對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽之漏讀率的研究

對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽之漏讀率的研究東莞太平洋計(jì)算機(jī)科技RFID研發(fā)中心鐘漢摘要：介紹超高頻RFID無源標(biāo)簽讀取技術(shù)，分析標(biāo)簽漏讀問題的產(chǎn)生的原因，并提供了一些解決方法。關(guān)鍵詞：超高頻RFID電子標(biāo)簽18000-6B18000-6C前言RFID(RadioFrequencyIdentification)射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽識(shí)別。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過無線射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無需人工干預(yù)，工作時(shí)閱讀器和電子標(biāo)簽之間無需接觸，可工作于各種惡劣環(huán)境。并且RFID射頻識(shí)別技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。另外，由于RFID系統(tǒng)可以從技術(shù)上防止被仿冒、侵入，還具備了極高的平安防護(hù)能力。目前超高頻RFID的標(biāo)準(zhǔn)主要有18000-6B和18000-6C。工作頻率一般在902MHz--928MHz，一些國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是860MHz--960MHz。對(duì)于超高頻無源RFID標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽都有自身的唯一號(hào)碼，最常見的用途是代替普通條型碼，貼于各種物品上，以便對(duì)物品進(jìn)行身份識(shí)別。一般和超高頻閱讀器配合使用。RFID標(biāo)簽?zāi)軐⑿畔o線傳遞給10米范圍內(nèi)的超高頻閱讀器上，使倉(cāng)庫(kù)、車間、超市等場(chǎng)合可以對(duì)物品進(jìn)行群體掃描，不再需要使用激光條形碼閱讀器對(duì)物品逐個(gè)掃描條碼。RFID技術(shù)及系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，涉及到工業(yè)、商業(yè)、交通、倉(cāng)儲(chǔ)、物流及軍事等領(lǐng)域的方方面面。例如，全球最大的商品銷售商沃爾瑪公司要求其前100位供給商都要在貨箱和托盤上使用RFID標(biāo)簽，目前正在實(shí)施中；目前，在我國(guó)的一些地區(qū)已經(jīng)開始應(yīng)用RFID技術(shù)，比方，在全國(guó)鐵路調(diào)度和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中，已有55萬輛車廂、機(jī)車安裝了無源RFID標(biāo)簽；上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局也已應(yīng)用RFID對(duì)全市16萬只液化石油氣瓶、1萬只劇毒化學(xué)品容器、10萬箱煙花爆竹和4萬輛出租車車載計(jì)價(jià)器進(jìn)行電子跟蹤；另外，今年上海至深圳的內(nèi)貿(mào)集裝箱將使用RFID實(shí)現(xiàn)貨物跟蹤。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速開展，不久的將來，RFID技術(shù)必將在商品流通、運(yùn)輸、管理以及物流、交通等方面形成一個(gè)龐大的市場(chǎng)，RFID技術(shù)將是未來一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著RFID標(biāo)簽的應(yīng)用越來越廣泛，與其配合使用的閱讀器的性能也越來越重要。而電子標(biāo)簽的讀全率，或它的反概念：漏讀率，是閱讀器性能中最重要的一環(huán)。漏讀是指標(biāo)簽通過讀寫區(qū)域后不能夠被正確讀出。漏讀甚至成了制約RFID應(yīng)用的一個(gè)重要因素。標(biāo)簽一旦漏讀，輕那么導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂，增加時(shí)間和人力的消耗，重那么導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失甚至災(zāi)難發(fā)生。故，盡力減少RFID標(biāo)簽的漏讀率極為重要，下面是我們多年來對(duì)RFID標(biāo)簽漏讀率的研究結(jié)果。標(biāo)簽照片閱讀器和天線的照片漏讀率是受多種條件影響的，其中包括多種不確定因素。它除了和關(guān)于讀寫距離的影響因素有關(guān)外，還與同時(shí)有多少個(gè)標(biāo)簽通過、標(biāo)簽與標(biāo)簽之間的相對(duì)位置、標(biāo)簽與讀寫器天線之間的距離、標(biāo)簽與讀寫器天線之間的相對(duì)移動(dòng)速度等因素有關(guān)。