RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

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5.2.5 帶有特殊功能的閱讀器

在4.3.5節(jié)中介紹了多種標簽芯片的特殊功能，這些特殊功能中的大部分都需要閱讀器的指令配合。本節(jié)主要介紹兩種創(chuàng)新的閱讀器功能，分別是接收信號強度（RSSI）處理功能和相位列陣定位功能。

01、接收信號強度（RSSI）處理功能

市場上主流的閱讀器在盤點標簽時，不僅可以獲得標簽的EPC數(shù)據(jù)，同時還會獲得該標簽的信號強度。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信號的強度指示，它的實現(xiàn)是在反向通道基帶接收濾波器之后進行的，體現(xiàn)為基帶I、Q信道功率積分得到的瞬時值。當信號小于靈敏度或遇到干擾時則EPC無法被解調(diào)出來，因此RSSI的值一定大于靈敏度。

（1）RSSI強度過濾

RSSI的數(shù)值越大表示信號越強，當使用同樣的標簽在輻射場中時，RSSI越大可以解釋為標簽距離閱讀器天線越近。因此可以通過RSSI的信號強度判斷標簽與天線距離（具體計算方法可以參照2.3.3節(jié)），從而實現(xiàn)過濾功能，如圖5-38所示，將閱讀器收到的信號強度根據(jù)一定特征分類，并選中其中的一類標簽進行操作。如在一些近距離識別的應用場景中，遠處堆放的標簽有時候會被識別到，影響應用管理。這時，可以通過采用近距離過濾的功能。此時只有信號大于-40dBm的標簽可以被識別，遠處的干擾標簽就可以被濾除掉。

圖5-38 RSSI強度過濾示意圖

在實際應用中，通過RSSI過濾的應用有不少缺陷，主要是由于RSSI與標簽的距離只有在理想狀態(tài)下才能保證對應關系，主要是由于如下幾個問題引起的：

標簽的一致性較差，標簽生產(chǎn)時就存在一致性問題，且不同的標簽靈敏度和反向散射的調(diào)制深度也不同，尤其是當標簽貼放在不同物體上時，阻抗失配狀況無法獲得。

閱讀器的靈敏度有限，在閱讀器計算RSSI信號強度的時候會受到載波泄漏和直流偏移的影響，所以標簽的RSSI會有一定的誤差。

閱讀器天線輻射與標簽的耦合，即使閱讀器天線采用圓極化天線，當標簽垂直于天線平面時，則標簽收到的信號強度會大幅下降甚至無法工作。

因此只是靠RSSI來判斷標簽的距離的確是會存在不少誤差。在利用RSSI強度的時候有幾個竅門，對于常規(guī)標簽正面識別時，RSSI讀數(shù)非常大，如果大于-40dBm，那么一般標簽都很近；RSSI讀數(shù)非常小時，如果小于-70dBm，那么標簽一般很遠。RSSI讀數(shù)很大的情況很容易理解，只有正向和反向損耗都很小才能有大的RSSI，同理只有在正向和反向損耗都很大的時候才能有很小的RSSI。而有一些標簽雖然距離天線不遠但由于阻抗失配正向損耗很大，但其反向損耗不大，因此不會落在RSSI很大或很小的區(qū)間。

如果只是分析一個固定的標簽，可以通過RSSI分析天線的輻射場區(qū)內(nèi)的信號強弱變化。這一點對于現(xiàn)場測試非常有用，在沒有便攜功率計測試時，可以使用一個固定的標簽擺放在不同的位置通過閱讀器獲得不同位置的RSSI信號強度數(shù)據(jù)，繪制出一張輻射信號強度分布圖（6.1.3節(jié)有輻射場圖的相關介紹）。

（2）速度及方向過濾

由于可以通過RSSI計算標簽與閱讀器天線之間的距離s（計算方法可以參照2.3.3節(jié)），RSSI越大對應的s越?。ň嚯x近信號大），同理RSSI越小距離越遠。多次采集數(shù)據(jù)后獲得連續(xù)時間內(nèi)的多個s，可以對s求導計算標簽的速度v。如圖5-39所示，一個靜止的標簽，其RSSI的強度幾乎保持不變，因此其速率表現(xiàn)為0；當一個標簽靠近天線時，其信號強度會變大，通過公式計算的s會變小，因此將標簽向靠近天線運動的方向記為方向負（-），同理遠離天線的方向為方向正（+）。當一個標簽從天線輻射場區(qū)外進入場區(qū)內(nèi)再離開場區(qū)，則獲得的標簽的RSSI變化為先變大再變小，速度變化為先負方向，再正方向。

