面向物流工程的射頻識別虛擬仿真實驗的教學(xué)探索研究

蔡奇

摘 要：隨著電子通信的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的推廣，射頻識別（RFID）技術(shù)在物流行業(yè)有著重要的用途。RFID利用射頻信號的空間耦合傳輸，通過非接觸的方式識別目標(biāo)、讀取數(shù)據(jù)，可以用于物流管理、倉儲分揀、安全監(jiān)測、信息傳遞等場景。讀寫器是RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，負責(zé)對電子標(biāo)簽進行讀取或?qū)懭胄畔ⅰＴ诿嫦蛭锪鞴こ虒I(yè)的RFID課程教學(xué)中，由于閱讀器系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、理論性強，使得學(xué)生對RFID讀寫器機制的理解存在困難。在RFID教學(xué)中引入射頻EDA仿真軟件，通過虛擬仿真實驗直觀展示RFID讀寫器的工作機理，加強學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。文章探索了結(jié)合物流行業(yè)開展RFID教學(xué)活動，通過引入基于虛擬仿真的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提升教學(xué)質(zhì)量，為物流工程專業(yè)培養(yǎng)復(fù)合型高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：射頻識別；物流；虛擬仿真實驗；教學(xué)研究

中圖分類號：F259.22；G642；TN925文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.10.032

Abstract： With the development of electronic communication and the promotion of the Internet of Things， Radio Frequency Identification （RFID） technology has important applications in the logistics industry. RFID utilizes the spatial coupling transmission of radio frequency signals to identify targets and read data in a non-contact manner. It can be used in scenarios such as logistics management， warehouse sorting， security monitoring and information transmission. The RFID reader is a key device in the RFID system to read or write information to tags. In the teaching of RFID courses for logistics engineering majors， due to the complex architecture and strong theoretical nature of RFID reader， it is difficult for students to understand the mechanism of RFID reader. Introducing radio frequency EDA simulation software into RFID teaching， intuitively demonstrating the working mechanism of RFID readers through virtual simulation experiments strengthens students' practical and innovative abilities. The paper explores the implementation of RFID teaching with the logistics industry， by introducing practical teaching links based on virtual simulation， the teaching is improved， and the composite and high-quality talents for the logistics engineering are cultivated.

Key words： Radio Frequency Identification （RFID）；logistics；virtual simulation experiment；teaching research

0? ? 引? ? 言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流行業(yè)成為我國經(jīng)濟的重要支持。“十四五”規(guī)劃指出要進一步打造現(xiàn)代化物流體系，加快物流技術(shù)的創(chuàng)新與升級。射頻識別（RFID）技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就用于物流倉儲管理的精細化作業(yè)[1-3]。RFID技術(shù)利用射頻信號的空間耦合，可以實現(xiàn)非接觸式信息傳遞并識別目標(biāo)對象，具有速度快、效率高、多目標(biāo)、操作簡便、準(zhǔn)確精細、性能穩(wěn)定等特點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等智慧化技術(shù)，在現(xiàn)代物流管理的存儲、配送、分銷、運輸、零售、巡檢、預(yù)警等環(huán)節(jié)上具有顯著優(yōu)勢[4-6]。

物流技術(shù)的高速發(fā)展也對高校教學(xué)提出了新的要求，物流工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)都開展RFID技術(shù)相關(guān)的課程，教授現(xiàn)代物流的發(fā)展、RFID技術(shù)及相關(guān)理論，以及RFID技術(shù)在現(xiàn)代物流中的應(yīng)用等內(nèi)容，培養(yǎng)符合物流行業(yè)需求的高素質(zhì)專業(yè)化人才。RFID技術(shù)及相關(guān)理論是教學(xué)中的重點和難點，而讀寫器作為前端的數(shù)據(jù)收發(fā)采集設(shè)備，是RFID系統(tǒng)的核心，也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵模塊。因此，理解RFID系統(tǒng)讀寫器的架構(gòu)和工作機理，對于培養(yǎng)學(xué)生掌握RFID技術(shù)原理、獲得解決相關(guān)問題的能力具有重要意義。

1? ? 面向物流工程的射頻識別教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

在物流行業(yè)中，RFID讀寫器的射頻發(fā)射模塊通過天線發(fā)送特定頻率的無線電波，電子標(biāo)簽接收到該電波后，利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量將自身信息發(fā)回。讀寫器通過射頻接收模塊來接收信號，并在此過程中，為電子標(biāo)簽提供能量，實現(xiàn)防碰撞功能、消息鑒權(quán)、數(shù)據(jù)信息處理等操作。讀寫器的性能優(yōu)劣，如工作頻率、發(fā)射功率、動態(tài)靈敏度等直接影響目標(biāo)識別的性能。因此，有必要讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握RFID讀寫器的工作原理。

