RFID干貨專(zhuān)欄概述

經(jīng)過(guò)20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書(shū)籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫(xiě)的新書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書(shū)對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿(mǎn)滿(mǎn)！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專(zhuān)欄，陸續(xù)發(fā)布本書(shū)內(nèi)容。

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6.1.3 應(yīng)用測(cè)試技術(shù)

超高頻RFID的應(yīng)用測(cè)試是針對(duì)具體項(xiàng)目的測(cè)試，其目的主要有兩個(gè)：提高識(shí)別率和控制識(shí)別范圍。一般從兩方面入手，一方面是標(biāo)簽的擺放方式和位置，目的是讓標(biāo)簽更容易被識(shí)別；另外一方面是閱讀器的放置方式，控制場(chǎng)區(qū)的范圍，讓工作區(qū)內(nèi)最好沒(méi)有盲點(diǎn)，工作區(qū)外識(shí)別區(qū)盡量少。

01

環(huán)境因素對(duì)標(biāo)簽的影響

在4.4節(jié)標(biāo)簽天線技術(shù)中可知，影響標(biāo)簽工作距離最主要的因素是匹配，從2.3節(jié)中可知影響標(biāo)簽工作距離的主要因素是標(biāo)簽?zāi)塬@得的能量和極化匹配。

（1）標(biāo)簽的貼放對(duì)性能的影響

當(dāng)標(biāo)簽天線靠近高介電常數(shù)的物品時(shí)，其天線阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，影響匹配，進(jìn)入芯片的能量大幅度減小，使得標(biāo)簽的工作距離減小。玻璃、純凈水、陶瓷等都是高介電常數(shù)的材料，一般認(rèn)為海綿、泡沫塑料、紙張的介電常數(shù)較低，對(duì)標(biāo)簽的影響較小。

當(dāng)標(biāo)簽靠近金屬物體或金屬離子液體時(shí)，標(biāo)簽性能會(huì)發(fā)生劇烈變化，尤其是貼在金屬上時(shí)，標(biāo)簽完全無(wú)法工作。如圖6-19所示，當(dāng)標(biāo)簽貼在金屬表面時(shí)，其偶極子天線的兩臂連通（與圖2-17（a）的場(chǎng)景相似），相當(dāng)于將電池的正負(fù)極短路。帶有金屬離子的液體會(huì)有同樣的效果，如在鹽水瓶的表面貼標(biāo)簽后，該標(biāo)簽幾乎無(wú)法工作。人體也可以理解為一種帶有金屬離子的液體，電子標(biāo)簽靠近人體后性能也會(huì)大幅度下降。即使標(biāo)簽天線沒(méi)有與金屬物品電氣接觸，對(duì)標(biāo)簽天線的阻抗影響也是非常大的，其性能影響的比高介電常數(shù)的材料的影響大很多。

圖6-19標(biāo)簽貼在金屬表面

（2）傳播路徑對(duì)標(biāo)簽的影響

電磁波傳輸過(guò)程中遇到物體會(huì)發(fā)生反射和穿透（折射），在此過(guò)程中能量會(huì)發(fā)生衰減。對(duì)于純金屬的物體，電磁波絕大多數(shù)發(fā)生發(fā)射，少量被金屬吸收，幾乎沒(méi)有穿透；對(duì)于玻璃、橡膠、塑料、食用油、木頭等電磁波主要為穿透，一部分能量會(huì)被吸收和反射；對(duì)于導(dǎo)電性差的液體，電磁波主要體現(xiàn)為吸收特性，反射和穿透較小，人體和是濕木頭屬于這一類(lèi)。如圖6-20所示為電磁波穿過(guò)裝滿(mǎn)飲料的塑料瓶后，傳輸?shù)男盘?hào)輕度大幅下降。

圖6-20電磁波穿過(guò)滿(mǎn)飲料的塑料瓶

（3）極化匹配及環(huán)境對(duì)工作距離的影響

標(biāo)簽的貼放時(shí)還需要注意：一定保證標(biāo)簽極化方向與閱讀器天線的極化方向相同，當(dāng)環(huán)境中有無(wú)法避免的金屬阻擋時(shí)，應(yīng)盡量選擇更大的輻射孔或采用縫隙的方式通過(guò)能量。如圖6-21所示為一個(gè)圓極化天線的輻射通過(guò)一個(gè)很窄的垂直縫隙（例如兩個(gè)金屬板），從縫隙產(chǎn)生出水平極化的電磁波。因此一個(gè)線極化標(biāo)簽最佳的方向是與縫隙的方向垂直90°，而標(biāo)簽放置方向與縫隙相同時(shí)則無(wú)法識(shí)別。上述方法在實(shí)際應(yīng)用中非常有效，當(dāng)然沒(méi)有遮擋、縫隙和反射的環(huán)境是最好的。

