用于金屬介質(zhì)的射頻識(shí)別技術(shù)被動(dòng)標(biāo)簽設(shè)計(jì)

用于金屬介質(zhì)的射頻識(shí)別技術(shù)被動(dòng)標(biāo)簽設(shè)計(jì)

rfid-fid-freceive（id）技術(shù)是一種非可見(jiàn)數(shù)據(jù)采集和目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離讀取率高、速度快、避免穿越、運(yùn)動(dòng)過(guò)程讀取等優(yōu)點(diǎn)，在物流供應(yīng)鏈管理、自動(dòng)生產(chǎn)管理、貨物銷(xiāo)售等領(lǐng)域具有廣闊的潛力應(yīng)用空間。目前,射頻識(shí)別的工作頻率包括低頻、高頻、超高頻及微波段,其中尤以高頻和超高頻的應(yīng)用最為廣泛。RFID標(biāo)簽按照供電原理劃分,可分為主動(dòng)(有源)標(biāo)簽和被動(dòng)(無(wú)源)標(biāo)簽。相比主動(dòng)標(biāo)簽,被動(dòng)標(biāo)簽由于成本低、體積小而備受青睞。然而,超高頻波段的射頻對(duì)金屬十分敏感,導(dǎo)致目前這種工作頻率的被動(dòng)標(biāo)簽無(wú)法在具有金屬表面的物體上(例如鋼質(zhì)貨架、集裝箱等)正常工作,而只能使用于非金屬表面(例如塑料、木材等)。射頻識(shí)別應(yīng)用最為廣泛的物流行業(yè)多為金屬環(huán)境,所以金屬敏感性這一缺點(diǎn)大大限制了其在物流行業(yè)的應(yīng)用。就目前技術(shù)而言,可以通過(guò)對(duì)RFID標(biāo)簽表面施加隔離涂層來(lái)解決其在金屬表面的應(yīng)用問(wèn)題,但是這一方法施工難度大,生產(chǎn)成本高。所以,本文提出一種成本相對(duì)較低并且簡(jiǎn)單易用的可用于金屬表面的超高頻RFID被動(dòng)標(biāo)簽。1無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、天線和標(biāo)簽組成。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入射頻識(shí)別范圍內(nèi),系統(tǒng)利用交流電磁場(chǎng)的原理對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)識(shí)別、自動(dòng)化控制和現(xiàn)代化管理的目的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理,RFID被動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后,接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào),憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息。閱讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理?？梢?jiàn),RFID被動(dòng)標(biāo)簽正常工作的前提是通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)變化提供激活標(biāo)簽芯片工作和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。根?jù)電磁場(chǎng)原理,金屬介質(zhì)對(duì)RFID被動(dòng)標(biāo)簽的影響主要有以下兩方面的原因,這兩方面的合力導(dǎo)致標(biāo)簽在金屬環(huán)境下的讀取率(每秒讀取標(biāo)簽次數(shù))大大降低。1.1能量轉(zhuǎn)化的影響當(dāng)金屬靠近天線時(shí),由于電磁感應(yīng)作用,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流,同時(shí)吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場(chǎng)能,因此減弱了原有射頻場(chǎng)強(qiáng)的總能量。1.2標(biāo)簽貼附位置的影響前述的渦流也會(huì)產(chǎn)生自身的感應(yīng)磁場(chǎng),該場(chǎng)的磁力線垂直于金屬表面,且方向與射頻場(chǎng)強(qiáng)相反。這種感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的阻礙效果使得射頻場(chǎng)強(qiáng)的分布在金屬表面發(fā)生“變形”,磁力曲線趨于平緩,在很近的區(qū)域內(nèi)甚至平行于金屬表面,如圖2所示。因此當(dāng)標(biāo)簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時(shí),該空間內(nèi)實(shí)際并無(wú)射頻場(chǎng)強(qiáng)分布,標(biāo)簽天線無(wú)法切割磁力線而獲得電磁場(chǎng)能量,在這種情況下,RFID被動(dòng)標(biāo)簽無(wú)法正常工作。另外,在RFID超高頻段,當(dāng)由于金屬對(duì)電磁波的反射作用所產(chǎn)生的電場(chǎng)剛好和原來(lái)的電場(chǎng)位相相同時(shí),那么電場(chǎng)對(duì)標(biāo)簽的感應(yīng)強(qiáng)度反而增強(qiáng),從而提高了標(biāo)簽在金屬表面的讀取率。