基于RFID傳感器的圖書錯位警報系統設計

文/繆程錳 劉冠一 李婷婷

1 引言

限于實體書店的發展現狀，物聯網技術的應用還僅僅停留在最基礎的階段，許多實體書店存在的問題依然沒有得到解決，物聯網技術沒有得到很好地利用。例如，實體書店經營時必然會遇到讀者閱讀完后隨手擱置手中的圖書或者由于閱讀時是移動的把圖書放置于就近的書架，這增加了員工花費在整理錯位圖書上的時間，使得實體書店人工成本提高。本文提出基于RFΙD傳感器設計的圖書錯位檢測警報系統，旨在利用RFΙD標簽的編碼唯一性以及數據傳感器的信息處理傳輸功能，將同一書架上的圖書信息編碼儲存于RFΙD傳感器中，當讀寫器讀取到不屬于本書架的編碼時，RFΙD傳感器將信號傳輸至讀寫器，然后將圖書錯位信息及時地反饋到管理終端，方便書店員工隨時掌握圖書錯置情況并及時歸位。

2 RFID傳感器技術

2.1 RFID傳感器系統及工作模式

RFΙD傳感器是將射頻識別技術與傳感器技術進行結合（如圖1），主要分為有源與無源兩類，本文主要研究無源RFΙD傳感器。無源RFΙD傳感器基于電磁傳導機理，利用讀寫器進行驅動，其能在不需要主動功率供給和信號處理電路的情況下實現對物理量的測量。其主要原理是：利用RFΙD傳感器標簽天線周圍環境物理和化學特性的改變引起的增益及阻抗變化，通過設計可讓這些變換被讀寫器接受并轉換為反饋信息，從而起到傳感器作用。

RFΙD傳感器主要由四部分組成：天線、讀寫部分、射頻模塊及控制模塊，系統所設計的無源RFΙD傳感器利用電磁耦合效應，使讀寫器天線將電磁的能量以電磁波的形式傳播出去，在射頻標簽天線接收到電磁波之后進行相應的信號處理反饋（如圖2）。

2.2 RFID傳感器工作原理

RFΙD標簽主要有低頻、高頻、超高頻三種主要的工作頻段，其中低頻（125KHz-134KHz）RFΙD技術是各頻段中首先實現實際應用的頻段，該頻率通過讀寫器線圈和感應器線圈間變壓器耦合的作用，為RFΙD射頻卡供電并完成數據讀寫；高頻RFΙD技術主要可利用工作頻率為13.56MHz，該頻率下的標簽天線利用蝕刻、印刷等方式制作，省去了傳統的繞制方式，相應配套的感應器通過感應器上的負載電阻的接通與斷開促使讀寫器天線上的電壓發生變化，以實現遠距離感應器對天線進行振幅調制；超高頻RFΙD技術主要可利用工作頻段為860MHz-960MHz，該頻段讀取距離較遠，無源天線可達到10m的讀取范圍，主要通過電容耦合的方式實現讀取。

本文主要采用超高頻RFΙD（860-960MHz）作為圖書錯位警報系統RFΙD標簽工作頻段。警報系統工作時，在圖書書架放置讀寫器負責驅動圖書上的RFΙD標簽的天線工作（如圖3），每個讀寫器對應識別該層圖書所附識別碼，一旦出現非本層圖書（識別碼），讀寫器中電磁激發裝置啟動，通過改變RFΙD標簽天線接收的電磁量從而引起增益及阻抗的變化，利用這一變化將天線作為傳感器使用，將錯位信息傳至管理終端。

3 警報系統關鍵硬件設計

3.1 RFID傳感器天線設計

圖1：RFID傳感器系統結構框圖

圖2：RFID傳感器系統工作模式

圖3：警報系統硬件組成示意圖

本文所設計的圖書錯位警報系統關鍵硬件在于RFΙD傳感器，而其中RFΙD標簽天線是核心部分，由于天線的增益、阻抗變化會轉換為反饋信息，所以天線的設計需要更好地配合警報系統使用場景。文獻[8]設計了一款彎折偶極子標簽天線，通過電感禍合實現阻抗匹配，天線尺寸50.4mm×30mm，增益為1.64 dBi.文獻[9]設計了兩個彎折偶極子天線，天線的尺寸分別為76.5mm×16mm和48.5mm×25.5mm，帶寬是860MHz ～ 938MHz和901MHz ～929MHz。

3.1.1 天線結構設計

小型RFΙD標簽天線由于使用特殊性，對其體積的要求非常高，對其性能起主要影響的結構包含T型匹配網絡和U型貼片，T型匹配網絡能有效地解決天線的匹配問題。其中天線帶寬為11%（860-960MHz），采用層疊微帶天線展寬天線帶寬[10]。其結構共分三層，尺寸為440×220×20mm3，包含由厚度為t1的空氣層隔開的上下兩層介質基板，基板厚度均為h，頂層基板兩面都附著金屬層，稱為頂層金屬和中層金屬;底層基板僅有底面附著金屬層，稱為底層金屬.為減小環境對天線的影響，底層金屬層完全覆蓋介質底面，通過兩側金屬壁連接頂層和底層金屬，形成外層輻射體（如圖4所示）。

