童廷洋

（航天信息股份有限公司，北京 100195）

超高頻射頻識別RFID技術(shù)具有無源、體積小、遠(yuǎn)距離識別、高速移動(dòng)物體識別、多目標(biāo)識別和非接觸識別等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在物流、制造、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽和資產(chǎn)管理等領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到識別范圍不可控、電子標(biāo)簽誤讀、密集標(biāo)簽識別率低以及盲點(diǎn)標(biāo)簽無法識別等問題。

超高頻射頻識別電子標(biāo)簽附著在單個(gè)產(chǎn)品或物流運(yùn)輸?shù)南潴w上，標(biāo)識物品或物流運(yùn)輸信息。采集密集電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生盲點(diǎn)和誤讀現(xiàn)象。金屬屏蔽可以解決電子標(biāo)簽誤讀，但是隨后產(chǎn)生的空腔效應(yīng)和多路徑效應(yīng)加劇盲點(diǎn)現(xiàn)象，降低識別率[1]。

本文采用集聚識別技術(shù)，對于大批量單品標(biāo)簽識別采集數(shù)據(jù)時(shí)，降低或減少盲點(diǎn)和誤讀問題，同時(shí)克服空腔效應(yīng)和多路徑效應(yīng)，快速而且全部識別高度密集的射頻電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)集聚電子標(biāo)簽識別率100%的識讀。

集聚識別技術(shù)是針對超高頻RFID高度密集的射頻標(biāo)簽無法全部識別的問題，通過采用超高頻遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽、射頻識別金屬屏蔽效應(yīng)和交變磁場集聚識別等技術(shù)，克服外部標(biāo)簽干擾和內(nèi)部射頻識別空腔效應(yīng)，降低或減少遮擋盲點(diǎn)和疊加盲點(diǎn)，快速識讀全部密集標(biāo)簽，同時(shí)不誤讀任何標(biāo)簽。

1 超高頻遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽技術(shù)

超高頻射頻識別電子標(biāo)簽附著在單個(gè)產(chǎn)品或物流運(yùn)輸?shù)南潴w上，應(yīng)用在箱體上需要滿足實(shí)際流水線識讀的要求，標(biāo)簽識別靈敏度應(yīng)小于等于-6.5 dBm[2]，尺寸為60 mm×18 mm的長條形，標(biāo)簽面紙采用白色PET材質(zhì)，其采用HFSS設(shè)計(jì)，外觀如圖1所示，天線增益如圖2所示。

圖1 箱體標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

圖2 天線的增益方向圖

實(shí)驗(yàn)測試過程中，讀寫器天線端口發(fā)出的傳導(dǎo)功率為 29.15 dBm，天線增益為 6 dBi，等效于讀寫器發(fā)送的前向鏈路 ERP為33 dBm，載波頻率為 925 MHz，標(biāo)簽與讀寫器天線正對。暗室情況下，傳輸損耗與距離、工作頻率有關(guān)，公式為：

其中，Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，f為工作頻率[3]。測試時(shí)，讀寫器與標(biāo)簽間隔距離為3 m。接收靈敏度與工作頻率之間的關(guān)系為：

隨機(jī)抽取的3個(gè)標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，標(biāo)簽靈敏度測試折線圖如圖3所示。數(shù)據(jù)表明，實(shí)際標(biāo)簽與設(shè)計(jì)理論值相符，滿足實(shí)際情況的要求。

圖3 標(biāo)簽靈敏度測試折線圖

2 射頻識別金屬屏蔽效應(yīng)

為保證批量識別電子標(biāo)簽信息的準(zhǔn)確性，防止外界標(biāo)簽的繞射干擾，采用金屬箱內(nèi)識讀是最好的方式。讀寫器發(fā)出的電磁波在封閉的金屬環(huán)境里會形成一種叫做空腔效應(yīng)的特殊場分布。理論上，空腔效應(yīng)是不良反應(yīng)，應(yīng)該避免的。實(shí)際應(yīng)用中卻往往無法避免，其最終的分布狀況比較復(fù)雜又無法計(jì)算和預(yù)估，例如：大量的金屬反射面極易造成信號疊加而產(chǎn)生信號盲點(diǎn)，即多路徑效應(yīng)[4]。

當(dāng)RFID系統(tǒng)應(yīng)用在金屬環(huán)境中時(shí)，金屬對電磁場還有屏蔽作用。由于電場會造成金屬內(nèi)部自由電荷的移動(dòng)，從而損失能量。電磁波能到達(dá)金屬內(nèi)部的深度用趨膚深度表示：

假設(shè)金屬為鐵（K=1.06×106S/m，μ=300），在 868 MHz頻率下，趨膚深度為 2.2 μm，所以在一般情況下，電磁波是無法直接穿過金屬傳播的，在金屬后方有一個(gè)無法讀取的區(qū)域。當(dāng)金屬尺寸不是很大時(shí)，這個(gè)區(qū)域會因?yàn)殡姶挪ǖ难苌涠冃5]。

