面向智慧物流的射频识别虚拟仿真实验教学探索

宛 汀，孙晨阳，闫梦阳

（1.南京邮电大学，江苏 南京 210003；2.东南大学 毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096）

0 引 言

无线射频识别（Radio frequency identification, RFID）技术是一种利用射频无线通信实现的非接触式自动识别技术，具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可提供快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等服务，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一[1-2]。现代智慧物流通过智能软硬件、物联网、大数据等智慧化技术手段实现物流各环节的自动化、精细化和可视化管理，从而有效提高了物流运转效率。RFID技术适应智慧物流对于整个环节全程智能、可控的要求，因此在现代物流管理领域具有巨大的优势和发展潜力[3-5]。面向智慧物流领域对于RFID技术的需求，高等院校的物流工程和物联网工程等专业均开展RFID技术的相关课程教学，以适应信息化时代培养专业技术人才的要求；其主要教学内容涵盖智慧物流和物联网的发展趋势、RFID技术原理和特点、RFID技术在智慧物流中的应用等方面。其中，RFID技术原理和特点的介绍是教学内容的重点和难点。射频天线作为RFID标签和读写器收发无线信号的重要前端部件，是物流管理中实现非接触式识别的重要装置，也是RFID系统的重中之重。因此，理解RFID天线收发无线信号的机理，对于全面掌握RFID技术原理及其在智慧物流中的应用具有突出意义。

1 面向智慧物流的射频识别教学面临的挑战

在智慧物流系统中，对象的识别需要实时、动态和高效，这对RFID标签和阅读器的性能提出了严苛的要求。区别于传统条形码所采用的视距扫描方式，RFID的标签和阅读器通过天线在空气中传输电磁波来实现高速、远距离和多目标识别。因此，学习和掌握RFID天线的工作机理是重要基础。当前的RFID天线教学面临如下挑战：第一，内容理论性强、概念抽象，由于RFID传输信号以电磁波为载体，而电磁波是看不见、摸不着的，这给理解信号在RFID标签和阅读器中的产生和传输带来了不小的困难，使得理论教学缺乏实感。第二，实验教学能够让学生通过实际操作仪器设备，以及数据交互来观察RFID天线收发电磁波的机理，但是，电磁类实验不仅对场地和仪器要求高，而且对实验者的专业技能和操作水平要求高，难以在教学中开展。针对上述两方面问题，通过引入虚拟仿真实验的教学模式，能够获得较好的解决。虚拟仿真实验在计算机系统中构建虚拟的实验环境和对象模型，让实验者可以在仿真软件环境中完成预定实验，获得类似于真实实验的学习效果。

计算机技术的高速发展及其与数值计算方法的高度融合，催生了一批优秀的电磁仿真软件，例如：CST、HFSS和ADS等，为RFID领域的教学和科研提供了重要支持。借助这类电磁仿真软件，能够避免对于实验环境和操作者的苛刻要求，将演示实验带入理论课，还能打破时间和地域的限制为学生提供开放式实验。这类电磁仿真软件人机交互界面友好、易于操作，数据输出形象生动，能够让RFID天线的工作性能参数、射频信号的产生和辐射等内容以曲线、彩图甚至动画的形式展示，为学生提供清晰直观的感知，有效促进学生对于抽象理论知识内容的理解。

2 基于CST软件的虚拟仿真实验平台

本课程基于CST（Computer Simulation Technology）仿真软件平台，对如何在面向智慧物流的RFID课程中引入虚拟仿真实验进行了探索与实践。CST是一款由德国CST公司开发的三维电磁仿真软件，包含多个工作室子软件，能为用户提供完整的系统和器件层面的数值仿真优化。CST软件覆盖整个电磁频段，提供完善的时域和频域全波电磁算法，典型应用包括天线、电波传播、电磁兼容和电路互连等。CST软件提供了友好的人机交互界面，简洁、易于操作，能输出天线阻抗、辐射方向图和电磁近远场等，并支持曲线和三维图等多元的结果显示[6]。CST软件套装中的微波工作室平台，是CST公司的旗舰产品，包括多种精确的电磁数值算法，可精确仿真任意复杂结构、复杂材料组成的目标的电磁特性。本课程教学使用CST微波工作室作为虚拟仿真实验平台。

一个完整的RFID系统包括标签、阅读器和控制终端3个部分，其中标签和阅读器是核心设备，它们之间通过电磁波反向散射完成信息传输，阅读器发送能量到标签，标签收集能量并通过反向散射识别数据来响应阅读器。标签和阅读器的天线承担了收发无线电信号的重要任务，是整个RFID系统的重要组成部分，很大程度上决定了系统的工作性能。在智慧物流的RFID课程教学中，通过CST软件平台对标签和阅读器中的天线进行虚拟仿真实验，能够直观清晰地观察RFID天线的性能参数、电波传播特性、器件表面电场分布等，充分了解RFID天线的工作机理与射频电波的传播规律，有助于学生更加深入地掌握RFID技术知识。