圖5-39 RSSI方向判斷示意圖

在實際應用中可以充分利用速度方向的特性，因為這個特性不會因為環(huán)境差異而發(fā)生變化，準確度非常高，只有在極少的情況下由于墻面或金屬反射引起方向判斷錯誤。通過RSSI速度方向的判斷對于倉庫的進出庫管理等應用有奇效，尤其是配合具體的速度判斷。如圖5-40所示，不同移動速度的標簽可以通過RSSI的變化速度展現(xiàn)出來，在快速進出庫的叉車應用中，即使庫房中有干擾標簽的信號由于反射進入識別區(qū)域內(nèi)，由于叉車內(nèi)的物品標簽具有相同的速度特性，而反射標簽不具備該特性，從而可以過濾掉干擾標簽。

圖5-40 RSSI速度判斷示意圖

（3）RSSI行為分析

在傳送帶的快速設備場景中，由于環(huán)境很難控制，因此無法實現(xiàn)傳送帶上的閱讀器與標簽一對一識別，許多時候閱讀器都可以識別到傳送帶上前后多個標簽，無法判斷哪一個是正上方的標簽。當采用RSSI作為判斷手段時，可以通過“頂點”判斷的方式確定哪一個標簽是當前位置的標簽，如圖5-41所示。尤其是面對流水線上的標簽一致性不同的情況，雖然每個標簽的信號強度不同，但是它們的“頂點”是相同的。

圖5-41

這種“頂點”識別的方案在物流包裹分揀、藥品和單品貼標、流水線寫標等場景中有很大幫助。

通過RSSI的數(shù)據(jù)分析還可以實現(xiàn)對零售客戶行為的分析，該技術的名稱叫做RFID“天眼”。顧名思義就是將超高頻RFID閱讀器天線放置在使用了電子標簽的零售店鋪的天花板上，并不斷掃描覆蓋區(qū)域的標簽，相當于有一雙眼睛一直看著這些標簽。當有人經(jīng)過時，人會遮擋或反射閱讀器的電磁波，引起閱讀器收集到的標簽RSSI變化，經(jīng)過AI學習，很容易判斷出顧客的行走路徑和停留時間，以及物品被拿起或帶走等行為。如圖5-42所示為“天眼”覆蓋下的三個標簽RSSI的變化曲線，從中可以判斷出：有顧客經(jīng)過、顧客離開、A物品被拿起來以及A物品被帶走。

圖5-42 RSSI數(shù)據(jù)分析曲線

至今，已經(jīng)有多家超高頻RFID廠商正在研究“天眼”技術，且已經(jīng)有一些成功的試點，雖然技術還沒有完全成熟，存在一定誤判，但其仍有不少的指導意義，尤其對于新零售的發(fā)展打開了一條新的道路。

01、相位列陣天線

（1）超高頻RFID相位列陣天線

相位列陣天線又叫相控陣天線，指的是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向，以達到波束掃描的目的?？梢院唵蔚睦斫鉃椋瑐鹘y(tǒng)的天線只有一個固定的輻射圖，而列陣天線可以有多個不同方向的輻射圖。當超高頻RFID系統(tǒng)中使用了相位列陣天線后，可以將一個天線變成多個不同方向的天線，如圖5-43所示，為一個帶有相位列陣天線的網(wǎng)關輻射圖，原有的天線主瓣輻射軸θ=0°，對列陣天線中指定輻射單元進行相位調(diào)整后，其主瓣輻射軸會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大可以偏轉(zhuǎn)45°。采用圖5-43方案的相位列陣網(wǎng)關，對比傳統(tǒng)方案，覆蓋范圍大幅增加，原有的3dB輻射角度為30°，現(xiàn)在變?yōu)?20°。

圖5-43 相位列陣天線的網(wǎng)關輻射圖

相位列陣網(wǎng)關具體工作時可以理解為一個單端口閱讀器變成一個多端口閱讀器（相位存在多少種組合對應多少端口），原來單端口的閱讀器只能接一個天線，輻射范圍固定，而多端口閱讀器可以接許多個天線，且每個天線輻射的范圍不同，這個多端口閱讀器可以根據(jù)需求選擇需要掃描的區(qū)域啟動對應的端口發(fā)射信號通過對應的天線覆蓋指定的區(qū)域。