在讀寫器和標(biāo)簽之間放置金屬板，金屬板的尺寸為300 mm×300 mm，金屬板距離標(biāo)簽保持 1 m，讀取率測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，金屬板遮擋時(shí)有個(gè)區(qū)域無法識讀，稱為盲區(qū)。由于實(shí)際應(yīng)用的情況復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)盡量減小金屬遮擋產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)。

3 交變磁場集聚識別

對于大批量單品標(biāo)簽識別采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要克服屏蔽及射頻盲點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽100%的識讀。以智能電表產(chǎn)品為例，每只智能表單品上均貼有超高頻射頻識別電子標(biāo)簽。智能表主要部件由電路板組成，對電子標(biāo)簽具有屏蔽效應(yīng)[6]。智能表的基本存儲單元為貼有射頻標(biāo)簽的周轉(zhuǎn)箱，每箱裝有12只智能表，30個(gè)周轉(zhuǎn)箱以品字形3垛疊放在托盤上，共計(jì)360個(gè)電表標(biāo)簽。30箱360個(gè)電表品字形疊放如圖5所示。

圖4 金屬屏蔽的測試結(jié)果

圖5 30箱360個(gè)電表以品字形疊放

本系統(tǒng)采用電波屏蔽室，30箱以品字形疊放，試驗(yàn)測試無法100%識讀全部的360個(gè)電表標(biāo)簽。讀取率與識讀時(shí)間測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 30箱360個(gè)電表標(biāo)簽測試時(shí)間

測試過程中，經(jīng)常有4～5個(gè)標(biāo)簽無法識讀，調(diào)整天線的位置、角度之后，這4～5個(gè)標(biāo)簽被識讀出來，但是又有另外4～5個(gè)標(biāo)簽無法識讀。經(jīng)電表標(biāo)簽測試統(tǒng)計(jì)分析軟件分析，未能識讀的電表標(biāo)簽集中在中間灰色區(qū)域。品字形電表疊放示意圖如圖7所示，其中10、11、21、25、22、26沒有識讀的概率最高 80%～90%； 另外，17、18、19、29、30、31 沒有識讀的概率也到達(dá) 60%～70%。按照金屬反射及屏蔽分析，此處的標(biāo)簽處于盲點(diǎn)。盲點(diǎn)具有不確定性，會根據(jù)天線角度、位置和射頻強(qiáng)度發(fā)生改變。

圖7 品字形電表疊放示意圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盲點(diǎn)具有不確定性，改變天線的位置，盲點(diǎn)也會發(fā)生改變。采用射頻天線的橫向移動(dòng)，改變天線箱體內(nèi)的輻射模式和場域，形成交變磁場，有效利用空腔效應(yīng)中多路徑識別，動(dòng)態(tài)覆蓋盲區(qū)，解決標(biāo)簽批量識別的問題[7]。移動(dòng)天線及控制單元如圖8所示。

圖8 移動(dòng)天線及控制單元

實(shí)驗(yàn)室測試兩個(gè)天線橫向移動(dòng)時(shí)采集數(shù)據(jù)的有效性。讀取數(shù)量和讀取率與識讀時(shí)間的折線圖如圖9和圖10所示。數(shù)據(jù)表明，10 s內(nèi)可以完全識讀集聚標(biāo)簽，而且10 s之后的識讀成功率為100%，效果非常好。

圖9 標(biāo)簽讀取數(shù)量與識讀時(shí)間

試驗(yàn)表明，交變磁場能有效克服盲點(diǎn)不可識讀的難題，可以將集聚超高頻電子標(biāo)簽的識別率提升到100%。

本文對集聚識別技術(shù)進(jìn)行研究和闡述，為高度密集的超高頻電子標(biāo)簽的識讀問題提出核心處理方法，對解決現(xiàn)實(shí)問題具有重要意義。本文闡述的超高頻遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽技術(shù)、交變磁場集聚批量識別技術(shù)及相關(guān)技術(shù)獲得發(fā)明或?qū)嵱眯滦投囗?xiàng)專利，在危險(xiǎn)品流通監(jiān)管、產(chǎn)品防偽追溯等多個(gè)政府、企業(yè)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

圖10 標(biāo)簽讀取率與識讀時(shí)間

[1]劉永，熊興中，李曉花.RFID防碰撞技術(shù)的研究[J].電信科學(xué)，2012（2）：138-143.

[2]馬昌社.前向隱私安全的低成本RFID認(rèn)證協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011（8）：1387-1398.

[3]童廷洋，馬振洲.超高頻RFID標(biāo)簽一致性的近場檢測技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（4）：62-64.

[4]WAKI H，IGARASHI H，HONMA T.Analysis of magnetic shielding effect of layered shields based on homogenization[J].IEEE Transactions on Magnetics， 2006， 42（4）： 847-850.

[5]唐志軍，席在芳，詹杰.無源反向散射RFID系統(tǒng)識別距離的影響因素分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012（23）：85-89.

[6]QingXianming， Chen Zhining.UHF near-field RFID antennas， 10.1109/IWAT.2010.5464851[C].Lisbon： Antenna Technology（iWAT）International Workshop on Digital Object Identifier，2010.

[7]Ren Ankang， Wu Changying， Gao Yao， et al.A robust UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2012，60（4）：1690-1697.