一种确定被动式超高频RFID标签优选位置的方法

朱智源，赵 健，任 禾

（中国科学院自动化研究所综合信息系统研究中心，北京 100190）

1 引 言

RFID全称无线射频识别（Radio Frequency Identification），是一种基于无线射频通信的非接触式自动识别技术。由于具有很多优点，RFID技术已经被广泛应用于物流与供应链管理、电子商务、信用卡、防伪和安全控制、交通管理和控制、生产管理和控制等各个领域[1]。但是，由于RFID标准尚未统一，设备种类多样，各厂家生产的产品之间性能存在较大差异，其实际应用，特别是在物流行业中的应用并不成熟。许多RFID应用系统并不是在最佳状态下工作，甚至工作性能还达不到其标称值，因此有必要采取一些手段来优化RFID系统的应用。由于被动式超高频RFID系统具有很多优点，目前已成为RFID应用的主流，所以该文主要讨论这类系统。在被动式超高频RFID应用系统的优化方面，国内外已经做了很多积极的探索。Hodges[2]通过机械手臂自动贴标签，然后绘制标签在各个位置获得的信号强度分布图，通过分析这个分布图来分析标签的优选位置。泰克使用实时频谱分析评估和优化RFID系统[3]。Michael Buettner在实际环境中，用实验方法研究了UHF RFID系统性能表现及优化方法。Ramakrishnan分析了影响RFID应用性能的各种因素，提供了一套标签性能的基准测试方法，并对RFID标签在部分典型的应用环境的性能表现进行了分析。该文针对规则物体，提出了一种可操作性较强且测试结果可重现的确定RFID标签优选位置的测试方法。该文以下各节安排如下，第2节对被动式超高频RFID系统性能的影响因素做了简单分析，并在此基础上提出了测试方法；第3节对测试环境做了详细地描述；第4节阐述了测试的具体过程；第5节对测试结果进行了分析，并得出了一些关于确定货箱的RFID标签优选位置的一般性结论；最后一节是结论部分，对方法的应用进行了总结，并列举了该方法的局限性及未来有待进一步研究的方向。

2 被动式超高频RFID系统性能的影响因素

决定RFID系统性能很重要的一个因素是标签的读取范围。在这个范围内，由阅读器的天线发出的电磁场可以为标签提供足够的能量使其足以激活微型片电路，并将转换后的电磁信号再传递给阅读器天线。因为阅读器天线发出的能量是随着距离的加长而不断衰减的，所以这个范围是很有限的。在理想环境下，标签的读取范围可以用弗林斯传输方程来计算：

式中：Ptag——标签的接收功率；

Preader——阅读器的输入功率；

Gtag——标签天线的增益；

Greader——阅读器天线的增益；

λ——电磁波在自由空间的波长；

R——标签和天线之间的距离。

从式（1）中可以看出，在标签和阅读器固定不变的理想环境中，标签接收到的能量与标签和天线之间距离的平方成反比。当然，这是在理想条件下，在现实环境中，很多因素会对标签的读取范围产生影响，主要包括：

吸收作用。在标签和天线之间的介质会阻碍电磁波的传递，一部分能量可以认为是被介质吸收了。

多径效应。天线发射的电磁波传播信道经常有许多时延不同的传输路径，不同路径的相同信号在标签处叠加就会增大或减小信号的能量。

极化损失。因为标签的方向导致从阅读器天线发送到RFID标签的能量不能最有效地被标签吸收。

阻抗失配。标签的阻抗设计一般是在没有任何附着物的自由空间中进行的。当标签被贴附在物体上时，就会产生一种解谐作用。这种作用会导致传递给标签的能量受到一些损失。

近年来，有很多关于被动式超高频RFID系统中电磁波传播过程能量损失的研究[4-6]。但因为这些影响因素相互作用，无法被直觉感知，而且很难被预测，所以这些研究仍然没有办法应对复杂多变的实际应用环境，RFID系统的应用仍然受到了很大的影响。该文从实用角度出发，重点研究标签的贴附位置对系统性能的影响，提出了一种标签优选位置的测试方法。此方法可以用来指导RFID应用，在一定程度上优化系统性能。

3 测试环境

RFID的实际应用环境一般比较复杂，例如位置、距离、温度、湿度、介质材料以及电磁干扰等诸多因素都会对RFID系统的性能造成影响[7-8]。为屏蔽这些干扰因素对分析测试结果的影响，选择在半电波暗室中进行试验。半电波暗室的地面铺设有走道型吸波材料，四周及屋顶均铺设有角锥型泡沫吸波材料，用以降低测试环境的背景噪音，消除外界杂波干扰，提高测试精度。自动测试系统（如图1）主要由滑块导轨、滑块、货箱支架、阅读器天线支架、滑块控制器、RFID阅读器、控制计算机和RFID标签组成。

