基于RFID庫存管理分集系統設計

　 庫存管理系統現在依靠無(wú)源RFID技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)時(shí)自動(dòng)識別。對許多應用來(lái)說(shuō)，使用RFID的投資回報是可接受的。這些系統必須能夠實(shí)時(shí)捕獲到全部在場(chǎng)庫存產(chǎn)品的信息，這就要求RFID系統必須能夠百分百地讀取所有被貼以標簽的物品。RFID系統的讀取能力是涉及到許多變量的一個(gè)函數，這些變量包括：標簽大小、方向、放置方式，以及查詢(xún)器天線(xiàn)（IA）設計。不幸的是，對所有單天線(xiàn)設計來(lái)說(shuō)都存在讀不到標簽的“黑洞”。通過(guò)分析并確認這些黑洞，業(yè)界已開(kāi)發(fā)出一種方法，即利用對ISO15693/ISO18000-3（13.56-MHz）物品等級系統的多樣性來(lái)實(shí)現百分之百的讀取能力。

諸如智能卡車(chē)/貨柜等高頻（HF）RFID系統在該領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)作用，很多制造商和方案供應商都提供此類(lèi)產(chǎn)品。這些并不昂貴的系統采用無(wú)源RFID標簽（大量生產(chǎn)時(shí)單價(jià)不到25美分），這項技術(shù)在跟蹤臨床高價(jià)值物品時(shí)具有巨大潛力，其中一些物品有一定的保質(zhì)期。例如，在醫院的心導管實(shí)驗室通常會(huì )有的儲物柜內，可能會(huì )存放著(zhù)250多個(gè)支架，總價(jià)值估計達37.5萬(wàn)美元。取決于醫院規模，有可能會(huì )使用四個(gè)這樣的儲物柜，其內的物品每4個(gè)月要被消耗掉，相當于這樣一個(gè)儲物柜每年“經(jīng)手”的物品價(jià)值高達1.125百萬(wàn)美元。植入式心臟去纖顫器（ICD）也是醫院內的高價(jià)值物品。它們體積?。ú捎眉s3×4×6英寸的包裝），但是價(jià)值卻在10，000至20，000美元。它們通常儲存在諸如加鎖儲物柜等安全空間。在此類(lèi)應用中，使用RFID可以降低因某些物品備貨不足或過(guò)量而導致的成本損失，并且可以更好地掌控這些貴重物品的下落。

一個(gè)基本的RFID系統包括一個(gè)主機系統和多個(gè)RF組件（圖 1）。RF組件包括一個(gè)射頻查詢(xún)器（讀寫(xiě)器和天線(xiàn)）以及標簽。查詢(xún)器的目的是與現場(chǎng)標簽通信，對無(wú)源系統來(lái)說(shuō)，查詢(xún)器還通過(guò)發(fā)射的RF信號給標簽供電。查詢(xún)器負責協(xié)議處理、給標簽供電、讀取標簽信息、將信息寫(xiě)入標簽，并確保將信息有效傳遞到主機系統。

ISO15693標準規定：只有當“置身”于射頻場(chǎng)時(shí)，無(wú)源標簽才被激活。為激活無(wú)源標簽，由射頻場(chǎng)感應來(lái)的電壓（VTag）必須足夠高，要達到嵌入在標簽內的RFID芯片工作所需的最低電壓水平。VTag值是標簽尺寸/方向與磁場(chǎng)強度幅值的函數，對一個(gè)理想環(huán)路來(lái)說(shuō)，VTag可以表述為：

VTag=2πf0NQB（Scosa）（1）

其中：

N=標簽線(xiàn)圈的繞組數，

Q=標簽的質(zhì)量因數，

B=磁場(chǎng)強度，

S=標簽線(xiàn)圈的面積，

a=標簽的指向角

圖1：一個(gè)基本的RFID系統包括一個(gè)主機系統和多個(gè)RF組件

　　磁場(chǎng)強度（B）由圓形查詢(xún)器天線(xiàn)（IA）產(chǎn)生，可由式2表述：

B=（μ0INa2）/2r3（2）

其中：

I=IA線(xiàn)圈電流，

N=IA線(xiàn)圈繞組數，

a=IA線(xiàn)圈半徑，

μ0=無(wú)礙空間的磁導率，

r=到IA的距離。

從這些方程，我們可以推導出標簽大小和方向之間，以及與沿IA軸線(xiàn)感應出的場(chǎng)強之間的關(guān)系。當標簽和查詢(xún)器接近時(shí)，雖然借助兩者間復雜的反應式近場(chǎng)關(guān)系，其耦合關(guān)聯(lián)得以建立，但是只能被上述等式勉強表述，特別是當r《《a且偏離查詢(xún)器的軸線(xiàn)時(shí)，其耦合關(guān)系難以準確預測。在實(shí)際的物件級應用中，標簽通常是靠近查詢(xún)器天線(xiàn)的，所以基于這個(gè)原因，選擇并不完全依賴(lài)這些預測。

