超高頻電子耳標物理層及標簽識別層測試方法研究

張 旭，董 明，劉 燕，戴波濤，張晶聲*

(1.中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京100081；2.河北省涿州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北涿州 072750；3.遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，沈陽 110032)

RFID是Radio-Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。RFID技術(shù)是一種無線自動識別技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計的標簽或攜帶該標簽的物品可實現(xiàn)準確快速定位。與傳統(tǒng)的二維碼技術(shù)相比，射頻標簽具有抗惡劣環(huán)境、耐高溫、防水、防磁、使用壽命長、同時識別多個對象的特點。電子耳標追溯體系是RFID技術(shù)在畜牧業(yè)應(yīng)用的一個重要方面，該追溯體系可進行動物出生后、屠宰前的精準定位，實現(xiàn)畜產(chǎn)品的可追溯性管理。目前青海省動物疫病預(yù)防控制中心已開展耗牛藏羊原產(chǎn)地可追溯工程試點建設(shè)項目，該項目借助青海“智慧農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)”平臺，運用國家動物標識及產(chǎn)品可追溯管理平臺和國家動物標識及產(chǎn)品可追溯體系數(shù)據(jù)庫，目標是構(gòu)建青海省耗牛藏羊原產(chǎn)地可追溯平臺。該平臺的技術(shù)核心是構(gòu)建一套RFID測試系統(tǒng)，即在耗牛藏羊耳部佩戴電子耳標，通過閱讀器對電子耳標進行信息識別，進而實現(xiàn)耗牛藏羊的可追溯化管理。

1 RFID測試系統(tǒng)概述及實現(xiàn)原理

一套完整的RFID系統(tǒng)由射頻電子標簽、閱讀器、天線和應(yīng)用系統(tǒng)四部分組成。從電子標簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來看，RFID系統(tǒng)一般可分成兩類，即電感耦合系統(tǒng)和電磁反向散射耦合系統(tǒng)。電感耦合通過交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，耦合原理如圖1所示，一般適用于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)。電磁反向散射耦合為雷達原理模型，發(fā)射出的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波空間傳播規(guī)律，耦合原理如圖2所示，一般適用于超高頻、高頻工作的遠距離RFID系統(tǒng)。

圖1 電感耦合原理模型[1]Fig 1 Principle model of inductive coupling[1]

圖2 雷達原理模型[1]Fig 2 Radar principle model[1]

2 頻段選擇

RFID技術(shù)的工作頻段可以分為低頻、高頻、超高頻和微波頻段，在不同工作頻段，RFID技術(shù)將會有不同的特性，這些特性使它們作用于不同的應(yīng)用場合。

2.1 低頻(125～134 KHz) 該頻段主要是通過電感耦合方式進行工作的，標簽供電的電壓由交變磁場提供，磁場區(qū)域能夠很好的被定義，但是場強下降的太快。其具有相對均勻的讀寫區(qū)域、較慢的傳輸速率及較近的讀取距離[2]。

2.2 超高頻(860～960 MHz) 該頻段主要是通過電磁反向散射耦合方式進行工作的，RFID系統(tǒng)通過電場傳輸能量，電場的能量下降的不是很快，但讀取區(qū)域很難定義。其具有較遠的讀取距離及較高的傳輸速率，很短時間就可以讀取大量的標簽[2]。鑒于以上特點，在畜牧業(yè)可追溯體系建設(shè)中廣泛應(yīng)用超高頻電子耳標測試系統(tǒng)。

3 超高頻射頻測試標準、測試項目及測試方法

3.1 測試標準 空中接口協(xié)議標準ISO18000-63[3]標準定義了物理層和標簽標識層兩層分層結(jié)構(gòu)。其中物理層主要涉及到工作頻率、數(shù)據(jù)編碼方式、調(diào)制格式、包絡(luò)形狀及數(shù)據(jù)速率等問題；標簽標識層主要處理讀寫器讀寫標簽的各種指令。該標準具體規(guī)定了超高頻(860～960 MHz)從閱讀器到標簽的工作頻段、速率、調(diào)制方式、編碼方式及錯誤鏈路檢測等技術(shù)要求，還規(guī)定了從標簽到閱讀器的負載波頻率、速率、調(diào)制方式、編碼方式、存儲地址及錯誤鏈路檢測等技術(shù)要求。

在閱讀器到標簽的前向鏈路中，采用PIE編碼、DSB/SSB/PR調(diào)制方式[4]。在標簽到閱讀器的后向鏈路中，采用FM0/Miller編碼、ASK/PSK調(diào)制方式，標準規(guī)定了傳輸?shù)男畔⒏袷?前同步碼、占空比、鏈接頻率、連接定時)、命令格式、響應(yīng)及標簽狀態(tài)圖等內(nèi)容。

3.2 測試項目及方法 ISO18047-6的8.2中[5]規(guī)范了依據(jù)ISO18000-63設(shè)計的標簽的測試方法。

3.2.1 標簽頻率范圍 標簽應(yīng)具有從頻率范圍 860～930 MHz 內(nèi)的各個頻率接受能量并與讀寫器通信的能力。分別設(shè)置中心頻率866、915 MHz，設(shè)置發(fā)射功率、接收功率(約為帶內(nèi)功率)，發(fā)送Query指令，若返回隨機數(shù)，則表示該頻段有響應(yīng)，上述兩個頻段都有響應(yīng)，則表示該耳標的頻率范圍是860～930 MHz。