图1 测试系统原理图

其中，控制计算机通过数据线分别与滑块控制器和RFID阅读器相连，用于向滑块控制器发送指令来驱动滑块沿着水平导轨方向运动，同时接收RFID阅读器读取的数据。RFID标签贴在待测货箱之上，待测货箱的几何中心线和发射天线的几何中心线保持重合，且与水平导轨平行，货箱支架置于滑块之上。为了更明确地标定RFID标签在货箱上的贴附位置，定义了3个方向，分别是K、L和M向。其中K向是指向货箱面对发射天线一面的方向，L向是指向货箱背对发射天线一面的方向，M向是货箱侧面方向，指向为垂直图1所示纸面向内。货箱选用物流应用中常见的上开盖可堆式塑料周转箱。

4 测试流程

整个测试过程几乎全部通过电脑控制，人为影响因素很小。在测试之前，首先要记录环境信息，包括测试时间、读写器型号、标签型号、环境温度、湿度、环境电磁场强度以及货箱的材质、形状、大小等信息。其次要确定测试的位置。选择了16个具有代表性的RFID标签粘贴位置来做实验，这些位置的详细分布如图2所示。图2中位置1～6分布在货箱朝向阅读器的面上，即图1中K向所指的面；图2中位置7～12分布在货箱背离阅读器的面上，即图1中L向所指的面；图2中位置13～16分布在货箱的侧面。

图2 RFID标签粘贴位置示意图

对于上述16个位置，重复以下步骤：

（1）进行系统初始化。把RFID标签贴到测试货箱上的指定测试位置。通过计算机端向滑块控制器发送命令，使滑块沿着水平导轨移动到靠近RFID阅读器发射天线端，使RFID阅读器发射天线和RFID标签之间的初始距离为0.4m。

（2）测试不同位置的RFID标签的读取率。通过计算机向滑块控制器发送命令，使RFID阅读器天线和滑块之间的距离步进增加10mm。对每一个位置测试RFID标签的读取率。当读取率在标签到天线距离增加到某一值后一直保持为0时，则该位置的测试结束，摘除标签。其中，测试读取率的方法是读取100次，记录其成功读取的次数。读取率的计算方法如下：

读取率=成功读取的次数/100

（3）绘制读取率随该位置的标签到天线距离变化的关系曲线。

5 结果分析

测试结束之后，共得到了16条距离-读取率曲线，分别对应货箱上的16个RFID标签粘贴位置。其中，横坐标代表发射天线与滑块之间的距离，单位是mm，纵坐标代表阅读器100次读取中成功获得标签响应的次数，换算成百分比即为标签读取率。

根据这16组曲线的相似性将其分为三组，第一组是位置14和16所对应的曲线，如图3所示。它们的共性是读取率衰减很快，最远读取距离只有360mm。所谓最远读取距离，是指读取率开始一直保持为0的那一刻所对应的距离。参考其他位置的读取率曲线（图4和图5）可知，这两个位置表现最差。

第二组曲线如图4所示。它们的共性是读取率在区间[1080，2200]上振荡，最远读取距离是2200mm。

虽然测试环境采用的是半电波暗室，但仍然存在着一定的多径效应[9]，由各直射波和反射波叠加合成的多径效应必然会引起某些区域的信号衰落[10]，影响系统读取性能。为了方便分析，对曲线的表现做了如下定义：

在指定的距离P，如果曲线A所对应的读取率比曲线B所对应的读取率高，就称在距离为P处曲线A所对应的粘贴位置比曲线B所对应的粘贴位置更优。如果对于一个距离区间[P，Q]内的各点，曲线A所对应的读取率都高于曲线B，就称曲线A所对应的粘贴位置在区间[P，Q]上优于曲线B所对应的粘贴位置。

从图4可以看出，位置7和位置15在区间[1080，2200]上大部分占优，且没有明显的死区[11]。所谓死区是指标签读取率接近于零的区间。有效找出存在死区的标签粘贴位置，并避免将RFID标签粘贴于此，可对RFID系统的实际性能起到重要的优化作用。

第三组曲线如图5所示。它们的共性是在[1480，3 080]上振荡，最远读取距离是3 080 mm。分析图中的曲线，位置10和位置11出现了明显的死区。位置2和位置8在整个区间相对较优，且无明显死区。

综合上述分析，发现标签贴在货箱2、7、8、15的位置较优，即将标签贴在货箱的角部位置相对较优。

6 结束语

该文针对被动式超高频RFID标签优选位置的选择问题，提出了一种基于标签读取率的简单测试方法，并通过搭建自动测试系统予以验证。测试结果表明，该文提出的方法及测试系统可用于快速评估在货箱与天线相对静止的条件下，单个电子标签贴附在货箱表面的不同区域时的性能表现，从而归纳出货箱优选位置分布的一般性结论，有助于结合应用需求为用户提供科学的指导意见。但是，该方法目前仍然具有很多局限性：

首先，目前仅对塑料材质的货箱进行了测试，在未来的工作中，有必要对其他材质的具有规则形状的物体进行测试。其次，对于不规则形状的物体，需要验证方法的可行性和实用性。再次，对于多阅读器的应用环境，需要考虑很多复杂因素，该方法有可能不再适用。最后，对于多标签应用环境，本方法的可行性和实用性有待进一步考察。

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