一種模擬應(yīng)用場景的RFID設(shè)備檢測方法研究

劉一濤+劉濱

中圖分類號： TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0053-002

Research on RFID Device Testing Method for Simulation Application

LIU Yi-tao LIU Bin

（Shanghai Zhongjing FudianElectronic Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201303，China）

1 RFID產(chǎn)品檢測現(xiàn)狀

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。RFID產(chǎn)業(yè)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、制造與生產(chǎn)方法上是比較成熟的，但由于在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中存在各種干擾及不確定性，如何保證或提高產(chǎn)品大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用時(shí)的有效性和可靠性，是目前面臨的主要問題。

目前我國RFID系統(tǒng)應(yīng)用測試技術(shù)還處于探索研究和起步建設(shè)階段，沒有形成系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，應(yīng)用測試技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)水平與國外差距較大。自2011年左右起，中國物品編碼中心、中科院自動化所等科研院所和高校開始建立RFID測試實(shí)驗(yàn)室，并研究開發(fā)我國自主標(biāo)準(zhǔn)的RFID 測試系統(tǒng)，目標(biāo)是突破核心技術(shù)，形成核心能力，實(shí)現(xiàn)射頻識別技術(shù)應(yīng)用性能、產(chǎn)品及系統(tǒng)性能及安全性能的專業(yè)測試。

在實(shí)際應(yīng)用中，一方面RFID技術(shù)將會有越來越多的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成商開始踏足規(guī)模化行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)；另一方面由于企業(yè)自身?xiàng)l件或客戶所處特殊行業(yè)限制（包括地理位置、現(xiàn)場環(huán)境等），又會出現(xiàn)難于即時(shí)獲得應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的情況，尤其是那些關(guān)系系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵要素環(huán)境，如通信基站或高壓輸變電設(shè)備（線路）附近的電磁場環(huán)境、時(shí)速150km/h的高速行駛環(huán)境、酷暑（+65℃）嚴(yán)寒（-20℃）環(huán)境等。對于系統(tǒng)開發(fā)商來說，在項(xiàng)目開發(fā)階段，為了調(diào)試系統(tǒng)，就得頻繁奔波于應(yīng)用現(xiàn)場，從項(xiàng)目成本控制的角度講，這種做法顯然不可取。

有鑒于此，研究建立自主標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場景模擬檢測實(shí)驗(yàn)室，可以針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，為系統(tǒng)集成商提供特定運(yùn)行環(huán)境要素下的系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)，使得其行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)最終盡可能符合客戶現(xiàn)場環(huán)境要求，達(dá)到實(shí)際部署、運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。

2 特定應(yīng)用場景檢測需求

RFID技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、交通、物流和公共安全等多個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛地應(yīng)用，并且日益顯示出它的巨大潛力。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境的有著各種干擾，為保證系統(tǒng)或產(chǎn)品的正常工作，往往要通過現(xiàn)場的反復(fù)調(diào)試、測試及一段時(shí)間的試運(yùn)行來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這大大影響了RFID產(chǎn)品的使用效果。

下面以高速路口車輛識別、停車場管理、高速物流卡口、非接觸門禁管理等行業(yè)規(guī)模化應(yīng)用為對象，研究建立此類應(yīng)用場景的模擬檢測環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)針對此類應(yīng)用的RFID產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室檢測。

2.1 場景描述

在此類RFID技術(shù)行業(yè)應(yīng)用中，RFID標(biāo)簽被安裝在具有一定運(yùn)行速度的物體上，如汽車的ETC卡、車場出入口的門禁卡、貨運(yùn)小車上貨物標(biāo)簽等。它們通過RFID識讀設(shè)備時(shí)，具有一定速度、一定角度、不規(guī)則的運(yùn)動軌跡、不同材質(zhì)附著物等特點(diǎn)，要求在很短時(shí)間內(nèi)能正確識別標(biāo)簽信息，保證較高的識讀正確率。