圖6-21圓極化天線的輻射通過(guò)一個(gè)很窄的縫隙

多標(biāo)簽識(shí)別場(chǎng)景中，標(biāo)簽的貼放方法是至關(guān)重要的。對(duì)于箱體管理，標(biāo)簽應(yīng)盡量貼放在人眼可視的位置。對(duì)于包裝內(nèi)有多個(gè)商品標(biāo)簽的場(chǎng)景，應(yīng)保證包裝內(nèi)的商品按照一定的規(guī)則擺放，使每個(gè)標(biāo)簽的性能都不會(huì)有過(guò)大的下降。

02

環(huán)境因素對(duì)輻射場(chǎng)區(qū)的影響

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，需要盡量保證場(chǎng)區(qū)內(nèi)工作范圍穩(wěn)定，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)要求沒(méi)有盲點(diǎn)，可以穩(wěn)定的識(shí)別工作中的標(biāo)簽；并將不相關(guān)的標(biāo)簽放置在場(chǎng)區(qū)外，盡量不要產(chǎn)生誤讀和錯(cuò)讀。許多倉(cāng)庫(kù)管理和物流的超高頻RFID項(xiàng)目都是因?yàn)檎`讀、漏讀和錯(cuò)讀的問(wèn)題導(dǎo)致項(xiàng)目失敗的。

（1）反射盲點(diǎn)問(wèn)題

在6.1.1節(jié)中，介紹了由于電磁的反射，會(huì)在輻射區(qū)內(nèi)的一些位置會(huì)出現(xiàn)盲點(diǎn)。這些盲點(diǎn)是由于直射和反射的信號(hào)強(qiáng)度相近，相位相差180°引起的。盲點(diǎn)的問(wèn)題一直困擾行業(yè)人士很多年，尤其是在封閉的箱體或柜體內(nèi)，盲點(diǎn)的數(shù)量更多，為此業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了大量的嘗試。早期的嘗試都是通過(guò)改變天線或改變環(huán)境（增加或減少反射、增加吸收等），但效果都不是很好，經(jīng)常遇到這樣的情況，剛剛消除了一個(gè)盲點(diǎn)，在新的地方又出現(xiàn)了另外一個(gè)盲點(diǎn)。直到微波暗室發(fā)明后才完全解決了盲點(diǎn)的問(wèn)題，但是微波暗室的成本很高，而應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)也不可能貼滿(mǎn)吸波材料，尤其是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的地面不可能使用吸波材料。因此需要采用成本更低效率更高的解決方案。

由于盲點(diǎn)是與直射和反射信號(hào)的相位差相關(guān)的，而相位差與距離和波長(zhǎng)相關(guān)，當(dāng)閱讀器的工作頻率變化時(shí)，原來(lái)的盲點(diǎn)位置直射和反射的相位差就不再是180°了，原來(lái)的盲點(diǎn)就消失了，此時(shí)有可能會(huì)在新的地方出現(xiàn)一個(gè)新的盲點(diǎn)。采用快速跳頻的方式可以保證工作區(qū)內(nèi)的所有盲點(diǎn)都消失。如表6-4所示，為美國(guó)頻段超高頻RFID的工作頻率，其波長(zhǎng)不同，傳輸同樣距離時(shí)相位變化不同，從而解決盲點(diǎn)問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量寬泛的使用跳頻范圍，且快速識(shí)別并跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)頻率點(diǎn)。

表6-4美國(guó)頻段超高頻RFID波長(zhǎng)對(duì)比表

在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用中，由于環(huán)境中的反射面特別多，很容易出現(xiàn)盲點(diǎn)現(xiàn)象。尤其是當(dāng)距離較近且反射嚴(yán)重時(shí)，很容易出現(xiàn)無(wú)法擺脫的盲點(diǎn)問(wèn)題，這是因?yàn)檎麄€(gè)路徑的長(zhǎng)度僅有幾個(gè)波長(zhǎng)。在中國(guó)頻段中最大波長(zhǎng)為920MHz的32.6cm，最小波長(zhǎng)為925MHz的32.4cm，兩者相差0.2cm，假設(shè)入射為1個(gè)波長(zhǎng)，反射為3.5個(gè)波長(zhǎng)，頻率從920MHz切換到925MHz后，相位差從之前的180°變?yōu)楝F(xiàn)在的190°，仍然存在盲點(diǎn)的可能性。此時(shí)需要通過(guò)增加反射或增加吸波材料的方法改變反射信號(hào)的強(qiáng)度，從而減少或消除盲點(diǎn)。

