便攜式RFID現場檢測儀設計

田正其，歐陽曾愷，徐 晴，祝宇楠，楊 帆

(1．國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 210019；2．國家電網有限公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 210019；3．中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥，230601)

0 引言

在無線電通信技術中，射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術是一種非視覺、無機械或光接觸的雙向通信自動識別技術。該技術具有靈敏度高、速度快、抗干擾能力強、信息豐富可加密和壽命長等優點，被廣泛應用于物流、供應鏈、車輛識別、門禁系統、圖書管理、自動收費和生產制造等領域[1-3]。

RFID標簽因其自身的非可視閱讀、遠距離閱讀、自動識別和追蹤、能在惡劣環境下工作等眾多優勢，具有代替條形碼的潛力[4]。隨著RFID系統的快速發展和市場需求的增加[5]，各種RFID產品紛紛涌現，使人們對RFID產品的質量要求也變得更高。因此，RFID產品性能的檢測裝置應運而生。但是傳統的RFID檢測面臨諸多困難，如標準多、性能要求高、檢測系統設備笨重等[6-8]，而且相關RFID電子標簽和閱讀器的設計也變得多樣化，因此便攜式RFID檢測儀的設計與實現變得非常有必要[9-10]。便攜式RFID檢測儀能夠實現對各應用領域RFID系統的環境部署以及標簽、閱讀器設備的檢測。

1 RFID技術的基本原理

RFID技術是一種無接觸式的技術，不需要個人行為的介入。RFID技術可以在各種惡劣條件下工作，通過射頻識別對研究對象自動識別，并對電子標簽進行讀寫操作。這種識別操作不但能夠識別運動中的物體，而且能夠識別不同的電子標簽。

一套完整的RFID最小系統由控制終端、閱讀器、標簽以及天線等組成[11]，如圖1所示。

圖1 RFID最小系統示意圖

①控制終端。控制終端是整套RFID系統的控制核心，包含應用軟件的計算機或嵌入式主板，用于協調整套系統各部件之間的工作。

②閱讀器。閱讀器是讀取標簽信息的設備，通常包含一個控制單元和一個射頻模塊。射頻模塊包含發射器與接收器。根據支持的標簽類型以及完成的功能不同，閱讀器的復雜程度顯著不同。

③標簽。標簽是RFID閱讀器識別的對象，通常由天線和射頻芯片組成，用于存儲用戶所要了解的對象的信息，通常安置在被識別物體的表面。

④天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發射、接收裝置。在實際應用中，除了系統功率，天線的形狀和相對位置也會影響數據的發射和接收。

控制終端控制閱讀器通過天線發送電磁波。標簽進入該電磁波磁場后，其內部的線圈會產生感應電流。標簽獲得電流后開始工作，接收閱讀器發出的射頻信號。如果是無源標簽(又稱被動標簽)，其將會發送出存儲在芯片中的產品信息；如果是有源標簽(又稱主動標簽)，其將會主動發送某一頻率的射頻信號。閱讀器通過天線獲取該信號，解碼后送至閱讀器的控制單元進行有關數據處理，并最終反饋至控制終端，實現數據的交互。

2 硬件架構設計

本文所設計的RFID現場檢測儀，是基于高性能射頻收發模塊和高速現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)通信模塊而設計的一種小型、便攜的檢測系統儀器[12]。該現場檢測儀的硬件架構如圖2所示。現場檢測儀主要由以下幾個部分組成。

圖2 檢測儀硬件架構圖

①可編程嵌入式雙核處理器。該部分選用賽靈思Zynq芯片，采用片上系統(system on chip,SOC)技術將處理器系統(processing system，PS)和可編程邏輯(programmable logic，PL)兩大部分集成在一片FPGA中，使得軟件與邏輯分別在PS和PL中實現成為可能，提升了系統的集成度、靈活性和可擴展性。

②射頻(radio frequency，RF)捷變收發器。該部分主要采用AD9361射頻捷變收發器完成射頻信號的收發工作，前端部分支持多輸入多輸出(multiple input and multiple output，MIMO)收發，頻段可達70～6 000 MHz，同時支持GPS時鐘同步，滿足多方面需求。

