基于RFID庫存管理分集系統設計

　　如測試表明，沒(méi)有任何一個(gè)平面查詢(xún)器天線(xiàn)在其整個(gè)平面能實(shí)現百分之百的讀取率，且在查詢(xún)器附近有一個(gè)體積不小的射頻黑洞。測試結果表明，若適當地排布多個(gè)IA，則有望實(shí)現百分之百的讀取。測試還顯示，適當設計的分集系統可在整個(gè)表面滿(mǎn)足百分之百的讀取性能要求，且沒(méi)有物件數量的限制。這些結果只應用于可能的不同標簽/查詢(xún)器組合樣例，其中一些可能會(huì )滿(mǎn)足預期的性能。

與此同時(shí)，我們還研究了雙回路IA設計。很顯然，對小標簽來(lái)說(shuō)，在大的單回路IA設計的中心普遍存在著(zhù)射頻黑洞。對雙回路IA設計的建模結果表明，與同樣大小的單回路設計相比，雙回路設計在中心區的標簽讀取效果有顯著(zhù)改進(jìn)。雖然雙回路IA尚未投放市場(chǎng)，但我們制造了一個(gè)并進(jìn)行了測試。結果顯示，對放置在中心區標簽的讀取有顯著(zhù)改善，但同樣遭受了在此位置對稱(chēng)效應的影響。

分集天線(xiàn)

隨后將這些測試結果應用到分集系統的設計，目標是針對庫存管理應用實(shí)現百分之百的讀取率。另一個(gè)目標是在對現有硬件（架子、櫥柜等）不做重大修改的條件下，提供平面設計，這樣做不會(huì )減小產(chǎn)品空間而且也美觀(guān)。該設計還必須考慮到任何可能降低性能的因素，如包裝。我們對紙板包裝的支架和導管產(chǎn)品以及密封在箔襯袋內的產(chǎn)品進(jìn)行了大量測試，還針對智能圖書(shū)架應用，對圖書(shū)館內的書(shū)籍的標記和讀取做了很多次測試。與此同時(shí)，ICD測試也在進(jìn)行中。結果發(fā)現，相對較大的包裝所出的問(wèn)題最少，從而允許以與RFID查詢(xún)器平行的指向使用大的ISO標簽。

針對以支架為對象的物件級應用來(lái)說(shuō)，對其進(jìn)行標記被認為是適當的，因為標簽實(shí)際上可盡可能近地靠近查詢(xún)器。對于支架類(lèi)產(chǎn)品，標簽如圖9（a）所示置于底部邊緣；甚至在帶箔內襯包裝時(shí)，仍可實(shí)現百分之百的讀取。對以正交指向放置的較大ISO標簽進(jìn)行測試的結果發(fā)現，只有在去除鋁箔包裝后，才可實(shí)現百分之百的讀取。對垂直指向放置、帶鋁箔包裝的ISO標簽的測試結果不好，這是因為標簽被夾在金屬之間，從而使標簽失調且也減弱了達到標簽的射頻場(chǎng)強。

　　對于圖書(shū)應用，ISO大小的標簽被放置在前封面內側的下部（圖9（b））。即使標簽與讀寫(xiě)器成直角，只要書(shū)的寬度大于0.2英寸，采用大標簽才可以實(shí)現百分之百的讀取。當書(shū)的寬度太小時(shí)，各本書(shū)內的標簽就會(huì )挨得很近，實(shí)際上對標簽施加了失諧效應，從而使讀取變得困難。應該指出的是，對隨機放置的標簽來(lái)說(shuō)，無(wú)論怎樣努力都無(wú)法實(shí)現百分之百的讀取率，本研究只針對妥善安置的標簽。

在查詢(xún)器設計的早期發(fā)展階段，人們了解到：所有單回路天線(xiàn)設計的組合都可能產(chǎn)生問(wèn)題，因它們彼此間存在強烈的耦合，使測得的每個(gè)單回路天線(xiàn)的性能也因此不再有效。對各種回路組合進(jìn)行多次建模測試的結果發(fā)現：?jiǎn)魏碗p回路（通常稱(chēng)為“數字8”）組合架構可互補彼此的覆蓋范圍，早期測試中也證明了這點(diǎn)。此外，同心環(huán)/“數字8”間的耦合性預測會(huì )很低，后來(lái)的測試證明該指標好于-20dB。

最后生成的查詢(xún)器設計如圖10所示。設計時(shí)考慮了要滿(mǎn)足支架和ICD的實(shí)際存儲情況，以及書(shū)籍或任何類(lèi)似大小、類(lèi)此組成的其它產(chǎn)品的情況。最初的設計包括三個(gè)環(huán)路/數字8對。這種配置是為預計應用（支架/ICD/書(shū)籍）設計的，用來(lái)讀取與讀寫(xiě)器同一平面內的任何標簽，或任何與讀寫(xiě)器垂直或平行于側壁的標簽。后來(lái)增加了兩個(gè)數字8來(lái)評估額外的標簽取向（垂直和平行于背墻），此舉使其有能力借助單一平面讀寫(xiě)器配置，來(lái)讀取任意指向的標簽。設計查詢(xún)器天線(xiàn)布局和間距的原則，是以最少天線(xiàn)實(shí)現最佳性能。如圖10所示，該布局允許采用多條走線(xiàn)完成PCB的走線(xiàn)長(cháng)度。這些靠得很近的長(cháng)線(xiàn)段有利于在整個(gè)表面上讀識標簽。