3 教学案例一：智慧物流中RFID标签天线的仿真实验

标签是RFID系统中存储可识别对象数据的电子设备，使用时附着在检测对象目标上。当标签接收到阅读器传输的信号时，启动执行相应的任务，包括数据读写和加密等。射频天线是标签的重要组成部分。智慧物流场景中，需根据实际应用综合考虑尺寸、带宽、增益和成本等因素来进行天线的设计[7]。下面以智慧物流运输监测中常用的UHF频段标签天线为例来介绍RFID标签天线的虚拟仿真实验。

以一个典型的电感耦合式弯折臂标签天线为例，在CST仿真软件环境中建立该天线模型，如图1所示。采用弯折臂的方式来减小天线尺寸，并利用对称结构来改善天线的辐射特性。天线介质基板使用介电常数为4.4的FR4材料，天线的总尺寸为52mm×44mm×0.5mm，其中a=17mm，b=4mm，c=20mm，d=4mm，金属带线宽度为2mm。

图1 标签弯折臂天线模型示意图

采用CST进行电磁仿真，可以得到标签天线的回波损耗随频率变化的S参数曲线，如图2所示。实际中，希望天线的无线电波全部辐射出去，而不是反射回来，因此回波损耗直观展示了电波反射回来的功率情况。天线工作的中心频率为917 MHz，可以看到，在900～940 MHz范围内，天线的回波损耗都低于10 dB，符合设计要求。图3给出了中心频率下天线的平面方向图和三维方向图，天线在正反面方向上的最大增益均在1 dB以上，满足一般标签天线的设计要求。通过上述二维曲线方向图和三维立体方向图，清晰地展示了天线工作时无线电波传播的能量分布情况，大大增加了学生的直观体验和对于标签天线工作机制的理解程度。

图2 标签天线的回波损耗

图3 标签天线的切面和三维辐射方向图

4 教学案例二：智慧物流中RFID阅读器天线的仿真实验

阅读器是负责读取标签数据信息的设备。为了最大限度地扩大识别范围，通常在阅读器上使用高增益的定向天线，使得信号以最高有效全向辐射功率进行发送。阅读器天线需针对具体的应用要求来进行设计，如识别范围、耐用性和易附性等。与固定式阅读器天线相比，手持式阅读器天线具有更严格的要求，如：体积小、重量轻、结构紧凑、机械强度高等[8]。下面以智慧物流仓储中常用的手持式阅读器平面倒F天线（Planar inverted-F antenna, PIFA）为例来介绍RFID阅读器天线的虚拟仿真实验。

在CST仿真软件环境中建立PIFA天线模型，如图4所示。PIFA及其耦合单元在平面上形成2个 “L”形状，因此这种结构也称双L型天线。PIFA单元长57 mm，宽25.8 mm，高12.9 mm；耦合单元长54 mm，宽、高和PFIA保持一致。耦合单元与PFIA天线之间的距离为9 mm、耦合单元微带短路线距离边缘为4 mm。天线工作在815～977 MHz的UHF频段。高频振荡的能量通过馈电点传递给天线，天线将其变成射频电磁波辐射出去，实现与标签天线之间的无线数据传输。

图4 手持式阅读器PIFA天线模型示意图

采用CST进行电磁仿真，可以观察到阅读器中原始射频信号在PFIA天线上激发出的电场分布情况，如图5所示，在PIFA以及其耦合单元的边缘激发出了较强的电场强度。图6则展示了电场的矢量分布情况。电场及其矢量分布图让学生能够清晰直观地观察到电波与天线作用的机理。图7给出了PFIA天线在840 MHz处的三维辐射方向图，从图中可以观察到，电波辐射的能量主要集中在天线的斜上方附近，最大增益约为3.76 dBi，为实际天线的使用、安装提供了指导。通过电场及辐射方向图，清晰地展示了天线工作时辐射无线电波的传播情况，同时了解了智慧物流应用中天线在阅读器上的工作规范，大大增加了学生的直观体验和理解程度。

图5 阅读器天线表面电场分布

图6 电场矢量分布图

图7 阅读器天线三维辐射方向图

5 结 语

通过在RFID课程教学中引入基于CST软件平台的虚拟仿真实验，不仅将抽象枯燥的理论知识转化为可视化的图像，而且有利于学生将专业理论融入智慧物流实际应用中。教学实践证明，针对RFID课程天线教学中面临的理论性强、抽象度高等方面的问题，基于CST平台的虚拟仿真实验与理论教学相结合的新型教学模式，有效地增强了学生对于专业知识的理解，激发了学生的主观能动性，提高了学生的创新和实践能力，为物流工程和物联网工程专业人才培养提供了新的途径。