RFID干貨專欄｜39 應(yīng)用測試技術(shù)

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(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(yīng)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(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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6.1.3 應(yīng)用測試技術(shù)

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

01

環(huán)境因素對標簽的影響

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

（1）標簽的貼放對性能的影響

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

當標簽靠近金屬物體或金屬離子液體時，標簽性能會發(fā)生劇烈變化，尤其是貼在金屬上時，標簽完全無法工作。如圖6-19所示，當標簽貼在金屬表面時，其偶極子天線的兩臂連通（與圖2-17（a）的場景相似），相當于將電池的正負極短路。帶有金屬離子的液體會有同樣的效果，如在鹽水瓶的表面貼標簽后，該標簽幾乎無法工作。人體也可以理解為一種帶有金屬離子的液體，電子標簽靠近人體后性能也會大幅度下降。即使標簽天線沒有與金屬物品電氣接觸，對標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標簽貼在金屬表面

（2）傳播路徑對標簽的影響

電磁波傳輸過程中遇到物體會發(fā)生反射和穿透（折射），在此過程中能量會發(fā)生衰減。對于純金屬的物體，電磁波絕大多數(shù)發(fā)生發(fā)射，少量被金屬吸收，幾乎沒有穿透；對于玻璃、橡膠、塑料、食用油、木頭等電磁波主要為穿透，一部分能量會被吸收和反射；對于導(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。如圖6-20所示為電磁波穿過裝滿飲料的塑料瓶后，傳輸?shù)男盘栞p度大幅下降。

圖6-20電磁波穿過滿飲料的塑料瓶

（3）極化匹配及環(huán)境對工作距離的影響

標簽的貼放時還需要注意：一定保證標簽極化方向與閱讀器天線的極化方向相同，當環(huán)境中有無法避免的金屬阻擋時，應(yīng)盡量選擇更大的輻射孔或采用縫隙的方式通過能量。如圖6-21所示為一個圓極化天線的輻射通過一個很窄的垂直縫隙（例如兩個金屬板），從縫隙產(chǎn)生出水平極化的電磁波。因此一個線極化標簽最佳的方向是與縫隙的方向垂直90°，而標簽放置方向與縫隙相同時則無法識別。上述方法在實際應(yīng)用中非常有效，當然沒有遮擋、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一個很窄的縫隙

多標簽識別場景中，標簽的貼放方法是至關(guān)重要的。對于箱體管理，標簽應(yīng)盡量貼放在人眼可視的位置。對于包裝內(nèi)有多個商品標簽的場景，應(yīng)保證包裝內(nèi)的商品按照一定的規(guī)則擺放，使每個標簽的性能都不會有過大的下降。

02

環(huán)境因素對輻射場區(qū)的影響

在實際應(yīng)用環(huán)境中，需要盡量保證場區(qū)內(nèi)工作范圍穩(wěn)定，場區(qū)范圍內(nèi)要求沒有盲點，可以穩(wěn)定的識別工作中的標簽；并將不相關(guān)的標簽放置在場區(qū)外，盡量不要產(chǎn)生誤讀和錯讀。許多倉庫管理和物流的超高頻RFID項目都是因為誤讀、漏讀和錯讀的問題導(dǎo)致項目失敗的。

（1）反射盲點問題

在6.1.1節(jié)中，介紹了由于電磁的反射，會在輻射區(qū)內(nèi)的一些位置會出現(xiàn)盲點。這些盲點是由于直射和反射的信號強度相近，相位相差180°引起的。盲點的問題一直困擾行業(yè)人士很多年，尤其是在封閉的箱體或柜體內(nèi)，盲點的數(shù)量更多，為此業(yè)內(nèi)人士進行了大量的嘗試。早期的嘗試都是通過改變天線或改變環(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，剛剛消除了一個盲點，在新的地方又出現(xiàn)了另外一個盲點。直到微波暗室發(fā)明后才完全解決了盲點的問題，但是微波暗室的成本很高，而應(yīng)用現(xiàn)場也不可能貼滿吸波材料，尤其是應(yīng)用現(xiàn)場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。

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

表6-4美國頻段超高頻RFID波長對比表

在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化應(yīng)用中，由于環(huán)境中的反射面特別多，很容易出現(xiàn)盲點現(xiàn)象。尤其是當距離較近且反射嚴重時，很容易出現(xiàn)無法擺脫的盲點問題，這是因為整個路徑的長度僅有幾個波長。在中國頻段中最大波長為920MHz的32.6cm，最小波長為925MHz的32.4cm，兩者相差0.2cm，假設(shè)入射為1個波長，反射為3.5個波長，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°，仍然存在盲點的可能性。此時需要通過增加反射或增加吸波材料的方法改變反射信號的強度，從而減少或消除盲點。