　　對設計內的每個(gè)查詢(xún)器天線(xiàn)進(jìn)行調整，以使阻抗匹配有利于標簽現場(chǎng)情況。讀寫(xiě)器的阻抗要求規定IA應滿(mǎn)足50-？的系統特性阻抗。為在標簽在場(chǎng)的情況下調整其反應，則標簽不在場(chǎng)時(shí)的性能將不再是優(yōu)化的了。在這兩種情況間做了妥協(xié)，以使在任何數量的標簽在場(chǎng)的情況下，匹配都相當于VSWR小于2.0:1的情況。先前的研究測試了讀寫(xiě)器的性能與VSWR的關(guān)系，情況顯示：除非匹配明顯高于5.0:1的VSWR，否則性能沒(méi)有明顯惡化。值得一提的是，從等式1和 2可以看到：為使讀取范圍加倍，由讀寫(xiě)器產(chǎn)生的IA內的電流必須以立方的量級增加。因功率正比于電流的平方，則讀寫(xiě)器的功率必須要高64倍才能在該 RFID系統內使讀取距離加倍（其中P與r6成比例）；系統內合理的VSWR反應不會(huì )導致感應電壓的重大損失。

借助商業(yè)讀寫(xiě)器/多工器和測試設置對測試結果進(jìn)行記錄，如圖11。所有8個(gè)天線(xiàn)的映射響應如圖12所示。映射響應清楚表明，對許多標簽指向來(lái)說(shuō)，都可得到百分之百的讀取率。此外，還發(fā)現存在巨大的天線(xiàn)“冗員”現象，其中標簽被一個(gè)以上天線(xiàn)讀取，因此可將參加掃描的天線(xiàn)數減為三個(gè)，且仍可達到百分之百的讀取性能。讀寫(xiě)器/多路復用器還有可操控多達256個(gè)查詢(xún)器天線(xiàn)的復用功能。使用由讀寫(xiě)器/復用器制造商描述的常用CAT5電纜，可輕松地配置和組裝智能貨車(chē)以便容納多達16個(gè) RFID貨柜，每一個(gè)都可以在16個(gè)天線(xiàn)間切換。借助非平衡變壓器的使用，射頻能量通過(guò)四對CAT5雙絞線(xiàn)電纜（100-）中的一對傳送，其余6根線(xiàn)用作數字輸入/輸出（I/O）。在13.56MHz，CAT5電纜的損耗相對較低，通過(guò)100英尺的電纜可實(shí)現百分之百的讀取性能。

　　在這項研究中碰到的幾個(gè)問(wèn)題可以認為是對一些應用的限制，例如捕獲速度。借助整合的復用技術(shù)，可順序進(jìn)行切換交替；讀寫(xiě)器捕獲標簽所需的時(shí)間與現場(chǎng)標簽數直接成正比。用所有這8個(gè)查詢(xún)器讀取77標簽試驗臺所需的時(shí)間為40秒。在研究這些數據集之后，確認其中5個(gè)查詢(xún)器是完全多余的，將它們拿掉后整個(gè)掃描時(shí)間縮短為20秒。在測試現場(chǎng)，對支架應用來(lái)說(shuō)，我們遇到的情況是不超過(guò)50個(gè)產(chǎn)品/貨架，通常是25個(gè)，讀取它們所花的時(shí)間在15秒以?xún)?。讀寫(xiě)器的速率是轉發(fā)器協(xié)議（指定的標簽/秒速率）、防競突算法以及讀寫(xiě)器能力（將數據傳遞到主機的吞吐量）的函數。好消息是，新的HFGen2RFID標準協(xié)議的進(jìn)度明顯加快，而相應的讀寫(xiě)器/標簽應在不久就可面市。在該應用中，對時(shí)間的考慮不是重要問(wèn)題，因為庫存更新只需在換班時(shí)進(jìn)行，每天3次。有一些應用既要借助RFID跟蹤產(chǎn)品，也需求通過(guò)生物識別技術(shù)（指紋）或ID卡識別人員，它們發(fā)生在繁忙區域，其中貨車(chē)/貨柜間的讀識間隔會(huì )很短，這時(shí)掃描時(shí)間就是個(gè)重要參數了。

　　另一個(gè)潛在的問(wèn)題與窄的產(chǎn)品相關(guān)，如支架；有一種現象是，當貨架沒(méi)全滿(mǎn)時(shí)，這些窄的產(chǎn)品有可能“跌倒”。在這種情況下，標簽就與讀寫(xiě)器成直角，且有可能處在無(wú)法被讀取的高度，尤其是當產(chǎn)品使用小標簽時(shí)。為規避這種情況，需在貨架內放置可移動(dòng)的塑料格柵/書(shū)檔，以防止產(chǎn)品“跌倒”

隨著(zhù)價(jià)格便宜的COTS硬件的推出，商家可以配置具有成本效益的分集系統，從而滿(mǎn)足許多庫存管理應用所要求的規范。這些系統本來(lái)就可以是模塊化的，且為將其整合進(jìn)現有的系統進(jìn)行了配置，從而不會(huì )顯著(zhù)犧牲產(chǎn)品空間，從美學(xué)角度也不會(huì )很難看。整合了復用技術(shù)的物件級RFID技術(shù)為許多應用提供了可接受的方案，且對跟蹤諸如支架和ICD等昂貴臨床產(chǎn)品尤其有吸引力。