（2）輻射場(chǎng)圖

閱讀器天線輻射的電磁場(chǎng)可以覆蓋的區(qū)域，稱(chēng)為輻射場(chǎng)圖，此處的覆蓋區(qū)域指的是標(biāo)簽在該區(qū)域內(nèi)可以獲得足夠能量被激活的區(qū)域。輻射場(chǎng)圖是為了項(xiàng)目中確定物品擺放位置和管理的重要依據(jù)。如圖6-22所示為一個(gè)閱讀器天線的輻射場(chǎng)圖，該圖為俯視圖，輻射場(chǎng)圖像一個(gè)小提琴。靠近天線處具有較寬的輻射角度，雖然旁瓣的輻射增益很小，但由于距離發(fā)射源很近，此處的信號(hào)強(qiáng)度足夠激活標(biāo)簽。當(dāng)距離增加時(shí)，旁瓣的信號(hào)強(qiáng)度不足，無(wú)法激活標(biāo)簽，因此相當(dāng)于小提琴的“瘦腰”。距離繼續(xù)增加后，其輻射場(chǎng)區(qū)主要由天線的主瓣覆蓋，直到極限距離。在離開(kāi)輻射場(chǎng)區(qū)之外的不遠(yuǎn)處，仍有不少的小區(qū)域可以識(shí)別到標(biāo)簽，這些小區(qū)域稱(chēng)之為不穩(wěn)定讀取區(qū)。不穩(wěn)定讀取區(qū)是由于反射疊加增強(qiáng)引起的，之所以不連續(xù)是因?yàn)橹挥性谙辔幌嗉拥那闆r下才能有足夠的能量激活標(biāo)簽，而相位相抵消的區(qū)域則無(wú)法激活標(biāo)簽。

圖6-22天線的輻射場(chǎng)圖（俯視圖）

許多讀者在室外測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽的工作距離大于公式計(jì)算的結(jié)果，而在微波暗室中測(cè)試的結(jié)果與公式計(jì)算的幾乎相同。這就是因?yàn)槭彝鉁y(cè)試時(shí)一直找最遠(yuǎn)處可以識(shí)別的點(diǎn)，是不穩(wěn)定讀取區(qū)，而非輻射場(chǎng)區(qū)。若要準(zhǔn)確的找到系統(tǒng)的工作距離，最好的方式是在天線的中軸方向慢慢遠(yuǎn)離天線，直到第一次出現(xiàn)閱讀器無(wú)法識(shí)別，記錄當(dāng)前距離，此時(shí)的工作距離與計(jì)算值相近（該測(cè)試的前提是天線增益不能太大，也不能架設(shè)太高）。

在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)繪制一張輻射場(chǎng)圖是非常關(guān)鍵的。因此本節(jié)將重點(diǎn)介紹輻射場(chǎng)圖的繪制方法，繪制方法分為兩種，分別是簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖的繪制方法和帶有梯度的輻射場(chǎng)圖繪制方法。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)L圖前首先需要準(zhǔn)備繪制場(chǎng)區(qū)圖的工具，如圖6-23所示，閱讀器天線固定高度為40英寸（約1米），天線的中心為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，其天線面的俯視投影為X軸，一側(cè)為X正另外一側(cè)為X負(fù)，天線輻射軸向方向定義為Y軸正方向。使用三個(gè)相同的標(biāo)簽固定在一根長(zhǎng)桿上，其中標(biāo)簽A的高度為60英寸（約1.5米），標(biāo)簽B的高度為40英寸（約1米），標(biāo)簽C的高度為20英寸（約0.5米）。閱讀器天線可以采用三種形式，分別是圓極化天線、垂直線極化天線和水平線極化天線。標(biāo)簽的固定方式有兩種選擇，分別是水平放置和垂直放置。閱讀器天線和標(biāo)簽的選型應(yīng)按照應(yīng)用項(xiàng)目的需求選擇。

圖6-23現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工具及準(zhǔn)備

在應(yīng)用場(chǎng)地上用粉筆畫(huà)沿著X軸和Y軸標(biāo)識(shí)出刻度，假定刻度為1英尺（約0.3米），并沿著刻度做X軸和Y軸的平行線，從而交織成一個(gè)網(wǎng)格，如圖6-24所示，我們稱(chēng)之為天線場(chǎng)區(qū)的地圖格。與此同時(shí)在做圖紙上也應(yīng)畫(huà)下相同的地圖格，并標(biāo)識(shí)出天線的位置。