本文中將此類場景稱為“速度場景”。在此類場景中射頻信號會受到很多因素影響，如RFID電子標(biāo)簽附著物材質(zhì)、信號強(qiáng)度范圍、輻射角度等。當(dāng)附著物不是靜態(tài)的時(shí)候，帶有電子標(biāo)簽的物體與RFID識讀設(shè)備間的相對運(yùn)動速度，會導(dǎo)致多普勒效應(yīng)，相對運(yùn)動速度越快表現(xiàn)就越明顯，這將影響識讀的正確率。

建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的速度場景模擬檢測系統(tǒng)，是通過運(yùn)動裝置模擬車輛或物體的高速運(yùn)動狀態(tài)，測試、驗(yàn)證多普勒效應(yīng)以及環(huán)境中電磁場信號對RFID技術(shù)應(yīng)用可能產(chǎn)生的影響，評估RFID產(chǎn)品性能。

2.2 檢測需求

通過對應(yīng)用場景分析，在實(shí)驗(yàn)室建立模擬測試環(huán)境的功能要求是：被測電子標(biāo)簽以一定運(yùn)動速度通過識讀區(qū)；識讀設(shè)備進(jìn)行識讀，記錄識讀信息并判斷是否正確；反復(fù)多次最終得到此產(chǎn)品的識讀正確率。

按照應(yīng)用場景分析結(jié)果，主要指標(biāo)應(yīng)有：

a）標(biāo)簽運(yùn)動瞬時(shí)速度：0.5m/s～8m/s；

b）標(biāo)簽運(yùn)動方式是不規(guī)則路線的非勻速運(yùn)動；

c）標(biāo)簽可附著于金屬及非金屬物體

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行速度模擬是在綜合分析了城市交通行業(yè)、物流行業(yè)等應(yīng)用的基礎(chǔ)上，專門針對特定車輛行駛速度而進(jìn)行的系統(tǒng)化模擬，同時(shí)考慮介質(zhì)要素及安裝方式，可以科學(xué)、客觀地對RFID產(chǎn)品進(jìn)行靈敏度、性能測試評估，驗(yàn)證實(shí)際運(yùn)行效果。

3 檢測方法設(shè)計(jì)

3.1 RFID組成

一套完整的RFID應(yīng)用系統(tǒng)包括：電子標(biāo)簽、識讀設(shè)備（閱讀器）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

電子標(biāo)簽包括有源和無源兩種，因有源標(biāo)簽應(yīng)用范圍不及無源標(biāo)簽廣、且測試方法沒有本質(zhì)區(qū)別，所以在本文中僅以無源標(biāo)簽為例進(jìn)行研究。無源標(biāo)簽在此類非接觸式應(yīng)用中一般附于對象表面，在識讀時(shí)與閱讀器之間一般不能有物體隔離，或僅有簡單的非金屬隔離（如玻璃）。電子標(biāo)簽內(nèi)存數(shù)據(jù)信息，依靠接收到的無線電信號能量發(fā)射帶有信息的回答信號。

識讀設(shè)備包括識讀器和天線兩部分，能夠發(fā)射帶有一定能量的無線電信號給電子標(biāo)簽；同時(shí)接收電子標(biāo)簽的信號，并記錄數(shù)據(jù)信息。識讀設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間有通信接口。識讀設(shè)備天線的正面扇形區(qū)域是讀取電子標(biāo)簽的有效識讀區(qū)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過接口接收識讀設(shè)備信息，并向識讀設(shè)備下達(dá)工作指令、設(shè)置參數(shù)等。

3.2 空間運(yùn)動方式

物體空間運(yùn)動的主要指標(biāo)是速度。

速度（velocity）表征動點(diǎn)在某瞬時(shí)運(yùn)動快慢和運(yùn)動方向的矢量，記為v：

速度是動點(diǎn)矢徑對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，其方向同軌跡的切線方向一致。空間曲線運(yùn)動中，速度在直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系中的表示方法如下：