因此,可以設(shè)法在金屬表面設(shè)置對(duì)電磁波進(jìn)行二次反射,從而使其電場(chǎng)位相與原始電場(chǎng)相同,提高標(biāo)簽的讀取率。2rfid標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)依據(jù)上述研究,可以看出,當(dāng)標(biāo)簽緊貼金屬表面時(shí),標(biāo)簽完全平行于分布在金屬表面的磁力線,從而沒(méi)有角度進(jìn)行磁力線切割獲取能量,也就無(wú)法與RFID讀取器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊;但是,那些遠(yuǎn)離金屬表面的磁力線當(dāng)中開(kāi)始出現(xiàn)不與金屬表面平行的彎曲的磁力線,此時(shí),處在離金屬表面一段距離的RFID標(biāo)簽可以發(fā)生切割磁力線運(yùn)動(dòng),從而獲取能量并進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。因此,可以設(shè)想,當(dāng)RFID標(biāo)簽與金屬表面的間隔距離在射頻場(chǎng)強(qiáng)范圍不斷變化時(shí),標(biāo)簽所能切割的磁通量也應(yīng)該隨著間隔距離的不同而相應(yīng)發(fā)生變化,這一變化直接導(dǎo)致標(biāo)簽獲取能量的多寡,并最終影響標(biāo)簽讀取率。另外,由于金屬反射造成的同相位電場(chǎng)對(duì)標(biāo)簽讀取率的正面效應(yīng)也是此項(xiàng)研究的重要目的之一。為此,將進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證上述研究結(jié)論的正確性。2.1天線參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)模型該實(shí)驗(yàn)所使用的標(biāo)簽為封裝RFID被動(dòng)超高頻標(biāo)簽,工作頻率為915MHz;讀取器為固定式RFID超高頻讀取器,采用分體式獨(dú)立天線,天線增益為5.8dbi;數(shù)據(jù)載波協(xié)議為ISO-18000-6;讀取器天線和標(biāo)簽的距離約為1m,屬于該套設(shè)備的有效數(shù)據(jù)通訊范圍,并且對(duì)標(biāo)簽只進(jìn)行讀操作,不進(jìn)行寫(xiě)操作。2.2標(biāo)簽和金屬的間隔距離是測(cè)量標(biāo)簽讀取率的基礎(chǔ)條件,并對(duì)標(biāo)簽與金屬接觸實(shí)驗(yàn)一:將該標(biāo)簽直接貼附于金屬表面上,分別測(cè)5次讀取率。與預(yù)想一致,貼附于金屬表面的標(biāo)簽根本不能被讀取,讀取率為零。實(shí)驗(yàn)二:將該標(biāo)簽置于距離金屬表面10mm處,分別測(cè)5次讀取率。發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽?zāi)軌蛘９ぷ?并且讀取率比較穩(wěn)定。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分驗(yàn)證了標(biāo)簽與金屬介質(zhì)的間隔距離對(duì)標(biāo)簽讀取率的正面作用。實(shí)驗(yàn)三:逐步增加標(biāo)簽與金屬表面的間隔距離,并且選取合適的距離來(lái)測(cè)試此時(shí)標(biāo)簽的讀取率,從而進(jìn)一步分析標(biāo)簽與金屬表面距離對(duì)標(biāo)簽讀取率的影響。鑒于塑料材質(zhì)對(duì)標(biāo)簽的讀取率基本不構(gòu)成影響,因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用可調(diào)整高度的塑料隔離架來(lái)隔離標(biāo)簽和金屬表面的接觸,即通過(guò)改變塑料隔離架的高度來(lái)改變標(biāo)簽與金屬表面的間隔距離,并測(cè)量在每一隔離架高度下RFID讀取器對(duì)標(biāo)簽的讀取率。實(shí)驗(yàn)四:在實(shí)驗(yàn)三的基礎(chǔ)上,在塑料隔離架和金屬表面之間放置2mm厚的塑料層和1mm厚的金屬層,即金屬表面+塑料層(2mm)+金屬層(1mm)+可調(diào)高的塑料隔離架+標(biāo)簽。采用額外加設(shè)的金屬層反射原始電場(chǎng)而產(chǎn)生與原始電場(chǎng)同相位的電場(chǎng),以期得到比實(shí)驗(yàn)三更高的讀取率。由于塑料層和金屬層合高為3mm,因此在本實(shí)驗(yàn)將塑料隔離架的高度每次相應(yīng)降低3mm進(jìn)行測(cè)量,使得結(jié)果是在標(biāo)簽和金屬表面間隔距離與實(shí)驗(yàn)三相同的條件得到,從而具有可比性。各實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)如表1所列。2.3間隔間距的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在誤差范圍內(nèi),隨著標(biāo)簽與金屬表面的間隔距離不斷增加,標(biāo)簽的讀取率也在不斷上升。這驗(yàn)證了前面理論分析中的觀點(diǎn),即隨著標(biāo)簽遠(yuǎn)離金屬介質(zhì),與金屬介質(zhì)表面不平行的磁力線逐漸增多,這樣標(biāo)簽就可以更好地切割磁力線獲取能量,以實(shí)現(xiàn)更高的讀取率。