圖2：本次研究中使用的最小的RFID標簽，只有硬幣大小

　　該機制對理解射頻黑洞很關(guān)鍵，它既與IA和標簽的設計相關(guān)，也受兩者間交互的影響。HF標簽有多種設計和尺寸，通常分為兩大類(lèi)：平面和三維（3D）設計。平面標簽是較常見(jiàn)的那種薄紙載體型，而三維標簽內含鐵氧體且體積小得多。這項研究中使用的標簽都是平面型。由于性能是標簽和IA的函數，所以這里探討了三種不同大小的常用標簽的功能，其中圖2所示標簽尺寸最小，圖3為兩種不同尺寸且設計截然不同的IA。對在感應場(chǎng)內只有一個(gè)標簽和多個(gè)標簽的情況，對讀寫(xiě)器的反應做了記錄。對在感應場(chǎng)內通常會(huì )有許多產(chǎn)品挨著(zhù)擺放的實(shí)際應用情況來(lái)說(shuō)，這種做法頗有代表性。這些測量的目的，是力圖勾畫(huà)出一個(gè)可代表實(shí)際系統的三維空間，并定位出任何存在的RF黑洞。

圖3：兩種典型的RFID查詢(xún)器天線(xiàn)（IA），兩個(gè)天線(xiàn)的PCB走線(xiàn)中，都有一些關(guān)鍵位置

　　射頻黑洞的位置信息可用來(lái)定位其他天線(xiàn)的位置，使其在一個(gè)“沒(méi)有黑洞”的分集系統中發(fā)揮作用。常用的分集系統（圖4）內置單刀多擲開(kāi)關(guān)，用來(lái)將多個(gè)天線(xiàn)路由至RFID讀寫(xiě)器。此類(lèi)系統被設計可以頻繁在眾多天線(xiàn)中切換，采用PIN二極管開(kāi)關(guān)，與只有單一可移動(dòng)天線(xiàn)RFID系統所用的機械繼電器比，PIN二極管的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）要長(cháng)得多。目前市面上已推出商用的整合了帶復用電路讀寫(xiě)器（有些能處理多達256個(gè)查詢(xún)器天線(xiàn)）的分集RFID系統，而價(jià)格也相對可接受。

圖4：該框圖顯示的，是使用多條CAT5線(xiàn)纜處理RF和數字控制信號的分集系統

　　在整個(gè)測試設置中，RFID讀寫(xiě)器被認為是最關(guān)鍵的部分，它被規定按照ISO15693/ISO18000-3Mode1協(xié)議的要求工作。該 ISO標準是成熟的，在全球范圍得到認可，許多資深的制造商可提供各種讀寫(xiě)器型號和標簽大小。由于在一次掃描中可能會(huì )發(fā)現大量物件，所選的RFID讀寫(xiě)器有能力在每次掃描中讀識最少100個(gè)標簽。測試系統所選的讀寫(xiě)器的（射頻）輸出是1W、來(lái)自可靠的制造商。本測試也評估了低功耗（200至250mW）讀寫(xiě)器，但發(fā)現對特定的物件級應用來(lái)說(shuō)，其讀識范圍不理想。另外評估了功率高達10W的讀寫(xiě)器，但并沒(méi)發(fā)現性能有顯著(zhù)改善。此外，高功率水平與建議使用的 IA相結合，會(huì )超過(guò)監管的輻射水平。且這些大功率讀寫(xiě)器的成本比實(shí)際測試所用的低功耗版本要高近一個(gè)數量級。

由于在實(shí)際使用模型中，大量標簽會(huì )非常緊湊地放在一起，所以設計人員擔心查詢(xún)器的失諧效應會(huì )降低讀寫(xiě)器性能，從而影響到標簽的正確讀取。所測得的單一查詢(xún)器天線(xiàn)的回波損耗響應（S11）接近50（圖5），與讀寫(xiě)器給出的特性阻抗匹配。圖5還顯示了在不同標簽大小條件下，查詢(xún)器的S11響應。較大的標簽，與查詢(xún)器耦合得非常好，對S11響應有顯著(zhù)影響，將其置于讀寫(xiě)器約明的要求之外。有些讀寫(xiě)器根本讀取不了挨得很近的標簽，其廠(chǎng)家表示，高度的不匹配將“吞沒(méi)”接收器電路，以致檢測不到標簽。但在這項研究中使用的讀寫(xiě)器在這種條件下表現良好。除將標簽非常近地靠近查詢(xún)器的PCB走線(xiàn)，針對查詢(xún)器S11的單標簽（相對于多個(gè)標簽）惡化現象并不嚴重。希望單標簽測試發(fā)現的射頻黑洞會(huì )類(lèi)似于多標簽測試中所發(fā)現的，以加快以后查詢(xún)器設計的驗證過(guò)程。