將電子標(biāo)簽在空間運(yùn)動軌跡記錄下來，放入平面直角坐標(biāo)系中。以坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，畫出與弧形運(yùn)行軌跡的切線。此切線與坐標(biāo)系X軸的角度作為電子標(biāo)簽的初始角度。

通過采用一種設(shè)備（如乒乓球發(fā)球機(jī)、羽毛球發(fā)球機(jī)等）將帶有電子標(biāo)簽的物體發(fā)射出去，在空間形成可記錄速度的運(yùn)動軌跡。運(yùn)動軌跡應(yīng)落在識讀設(shè)備的識讀區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對此類RFID產(chǎn)品的檢測。

選擇目前在戶外應(yīng)用中常見的的UHF標(biāo)簽，設(shè)置不同速度、多種角度以及常見的附著物體（木質(zhì)、塑料質(zhì)、毛質(zhì)、鐵質(zhì)）進(jìn)行測試，以判斷常見UHF標(biāo)簽在不同的速度，不同的角度以及不同的附著物下的讀取距離范圍、信號強(qiáng)度范圍、靈敏度范圍等。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖，包括電子標(biāo)簽、運(yùn)動物體發(fā)射設(shè)備、識讀設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備等。相應(yīng)地產(chǎn)生或記錄的數(shù)據(jù)信息包括：標(biāo)簽ID信息、運(yùn)動物體的初速度信息、識讀ID信息、多次測試結(jié)果（報(bào)表）。

4 實(shí)現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)組成及要求

硬件部分包括羽毛球發(fā)球機(jī)、多種材質(zhì)羽毛球、計(jì)算機(jī)設(shè)備。

軟件部分包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、速度場景模擬分析軟件。

測試對象包括：電子標(biāo)簽、識讀設(shè)備、設(shè)備驅(qū)動及接口軟件。

綜合各方因素，為確保檢測系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)將至少滿足下述性能指標(biāo)：

1）可存儲百萬字節(jié)數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)操作客戶端響應(yīng)時(shí)間小于2秒；

2）系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間大于5000小時(shí)；

3）信號強(qiáng)度范圍：-69～-15dbm

4）靈敏度范圍：-69～-15dbm

5）每分鐘模擬物體數(shù)量：大于100

6）速度檔數(shù)：0～20m/s

7）識讀區(qū)域角度：0～180度

4.2 測試方法

測試選擇的標(biāo)簽應(yīng)該至少有兩種：普通的RFID標(biāo)簽和抗金屬RFID標(biāo)簽。

測試分為三大類：

a）發(fā)球速度和發(fā)球角度不變，使用不同的附著物質(zhì)（木質(zhì)、塑料質(zhì)、毛質(zhì)、鐵質(zhì)）進(jìn)行測試；

b）發(fā)球速度和標(biāo)簽附著物質(zhì)不變，改變不同的發(fā)球角度進(jìn)行測試；

c）發(fā)球角度和標(biāo)簽附著物質(zhì)不變，調(diào)節(jié)每次的發(fā)球速度進(jìn)行測試。

每一大類測試中的同一條件測試應(yīng)該測試三次或三次以上取其平均的測試數(shù)據(jù)，以此減少測試中的誤差。

4.3 測試數(shù)據(jù)示例

測試數(shù)據(jù)記錄如表所示。

5 結(jié)語

通過對RFID技術(shù)行業(yè)應(yīng)用場景的分析，提取出應(yīng)用場景要素，建立實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際要求的RFID產(chǎn)品檢測，這是檢測技術(shù)發(fā)展的重要手段之一。本文針對速度場景建立的模擬測試系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽在運(yùn)動速度、運(yùn)動角度、附著材質(zhì)等因素影響下的性能檢測；不足之處在于還不能準(zhǔn)確記錄電子標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)。改進(jìn)方法是在運(yùn)動物體上增加位置傳感器，可以得到更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，但同時(shí)會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

【參考文獻(xiàn)】

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