超高頻RFID 系統(tǒng)的性能優(yōu)化

吳 晗，劉海冰，蔡 瑩

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

在長(zhǎng)期的發(fā)展中，射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification） 作為一種較為成熟的信息管理技術(shù)手段， 在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。RFID 利用無(wú)線發(fā)射的方式發(fā)送數(shù)據(jù)， 根據(jù)射頻反射獲取數(shù)據(jù)解碼并識(shí)別，數(shù)據(jù)通信采用半雙工的方式進(jìn)行。 對(duì)于工作頻段的應(yīng)用， 現(xiàn)階段主要使用135kHz 以下的低頻和856～960MHz 的超高頻。 超高頻 （Ultra High Frequency，UHF）RFID 因讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)、效率高、環(huán)境適應(yīng)能力好、存儲(chǔ)容量大、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，受到各領(lǐng)域的青睞。隨著超高頻RFID的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 所面臨的環(huán)境磁場(chǎng)也更加復(fù)雜，對(duì)超高頻RFID 的性能要求也越來(lái)越高[1]。

1 超高頻RFID 技術(shù)

RFID 技術(shù)， 是一種無(wú)源的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID 以標(biāo)簽為載體，與讀寫(xiě)器進(jìn)行通信并接入到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與系統(tǒng)的智能互聯(lián)，并可以通過(guò)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與業(yè)務(wù)洞察[2]。

RFID 標(biāo)簽在低頻和高頻下都工作在讀寫(xiě)器的近場(chǎng)區(qū)， 都是基于電感感應(yīng)耦合即變壓器原理；在超高頻階段基本上工作在讀寫(xiě)器的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，基于電磁反射耦合來(lái)通信。 超高頻RFID 系統(tǒng)包括讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽、應(yīng)用軟件等。每一個(gè)電子標(biāo)簽都有一個(gè)唯一的編碼，是RFID 系統(tǒng)的核心設(shè)施，其主要由耦合元件和芯片組成。

RFID 系統(tǒng)的原理如圖1 所示。 讀寫(xiě)器采用單邊帶幅度鍵控 （SSB-ASK）、 反相幅度鍵控 （PRASK）或雙邊帶幅度鍵控（DSB-ASK）調(diào)制射頻載波方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 當(dāng)RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器磁場(chǎng)領(lǐng)域時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)而得到能量，標(biāo)簽接收數(shù)據(jù)并解碼，按照命令做對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。若為盤(pán)點(diǎn)指令，回送標(biāo)簽 EPC（Electronic Product Code）的內(nèi)容；若是寫(xiě)指令，則進(jìn)行標(biāo)簽寫(xiě)的處理，回送處理結(jié)果成功或失敗的狀態(tài)給讀寫(xiě)器[3-5]。

圖1 RFID 系統(tǒng)圖Figure 1 RFID system diagram

本地應(yīng)用服務(wù)器利用RFID 中間件以太網(wǎng)或串口收集RFID 讀寫(xiě)器所讀取的信息和被標(biāo)識(shí)的物體，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或本地網(wǎng)絡(luò)保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，相當(dāng)于一個(gè)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)。 數(shù)據(jù)庫(kù)和其他服務(wù)器組成了企業(yè)的后臺(tái)系統(tǒng)， 負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)RFID 系統(tǒng)收集來(lái)的信息實(shí)施收集、匯總、計(jì)算、分析和選優(yōu)等功能。

2 超高頻RFID 系統(tǒng)性能優(yōu)化

超高頻RFID 在我司智能工廠的應(yīng)用較為普遍，但讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽、天線等部件均存在應(yīng)用瓶頸，需進(jìn)行性能優(yōu)化。讀寫(xiě)器在工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率不夠高，存在額外能量損耗。 在超高頻RFID 項(xiàng)目實(shí)施中，電子標(biāo)簽所處環(huán)境多樣，標(biāo)簽的選擇和優(yōu)化對(duì)性能的影響較大。 天線傳遞能量的效果，受輻射場(chǎng)振幅和方向影響也較大。

