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RFID干貨專(zhuān)欄|39 應用測試技術(shù)

作者:甘泉
來(lái)源:RFID世界網(wǎng)
日期:2022-06-21 16:58:57
摘要:甘泉老師花費數年之功,撰寫(xiě)的新書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應用》正式出版發(fā)布,本書(shū)對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應用進(jìn)行了系統性的闡述,干貨滿(mǎn)滿(mǎn)!RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權,在RFID世界網(wǎng)公眾號特設專(zhuān)欄,陸續發(fā)布本書(shū)內容。
關(guān)鍵詞:RFID

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,每年的出貨量達到了200億的級別。在這個(gè)過(guò)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(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而,至今國內還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書(shū)籍。

為了填補這方面的空缺,甘泉老師花費數年之功,撰寫(xiě)的新書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應用》正式出版發(fā)布,本書(shū)對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應用進(jìn)行了系統性的闡述,干貨滿(mǎn)滿(mǎn)!RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權,在RFID世界網(wǎng)公眾號特設專(zhuān)欄,陸續發(fā)布本書(shū)內容。


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6.1.3 應用測試技術(shù)

超高頻RFID的應用測試是針對具體項目的測試,其目的主要有兩個(gè):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(chǎng)區的范圍,讓工作區內最好沒(méi)有盲點(diǎn),工作區外識別區盡量少。

01

環(huán)境因素對標簽的影響

在4.4節標簽天線(xiàn)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節中可知影響標簽工作距離的主要因素是標簽能獲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(xiàn)靠近高介電常數的物品時(shí),其天線(xiàn)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,使得標簽的工作距離減小。玻璃、純凈水、陶瓷等都是高介電常數的材料,一般認為海綿、泡沫塑料、紙張的介電常數較低,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(shí),標簽性能會(huì )發(fā)生劇烈變化,尤其是貼在金屬上時(shí),標簽完全無(wú)法工作。如圖6-19所示,當標簽貼在金屬表面時(shí),其偶極子天線(xiàn)的兩臂連通(與圖2-17(a)的場(chǎng)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(huì )有同樣的效果,如在鹽水瓶的表面貼標簽后,該標簽幾乎無(wú)法工作。人體也可以理解為一種帶有金屬離子的液體,電子標簽靠近人體后性能也會(huì )大幅度下降。即使標簽天線(xiàn)沒(méi)有與金屬物品電氣接觸,對標簽天線(xiàn)的阻抗影響也是非常大的,其性能影響的比高介電常數的材料的影響大很多。


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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(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。對于純金屬的物體,電磁波絕大多數發(fā)生發(fā)射,少量被金屬吸收,幾乎沒(méi)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(huì )被吸收和反射;對于導電性差的液體,電磁波主要體現為吸收特性,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,傳輸的信號輕度大幅下降。


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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)境對工作距離的影響

標簽的貼放時(shí)還需要注意:一定保證標簽極化方向與閱讀器天線(xiàn)的極化方向相同,當環(huán)境中有無(wú)法避免的金屬阻擋時(shí),應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(xiàn)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(xiàn)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(shí)則無(wú)法識別。上述方法在實(shí)際應用中非常有效,當然沒(méi)有遮擋、縫隙和反射的環(huán)境是最好的。


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圖6-21圓極化天線(xiàn)的輻射通過(guò)一個(gè)很窄的縫隙

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

02

環(huán)境因素對輻射場(chǎng)區的影響

在實(shí)際應用環(huán)境中,需要盡量保證場(chǎng)區內工作范圍穩定,場(chǎng)區范圍內要求沒(méi)有盲點(diǎn),可以穩定的識別工作中的標簽;并將不相關(guān)的標簽放置在場(chǎng)區外,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(wèn)題導致項目失敗的。

(1)反射盲點(diǎn)問(wèn)題

在6.1.1節中,介紹了由于電磁的反射,會(huì )在輻射區內的一些位置會(huì )出現盲點(diǎn)。這些盲點(diǎn)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(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,盲點(diǎn)的數量更多,為此業(yè)內人士進(jìn)行了大量的嘗試。早期的嘗試都是通過(guò)改變天線(xiàn)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,而應用現場(chǎng)也不可能貼滿(mǎn)吸波材料,尤其是應用現場(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的相位差相關(guān)的,而相位差與距離和波長(cháng)相關(guān),當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 )在新的地方出現一個(gè)新的盲點(diǎn)。采用快速跳頻的方式可以保證工作區內的所有盲點(diǎn)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(cháng)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)際應用中應盡量寬泛的使用跳頻范圍,且快速識別并跳轉到下一個(gè)頻率點(diǎn)。

表6-4美國頻段超高頻RFID波長(cháng)對比表


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在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化應用中,由于環(huán)境中的反射面特別多,很容易出現盲點(diǎn)現象。尤其是當距離較近且反射嚴重時(shí),很容易出現無(wú)法擺脫的盲點(diǎn)問(wèn)題,這是因為整個(gè)路徑的長(cháng)度僅有幾個(gè)波長(cháng)。在中國頻段中最大波長(cháng)為920MHz的32.6cm,最小波長(cháng)為925MHz的32.4cm,兩者相差0.2cm,假設入射為1個(gè)波長(cháng),反射為3.5個(gè)波長(cháng),頻率從920MHz切換到925MHz后,相位差從之前的180°變?yōu)楝F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的強度,從而減少或消除盲點(diǎn)。

