面向智慧物流的射頻識別虛擬仿真實驗教學探索

宛 汀，孫晨陽，閆夢陽

（1.南京郵電大學，江蘇 南京 210003；2.東南大學 毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

0 引 言

無線射頻識別（Radio frequency identification, RFID）技術是一種利用射頻無線通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術，具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可提供快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理等服務，被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g之一[1-2]。現(xiàn)代智慧物流通過智能軟硬件、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智慧化技術手段實現(xiàn)物流各環(huán)節(jié)的自動化、精細化和可視化管理，從而有效提高了物流運轉效率。RFID技術適應智慧物流對于整個環(huán)節(jié)全程智能、可控的要求，因此在現(xiàn)代物流管理領域具有巨大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿3-5]。面向智慧物流領域對于RFID技術的需求，高等院校的物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)均開展RFID技術的相關課程教學，以適應信息化時代培養(yǎng)專業(yè)技術人才的要求；其主要教學內容涵蓋智慧物流和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢、RFID技術原理和特點、RFID技術在智慧物流中的應用等方面。其中，RFID技術原理和特點的介紹是教學內容的重點和難點。射頻天線作為RFID標簽和讀寫器收發(fā)無線信號的重要前端部件，是物流管理中實現(xiàn)非接觸式識別的重要裝置，也是RFID系統(tǒng)的重中之重。因此，理解RFID天線收發(fā)無線信號的機理，對于全面掌握RFID技術原理及其在智慧物流中的應用具有突出意義。

1 面向智慧物流的射頻識別教學面臨的挑戰(zhàn)

在智慧物流系統(tǒng)中，對象的識別需要實時、動態(tài)和高效，這對RFID標簽和閱讀器的性能提出了嚴苛的要求。區(qū)別于傳統(tǒng)條形碼所采用的視距掃描方式，RFID的標簽和閱讀器通過天線在空氣中傳輸電磁波來實現(xiàn)高速、遠距離和多目標識別。因此，學習和掌握RFID天線的工作機理是重要基礎。當前的RFID天線教學面臨如下挑戰(zhàn)：第一，內容理論性強、概念抽象，由于RFID傳輸信號以電磁波為載體，而電磁波是看不見、摸不著的，這給理解信號在RFID標簽和閱讀器中的產(chǎn)生和傳輸帶來了不小的困難，使得理論教學缺乏實感。第二，實驗教學能夠讓學生通過實際操作儀器設備，以及數(shù)據(jù)交互來觀察RFID天線收發(fā)電磁波的機理，但是，電磁類實驗不僅對場地和儀器要求高，而且對實驗者的專業(yè)技能和操作水平要求高，難以在教學中開展。針對上述兩方面問題，通過引入虛擬仿真實驗的教學模式，能夠獲得較好的解決。虛擬仿真實驗在計算機系統(tǒng)中構建虛擬的實驗環(huán)境和對象模型，讓實驗者可以在仿真軟件環(huán)境中完成預定實驗，獲得類似于真實實驗的學習效果。

計算機技術的高速發(fā)展及其與數(shù)值計算方法的高度融合，催生了一批優(yōu)秀的電磁仿真軟件，例如：CST、HFSS和ADS等，為RFID領域的教學和科研提供了重要支持。借助這類電磁仿真軟件，能夠避免對于實驗環(huán)境和操作者的苛刻要求，將演示實驗帶入理論課，還能打破時間和地域的限制為學生提供開放式實驗。這類電磁仿真軟件人機交互界面友好、易于操作，數(shù)據(jù)輸出形象生動，能夠讓RFID天線的工作性能參數(shù)、射頻信號的產(chǎn)生和輻射等內容以曲線、彩圖甚至動畫的形式展示，為學生提供清晰直觀的感知，有效促進學生對于抽象理論知識內容的理解。

2 基于CST軟件的虛擬仿真實驗平臺

本課程基于CST（Computer Simulation Technology）仿真軟件平臺，對如何在面向智慧物流的RFID課程中引入虛擬仿真實驗進行了探索與實踐。CST是一款由德國CST公司開發(fā)的三維電磁仿真軟件，包含多個工作室子軟件，能為用戶提供完整的系統(tǒng)和器件層面的數(shù)值仿真優(yōu)化。CST軟件覆蓋整個電磁頻段，提供完善的時域和頻域全波電磁算法，典型應用包括天線、電波傳播、電磁兼容和電路互連等。CST軟件提供了友好的人機交互界面，簡潔、易于操作，能輸出天線阻抗、輻射方向圖和電磁近遠場等，并支持曲線和三維圖等多元的結果顯示[6]。CST軟件套裝中的微波工作室平臺，是CST公司的旗艦產(chǎn)品，包括多種精確的電磁數(shù)值算法，可精確仿真任意復雜結構、復雜材料組成的目標的電磁特性。本課程教學使用CST微波工作室作為虛擬仿真實驗平臺。

一個完整的RFID系統(tǒng)包括標簽、閱讀器和控制終端3個部分，其中標簽和閱讀器是核心設備，它們之間通過電磁波反向散射完成信息傳輸，閱讀器發(fā)送能量到標簽，標簽收集能量并通過反向散射識別數(shù)據(jù)來響應閱讀器。標簽和閱讀器的天線承擔了收發(fā)無線電信號的重要任務，是整個RFID系統(tǒng)的重要組成部分，很大程度上決定了系統(tǒng)的工作性能。在智慧物流的RFID課程教學中，通過CST軟件平臺對標簽和閱讀器中的天線進行虛擬仿真實驗，能夠直觀清晰地觀察RFID天線的性能參數(shù)、電波傳播特性、器件表面電場分布等，充分了解RFID天線的工作機理與射頻電波的傳播規(guī)律，有助于學生更加深入地掌握RFID技術知識。