當(dāng)然，讀寫器和標(biāo)簽的性能是根底。漏讀率研究1、讀器盲點(diǎn)問題UHF(860MHz－960MHz)主要是電磁場(chǎng)方式，電場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)。在這個(gè)頻段，標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器建立的電場(chǎng)后進(jìn)入工作狀態(tài)，會(huì)對(duì)閱讀器發(fā)送的載波進(jìn)行反射，閱讀器就是靠接收標(biāo)簽的反射波從而解調(diào)出標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。因?yàn)椴煌瑯?biāo)簽和閱讀器之間位置不同，如果有的標(biāo)簽反射的波形和閱讀器發(fā)送的波形相位相反，波形就會(huì)減弱，甚至抵消。860MHz－960MHz頻段波長(zhǎng)大約在30厘米左右，這樣每隔30厘米左右將會(huì)出現(xiàn)一塊射頻的盲點(diǎn)，交替出現(xiàn)標(biāo)簽?zāi)茏x到―讀不到－能讀到―讀不到的現(xiàn)象。當(dāng)閱讀器的工作范圍中存在比擬多的盲點(diǎn)的時(shí)候，標(biāo)簽的漏讀就會(huì)比擬重。為了解決這個(gè)問題，我們可以設(shè)計(jì)Q、I雙支路電路，在電路中其中一個(gè)支路對(duì)標(biāo)簽返回的電波進(jìn)行90度相位轉(zhuǎn)換，而另外一路不做轉(zhuǎn)換，這樣不管標(biāo)簽反射的波形和閱讀器發(fā)送的波形相位相同或相反都有其中一個(gè)支路能把標(biāo)簽的信號(hào)解調(diào)出來。但在實(shí)際測(cè)試中，也許電路中存在90度相位轉(zhuǎn)換的精度問題等，盲點(diǎn)現(xiàn)象有了大幅度的減少，但還沒杜絕，需要繼續(xù)研究。2、天線與標(biāo)簽方向天線的作用是在電子標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。RFID系統(tǒng)的讀寫器必須要通過天線來發(fā)射能量形成電磁場(chǎng)，通過電磁場(chǎng)來對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，可以說天線所形成的電磁場(chǎng)范圍就是射頻系統(tǒng)的可讀區(qū)域。有時(shí)RFID系統(tǒng)是由一根天線來同時(shí)完成發(fā)射和接收的；有時(shí)RFID系統(tǒng)那么由一根天線來完成發(fā)射而由另一根天線來承當(dāng)接收，所采用天線的形式及數(shù)量應(yīng)視具體應(yīng)用而定。超高頻RFID天線在860MHz—960MHz頻率范圍內(nèi)的駐波比曲線相對(duì)平坦，且數(shù)值較小，說明此時(shí)天線工作良好，超出此頻率范圍時(shí)，天線的駐波比數(shù)值激增，天線的性能急劇下降。目前的大局部RFID標(biāo)簽是以線極化方式工作。而閱讀器天線可以分為線極化天線和圓極化天線。如果電波傳播時(shí)電場(chǎng)矢量的空間描出軌跡為一直線,它始終在一個(gè)平面內(nèi)傳播,那么稱為線極化波。而兩個(gè)空間上正交的振幅相等的線極化波，可以合成一個(gè)圓極化波。極化天線的能量比擬集中，閱讀距離比擬遠(yuǎn)，象停車場(chǎng)和港口關(guān)口這種遠(yuǎn)距離〔8-12米〕都可以讀卡，但缺點(diǎn)是如果標(biāo)簽的放置的方向和天線的機(jī)化方向相反的時(shí)候，反而很難被閱讀器讀到，閱讀前需要人為控制標(biāo)簽的方向。常見用的圓極化射頻天線能量是均分到兩個(gè)極化，標(biāo)簽所能接收的功率也因此損失了一半，有限的的電磁能量無法向更遠(yuǎn)距離發(fā)射，一般有效距離只有4米左右比擬穩(wěn)定，但優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)閳A極化的電磁波是正交的波形，在天線的閱讀范圍內(nèi)，標(biāo)簽即使隨意轉(zhuǎn)動(dòng)也能被讀到。因此，如果標(biāo)簽是有規(guī)律放置的，那么使用線極化天線將會(huì)更有利于閱讀標(biāo)簽，從而增加標(biāo)簽的讀出概率，減少標(biāo)簽的漏讀率。而如果標(biāo)簽是無序放置的，那么就要使用圓極化天線，否那么，某些方向的標(biāo)簽從原理上就是無法讀出來的，讀全率當(dāng)然就無法保證。當(dāng)然，也可以使用多個(gè)線極化天線的方式，在多個(gè)方向?qū)?biāo)簽進(jìn)行讀取，對(duì)某個(gè)標(biāo)簽即使A方向無法讀出，但也許B方向就可以讀出，從而既能得到線極化天線的優(yōu)點(diǎn)，又防止線極化天線使用的缺點(diǎn)，是一個(gè)行之有效的方法。如果使用4天線從多方向?qū)?biāo)簽進(jìn)行讀取，這樣就可以將漏讀率降低。