超高頻RFID發光電子耳標測試方法研究

張 旭，張晶聲，董 明，金聞名，楊 晶，于遵波，馮 哲，李保明

(1.中國獸醫藥品監察所，北京 100081；2.中國農業大學，北京 100083；3.涿州市農業農村局所，河北涿州 072750；4.中國聯通網絡通信有限公司，北京 102200)

射頻識別技術(RFID)是一種信息感知技術，通過無線傳輸方式對人、動物或其他物品進行信息采集，具有非接觸、識別速度快、準確率高的特點，在現代畜禽養殖行業的溯源追蹤、育種管理、動物行為收集等方面有著廣泛的應用[1]。RFID系統通常由標簽、閱讀器和主機三個部分組成。RFID系統的基本工作過程是由閱讀器內置的天線向四周發射一定頻率的射頻信號，帶有標簽的目標物體進入射頻信號的可識別區域后，標簽通過內置發送天線將自身編碼等信息發送出去；閱讀器內置的天線接收到從標簽發來的載波信號，對載波信號進行解碼，然后將信息送到主機系統處理；主機系統判斷該射頻信號的合理性并做出相應的處理和控制，發出指令信號，控制并執行相應的功能。按照閱讀器及標簽之間的通訊及能量感應方式可分為：電感耦合及后向散射耦合。一般低頻、高頻的標簽大多采用第一種方式，而超高頻標簽采用第二種方式[2]。在電感耦合系統中，讀寫器和標簽之間的射頻信號的實現為變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合，該系統依據的是電磁感應定律。電感耦合系統典型的工作頻率為125 kHz、134.2 kHz和13.56 MHz。該系統的識別距離小于1 m，典型作用距離為10～20 cm。在后向散射耦合系統中，讀寫器和標簽之間的射頻信號的實現為雷達原理模型，發射出去的電磁波，碰到目標后被反射，同時攜帶回目標信息，該系統依據的是電磁波的空間傳輸規律。后向散射耦合系統典型的工作頻率為800～900 MHz和920～925 MHz。該系統的識別距離大于1 m，典型作用距離為2～3 m。

電子耳標是利用超高頻RFID技術對動物進行個體標識的電子標簽，具有非接觸、遠距離識別及測量等特點，它承載了動物個體信息，是動物可被識別的電子身份證，常應用于動物科研、飼養、管理、追溯等自動化、信息化管理領域。一旦發生動物疫情和畜產品質量等問題，即可快速追溯其來源，及時采取應對措施。目前,澳大利亞、美國、加拿大、日本等40多個國家已采用基于RFID技術的電子標簽進行牲畜身份識別追溯管理。在澳大利亞，2006年1月開始全面啟動國家牲畜追溯體系，規定每頭牛都必須佩戴12位數字編碼的電子耳標[3]。在美國，每個電子耳標包含15位數字，以840開頭，剩余12位作為個體動物的唯一性標識[4]。近年來，我國也逐步推行使用電子耳標。2012年農業部印發《動物電子耳標試點方案》[5]，在天津、內蒙古、湖南、新疆等地開展電子耳標試點工作。2019年青海省全面啟動牦牛、藏羊原產地可追溯工程[6]，牦牛藏羊將全部佩戴電子耳標。

1 超高頻電子耳標測試標準及測試規范

超高頻標簽的協議及測試規范是研究發光電子耳標測試的基礎，發光指令通過在合適的存儲區增加指令或讀取合適的存儲區來實現，與標簽的射頻指令不能發生沖突。目前國內常見的超高頻RFID空口協議有國際標準、國家標準、行業標準、企業標準等。最為通用的標準為6C標準，即ISO/IEC 18000-63，另外還有我國在2014年5月正式實施的中國國家標準GB/T 29768。對應ISO/IEC 18000-63的測試規范為ISO/IEC 18047-6，對應GB/T 29768的測試規范為GB/T 35102。電子標簽測試規范是用來通過標準讀寫器發出的指令，對標簽進行測試的一種方法和規范。

與低頻電子耳標相比，超高頻電子耳標具有識讀距離遠、傳輸速度快、保存時間長、多標簽防沖突等特點，在動物追溯領域的應用更加廣泛。目前各檢測機構均依據ISO18000-63、ISO18047等國際標準及GB29768、GB35102等國家標準對超高頻電子耳標進行符合性測試，在檢測技術和檢測方法上基本成熟。

2 典型的發光電子耳標

發光標簽是一種帶有光提醒功能的超高頻電子標簽，能在物品管理中快速尋物，廣泛應用于圖書、檔案、貨品查找定位。超高頻RFID發光標簽在被盤點后，能根據收到的指令控制LED閃爍，方便盤點人找到標簽編碼對應的物品。目前市面上的兩種典型發光電子耳標分別基于國際標準和國家標準進行設計，這類耳標除具有一般超高頻電子耳標的功能外，同時具備發光標簽的功能，可實現動物個體的快速查找與定位，均具有良好的穩定性。

2.1 復旦微電子開發的有源發光電子耳標 復旦微電子公司開發的超高頻RFID發光電子耳標是基于GB/T 29768-2013標準設計的[7]，發光指令寫在GB/T 29768標準預留的存儲區域內，頻率范圍為920～925 MHz，具有防沖突功能，支持群讀和批量點亮功能，廣泛應用于可應用在動物耳標、物資管理、檔案管理等領域。