圖4：標簽天線幾何結構示意圖

在射頻識別系統工作過程中，信號發生器（讀寫器）產生的功率信號，通過同軸線傳遞至發射天線，以電磁波的形式散發出去，再有接收端（RFΙD標簽）天線進行接收反饋。讀寫器天線的極化方式一般需要做到圓極化（如圖5所示）。

3.1.2 天線參數設計

天線的增益與效率是天線設計過程中兩個很重要的參數。效率是衡量天線損耗大小的一個參考值，定義為天線的輻射功率與輸入天線的功率之比，與本身結構及所用材料決定。天線效率用來表示能量轉換的能力，其值恒小于1。

其中，Pr表示天線輻射功率，Pin表示天線輸入功率。

天線的增益是衡量天線接收到的功率按特定的方向輻射能力的一個參量。可以通過峰值輻射強度來測量。它的定義與方向性系數的定義很接近，但是增益是在方向性的基礎上同時考慮了天線效率的問題，天線增益與方向性系數的關系如下：

圖5：讀寫器天線結構示意圖

圖6：電磁發射裝置振蕩電路

圖7：電磁發射裝置示意圖

另外輸入阻抗與反射系數也是天線設計中兩個重要參數。天線與后端的發射機或者接收機通過傳輸線或者波導相連。天線饋電端口處的阻抗決定了它與后端傳輸線或波導的匹配特性，匹配的好壞影響傳輸到天線的能量的多少，因此天線的輸入阻抗需設計合理才能實現天線的有效輻射。天線的阻抗定義式為：

其中，

Pin——天線的輸入復功率

Vin，Ιin——天線饋電端口處輸入電壓、電流

Rin——輸入電阻

Xin——輸入電抗

天線反射系數也叫電壓駐波比（voltage standing wave radio,VSWR），用來衡量天線匹配能力，天線與后端傳輸線不匹配時，會導致傳輸線上傳輸駐波或者行駐波，這會導致能量的反射，造成天線的輻射效率大大下降，因此在天線設計過程中必須選擇合適的反射系數。定義式如下：

其中，VSWR是一個實數，等于1表示完全匹配，一般天線系統要求VSWR≤2。

3.2 讀寫器電磁激發裝置設計

為了引起RFΙD標簽天線阻抗及增益的變化，在讀寫器內設計了一款小型電磁波信號發射裝置，當異駕圖書放到本書駕時，讀寫器讀取圖書識別碼并通過微控制器啟動電磁波發射裝置，從而改變RFΙD標簽天線的增益及阻抗數值，并將這一變化傳輸到管理終端平臺，報警圖書錯位信息。

電磁波由發射裝置中振蕩電路產生，振蕩電路的電容器兩極板拉開成為兩條直導線，作為天線和地線，有效地向外輻射電磁能量。電路中產生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發出無線電波，向四周發散（如圖6所示）。電磁發射裝置由封裝外殼、微控制器、電磁發射模塊及電池模塊組成，微控制器由讀寫器進行控制，當讀寫器檢測到不屬于本書架標識碼則通過微控制器啟動電磁發射裝置（如圖7所示）。

4 警報系統管理終端平臺設計

系統管理終端平臺利用MATLAB guide軟件進行設計制作，主要包含系統管理模塊、數據感知模塊、數據統計模塊、數據分析模塊，其中系統管理模塊最為重要，其子模塊既圖書狀態管理模塊是本警報系統的重點。

利用圖書上附著的RFΙD標簽以及帶有電磁發射裝置的讀寫器，當不屬于該書架的圖書被讀寫器識別到之后，電磁激發裝置啟動改變標簽天線增益阻抗，通過RFΙD傳感器將這一變化直接傳至管理終端，則圖書狀態管理模塊便會顯示該錯位圖書的位置及信息，同時表示該書架的模塊變為紅色發出警報提示（如圖8、9、10所示）。

5 結論

針對當前實體書店人工成本不斷上升、圖書歸置不及時的問題，設計了一套圖書錯位警報系統，采用超高頻作為RFΙD標簽工作頻段，特別在讀寫器中加入電磁激發裝置，通過電磁波的改變以此引起圖書附著RFΙD標簽天線增益、阻抗的改變，起到傳感器作用。電磁發射裝置主要通過振蕩電路進行電磁波發射，通過微控制器啟停電路。最終將圖書錯位信息傳遞至管理終端。

該系統可以有效地減少實體書店工作人員用于尋找、整理錯位圖書的時間，降低人工成本；同時能讓錯置圖書及時歸位，保證了讀者的選購質量，有效地提高實體書店服務水平。該系統設計結構較為簡單，成本低廉，適用于各類實體書店及圖書館使用。

圖8：系統終端管理平臺首頁

圖9：系統管理模塊界面

圖10：圖書狀態管理界面