當(dāng)前的RFID讀寫器教學(xué)面臨如下挑戰(zhàn)：首先，RFID讀寫器系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、電路和通信理論性強。由于讀寫器需要在通過射頻收發(fā)模塊發(fā)送和接收電磁波，通過解調(diào)解碼模塊將射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，電路模塊眾多，包括射頻收發(fā)、基帶控制、I/O接口及電源等幾大模塊，各模塊又由眾多子電路組成。實際教學(xué)“重講解而輕實踐”，學(xué)生在學(xué)習(xí)時只能“走馬觀花”地認識各個組成電路，對于設(shè)計參數(shù)如何選取、系統(tǒng)架構(gòu)如何搭建、射頻收發(fā)如何工作缺乏實踐認知。其次，RFID實驗教學(xué)需要綜合電磁場類實驗和電子電路類實驗，對實驗場所、實驗儀器和操作人員的專業(yè)技能要求都比較高，學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，還需要投入大量的時間和精力學(xué)習(xí)電路布局布線、儀器操作使用、系統(tǒng)裝配測試等，才能取得預(yù)期的實驗結(jié)果，在教學(xué)過程中難以開展。

為了解決上述問題，在教學(xué)過程中引入虛擬仿真實驗，利用高速發(fā)展的射頻EDA仿真軟件，如CST、HSFF、ADS等，為面向物流工程的RFID教學(xué)提供支撐[7-8]。學(xué)生不再局限于固定的實驗室和上課時間，只需要一臺計算機就可以搭建虛擬的實驗環(huán)境，直接調(diào)用仿真平臺的行為級模型電路，在教學(xué)理論的指導(dǎo)下完成RFID讀寫器系統(tǒng)的虛擬仿真實驗，從而達到實踐教學(xué)的學(xué)習(xí)效果，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，增強學(xué)生學(xué)以致用的能力。

2? ? ?基于射頻EDA軟件的虛擬仿真實驗平臺

本課程基于射頻EDA軟件ADS（Advanced Design System）的仿真平臺，探索了如何在面向物流工程的RFID課程中引入虛擬仿真實驗的教學(xué)實踐。ADS是由是德科技（Keysight Technologies）公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化軟件，也是當(dāng)今業(yè)界和各高校科研機構(gòu)主流的微波射頻電路、天線、通信系統(tǒng)、RFIC設(shè)計開發(fā)軟件之一。ADS軟件能提供功能強大的時域和頻率電路仿真、三維電磁仿真、通信系統(tǒng)仿真和鏈路預(yù)算設(shè)計、數(shù)字信號處理仿真等，并具有豐富的應(yīng)用模型庫，可以實現(xiàn)從電路到系統(tǒng)的各級仿真，方便用戶全方位對射頻電路和系統(tǒng)設(shè)計進行開發(fā)評估[9-10]。本課程教學(xué)將ADS作為RFID虛擬仿真的實驗平臺，基于行為級模型的仿真實驗，采用模塊化的系統(tǒng)搭建方式，設(shè)置簡潔明了，學(xué)生在教學(xué)實驗中易于操作上手，也更容易理解各功能模塊參數(shù)和RFID系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。

根據(jù)RFID系統(tǒng)的工作原理，其系統(tǒng)組成包括電子標(biāo)簽、讀寫器、應(yīng)用系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡(luò)。電子標(biāo)簽也稱為應(yīng)答器（tag），包括標(biāo)簽天線和芯片，用于存儲被識別目標(biāo)的屬性、狀態(tài)等相關(guān)信息。讀寫器對電子標(biāo)簽進行讀寫操作，與其進行通信聯(lián)系，用作前端的數(shù)據(jù)采集，是RFID系統(tǒng)的核心。一方面，讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻率；另一方面，讀寫器的發(fā)射功率決定了RFID系統(tǒng)的工作距離，接收功率決定了RFID系統(tǒng)的動態(tài)范圍和靈敏度。ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對RFID系統(tǒng)的射頻標(biāo)簽和讀寫器之間通信的電磁波頻率做了規(guī)定，主要針對超高頻（UHF，860～960MHz），在國際上也被主流物流廠商認可，因此本課程的虛擬仿真教學(xué)實驗以UHF頻段為例，讓學(xué)生直觀清晰地掌握RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)及其各模塊性能參數(shù)，充分了解RFID讀寫器的工作機理，幫助學(xué)生深入掌握RFID技術(shù)知識。

3? ? 教學(xué)案例一：物流工程中RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的仿真實驗

鎖相環(huán)是RFID讀寫器的頻率合成單元，用于對發(fā)送信號進行調(diào)制，對接收到來自標(biāo)簽的信號進行解調(diào)，對讀寫器的工作頻率具有重要意義，直接影響RFID系統(tǒng)的通信質(zhì)量和抗干擾能力。教學(xué)中以物流運輸監(jiān)測常用的UHF頻率為例來介紹RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。