(2)輻射場(chǎng)圖

閱讀器天線(xiàn)輻射的電磁場(chǎng)可以覆蓋的區域,稱(chēng)為輻射場(chǎng)圖,此處的覆蓋區域指的是標簽在該區域內可以獲得足夠能量被激活的區域。輻射場(chǎng)圖是為了項目中確定物品擺放位置和管理的重要依據。如圖6-22所示為一個(gè)閱讀器天線(xiàn)的輻射場(chǎng)圖,該圖為俯視圖,輻射場(chǎng)圖像一個(gè)小提琴??拷炀€(xiàn)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(shí),旁瓣的信號強度不足,無(wú)法激活標簽,因此相當于小提琴的“瘦腰”。距離繼續增加后,其輻射場(chǎng)區主要由天線(xiàn)的主瓣覆蓋,直到極限距離。在離開(kāi)輻射場(chǎng)區之外的不遠處,仍有不少的小區域可以識別到標簽,這些小區域稱(chēng)之為不穩定讀取區。不穩定讀取區是由于反射疊加增強引起的,之所以不連續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,而相位相抵消的區域則無(wú)法激活標簽。


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圖6-22天線(xiàn)的輻射場(chǎng)圖(俯視圖)

許多讀者在室外測試時(shí)發(fā)現標簽的工作距離大于公式計算的結果,而在微波暗室中測試的結果與公式計算的幾乎相同。這就是因為室外測試時(shí)一直找最遠處可以識別的點(diǎn),是不穩定讀取區,而非輻射場(chǎng)區。若要準確的找到系統的工作距離,最好的方式是在天線(xiàn)的中軸方向慢慢遠離天線(xiàn),直到第一次出現閱讀器無(wú)法識別,記錄當前距離,此時(shí)的工作距離與計算值相近(該測試的前提是天線(xiàn)增益不能太大,也不能架設太高)。

在應用現場(chǎng)繪制一張輻射場(chǎng)圖是非常關(guān)鍵的。因此本節將重點(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。

現場(chǎng)測試繪圖前首先需要準備繪制場(chǎng)區圖的工具,如圖6-23所示,閱讀器天線(xiàn)固定高度為40英寸(約1米),天線(xiàn)的中心為直角坐標系的原點(diǎn),其天線(xiàn)面的俯視投影為X軸,一側為X正另外一側為X負,天線(xiàn)輻射軸向方向定義為Y軸正方向。使用三個(gè)相同的標簽固定在一根長(cháng)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(xiàn)可以采用三種形式,分別是圓極化天線(xiàn)、垂直線(xiàn)極化天線(xiàn)和水平線(xiàn)極化天線(xiàn)。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(xiàn)和標簽的選型應按照應用項目的需求選擇。


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圖6-23現場(chǎng)測試工具及準備

在應用場(chǎng)地上用粉筆畫(huà)沿著(zhù)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(zhù)刻度做X軸和Y軸的平行線(xiàn),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(xiàn)場(chǎng)區的地圖格。與此同時(shí)在做圖紙上也應畫(huà)下相同的地圖格,并標識出天線(xiàn)的位置。


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圖6-24繪制場(chǎng)區圖

此時(shí)啟動(dòng)閱讀器,手持標簽長(cháng)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,在圖紙上標計下來(lái)(圖中是五角星)。此時(shí)再從(X,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,在圖紙上標計下來(lái),如此反復,如圖6-24所示,最終形成了一張簡(jiǎn)易的輻射場(chǎng)區圖。由于標簽長(cháng)桿上有三個(gè)標簽,每個(gè)標簽對應的輻射場(chǎng)區圖是不同的,同樣采用不同極化的閱讀器天線(xiàn)也會(huì )有所不同。如圖6-25(a)所示為采用圓極化天線(xiàn),水平標簽的三個(gè)不同高度標簽的簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖,圖6-25(b)為采用水平極化天線(xiàn),水平標簽的三個(gè)不同高度標簽的簡(jiǎn)易輻射場(chǎng)圖。相同增益的線(xiàn)極化天線(xiàn)會(huì )有更遠的工作距離。


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(a)圓極化天線(xiàn)、水平標簽 (b)水平極化天線(xiàn),水平標簽

圖6-25三個(gè)不同高度標簽的簡(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)法體現每個(gè)區域的信號強度,也無(wú)法體現區域內存在的盲點(diǎn)。因此可以采用梯度的輻射場(chǎng)圖繪制方法,其要點(diǎn)為統計每個(gè)測試點(diǎn)的識別率。將閱讀器設置連續尋卡100次(每次尋卡后跳頻),統計每個(gè)測試點(diǎn)讀取標簽的次數,再將讀取的次數進(jìn)行量化,轉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。


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(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(xiàn)固定在距離地面40英寸,測試區域大小為30英尺×40英尺的環(huán)境中,系統采用圓極化天線(xiàn)、水平標簽時(shí)的俯視圖如圖6-27所示。其中三個(gè)不同高度的標簽輻射場(chǎng)圖的中間部分(13英尺處)都存在無(wú)法識別的區域,當距離增大時(shí),反而出現一大片可以識別的區域。根據計算,理論工作距離為首次無(wú)法識別區域之內的最遠識別距離。第二個(gè)出現的識別區域是由地面反射疊加增強引起的。


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圖6-27圓極化天線(xiàn)、水平標簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

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


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圖6-28圓極化天線(xiàn)、垂直標簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

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


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圖6-29線(xiàn)極化天線(xiàn)、水平標簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

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


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圖6-30線(xiàn)極化天線(xiàn)、垂直標簽梯度輻射場(chǎng)繪圖

在實(shí)際應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,且出現盲點(diǎn)區域的概率非常大,采用該方法可以有效的避免應用中不必要的漏讀和誤讀。當天線(xiàn)正面距離反射墻面很近時(shí),會(huì )引起輻射場(chǎng)區圖很不理想,可以略微調節天線(xiàn)輻射軸與水平的仰角,有效規避反射抵消的問(wèn)題。

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