2.1 讀寫(xiě)器的優(yōu)化

超高頻RFID 讀寫(xiě)器在長(zhǎng)時(shí)間的工作中因?yàn)榄h(huán)境溫度或本身溫度的上升， 設(shè)備性能會(huì)有所下降。 車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，會(huì)受到包括高壓開(kāi)關(guān)操作、雷電、短路故障、電暈放電、高電壓大電流的電纜和設(shè)備向周?chē)椛潆姶挪ā⒏哳l載波、輻射干擾源帶來(lái)的外部干擾及由讀寫(xiě)器系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、元件布置和生產(chǎn)工藝造成的內(nèi)部干擾，需要研究改進(jìn)電路板的設(shè)計(jì)、電源輸入等，進(jìn)行必要的隔離和屏蔽[6]。

物流應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)讀寫(xiě)器的通用性識(shí)別距離要求一般在5～8m 以內(nèi)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用因受多金屬等環(huán)境因素影響，需要的距離一般在10m 左右。一方面采用EEPROM/FRAM 的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，即使沒(méi)有上電，也可以保存所存儲(chǔ)的信息，可確保芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)效性。 其次，設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，隨時(shí)可以把失效數(shù)據(jù)取回再寫(xiě)入或讀取，確保數(shù)據(jù)不丟失。 多重校驗(yàn)機(jī)制可以確保每一次數(shù)據(jù)的正確性，規(guī)避了干擾、失效等場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)異常，可以實(shí)時(shí)處理反饋數(shù)據(jù)的異常問(wèn)題，有異常情況可及時(shí)報(bào)警反饋。標(biāo)簽和讀寫(xiě)器的每一次交互都會(huì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，確保上報(bào)的數(shù)據(jù)是正確的。 如圖2 所示，為超高頻RFID 讀寫(xiě)器的存儲(chǔ)技術(shù)示意圖。

圖2 超高頻RFID 讀寫(xiě)器存儲(chǔ)技術(shù)示意圖Figure 2 Schematic diagram of storage technology of UHF RFID reader/writer

2.2 電子標(biāo)簽的優(yōu)化

采用模塊化的標(biāo)簽設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)出模塊化多適應(yīng)標(biāo)簽， 并采用了IP67 防護(hù)等級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，同時(shí)采用導(dǎo)電膠、芯片、Inlay 三種材質(zhì)建模實(shí)現(xiàn)了對(duì)標(biāo)簽的力學(xué)驗(yàn)證，達(dá)到了復(fù)雜工控的應(yīng)用條件。 如圖3 所示為超高頻電子標(biāo)簽。

圖3 超高頻RFID 電子標(biāo)簽Figure 3 UHF RFID electronic tag

采用模塊化設(shè)計(jì)思路，通過(guò)對(duì)電氣接口的優(yōu)化設(shè)計(jì)，物理尺寸的統(tǒng)一規(guī)范，設(shè)計(jì)出COB（Chip On Board）模塊；針對(duì)COB 模塊，按接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)通用的柔性天線； 基于有限元模擬與工藝實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)改變標(biāo)簽材料、長(zhǎng)度、幾何尺寸等工藝手段，建立標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能關(guān)系， 開(kāi)發(fā)出了模塊化多適應(yīng)的標(biāo)簽[7]。 如圖4 所示，為電子標(biāo)簽仿真分析圖。

圖4 電子標(biāo)簽仿真分析圖Figure 4 Electronic label simulation analysis diagram

FRAM 的芯片內(nèi)存，采用DRAM 相同的架構(gòu)，標(biāo)簽的讀寫(xiě)損耗可忽略不計(jì)。采用獨(dú)特的抗干擾技術(shù)，F(xiàn)RAM 即使暴露在25kGy 的γ 射線下依然可保證數(shù)據(jù)的可靠，抗干擾遠(yuǎn)超行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品的性能指標(biāo)。 除了普通協(xié)議的支撐之外，采用私有協(xié)議實(shí)現(xiàn)RFID 智能感知成套設(shè)備的高速通訊， 讀取速度達(dá)到8.9ms/次，無(wú)限接近理論數(shù)據(jù)。如圖5 所示，為標(biāo)簽讀取速度示意圖。