（2）輻射場圖

閱讀器天線輻射的電磁場可以覆蓋的區(qū)域，稱為輻射場圖，此處的覆蓋區(qū)域指的是標簽在該區(qū)域內(nèi)可以獲得足夠能量被激活的區(qū)域。輻射場圖是為了項目中確定物品擺放位置和管理的重要依據(jù)。如圖6-22所示為一個閱讀器天線的輻射場圖，該圖為俯視圖，輻射場圖像一個小提琴?？拷炀€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，此處的信號強度足夠激活標簽。當距離增加時，旁瓣的信號強度不足，無法激活標簽，因此相當于小提琴的“瘦腰”。距離繼續(xù)增加后，其輻射場區(qū)主要由天線的主瓣覆蓋，直到極限距離。在離開輻射場區(qū)之外的不遠處，仍有不少的小區(qū)域可以識別到標簽，這些小區(qū)域稱之為不穩(wěn)定讀取區(qū)。不穩(wěn)定讀取區(qū)是由于反射疊加增強引起的，之所以不連續(xù)是因為只有在相位相加的情況下才能有足夠的能量激活標簽，而相位相抵消的區(qū)域則無法激活標簽。

圖6-22天線的輻射場圖（俯視圖）

許多讀者在室外測試時發(fā)現(xiàn)標簽的工作距離大于公式計算的結(jié)果，而在微波暗室中測試的結(jié)果與公式計算的幾乎相同。這就是因為室外測試時一直找最遠處可以識別的點，是不穩(wěn)定讀取區(qū)，而非輻射場區(qū)。若要準確的找到系統(tǒng)的工作距離，最好的方式是在天線的中軸方向慢慢遠離天線，直到第一次出現(xiàn)閱讀器無法識別，記錄當前距離，此時的工作距離與計算值相近（該測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)場繪制一張輻射場圖是非常關(guān)鍵的。因此本節(jié)將重點介紹輻射場圖的繪制方法，繪制方法分為兩種，分別是簡易輻射場圖的繪制方法和帶有梯度的輻射場圖繪制方法。

現(xiàn)場測試繪圖前首先需要準備繪制場區(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系的原點，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，天線輻射軸向方向定義為Y軸正方向。使用三個相同的標簽固定在一根長桿上，其中標簽A的高度為60英寸（約1.5米），標簽B的高度為40英寸（約1米），標簽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。閱讀器天線和標簽的選型應(yīng)按照應(yīng)用項目的需求選擇。

圖6-23現(xiàn)場測試工具及準備

在應(yīng)用場地上用粉筆畫沿著X軸和Y軸標識出刻度，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，從而交織成一個網(wǎng)格，如圖6-24所示，我們稱之為天線場區(qū)的地圖格。與此同時在做圖紙上也應(yīng)畫下相同的地圖格，并標識出天線的位置。

圖6-24繪制場區(qū)圖

此時啟動閱讀器，手持標簽長桿，從（X，Y）=（0，0）開始，逐漸增加Y的值，直到第一個無法讀取的點停下，在圖紙上標計下來（圖中是五角星）。此時再從（X，Y）=（1，0）開始，逐漸增加Y的值，直到第一個無法讀取的點停下，在圖紙上標計下來，如此反復(fù)，如圖6-24所示，最終形成了一張簡易的輻射場區(qū)圖。由于標簽長桿上有三個標簽，每個標簽對應(yīng)的輻射場區(qū)圖是不同的，同樣采用不同極化的閱讀器天線也會有所不同。如圖6-25（a）所示為采用圓極化天線，水平標簽的三個不同高度標簽的簡易輻射場圖，圖6-25（b）為采用水平極化天線，水平標簽的三個不同高度標簽的簡易輻射場圖。相同增益的線極化天線會有更遠的工作距離。

（a）圓極化天線、水平標簽 （b）水平極化天線，水平標簽

圖6-25三個不同高度標簽的簡易輻射場圖

采用簡易輻射場圖的繪制方法存在的問題是無法體現(xiàn)每個區(qū)域的信號強度，也無法體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在的盲點。因此可以采用梯度的輻射場圖繪制方法，其要點為統(tǒng)計每個測試點的識別率。將閱讀器設(shè)置連續(xù)尋卡100次（每次尋卡后跳頻），統(tǒng)計每個測試點讀取標簽的次數(shù)，再將讀取的次數(shù)進行量化，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梯度輻射場繪圖法示意圖

天線固定在距離地面40英寸，測試區(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、水平標簽時的俯視圖如圖6-27所示。其中三個不同高度的標簽輻射場圖的中間部分（13英尺處）都存在無法識別的區(qū)域，當距離增大時，反而出現(xiàn)一大片可以識別的區(qū)域。根據(jù)計算，理論工作距離為首次無法識別區(qū)域之內(nèi)的最遠識別距離。第二個出現(xiàn)的識別區(qū)域是由地面反射疊加增強引起的。

圖6-27圓極化天線、水平標簽梯度輻射場繪圖

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

圖6-28圓極化天線、垂直標簽梯度輻射場繪圖

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

圖6-29線極化天線、水平標簽梯度輻射場繪圖

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

圖6-30線極化天線、垂直標簽梯度輻射場繪圖

在實際應(yīng)用中很難有如此空曠的場地，不過同樣可以采用該輻射場區(qū)的繪制方法，尤其是屋頂較低且反射面較多的場景，且出現(xiàn)盲點區(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。當天線正面距離反射墻面很近時，會引起輻射場區(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)避反射抵消的問題。