3.2.2 標簽解調(diào)性能 測試系統(tǒng)依次使用雙邊帶幅度鍵控(DSB-ASK)/單邊帶幅度鍵控(SSB-ASK)/反相幅度鍵控(PR-ASK)調(diào)制,按照ISO18047-6中8.2.2中[5]的要求設(shè)定參數(shù)。發(fā)送Query指令，若6種狀態(tài)均返回隨機數(shù)，則標簽解調(diào)性能良好。

3.2.3 占空比 按照ISO18047-6中8.2.3中[5]的要求設(shè)定參數(shù)。讀寫器發(fā)射Query命令, 若測試的24個狀態(tài)的占空比均在50%±5%范圍內(nèi)，則占空比合格。

3.2.4 標簽前同步碼 按照ISO18047-6中8.2.4中[5]的要求設(shè)定參數(shù)。讀寫器發(fā)射Query命令, 若測試的8個狀態(tài)均通過則合格。

3.2.5 標簽鏈接頻率容差和變差 按照ISO18047-6中8.2.5中[5]的要求設(shè)定參數(shù)。讀寫器發(fā)射Query命令, 若測試的6個狀態(tài)容差在±15%，變差在±2.5%范圍內(nèi)則合格。

3.2.6 標簽連接定時T1 按照ISO18047-6中8.2.6[5]的要求設(shè)定參數(shù)。讀寫器發(fā)射Query命令, 若測試的6個狀態(tài)T1在MAX(RTcal, 10Tpri)×(1±FT)±2 μs的范圍則合格。

3.2.7 標簽連接定時T2 標簽在處于Reply和Acknowledged狀態(tài)時，接受的響應(yīng)時間T2應(yīng)該處于3Tpri到20Tpri區(qū)間之內(nèi)，按照ISO18047-6中8.2.7[5]的要求設(shè)定參數(shù)，讀寫器發(fā)射Ack命令，若測試的6個狀態(tài)在T2=3Tpri及T2=20Tpri有響應(yīng)，在T2=32Tpri無響應(yīng)則合格。

3.2.8 狀態(tài)圖 按照ISO18047-6中8.2.11中[5]的要求設(shè)定參數(shù)。閱讀器發(fā)射每個狀態(tài)的命令，若標簽響應(yīng)符合表1，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)合格。

表1 狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖Tab 1 State transition table

4 測量不確定度及測量結(jié)果

鏈接時間T1是從閱讀器發(fā)射到標簽應(yīng)答的時間，如圖3所示，即從發(fā)射的最后位的最后上升沿到標簽應(yīng)答的第一上升沿的時間。對于單讀寫器和單標簽之間的通信，T1的重要性在于，讀寫器在發(fā)送完命令信號后，會按照理論的T1值來等待特定的時間，然后在特定的時間窗內(nèi)接收標簽響應(yīng)信號，如果標簽T1時間過短或者過長，讀寫器可能會接收不到標簽響應(yīng)信號。對于單讀寫器和多標簽之間的通信，T1時間準確與否會影響各個標簽的響應(yīng)信號之間的同步性，如果各個標簽的T1時間有長有短，則響應(yīng)信號有早有晚，讀寫器可能無法正確判斷是否發(fā)生了標簽碰撞，從而導(dǎo)致防碰撞流程失敗。

圖3 單個標簽響應(yīng)時序Fig 3 A single tag response sequence diagram

以測試鏈接時間T1為例，依據(jù)ISO18047-6表29中case 4測試T1值、計算其測量不確定度并評定測試結(jié)果。依據(jù)ISO18000-63，T1 的測試值應(yīng)在MAX(RTcal,10Tpri)×(1±FT)±2 μs內(nèi)，即應(yīng)在(10.500，20.750)μs范圍內(nèi)。取電子耳標樣品一個，在case4條件下對鏈接時間T1進行10次測試，測試結(jié)果見表2。

表2 鏈接時間T1多次測量結(jié)果Tab 2 Multiple measurement results of link time T1 μs

只考慮多次測量造成的不確定度，計算T1的A類測量不確定度[6]:

(1)

式1中，qk是第k次測量結(jié)果；q是k次測量的算術(shù)平均值，計算其測量不確定度：

測量結(jié)果為T1=(17.611±0.161)μs。該測量結(jié)果在(10.500，20.750)μs范圍內(nèi)，符合標準要求。

5 結(jié) 語

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)電子耳標是依據(jù)ISO18000-63協(xié)議規(guī)范進行設(shè)計的，因此其必須通過ISO18047-6所規(guī)定的測試方法進行測試。該測試結(jié)果反映了標簽是否符合協(xié)議對物理層和標簽標識層的要求，以確保閱讀器準確識別標簽。

目前青海省已全面開展耗牛藏羊原產(chǎn)地可追溯工程試點建設(shè)工作，作為青海省重大民生工程，電子耳標的質(zhì)量關(guān)乎這項工程能否順利推進。而可靠的檢測將為省內(nèi)招標提供有力的技術(shù)支撐。

面對越來越多的送檢樣品，提高檢測準確性及效率是當前工作的重點，檢測人員需要熟悉協(xié)議及測試規(guī)范，在測試中及時準確記錄結(jié)果，對被測參數(shù)進行多次測量，剔出粗大誤差，計算測量不確定度，確保測量結(jié)果準確性，為推動動物防疫可追溯體系建設(shè)提供技術(shù)支撐。