圖6-24繪制場(chǎng)區(qū)圖

此時(shí)啟動(dòng)閱讀器，手持標(biāo)簽長(zhǎng)桿，從（X，Y）=（0，0）開(kāi)始，逐漸增加Y的值，直到第一個(gè)無(wú)法讀取的點(diǎn)停下，在圖紙上標(biāo)計(jì)下來(lái)（圖中是五角星）。此時(shí)再?gòu)模╔，Y）=（1，0）開(kāi)始，逐漸增加Y的值，直到第一個(gè)無(wú)法讀取的點(diǎn)停下，在圖紙上標(biāo)計(jì)下來(lái)，如此反復(fù)，如圖6-24所示，最終形成了一張簡(jiǎn)易的輻射場(chǎng)區(qū)圖。由于標(biāo)簽長(zhǎng)桿上有三個(gè)標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的輻射場(chǎng)區(qū)圖是不同的，同樣采用不同極化的閱讀器天線也會(huì)有所不同。如圖6-25（a）所示為采用圓極化天線，水平標(biāo)簽的三個(gè)不同高度標(biāo)簽的簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖，圖6-25（b）為采用水平極化天線，水平標(biāo)簽的三個(gè)不同高度標(biāo)簽的簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖。相同增益的線極化天線會(huì)有更遠(yuǎn)的工作距離。

（a）圓極化天線、水平標(biāo)簽 （b）水平極化天線，水平標(biāo)簽

圖6-25三個(gè)不同高度標(biāo)簽的簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖

采用簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖的繪制方法存在的問(wèn)題是無(wú)法體現(xiàn)每個(gè)區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度，也無(wú)法體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在的盲點(diǎn)。因此可以采用梯度的輻射場(chǎng)圖繪制方法，其要點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的識(shí)別率。將閱讀器設(shè)置連續(xù)尋卡100次（每次尋卡后跳頻），統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)讀取標(biāo)簽的次數(shù)，再將讀取的次數(shù)進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為不同顏色展示在圖紙上，如圖6-26所示為梯度輻射場(chǎng)繪圖法示意圖。其中圖6-26（a）展示了讀取次數(shù)的梯度與位置關(guān)系，圖6-26（b）為采用顏色展示的俯視平面圖，該圖可以使用excel繪制。

（a）3D視圖 （b）俯視圖

圖6-26梯度輻射場(chǎng)繪圖法示意圖

天線固定在距離地面40英寸，測(cè)試區(qū)域大小為30英尺×40英尺的環(huán)境中，系統(tǒng)采用圓極化天線、水平標(biāo)簽時(shí)的俯視圖如圖6-27所示。其中三個(gè)不同高度的標(biāo)簽輻射場(chǎng)圖的中間部分（13英尺處）都存在無(wú)法識(shí)別的區(qū)域，當(dāng)距離增大時(shí)，反而出現(xiàn)一大片可以識(shí)別的區(qū)域。根據(jù)計(jì)算，理論工作距離為首次無(wú)法識(shí)別區(qū)域之內(nèi)的最遠(yuǎn)識(shí)別距離。第二個(gè)出現(xiàn)的識(shí)別區(qū)域是由地面反射疊加增強(qiáng)引起的。

圖6-27圓極化天線、水平標(biāo)簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

如圖6-28所示，為系統(tǒng)采用圓極化天線、垂直標(biāo)簽時(shí)的梯度輻射場(chǎng)俯視圖。

圖6-28圓極化天線、垂直標(biāo)簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

如圖6-29所示，為系統(tǒng)采用線極化天線、水平標(biāo)簽時(shí)的梯度輻射場(chǎng)俯視圖。

圖6-29線極化天線、水平標(biāo)簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

如圖6-30所示，系統(tǒng)采用線極化天線、垂直標(biāo)簽時(shí)的梯度輻射場(chǎng)俯視圖。

圖6-30線極化天線、垂直標(biāo)簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

在實(shí)際應(yīng)用中很難有如此空曠的場(chǎng)地，不過(guò)同樣可以采用該輻射場(chǎng)區(qū)的繪制方法，尤其是屋頂較低且反射面較多的場(chǎng)景，且出現(xiàn)盲點(diǎn)區(qū)域的概率非常大，采用該方法可以有效的避免應(yīng)用中不必要的漏讀和誤讀。當(dāng)天線正面距離反射墻面很近時(shí)，會(huì)引起輻射場(chǎng)區(qū)圖很不理想，可以略微調(diào)節(jié)天線輻射軸與水平的仰角，有效規(guī)避反射抵消的問(wèn)題。