超高頻RFID發光標簽芯片可提供一個對地的模擬開關，讀寫器可以通過管腳輸出控制命令，控制被選中的標簽中模擬開關的通斷。發光控制的頻率為1.5 Hz，時間為0～20 s。該發光電子耳標通過自定義命令實現點亮，這條點亮指令是在GB/T 29768標準的公開指令集以外增加的一條命令，指令的具體格式如表1所示。該指令用于打開關閉標簽芯片控制管腳的NMOS管，從而控制LED燈亮滅，命令代碼為1011110000001110b，開關設置中的X表示標簽的通斷，當X=0時，標簽不被點亮，當X=1時，標簽被點亮。超高頻RFID發光標簽在被盤點后，根據收到的指令控制LED閃爍，方便盤點人找到標簽編碼對應的標簽。標簽收到開關指令后，如果命令句柄正確，CRC校驗通過，返回操作成功狀態。如果句柄不正確，或者CRC校驗失敗，則標簽不執行該命令。標簽的響應見表2。

表1 復旦微電子發光標簽的點亮指令

表2 復旦微電子發光標簽的響應

2.2 凱路威開發的電子耳標 凱路威有限公司開發的超高頻RFID發光標簽是基于EPCgen2及ISO/IEC18000-63標準設計的[8]，頻率范圍為840～960 MHz，能實現讀寫設備遠距離點亮芯片LED Pad外連接的LED燈，該功能能夠很好的適應多種應用需求，LED功能連接方式如圖1所示。

圖1 LED功能連接方式

凱路威沿用了現有的讀取命令，但定義了一個自定義參數即RFU區第4個Word來實現點亮，也就是說這條讀命令是在ISO18000-63標準的公開指令集以內的，沒有增加新的命令，讀命令用于點亮時，其參數使用了一個不存在的地址。當發送特定指令時(讀取地址為RFU區第4個word)，被選中的芯片會點亮與之連接的LED燈。指令的具體格式及響應如表3、表4所示。

表3 基于ISO18000-63標準的讀指令

表4 基于ISO18000-63標準的標簽對成功讀取的響應

3 測試系統設計

3.1 硬件選型

3.1.1 照度計的選型 照度計用于實現發光標簽亮度的測試。通過測量放置于暗箱內的電子耳標的照度值,可顯示標簽是否被點亮。由奎斯特采樣定理可知，照度計的采樣頻率需要為標簽發光頻率的3倍，已知發光頻率為1.5 Hz，所以照度計的采樣頻率應選用fc≥4.5 Hz。選取型號為TES-1339的照度計，如圖2所示，其采樣頻率為5 Hz，滿足使用要求。

3.1.2 暗箱的選型 電波暗箱用于屏蔽環境中的干擾信號。電波暗箱由屏蔽箱體、屏蔽門、信號接口板、吸波材料、天線、被測件平臺等構成(圖3)，用于實現發光電子耳標的射頻性能測試和發光性能測試。電波暗箱的具體技術參數見表5。

圖3 電波暗箱

表5 電波暗箱技術參數

3.2 硬件的搭建 測試系統主體包括FPGA及上頻、下頻處理器和收發天線，實現對發光標簽進行盤存。除測試系統主體以外，主要電子配件及調試工具包括電波暗箱和照度計。

將發光標簽、接收天線、照度計安裝于電波暗箱內，如圖4所示。照度計主機與傳感探頭相連，傳感探頭輸出信號與主機com口相連。接收天線通過環形器與上、下變頻器相連。

圖4 電波暗箱內部構造

3.3 測試流程 根據發光標簽說明書，基于labview平臺，編寫發光標簽測試軟件?；趪覙藴试O計的有源發光標簽的具體測試流程為：向發光標簽發出盤存指令，標簽返回信號后，向發光標簽發出發光指令，標簽按一定頻率閃爍，照度計傳感探頭采集標簽閃爍的頻率及照度，通過com口將采集信息傳輸到軟件終端?；趪H標準設計的發光標簽的具體測試流程為：向發光標簽發出盤存指令，標簽返回信號后，向發光標簽發出讀指令，讀取RFU區第4個word，若返回錯誤代碼，則激活發光功能，標簽按一定頻率閃爍，照度計傳感探頭采集標簽閃爍的頻率及照度，通過com口將采集信息傳輸到軟件終端。

4 采集結果分析

4.1 基于國家標準設計的有源發光標簽的采集及分析結果

4.1.1 盤存指令及信號響應 設置發射功率為15 dbm,接收功率為-5 dbm,選擇“盤存標簽”,得到標簽的時域響應，此時標簽點亮燈為“暗”，如圖5所示。

圖5 標簽盤存后的響應信號

4.1.2 發光指令及發光顯示 接上一步，立刻發送“點亮標簽”指令，可得到標簽的時域響應，此時標簽點亮燈為“亮”，如圖6所示。經過盤存指令和點亮指令后，標簽得到正確的相應并顯示點亮，則判斷點亮性能符合要求。

圖6 標簽點亮后的響應信號

4.2 基于國際標準設計的發光標簽的采集及分析結果

4.2.1 盤存指令及信號響應 發送Select指令，得到標簽的響應，如圖7所示。

圖7 標簽盤存后的響應信號

4.2.2 發光指令及發光顯示 接上一步，立刻發送Read指令，當相應顯示為Error code=03時，說明點亮指令使用了一個不存在的地址，標簽點亮符合要求，如圖8所示。

圖8 標簽點亮后的響應信號

5 小 結

本文基于市面上已有的兩種電子耳標，搭建了發光電子耳標測試平臺，通過發送相應的盤存指令和發光指令，得到電子耳標的響應信號，判斷出標簽是否被點亮，實現了電子耳標發光性能的測試，為發光電子耳標在養殖領域的應用做出了探索性的研究。