決問題，這大大影響了RFID產品的使用效果。

下面以高速路口車輛識別、停車場管理、高速物流卡口、非接觸門禁管理等行業規模化應用為對象，研究建立此類應用場景的模擬檢測環境，以實現針對此類應用的RFID產品實驗室檢測。

2.1 場景描述

在此類RFID技術行業應用中，RFID標簽被安裝在具有一定運行速度的物體上，如汽車的ETC卡、車場出入口的門禁卡、貨運小車上貨物標簽等。它們通過RFID識讀設備時，具有一定速度、一定角度、不規則的運動軌跡、不同材質附著物等特點，要求在很短時間內能正確識別標簽信息，保證較高的識讀正確率。

本文中將此類場景稱為“速度場景”。在此類場景中射頻信號會受到很多因素影響，如RFID電子標簽附著物材質、信號強度范圍、輻射角度等。當附著物不是靜態的時候，帶有電子標簽的物體與RFID識讀設備間的相對運動速度，會導致多普勒效應，相對運動速度越快表現就越明顯，這將影響識讀的正確率。

建立實驗室環境下的速度場景模擬檢測系統，是通過運動裝置模擬車輛或物體的高速運動狀態，測試、驗證多普勒效應以及環境中電磁場信號對RFID技術應用可能產生的影響，評估RFID產品性能。

2.2 檢測需求

通過對應用場景分析，在實驗室建立模擬測試環境的功能要求是：被測電子標簽以一定運動速度通過識讀區；識讀設備進行識讀，記錄識讀信息并判斷是否正確；反復多次最終得到此產品的識讀正確率。

按照應用場景分析結果，主要指標應有：

a）標簽運動瞬時速度：0.5m/s～8m/s；

b）標簽運動方式是不規則路線的非勻速運動；

c）標簽可附著于金屬及非金屬物體

實驗室進行速度模擬是在綜合分析了城市交通行業、物流行業等應用的基礎上，專門針對特定車輛行駛速度而進行的系統化模擬，同時考慮介質要素及安裝方式，可以科學、客觀地對RFID產品進行靈敏度、性能測試評估，驗證實際運行效果。

3 檢測方法設計

3.1 RFID組成

一套完整的RFID應用系統包括：電子標簽、識讀設備（閱讀器）、計算機系統。

電子標簽包括有源和無源兩種，因有源標簽應用范圍不及無源標簽廣、且測試方法沒有本質區別，所以在本文中僅以無源標簽為例進行研究。無源標簽在此類非接觸式應用中一般附于對象表面，在識讀時與閱讀器之間一般不能有物體隔離，或僅有簡單的非金屬隔離（如玻璃）。電子標簽內存數據信息，依靠接收到的無線電信號能量發射帶有信息的回答信號。

識讀設備包括識讀器和天線兩部分，能夠發射帶有一定能量的無線電信號給電子標簽；同時接收電子標簽的信號，并記錄數據信息。識讀設備與計算機系統之間有通信接口。識讀設備天線的正面扇形區域是讀取電子標簽的有效識讀區。

計算機系統過接口接收識讀設備信息，并向識讀設備下達工作指令、設置參數等。

3.2 空間運動方式

物體空間運動的主要指標是速度。

速度（velocity）表征動點在某瞬時運動快慢和運動方向的矢量，記為v：

速度是動點矢徑對時間的導數，其方向同軌跡的切線方向一致。空間曲線運動中，速度在直角坐標系坐標系中的表示方法如下：

將電子標簽在空間運動軌跡記錄下來，放入平面直角坐標系中。以坐標系的原點為起始點，畫出與弧形運行軌跡的切線。此切線與坐標系X軸的角度作為電子標簽的初始角度。

通過采用一種設備（如乒乓球發球機、羽毛球發球機等）將帶有電子標簽的物體發射出去，在空間形成可記錄速度的運動軌跡。運動軌跡應落在識讀設備的識讀區域內，可以實現對此類RFID產品的檢測。

選擇目前在戶外應用中常見的的UHF標簽，設置不同速度、多種角度以及常見的附著物體（木質、塑料質、毛質、鐵質）進行測試，以判斷常見UHF標簽在不同的速度，不同的角度以及不同的附著物下的讀取距離范圍、信號強度范圍、靈敏度范圍等。

3.3 系統架構

測試系統架構如圖，包括電子標簽、運動物體發射設備、識讀設備、計算機設備等。相應地產生或記錄的數據信息包括：標簽ID信息、運動物體的初速度信息、識讀ID信息、多次測試結果（報表）。

4 實現方案

4.1 系統組成及要求

硬件部分包括羽毛球發球機、多種材質羽毛球、計算機設備。

軟件部分包括操作系統、數據庫系統、速度場景模擬分析軟件。

測試對象包括：電子標簽、識讀設備、設備驅動及接口軟件。

綜合各方因素，為確保檢測系統的正常、穩定運行，系統將至少滿足下述性能指標：

1）可存儲百萬字節數據量，數據操作客戶端響應時間小于2秒；

2）系統無故障運行時間大于5000小時；

3）信號強度范圍：-69～-15dbm

4）靈敏度范圍：-69～-15dbm

5）每分鐘模擬物體數量：大于100

6）速度檔數：0～20m/s

7）識讀區域角度：0～180度

4.2 測試方法

測試選擇的標簽應該至少有兩種：普通的RFID標簽和抗金屬RFID標簽。

測試分為三大類：

a）發球速度和發球角度不變，使用不同的附著物質（木質、塑料質、毛質、鐵質）進行測試；

b）發球速度和標簽附著物質不變，改變不同的發球角度進行測試；

c）發球角度和標簽附著物質不變，調節每次的發球速度進行測試。

每一大類測試中的同一條件測試應該測試三次或三次以上取其平均的測試數據，以此減少測試中的誤差。

4.3 測試數據示例

測試數據記錄如表所示。

5 結語

通過對RFID技術行業應用場景的分析，提取出應用場景要素，建立實驗室模擬環境，從而實現符合實際要求的RFID產品檢測，這是檢測技術發展的重要手段之一。本文針對速度場景建立的模擬測試系統，能實現對電子標簽在運動速度、運動角度、附著材質等因素影響下的性能檢測；不足之處在于還不能準確記錄電子標簽讀取數據時的運動狀態。改進方法是在運動物體上增加位置傳感器，可以得到更準確數據信息，但同時會大大增加系統復雜度和成本。

【參考文獻】

[1]郎為民.射頻識別（RFID）技術原理與應用，機械工業出版社，2006.

[2]游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術（RFID）理論與應用，電子工業出版社，2004.

[3]李楠，RFID無線射頻識別技術應用探析，《激光雜志》[J].2009，6.endprint