在預測試時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源RF探針會(huì )很有用（圖6）。探針包含一個(gè)標簽，其RFID芯片被發(fā)光二極管（LED）所取代，LED可用以指示EM場(chǎng)的存在；采用不同大小的標簽組裝三個(gè)探針。雖然這個(gè)測試工具僅需一美元，很粗糙，但作為一種可定位RF黑洞的實(shí)時(shí)探針卻很有效。該探針能夠定位當時(shí)無(wú)法明顯憑直觀(guān)感覺(jué)到的射頻黑洞。當標簽非?？拷樵?xún)器時(shí)，射頻黑洞暴露了出來(lái)，且對稱(chēng)地分布在環(huán)形PCB走線(xiàn)的周?chē)?。讀寫(xiě)器的S11響應驗證了這種情況，當標簽放置在這些位置時(shí)，觀(guān)察不到變化，根據小環(huán)形探針記錄的S21測量情況也證明了這點(diǎn)。

這表明了可借助矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA），通過(guò)觀(guān)察 S11和S21隨標簽或PCB導線(xiàn)環(huán)運動(dòng)的響應變化，來(lái)觀(guān)測射頻黑洞。通過(guò)對不同尺寸標簽以及查詢(xún)器天線(xiàn)的進(jìn)一步檢測表明，在PCB走線(xiàn)的相同位置存在著(zhù)黑洞。測試發(fā)現，讀取效果不好的區域相當大，且都在PCB導線(xiàn)環(huán)附近、很有可能放置標簽的位置。

　
圖5：?jiǎn)我徊樵?xún)器天線(xiàn)的回波損耗響應（S11）接近50

　
圖6：該RFID標簽作為一個(gè)簡(jiǎn)單的測試探針使用，其RFID芯片被一個(gè)發(fā)光二極管（LED）所取代

　　RFID標簽測試臺準備了多種標簽設計和方向配置（圖7）。測試臺的配置包括多達77個(gè)標簽、并指向x-y平面（平行于查詢(xún)器平面）以及正交于查詢(xún)器平面。每個(gè)RFID標簽內的各芯片都內含一個(gè)獨特標識符，作為讀取過(guò)程的一部分，可以讀出該標識符；它用來(lái)標記其測試臺的位置。讀寫(xiě)器反應（讀取標簽的能力）以IA（Z軸）之上的固定增量被記錄下來(lái)。此外，還記錄了卡片以小步進(jìn)增量在查詢(xún)器的x-y平面移動(dòng)的結果。x-y平面上的運動(dòng)很重要，因為它允許對標簽和查詢(xún)器導線(xiàn)的對稱(chēng)排列并指示出在先前預測試時(shí)遇到的射頻黑洞。

　　結果發(fā)現，單和多標簽測試結果對平行平面和垂直平面來(lái)說(shuō)，都符合得相當好。垂直平面測量的結果符合這樣一種情況：在標簽-標簽間的高度耦合是主導趨勢時(shí)，當標簽間距小于0.4英寸時(shí)，有惡化現象。在垂直平面條件下的多標簽測試是不停地讀取更多的標簽；因標簽間的高度耦合使位于射頻黑洞內的標簽得以激活，所以可將其認為是一個(gè)激活標簽產(chǎn)生的結果，而非直接來(lái)自查詢(xún)器。

對指向與IA平面相同的標簽進(jìn)行的測試，指明了對所有標簽尺寸和查詢(xún)器設計而言所共有的黑洞位置。如前面觀(guān)察到的，當存在與標簽的對稱(chēng)情況時(shí)，在IAPCB導線(xiàn)附近就出現射頻黑洞。圖8（a）詳盡標明了映射響應，當把卡向左或右移動(dòng)，使這一整列標簽與查詢(xún)器天線(xiàn)導線(xiàn)具有對稱(chēng)性時(shí)，可清楚顯示出射頻黑洞。隨著(zhù)高度的增加，處在邊緣的標簽逐漸落在可讀取范圍之外，此時(shí)，可用金字塔表述該整體三維可讀取區的形狀。我們還發(fā)現，讀取區的大小與查詢(xún)器和標簽的大小成正比。