假設(shè)有的產(chǎn)品特別難以通過RF技術(shù)讀取到，在某個(gè)讀取點(diǎn)上的讀取率僅到達(dá)50%，不過從概率論來看，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)4個(gè)讀取點(diǎn)的話，那么即便這種難以讀取的產(chǎn)品在整個(gè)系統(tǒng)中被讀取的概率也能達(dá)94%。如果我們能將標(biāo)簽讀取率從50%提高到70%，那么就設(shè)有4個(gè)讀取點(diǎn)的系統(tǒng)而言，其整體讀取率就能到達(dá)99%〔100件產(chǎn)品中漏讀1件產(chǎn)品〕。如果讀取率提高到90%，那么我們就能實(shí)現(xiàn)很優(yōu)秀的讀取率〔即設(shè)有4個(gè)讀取點(diǎn)的系統(tǒng)讀取率高達(dá)99.99%，每1萬件產(chǎn)品僅漏讀1件〕。3、速度問題上文說到漏讀是指標(biāo)簽通過讀寫區(qū)域后不能夠被正確讀出，而標(biāo)簽通過讀寫區(qū)域的動(dòng)作時(shí)包含了速度的概念在里面的。在實(shí)際應(yīng)用中，如果標(biāo)簽通過區(qū)域的時(shí)間比擬快，閱讀器還來不及把這么多標(biāo)簽碰撞出來，那么也會(huì)引起漏讀。這時(shí)候放慢標(biāo)簽通過速度，就可以減少漏讀率。當(dāng)然，這是有代價(jià)的，如果通過速度太慢那么會(huì)引起用戶使用不便，而在某些應(yīng)用，比方不停車收費(fèi)等場(chǎng)合，那么干脆失去使用意義。所以標(biāo)簽運(yùn)行速度需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來決定。另外，提高閱讀器的基帶數(shù)據(jù)通信速率和防沖撞算法效率，其實(shí)和減慢標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)速度有異曲同工之妙。目前市面上的閱讀器一般是使用80K的基帶速率，如果能夠使用更快速的CPU進(jìn)行解碼，將最高可到達(dá)640k的速率，相應(yīng)的讀取標(biāo)簽速度將會(huì)相應(yīng)的提高。我們現(xiàn)在使用FPGA芯片進(jìn)行基帶解碼。FPGA是一種高速可編程邏輯器件，它不像CPU那樣一個(gè)時(shí)刻只能處理一個(gè)事情，F(xiàn)PGA可以并行工作，所以可以對(duì)多個(gè)解調(diào)電路過來的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行基帶解碼，快速解碼出標(biāo)簽的編碼信息。對(duì)于防碰撞方面，那么進(jìn)行算法優(yōu)化，并且測(cè)試，選擇最好的防碰撞算法。4、環(huán)境因素因?yàn)閁HF(860MHz－960MHz)頻段的頻率比擬高，無線電波長(zhǎng)比擬短，所以相對(duì)125KHz和13.56MHz的標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽的通訊速率可以做的很高，天線可以做得很小，讀卡距離也可以做得很遠(yuǎn)。但優(yōu)勢(shì)的另一面是劣勢(shì)，頻率越高，因渦流和寄生電容造成的能量損失就越大，因此UHF(860MHz－960MHz)頻段對(duì)金屬、水等物體更加敏感，會(huì)被金屬反射，會(huì)被水吸收。舉個(gè)例子，我們?nèi)梭w就是RFID信號(hào)的極佳屏障，因?yàn)槲覀兊纳眢w里有大量的鹽水。金屬會(huì)引起額外的寄生電容(即由金屬引起的電磁“摩擦〞造成的能源損耗)，造成讀寫器和標(biāo)簽天線的失諧，破壞系統(tǒng)的性能。最終，在某些情況，被金屬反射回來的能量就會(huì)在標(biāo)簽和讀寫器之間形成干擾。因此，在金屬物質(zhì)較多的環(huán)境下應(yīng)用RFID，會(huì)使得實(shí)際的讀寫率、讀寫距離和可靠性大大降低，遠(yuǎn)低于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行試用得出的結(jié)果。但同樣不可否認(rèn)的是，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作將克服絕大多數(shù)的干擾。a.設(shè)計(jì)適宜的包含鐵氧體磁心收發(fā)線圈的標(biāo)簽天線。鐵氧體磁心的高滲透性使小型標(biāo)簽即使在金屬外表附近磁場(chǎng)被削弱的情況下也能獲取能量。b.合理設(shè)計(jì)標(biāo)簽，對(duì)金屬引起的失諧進(jìn)行利用。例如，將標(biāo)簽的設(shè)計(jì)定為使其具有850Hz空中諧振頻率，那么當(dāng)標(biāo)簽貼附在金屬貨箱上時(shí)，其工作頻率即可能到達(dá)920Hz，從而可以順利地被閱讀器讀取。c.設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線時(shí)確保其磁軸與金屬平行，以保證與平行于金屬外表的磁場(chǎng)的最大耦合。d.選擇適宜