考慮到實際應(yīng)用中要實現(xiàn)對電子標(biāo)簽的寬頻帶掃描，在仿真教學(xué)實驗時，設(shè)計鎖相環(huán)電路在830MHz到1GHz的頻帶內(nèi)產(chǎn)生協(xié)議規(guī)定的射頻信號。在ADS仿真軟件環(huán)境中搭建鎖相環(huán)行為級系統(tǒng)模型，如圖1所示。為了抑制雜散邊帶，采用三階無源環(huán)路低通濾波器，環(huán)路帶寬選取10kHz，相位裕度選取45°，壓控振蕩器的增益為12MHz/V，電荷泵電流為5mA，分頻器的分頻數(shù)為4 500。環(huán)路濾波器初始參數(shù)選取為Cp1=986 pF，Cp2=8.4 nF，Cp3=88 pF，Rp1=4.1 kΩ，Rp2=20.1 kΩ。

在ADS中進行交流仿真，圖2為鎖相環(huán)的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，在10kHz處，環(huán)路幅度為0.008，相位裕度為46.5°，基本滿足鎖相環(huán)穩(wěn)定工作的條件，達到設(shè)計目標(biāo)。圖3為鎖相環(huán)跳頻時的鎖定時間，可以看到，當(dāng)環(huán)路頻率從915MHz調(diào)頻到915.2MHz（跳頻間隔200kHz），鎖定時間為255 us，滿足EPC C1G2協(xié)議規(guī)定的500us最大穩(wěn)定時間。通過上述虛擬仿真實驗，向?qū)W生清晰展示了RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)設(shè)計過程中，各參數(shù)含義以及對系統(tǒng)性能的影響程度，加深了學(xué)生對讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)工作原理的理解和掌握。

4? ? 教學(xué)案例二：物流工程中RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的仿真實驗

在RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽返回的響應(yīng)信號被讀寫器天線接收后，通過讀寫器的射頻接收機完成解調(diào)及解碼工作，并將數(shù)據(jù)傳送給后端的處理系統(tǒng)，將系統(tǒng)終端與各目標(biāo)物體上的電子標(biāo)簽進行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)功能。射頻接收機在解調(diào)接收信號的同時，要能抑制鏡頻信號、濾除噪聲干擾。此外，接收機的價格、功耗、集成度等都是需要考慮的因素。下面以無線接收機中常見的雙通道零中頻接收機為例，來介紹RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。

在ADS仿真軟件中搭建零中頻接收機行為級模型，如圖4所示。首先，零中頻接收機因為沒有中頻，所以發(fā)射與接收信號不會互相影響；其次，系統(tǒng)搭建只需要混頻器和低噪聲放大器，結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)。變頻后上下兩路基帶信號的相位差180°，可以有效抑制直流偏差干擾。接收機前端的帶通濾波器采用四階切比雪夫濾波器，中心頻率設(shè)置為915MHz，3dB帶寬26MHz，截止帶寬40MHz，帶外衰減40dB，前端放大器增益設(shè)置為20dB。本振頻率和接收信號頻率一致，都設(shè)置為915MHz。混頻器取下邊帶，增益設(shè)置為3dB。模擬基帶部分，信道選擇采用切比雪夫低通濾波器，截止頻率設(shè)置為600kHz。

在ADS中進行系統(tǒng)仿真。圖5為讀寫器接收機頻帶選擇性結(jié)果，可以看到頻帶選擇濾波器偏離中心頻率25MHz處，衰減達到30dB，具有良好的選擇性，能有效濾除帶外干擾。接收到的射頻信號經(jīng)過混頻器和低通濾波器，得到100kHz的下變頻基帶信號，如圖6所示。基帶輸出信號的時域波形如圖7所示。圖8展示了接收系統(tǒng)各電路單元的增益預(yù)算分配情況，可以看到，帶通濾波器增益為-1dB，低噪聲放大器增益為23dB，為實際系統(tǒng)的指標(biāo)分析提供了指導(dǎo)。通過解調(diào)信號波形及增益預(yù)算仿真，清晰地展示了射頻接收機各電路單元節(jié)點的工作情況，同時了解了物流應(yīng)用中讀寫器性能參數(shù)的設(shè)置要求，加強了學(xué)生對RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)工作機理的理解和掌握。

5? ? 結(jié)? ? 語

隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各高校基本都開設(shè)了RFID相關(guān)課程。在具體教學(xué)過程中存在理論學(xué)習(xí)難度較大、課內(nèi)實驗學(xué)習(xí)不足、學(xué)生短時間難以熟悉使用實驗教學(xué)平臺等狀況。通過在RFID課程教學(xué)中引入基于ADS軟件平臺的虛擬仿真實驗，結(jié)合行業(yè)熱點增加相關(guān)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生將課程所學(xué)理論知識與物流行業(yè)的實際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的原動力，對促進物流工程和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)化人才具有積極意義。

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