不過相位列陣網(wǎng)關也存在自身的問題，雖然其覆蓋范圍比傳統(tǒng)的增大了很多，但需要不斷的切換相位進行掃描，因此完成整個區(qū)域的掃描時間是過去幾十倍，若標簽的數(shù)量較大則掃描時間會更長，就存在遺漏運動標簽的情況。相位列陣網(wǎng)關的另外一個缺點是其設計和開發(fā)成本較高，如果只是為了增加覆蓋區(qū)域，可以直接采用兩個或多個天線輻射覆蓋的方法，其覆蓋的區(qū)域一般大于單個相位列陣網(wǎng)關的區(qū)域。只有在天線安裝空間有限的情況下才會用單個相位列陣網(wǎng)關替代多天線系統(tǒng)。

（2）相位列陣天線定位功能

市場上常見兩款相位列陣網(wǎng)關：Impinj的xSpan和xArray。如圖5-44所示為xArray的波束方向圖，xArray為一個正方形的相位列陣網(wǎng)關。當 xArray懸掛在屋頂時，其覆蓋區(qū)域為一個圓形，共8個扇區(qū)52個輻射區(qū)域，可以簡單的理解為一個52端口的閱讀器連接著52個不同輻射區(qū)域的天線。

圖5-44 xArray的波束方向圖

如圖5-45所示為xSpan的波束方向圖，xSpan為一個長方形的相位列陣網(wǎng)關。當xSpan懸掛在屋頂時，其覆蓋的區(qū)域為一個長方形，共13個輻射區(qū)域，可以簡單的理解為一個13端口的閱讀器連接著13個不同輻射區(qū)域的天線。

圖5-45 xSpan的波束方向圖

xSpan網(wǎng)關可以看做xArray的簡化版，當xArray的相位只工作在扇區(qū)（Sector）6和扇區(qū)2時，其覆蓋區(qū)域與xSpan相同?？梢岳斫鉃閤Array的3輻射扇區(qū)對應xSpan的1輻射扇區(qū)；xArray的扇區(qū)2對應xSpan的扇區(qū)2；xArray的扇區(qū)6對應xSpan的扇區(qū)3。因此當xArray只開啟3輻射區(qū)的扇區(qū)2和扇區(qū)6內(nèi)的所有輻射區(qū)后實現(xiàn)的輻射覆及波束方向與xSpan幾乎相同。

實際環(huán)境中相鄰編號的輻射區(qū)之間是相互重疊的，當多個編號的輻射區(qū)內(nèi)都識別到同一個標簽時，可以通過RSSI大小計算出標簽的具體位置，計算過程為RSSI差轉(zhuǎn)化為距離差，再通過多點定位算法實現(xiàn)。當然標簽大概率落在RSSI值最大的輻射區(qū)內(nèi)。

相位列陣網(wǎng)關最大的作用是定位，判斷物品的位置和運動情況。如圖5-46所示為xSpan和xArray可追蹤的標簽運動方式。其中xSpan只能追蹤一個軸方向的標簽運動，而xArray可以追蹤多個不同方向運動的標簽。

圖5-46 相位列陣網(wǎng)關方向追蹤

為了保證追蹤物體的實時性，就需要保證天線切換的速度足夠快，即使每次切換50ms，xArray所有輻射區(qū)掃描一遍也需要2.5s的時間。因此在物品追蹤的應用中，應保證場內(nèi)的標簽數(shù)量。如果需要高精度追蹤，最好標簽數(shù)量不超過20個；如果要實現(xiàn)高速追蹤，標簽數(shù)量也要不超過50個。如果需要追蹤物體，需要將Session設置為S0；如需要大批量盤點，Session設置為S1。

在實際測試中由于多種原因，存在一定的誤差，在沒有遮擋和反射的理想環(huán)境中實測數(shù)據(jù)為：有85%的概率誤差在1.5米之內(nèi)。在復雜環(huán)境中該誤差會更大，尤其是零售商店等具有貨架、墻壁反射影響以及標簽的堆疊和擺放高度都會對測試精度產(chǎn)生很大影響。不過對比傳統(tǒng)的技術，采用相位列陣網(wǎng)關對于物品定位和尋找大大提高了精度和便利性。