3 教學案例一：智慧物流中RFID標簽天線的仿真實驗

標簽是RFID系統(tǒng)中存儲可識別對象數(shù)據(jù)的電子設備，使用時附著在檢測對象目標上。當標簽接收到閱讀器傳輸?shù)男盘枙r，啟動執(zhí)行相應的任務，包括數(shù)據(jù)讀寫和加密等。射頻天線是標簽的重要組成部分。智慧物流場景中，需根據(jù)實際應用綜合考慮尺寸、帶寬、增益和成本等因素來進行天線的設計[7]。下面以智慧物流運輸監(jiān)測中常用的UHF頻段標簽天線為例來介紹RFID標簽天線的虛擬仿真實驗。

以一個典型的電感耦合式彎折臂標簽天線為例，在CST仿真軟件環(huán)境中建立該天線模型，如圖1所示。采用彎折臂的方式來減小天線尺寸，并利用對稱結構來改善天線的輻射特性。天線介質基板使用介電常數(shù)為4.4的FR4材料，天線的總尺寸為52mm×44mm×0.5mm，其中a=17mm，b=4mm，c=20mm，d=4mm，金屬帶線寬度為2mm。

圖1 標簽彎折臂天線模型示意圖

采用CST進行電磁仿真，可以得到標簽天線的回波損耗隨頻率變化的S參數(shù)曲線，如圖2所示。實際中，希望天線的無線電波全部輻射出去，而不是反射回來，因此回波損耗直觀展示了電波反射回來的功率情況。天線工作的中心頻率為917 MHz，可以看到，在900～940 MHz范圍內，天線的回波損耗都低于10 dB，符合設計要求。圖3給出了中心頻率下天線的平面方向圖和三維方向圖，天線在正反面方向上的最大增益均在1 dB以上，滿足一般標簽天線的設計要求。通過上述二維曲線方向圖和三維立體方向圖，清晰地展示了天線工作時無線電波傳播的能量分布情況，大大增加了學生的直觀體驗和對于標簽天線工作機制的理解程度。

圖2 標簽天線的回波損耗

圖3 標簽天線的切面和三維輻射方向圖

4 教學案例二：智慧物流中RFID閱讀器天線的仿真實驗

閱讀器是負責讀取標簽數(shù)據(jù)信息的設備。為了最大限度地擴大識別范圍，通常在閱讀器上使用高增益的定向天線，使得信號以最高有效全向輻射功率進行發(fā)送。閱讀器天線需針對具體的應用要求來進行設計，如識別范圍、耐用性和易附性等。與固定式閱讀器天線相比，手持式閱讀器天線具有更嚴格的要求，如：體積小、重量輕、結構緊湊、機械強度高等[8]。下面以智慧物流倉儲中常用的手持式閱讀器平面倒F天線（Planar inverted-F antenna, PIFA）為例來介紹RFID閱讀器天線的虛擬仿真實驗。

在CST仿真軟件環(huán)境中建立PIFA天線模型，如圖4所示。PIFA及其耦合單元在平面上形成2個 “L”形狀，因此這種結構也稱雙L型天線。PIFA單元長57 mm，寬25.8 mm，高12.9 mm；耦合單元長54 mm，寬、高和PFIA保持一致。耦合單元與PFIA天線之間的距離為9 mm、耦合單元微帶短路線距離邊緣為4 mm。天線工作在815～977 MHz的UHF頻段。高頻振蕩的能量通過饋電點傳遞給天線，天線將其變成射頻電磁波輻射出去，實現(xiàn)與標簽天線之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 手持式閱讀器PIFA天線模型示意圖

采用CST進行電磁仿真，可以觀察到閱讀器中原始射頻信號在PFIA天線上激發(fā)出的電場分布情況，如圖5所示，在PIFA以及其耦合單元的邊緣激發(fā)出了較強的電場強度。圖6則展示了電場的矢量分布情況。電場及其矢量分布圖讓學生能夠清晰直觀地觀察到電波與天線作用的機理。圖7給出了PFIA天線在840 MHz處的三維輻射方向圖，從圖中可以觀察到，電波輻射的能量主要集中在天線的斜上方附近，最大增益約為3.76 dBi，為實際天線的使用、安裝提供了指導。通過電場及輻射方向圖，清晰地展示了天線工作時輻射無線電波的傳播情況，同時了解了智慧物流應用中天線在閱讀器上的工作規(guī)范，大大增加了學生的直觀體驗和理解程度。

圖5 閱讀器天線表面電場分布

圖6 電場矢量分布圖

圖7 閱讀器天線三維輻射方向圖

5 結 語

通過在RFID課程教學中引入基于CST軟件平臺的虛擬仿真實驗，不僅將抽象枯燥的理論知識轉化為可視化的圖像，而且有利于學生將專業(yè)理論融入智慧物流實際應用中。教學實踐證明，針對RFID課程天線教學中面臨的理論性強、抽象度高等方面的問題，基于CST平臺的虛擬仿真實驗與理論教學相結合的新型教學模式，有效地增強了學生對于專業(yè)知識的理解，激發(fā)了學生的主觀能動性，提高了學生的創(chuàng)新和實踐能力，為物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的途徑。