③按鍵功能模塊與電容觸摸屏。該部分主要用于實現數據交互功能。

④異步收發器。該部分主要實現檢測儀的通信接口功能。

⑤電源管理。該部分主要用于實現外、內部供電模式轉換。

3 軟件功能設計

RFID現場檢測儀軟件功能設計主要包括兩大方面：一方面是RFID系統部署過程中的信號監測，另一方面是閱讀器和標簽的性能評估。

3.1 RFID部署過程監測

RFID系統部署過程中的信號監測，主要包括對RFID設備部署環境探測、RIFD設備射頻通信信令分析和基于參考標簽的性能評估。

3.1.1 環境探測

在RFID系統部署過程中，將便攜式RFID現場檢測儀及天線放置于RFID設備部署環境中，啟動信號強度檢測功能，并使用檢測儀記錄各個信道的信號強度。根據設置的頻率在實時頻譜分析帶寬內實時顯示最新的頻譜掃描數據，可對現場環境進行評估。此外，對于復雜射頻環境中的信號干擾問題，可捕獲射頻通信過程信號，在較長的時間內采集大數據，獲取在未知時間未知地點出現的一個持續時間未知的干擾事件。

3.1.2 射頻通信信令分析

在RFID系統處于工作狀態的情況下，將便攜式RFID現場檢測儀與天線放置于被測系統的工作范圍以內。啟動信令分析功能，使用檢測儀分析閱讀器和標簽的通信情況，記錄工作過程中的信令、時序等參數。

信令分析功能主要針對讀寫器和標簽的通信信令的探測、驗證和分析，能夠分析信令收發序列，并且進行跟蹤和檢測，從而直觀觀察到讀寫器和標簽間通信的時序，分析出存在問題的信令點。當被測系統處于異常工作狀態時，可以進一步分析異常現象的具體情況，并追溯出現異常的原因。

在RFID設備射頻通信信令模式配置下，檢測儀在閱讀器模擬、標簽模擬、信號監聽等不同的檢測模式下工作。閱讀器模擬模式能主動發射指令信號，同時接收和分析標簽響應信號，適用于電子標簽檢測。標簽模擬模式能接收和分析指令信號，同時發射響應信號，適用于閱讀器的符合性和性能檢測。信號監聽模式能采集、實時流盤和回放RFID系統的通信信號，適用于RFID系統的整體性能檢測和故障診斷。

3.1.3 基于參考標簽的性能評估

在RFID系統未處于工作狀態的情況下，將便攜式RFID現場檢測儀及配套設備，包括檢測天線、參考標簽套件等，放置于被測系統的工作范圍以內。

參考標簽與被測的閱讀器進行通信，啟動射頻性能評估功能，使用檢測儀采集被測產品的射頻信號進行時域和頻域的分析，得出射頻性能的主要參數，包括工作頻率、帶內功率、讀取距離、寫入距離等。

當被測系統出現異常工作狀態時，還可以采用參考標簽替代射頻性能參數下降的失效產品進行驗證，對系統故障進行輔助定位和診斷。

3.2 RFID系統性能檢測評估

根據被檢測RFID系統不同類型，檢測可分為標簽檢測、閱讀器檢測兩大類別。每一個類別具體又包含一個或多個功能面板。RFID系統性能檢測流程如圖3所示。

以太網連接嵌入式RFID檢測模塊與主板，配置正確的IP地址，打開軟件與設備連接，連接成功后可配置各項檢測參數。開始檢測后，通過采集到的時域波形來判斷信號是否被正確采集到。數據采集回來就可以通過軟件自動或者手動定位信號，并把分析結果顯示出來。最后，把采集的信號與分析的結果數據保存到磁盤。

圖3 RFID系統性能檢測流程圖

3.2.1 標簽符合性檢測

射頻識別標簽符合性檢測通過給被測標簽發送指令信號，采集并分析返回的響應信號。

射頻識別標簽符合性主要技術參數主要包括調制深度(modulation depth,MD)、脈沖寬度(pulse width，PW)、過調制(over modulation，OM)、欠調制(under modulation，UM)等。

調制深度也稱調制度，指的是被調制波的幅度與載波幅度的比值，用百分數Rmd表示。

有信號的調制函數p(t)為：

p(t)=[A+m(t)]×cos2πft

(1)

式中：A為載波幅度；m(t)為被調制波形函數；f為頻率；t為時間。

則調制深度Rmd可以表示為：

(2)

式中：peak(m) 為被調制波形函數的峰值。

調制深度Rmd也可以用已調波與載波的幅度關系來表示：

(3)

式中：mmax為已調波的最大振幅；mmin為已調波的最小振幅；pmax為載波的最大振幅；pmin為載波的最小振幅。

脈沖寬度為脈沖所能達到幅值所持續的周期，用T表示，即：

T=tum+tom+tam

(4)

式中：tum為欠調制時間；tom為過調制時間；tam正常調制幅度的時間。

欠調制，也叫欠沖，用調制信號波峰的峰值低于正常調制幅值的時間tum與脈沖寬度時間T的比值表示為：

(5)

過調制也叫過沖，用調制信號的某些峰值超過正常調制幅值的時間tom與脈沖寬度T的比值表示為：

(6)