（3）相位列陣天線技術實現(xiàn)方法

雖然xArray具有52個輻射區(qū)域，但其內(nèi)部并非有52個天線，實際上適合超高頻RFID工作的天線尺寸即使最小化也無法將52個天線放置在xArray內(nèi)。如圖5-47（a）所示為筆者開發(fā)制作的一款60輻射區(qū)的9元陣相位列陣天線的仿真模型圖，該天線可以實現(xiàn)與xArray相似的特性，其輻射場特性如圖5-47（b）所示。

圖中5-47（a）共有9個小天線，每個小天線都是可以獨立工作的超高頻RFID天線，其中小天線1（ANT1）在整個天線陣列的中間，因此它的相位不需要改變。列陣天線工作時，以ANT1為中軸線，配合對稱的兩個天線形成一組三元陣天線，覆蓋兩個扇區(qū)。ANT3、ANT7和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)2和扇區(qū)6；ANT2、ANT6和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)9和扇區(qū)5；ANT5和ANT9和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)8和扇區(qū)4；ANT8、ANT4和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)3和扇區(qū)7。通過調(diào)節(jié)一組三元陣中兩個對稱小天線的輸入相位，可以實現(xiàn)天線主瓣輻射軸θ的變化，從而實現(xiàn)不同輻射區(qū)域。比如ANT3和ANT7相位輸出共有15種不同的相位組合（ANT1保持0°相位不變），從而實現(xiàn)了對輻射區(qū)域53、輻射區(qū)域45、輻射區(qū)域37、輻射區(qū)域29、輻射區(qū)域21、輻射區(qū)域13、輻射區(qū)域5、輻射區(qū)域3、輻射區(qū)域9、輻射區(qū)域17、輻射區(qū)域25、輻射區(qū)域33、輻射區(qū)域41、輻射區(qū)域49和輻射區(qū)域57的掃描覆蓋。當ANT3的相位為負而ANT7的相位為正時，輻射偏扇區(qū)2，且相位差越大天線主瓣輻射軸θ值也越大；同理當ANT7的相位為負而ANT3的相位為正時，輻射偏扇區(qū)6，且相位差越大天線主瓣輻射軸θ值也越大。

（a）仿真模型圖 （b）輻射場扇區(qū)圖

圖5-47 9元陣相位列陣天線設計方案

上述9元陣相位天線的實現(xiàn)主要靠一個可控的相位電路實現(xiàn)，如圖5-48所示，為該9元陣相位天線的電路實現(xiàn)方法。閱讀器單端口輸出的射頻信號通過不等分功分器將能量分為三份，分別通往配到陣元1（ANT1）、陣元2到陣元5中的一個以及其對稱位置的陣元6到陣元9中的一個，形成一組三元陣。數(shù)控相移單元可以調(diào)節(jié)相位的變化，其范圍是150°，通過調(diào)節(jié)相位實現(xiàn)主瓣輻射軸的變化。如果開發(fā)與xSpan類似的網(wǎng)關可以采用同樣的設計方案，只需要選擇陣元3、陣元1和陣元7即可，電路基本相同，省去兩組單刀四擲開關即可。

圖5-489元陣相位天線的電路實現(xiàn)圖

系統(tǒng)需要通過閱讀器的GPIO管理主控模塊實現(xiàn)天線的切換和相位的調(diào)節(jié)。由于主瓣輻射軸θ變化時，天線與地面標簽的距離會發(fā)生變化L=H/cosθ，其中H為天線與地面的距離，L為標簽與天線的距離，因此θ越大時天線距離標簽的距離就越遠，因此需要對閱讀器輸出功率進行校準，輻射區(qū)域為外圍圈時需要增加輸出功率進行補償。

相位列陣天線的種類有很多，可以根據(jù)具體需求進行設計，需要考慮的主要參數(shù)為識別精度和追蹤的實時性。在相同的覆蓋范圍內(nèi)，輻射區(qū)域越多定位精度相對越高，實時性響應就越差，同理輻射區(qū)域少的系統(tǒng)定位精度就越差，實時性響應就越好，比如單天線系統(tǒng)就有最好的實時性，不過只能大范圍的區(qū)域定位了。當然并不是輻射區(qū)域越多定位精度就越高，高精度定位可以通過不同區(qū)域的RSSI進行精確定位，有時候少量輻射區(qū)獲得更高準確性的RSSI可以計算出更好的效果。