圖5 標(biāo)簽讀取速度示意圖Figure 5 Schematic diagram of label reading speed

2.3 天線的優(yōu)化

當(dāng)RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)入到超高頻讀寫(xiě)器的電磁場(chǎng)空間領(lǐng)域，因電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，維持自身工作，電子標(biāo)簽通過(guò)耦合器天線把信息回送到超高頻讀寫(xiě)器， 讀寫(xiě)器收到信息后進(jìn)行解調(diào)獲取標(biāo)簽信息。 天線主要作用是傳遞能量，影響天線的因素有輻射場(chǎng)振幅和方向、方向性系數(shù)、天線阻尼匹配特性、天線效率以及天線帶寬。 根據(jù)天線輻射時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度方向不同，主要分為線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線。實(shí)際應(yīng)用中，圓極化是理想狀態(tài)，更多是橢圓極化狀態(tài)。標(biāo)簽和天線的極化應(yīng)該保持一致，不然能量又損耗，影響超高頻RFID 系統(tǒng)性能[8]。如圖6 所示，為天線極化示意圖。

圖6 天線極化示意圖Figure 6 Schematic diagram of antenna polarization

對(duì)超高頻RFID 部件進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)行批量應(yīng)用測(cè)試，在不同工況下，電子標(biāo)簽可穩(wěn)定讀取，可達(dá)到讀取率為99.8%的系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)，解決了前期測(cè)試過(guò)程中存在的信號(hào)衰減、漏讀等問(wèn)題。

3 超高頻RFID 在智慧工廠中的應(yīng)用

工業(yè)4.0 的快速推進(jìn)對(duì)制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)提出了新的發(fā)展方向，格力電器全新建設(shè)智慧工廠和智能制造流水線，充分利用了超高頻RFID 的信息管理功能。 如圖7 所示，是RFID 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)圖。

通過(guò)將超高頻RFID 技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)總裝生產(chǎn)線，實(shí)時(shí)采集空調(diào)的生產(chǎn)過(guò)程信息，形成完整的生產(chǎn)過(guò)程管理數(shù)據(jù)。 生產(chǎn)過(guò)程信息與線體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)分流控制。同時(shí)，基礎(chǔ)信息與生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)在制品加工、檢測(cè)參數(shù)時(shí)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。 在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上層，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與 MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工件質(zhì)量追溯防錯(cuò)、重點(diǎn)工序人員管控，支撐生產(chǎn)現(xiàn)況與管理的可視化需求實(shí)現(xiàn)。

超高頻RFID 在智慧工廠中的使用，提升了空調(diào)工廠的信息化和智能化，使產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)跟蹤運(yùn)送和信息的獲取更加方便，可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別在線產(chǎn)品，并對(duì)工位工人提供實(shí)時(shí)工藝指導(dǎo)，對(duì)于存在的不合格品可以提供完整的質(zhì)量追溯。

4 結(jié)語(yǔ)

超高頻RFID 系統(tǒng)的性能優(yōu)化在多個(gè)應(yīng)用點(diǎn)都有實(shí)施部署， 提升了超高頻RFID 的讀取性能，減少了讀寫(xiě)器存在的漏讀情況。性能的優(yōu)化不僅可應(yīng)用于手持式超高頻RFID 讀寫(xiě)器， 也可以應(yīng)用于固定式超高頻RFID 讀寫(xiě)器。使用優(yōu)化方案， 可以減少應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的安裝難度，加快項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度，節(jié)省時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超高頻RFID 的穩(wěn)定應(yīng)用。