頻域分析包括被測信號的中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比以及相位。

中心頻率是理論中心頻率，用fo表示。

頻率漂移是指射頻設備長時間連續工作時，其輸出頻率值隨著時間單方向變化的情況。頻率漂移fΔ用被測信號中心頻率的實際檢測值fmea與理論中心頻率fo的差值表示為：

fΔ=fmea-fo

(7)

鄰道泄漏比(adjacent channel leakage ratio，ACLR)是用來衡量射頻設備工作時對主工作頻率外信道的影響特性，用被測讀寫器在發射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)比值表示為：

(8)

軟件設計了通信數據模塊，包括解碼數據、顯示射頻信號解碼與識別結果。該模塊還可以分析被測信號的反向鏈路頻率的相關測量值、編碼、前導碼校驗、循環冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)等，實現對射頻識別標簽各項指標的符合性檢測。

3.2.2 閱讀器符合性檢測

閱讀器符合性檢測通過采集閱讀器發出的信號，分析中心頻率、采集時間、采樣率、帶寬等參數開展檢測。

時域信號分析可以顯示變頻后的時域波形及基于時域波形所分析得到的各項參數。閱讀器檢測頻率分析內容與標簽符合性檢測分析內容相似，也包括中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比和相位等。閱讀器符合性檢測的通信數據模塊，除了包括解碼數據、前導碼校驗和CRC校驗外，還分析了編碼方式相關測量值與基準時間Tc的測量。

通過對超高頻和微波頻段RFID系統部署過程中的信號監測，以及閱讀器和標簽的性能評估，能夠有效優化系統的部署，解決布置多少個天線、如何確定每個天線的最佳位置以及每種物品的最佳貼標位置等問題，實現RFID系統部署過程的最優化。

4 試驗結果與分析

以電子標簽檢測為例，對所設計的便攜式RFID現場檢測儀的檢測能力進行測試。選用已部署RFID系統的車輛開展電子標簽的性能檢測，選一條環境較復雜的車道，將便攜式RFID現場檢測儀布置在道路一邊，用裝有電子標簽的汽車開展兩個具有代表性的試驗。

試驗一：速度與電子標簽識別率關系測試。試驗車以不同的速度通過同一測試點，記錄不同速度下電子標簽的識別情況，統計出不同速度下的電子標簽識別率。

試驗二：距離與電子標簽識別率關系測試。試驗車以固定的速度通過不同的測試位置，記錄不同位置下的電子標簽識別情況，統計出距離與電子標簽識別率的關系。

速度、距離與識別率的關系分別如圖4、圖5所示。

圖4 速度與識別率關系圖

圖5 距離與識別率關系圖

從圖4可以看出，部署的RFID電子標簽系統優化前，隨著移動速度開始增加，識別率就開始下降。當車速在20 km/h左右，識別率有90%左右；當車速為20～40 km/h，識別率僅為80%多。而距離方面，從圖5中可以看出，部署的RFID電子標簽系統優化前，RFID電子標簽與天線距離在1 m以上就出現了識別率下降的情況，距離在6 m左右時識別率在95%左右。

綜合速度與距離兩種因素，即使速度保持在20 km/h，距離在6 m，識別率只有85%左右。如果在高速路收費站只有85%左右的識別率，10次經過收費站就有1次多出現識別不成功的情況，影響不停車收費系統(electionic toll collection,ETC)全自動收費的效率。

采用本文所設計的便攜式RFID現場檢測儀，對汽車上部署的RFID電子標簽系統進行診斷。診斷結果表明：車輛中電子標簽的功率偏低，加上車輛擋風玻璃較厚，進一步影響電子標簽的識別成功率。適當調整電子標簽的位置，并且更換功率稍大的電子標簽，再次開展相同的測試。

優化后的試驗結果可知，20 km/h以內識別率為100%，8 m以內識別率為100%，綜合識別率高達100%；在20 km/h到50 km/h范圍內，在8 m內的識別率也有94%以上。

通過便攜式RFID現場檢測儀，對RFID電子標簽部署系統開展診斷分析，找出系統性能下降的原因并開展有效優化，可提高系統各項指標。

5 結束語

為完成對RFID相關設備的檢測，從硬件架構設計、軟件功能設計等方面開展了相關研究，設計、研制了便攜式RFID現場檢測儀，實現了對標簽識別、閱讀器、RFID系統部署環境的檢測與性能評估。該便攜式RFID現場檢測儀外形小巧，既滿足RFID電子標簽以及閱讀器基本指標測試要求，又能檢測、診斷出RFID系統由于環境或自身等因素導致各項指標下降的原因。以電子標簽檢測為例，開展了相關試驗驗證。試驗結果表明，便攜式RIFD現場檢測儀能夠對已部署的RIFD系統出現的問題進行有效的診斷，并有針對地提出改善意見，提高了RFID系統性能。