超高频RFID集聚识别技术的研究

童廷洋

（航天信息股份有限公司，北京 100195）

超高频射频识别RFID技术具有无源、体积小、远距离识别、高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，广泛应用在物流、制造、交通运输、医疗、防伪和资产管理等领域。实际应用中，经常遇到识别范围不可控、电子标签误读、密集标签识别率低以及盲点标签无法识别等问题。

超高频射频识别电子标签附着在单个产品或物流运输的箱体上，标识物品或物流运输信息。采集密集电子标签数据时，产生盲点和误读现象。金属屏蔽可以解决电子标签误读，但是随后产生的空腔效应和多路径效应加剧盲点现象，降低识别率[1]。

本文采用集聚识别技术，对于大批量单品标签识别采集数据时，降低或减少盲点和误读问题，同时克服空腔效应和多路径效应，快速而且全部识别高度密集的射频电子标签，实现集聚电子标签识别率100%的识读。

集聚识别技术是针对超高频RFID高度密集的射频标签无法全部识别的问题，通过采用超高频远距离电子标签、射频识别金属屏蔽效应和交变磁场集聚识别等技术，克服外部标签干扰和内部射频识别空腔效应，降低或减少遮挡盲点和叠加盲点，快速识读全部密集标签，同时不误读任何标签。

1 超高频远距离电子标签技术

超高频射频识别电子标签附着在单个产品或物流运输的箱体上，应用在箱体上需要满足实际流水线识读的要求，标签识别灵敏度应小于等于-6.5 dBm[2]，尺寸为60 mm×18 mm的长条形，标签面纸采用白色PET材质，其采用HFSS设计，外观如图1所示，天线增益如图2所示。

图1 箱体标签天线设计

图2 天线的增益方向图

实验测试过程中，读写器天线端口发出的传导功率为 29.15 dBm，天线增益为 6 dBi，等效于读写器发送的前向链路 ERP为33 dBm，载波频率为 925 MHz，标签与读写器天线正对。暗室情况下，传输损耗与距离、工作频率有关，公式为：

其中，Lfs为传输损耗，d为传输距离，f为工作频率[3]。测试时，读写器与标签间隔距离为3 m。接收灵敏度与工作频率之间的关系为：

随机抽取的3个标签实验测试数据，标签灵敏度测试折线图如图3所示。数据表明，实际标签与设计理论值相符，满足实际情况的要求。

图3 标签灵敏度测试折线图

2 射频识别金属屏蔽效应

为保证批量识别电子标签信息的准确性，防止外界标签的绕射干扰，采用金属箱内识读是最好的方式。读写器发出的电磁波在封闭的金属环境里会形成一种叫做空腔效应的特殊场分布。理论上，空腔效应是不良反应，应该避免的。实际应用中却往往无法避免，其最终的分布状况比较复杂又无法计算和预估，例如：大量的金属反射面极易造成信号叠加而产生信号盲点，即多路径效应[4]。

当RFID系统应用在金属环境中时，金属对电磁场还有屏蔽作用。由于电场会造成金属内部自由电荷的移动，从而损失能量。电磁波能到达金属内部的深度用趋肤深度表示：

假设金属为铁（K=1.06×106S/m，μ=300），在 868 MHz频率下，趋肤深度为 2.2 μm，所以在一般情况下，电磁波是无法直接穿过金属传播的，在金属后方有一个无法读取的区域。当金属尺寸不是很大时，这个区域会因为电磁波的衍射而变小[5]。

在读写器和标签之间放置金属板，金属板的尺寸为300 mm×300 mm，金属板距离标签保持 1 m，读取率测试结果如图4所示。由图4可知，金属板遮挡时有个区域无法识读，称为盲区。由于实际应用的情况复杂，应当尽量减小金属遮挡产生的屏蔽效应。

3 交变磁场集聚识别

对于大批量单品标签识别采集数据时，需要克服屏蔽及射频盲点，才能实现电子标签100%的识读。以智能电表产品为例，每只智能表单品上均贴有超高频射频识别电子标签。智能表主要部件由电路板组成，对电子标签具有屏蔽效应[6]。智能表的基本存储单元为贴有射频标签的周转箱，每箱装有12只智能表，30个周转箱以品字形3垛叠放在托盘上，共计360个电表标签。30箱360个电表品字形叠放如图5所示。

图4 金属屏蔽的测试结果

图5 30箱360个电表以品字形叠放

本系统采用电波屏蔽室，30箱以品字形叠放，试验测试无法100%识读全部的360个电表标签。读取率与识读时间测试数据如图6所示。

图6 30箱360个电表标签测试时间

测试过程中，经常有4～5个标签无法识读，调整天线的位置、角度之后，这4～5个标签被识读出来，但是又有另外4～5个标签无法识读。经电表标签测试统计分析软件分析，未能识读的电表标签集中在中间灰色区域。品字形电表叠放示意图如图7所示，其中10、11、21、25、22、26没有识读的概率最高 80%～90%； 另外，17、18、19、29、30、31 没有识读的概率也到达 60%～70%。按照金属反射及屏蔽分析，此处的标签处于盲点。盲点具有不确定性，会根据天线角度、位置和射频强度发生改变。

图7 品字形电表叠放示意图

实验发现，盲点具有不确定性，改变天线的位置，盲点也会发生改变。采用射频天线的横向移动，改变天线箱体内的辐射模式和场域，形成交变磁场，有效利用空腔效应中多路径识别，动态覆盖盲区，解决标签批量识别的问题[7]。移动天线及控制单元如图8所示。

图8 移动天线及控制单元

实验室测试两个天线横向移动时采集数据的有效性。读取数量和读取率与识读时间的折线图如图9和图10所示。数据表明，10 s内可以完全识读集聚标签，而且10 s之后的识读成功率为100%，效果非常好。

图9 标签读取数量与识读时间

试验表明，交变磁场能有效克服盲点不可识读的难题，可以将集聚超高频电子标签的识别率提升到100%。

本文对集聚识别技术进行研究和阐述，为高度密集的超高频电子标签的识读问题提出核心处理方法，对解决现实问题具有重要意义。本文阐述的超高频远距离电子标签技术、交变磁场集聚批量识别技术及相关技术获得发明或实用新型多项专利，在危险品流通监管、产品防伪追溯等多个政府、企业项目中成功应用。

图10 标签读取率与识读时间

[1]刘永，熊兴中，李晓花.RFID防碰撞技术的研究[J].电信科学，2012（2）：138-143.

[2]马昌社.前向隐私安全的低成本RFID认证协议[J].计算机学报，2011（8）：1387-1398.

[3]童廷洋，马振洲.超高频RFID标签一致性的近场检测技术[J].电子技术应用，2013，39（4）：62-64.

[4]WAKI H，IGARASHI H，HONMA T.Analysis of magnetic shielding effect of layered shields based on homogenization[J].IEEE Transactions on Magnetics， 2006， 42（4）： 847-850.

[5]唐志军，席在芳，詹杰.无源反向散射RFID系统识别距离的影响因素分析[J].计算机工程与应用，2012（23）：85-89.

[6]QingXianming， Chen Zhining.UHF near-field RFID antennas， 10.1109/IWAT.2010.5464851[C].Lisbon： Antenna Technology（iWAT）International Workshop on Digital Object Identifier，2010.

[7]Ren Ankang， Wu Changying， Gao Yao， et al.A robust UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2012，60（4）：1690-1697.