在實(shí)驗(yàn)四中,可以看出附加金屬層反射電磁波而產(chǎn)生的同相位電場(chǎng)的增益作用是比較明顯的,實(shí)驗(yàn)后期所測(cè)得的讀取率甚至超過(guò)實(shí)驗(yàn)三中同等間隔距離下所測(cè)數(shù)據(jù)的1倍。對(duì)于在間隔距離在4mm和5mm分別產(chǎn)生的低于和近似實(shí)驗(yàn)三相應(yīng)結(jié)果的現(xiàn)象,可能的解釋為:此時(shí)標(biāo)簽距離附加金屬層過(guò)近,金屬層自身產(chǎn)生的反相位電場(chǎng)效應(yīng)強(qiáng)于其反射金屬表面電磁波產(chǎn)生的同相位電場(chǎng),從而進(jìn)一步削弱了標(biāo)簽的感應(yīng)能量,降低讀取率。將實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四各數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)中進(jìn)行描繪(圖3)?？梢钥闯?在實(shí)驗(yàn)三中,標(biāo)簽讀取率受到標(biāo)簽與金屬表面距離的影響開(kāi)始比較強(qiáng)烈,中后期則趨于平緩。也就是說(shuō),金屬介質(zhì)對(duì)標(biāo)簽讀取率的負(fù)面作用是在一定間隔距離范圍才有效的,當(dāng)間隔距離超出一定范圍,標(biāo)簽就可以擺脫金屬介質(zhì)的影響。例如,在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備環(huán)境下,金屬表面對(duì)標(biāo)簽讀取率的影響是在間隔距離7mm以?xún)?nèi)有效,而當(dāng)間隔距離超過(guò)7mm,金屬介質(zhì)就失去其負(fù)面作用,標(biāo)簽基本恢復(fù)正常工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)四中,在各個(gè)間隔距離所測(cè)得讀取率一直保持著快速的上升趨勢(shì),并且,當(dāng)實(shí)驗(yàn)三中讀取率趨于平緩的時(shí)候(7mm以后),實(shí)驗(yàn)四中的數(shù)據(jù)依然快速增加。這說(shuō)明,實(shí)驗(yàn)四所附加的金屬層不是簡(jiǎn)單緩解金屬表面對(duì)讀取標(biāo)簽的負(fù)面效應(yīng),而是與金屬表面配合起到了大大增強(qiáng)射頻信號(hào)對(duì)標(biāo)簽的感應(yīng)能力。所以說(shuō),對(duì)于超高頻段的RFID標(biāo)簽來(lái)說(shuō),恰當(dāng)?shù)臉?biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能顯著提高標(biāo)簽在金屬環(huán)境下的工作性能。3標(biāo)簽防護(hù)和防護(hù)根據(jù)本研究及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在一定范圍內(nèi),RFID被動(dòng)標(biāo)簽與金屬介質(zhì)表面的距離越大,讀取效果(讀取率)越好,并且,標(biāo)簽中合理附加金屬層可以有效增強(qiáng)讀取率。所以,將實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四中使用塑料隔離架和金屬層的想法運(yùn)用到標(biāo)簽設(shè)計(jì)當(dāng)中,利用塑料隔離架在標(biāo)簽與金屬介質(zhì)之間產(chǎn)生一定的間隔距離,并在隔離架中距離金屬表面2mm處嵌入金屬層來(lái)保證標(biāo)簽在金屬表面獲得較高的讀取性能;同時(shí),兼顧成本以及使用方便性,將塑料隔離架的高度控制在最佳數(shù)值,例如,在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的塑料隔離架的最佳高度為10mm左右。該標(biāo)簽設(shè)計(jì)可分為三個(gè)部分:第一部分為正常的射頻識(shí)別標(biāo)簽,包括內(nèi)嵌芯片和天線;第二部分為塑料隔離架,用于支撐標(biāo)簽,使其遠(yuǎn)離金屬表面一段距離,隔離架的高度和大小可根據(jù)實(shí)際承載的RFID標(biāo)簽和工作環(huán)境作相應(yīng)調(diào)整;第三部分為金屬層,它鑲嵌在隔離架中間,距離金屬表面2mm處,為降低標(biāo)簽成本和重量,金屬層高可考慮少于1mm,例如,可為0.5mm左右。圖4是以標(biāo)準(zhǔn)卡狀RFID標(biāo)簽為例而設(shè)計(jì)的用于金屬表面的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖和安裝圖。4rfid被動(dòng)標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案超高頻段RFID被動(dòng)標(biāo)簽的金屬干擾問(wèn)題始終阻礙著這一新興識(shí)別技術(shù)的有效應(yīng)用?；陔姶艌?chǎng)相關(guān)理論,本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明,雖然金屬介質(zhì)對(duì)RFID被動(dòng)標(biāo)簽讀取率的影響較為明顯,但是這種影響會(huì)隨著標(biāo)簽與金屬介質(zhì)表面距離的加大而迅速衰減,并在超出一定范圍之后趨于消失;在標(biāo)簽和金屬表面之間附加金屬層會(huì)大大增強(qiáng)標(biāo)簽對(duì)射頻信號(hào)的感應(yīng)性能,提高讀取率。根據(jù)此研究結(jié)果,本文提出一種可用于金屬表面的RF