基于超高频RFID系统性能的改善

基于超高频RFID系统性能的改善
张人政
【摘要】With the development of Internet of Things, Radio Frequency Identification (RFID) is widely used in retail, food traceability, transportation, transportation of dangerous goods, medical and health, smart grid, storage management and library management. RFID application deployment environment in various industries vary widely, and the wireless environment is more complex, which has brought great challenges to the on-site deployment and debugging of UHF RFID system. This paper mainly focuses on UHF RFID system which is based on
ISO18000-63 standard (changed from ISO18000-6C), describes the basic working principle, the basic structure of the system and characteristics of UHF RFID system, and proposes the methods to optimize and improve the system stability and performance by combining with UHF RFID system project.%随着物联网的发展,射频识别RFID技术在零售、食品溯源、交通运输、危险品运输、医疗卫生、智能电网、仓储管理、图书管理等领域的应用越来越广泛.各个行业的RFID的应用部署环境千差万别,无线的环境比较复杂,对超高频RFID系统的现场部署和调试带来了极大的挑战.本文主要围绕超高频RFID系统,它基于ISO18000-63标准(ISO18000-6C更改而来);阐述了超高频RFID系统的基本工作原理,系统的基本结构及其特点,结合超高频RFID系统项目,提出优化和改善系统稳定性、提高系统性能的方法.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2017(036)025
【总页数】4页(P178-181)
【关键词】RFID;阅读器;电子标签;天线
【作者】张人政
【作者单位】群淂数码科技(上海)有限公司,上海201108
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.4
射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术是一种新兴的自动识别技术。

利用无线发射的方式发送数据，根据射频的反射获取数据解码并识别，数据通信是半双工的方式进行。

在交通运输、物流管理、邮政领域、图书馆管理、物品防伪及军事等多个领域都有广泛的应用，可以监控和追踪所有物品。

根据工作频段的不同，RFID系统还可以分为135kHz以下的低频、13.56MHz的高频、800-900MHz的超高频以及2.4GHz以上的微波等几类[2]。

高频和低频系统是目前的主流应用；处在860~960MHz频段的超高频（UHF，Ultra High Frequency）RFID系统以读写长度远、效率高、每秒几十个标签或更多，存储容量大、尺寸多变和形状多样等特点，受到电子物品监控、食品溯源、零售、防伪等领域的青睐。

国内的图书馆管理、超市零售等行业部署和运行超高频RFID系统，越来越受到企业们的关注，并且准备引入部署实施。

随着超高频RFID的应用更加普及，部署环境磁场的多样化复杂化，超高频RFID稳定可靠读取对于RFID中间件的编写和现场部署人员带来了很大的挑战。

超高频RFID（Radio Frequency Identification）系统作为计算机输入的重要手
段和方法，自动采集数据并加工处理。

超高频RFID识别技术是自动识别技术的一种，具有可达10米距离、快速录入、形状和体积多变、较强的抗污染和抗损坏能力、可重复回收利用、超大的数据存储空间、较强保密性、过遮挡物辨别的特点。

1.1 超高频RFID系统组成
阅读器（Reader）、电子标签（Tag）和天线（Antenna）是RFID系统最典型的构成部分。

物品的编号记录中在电子标签内存空间，数据格式由用户决定，区域由用户选择。

当电子标签靠近阅读器的响应范围时，标签通过耦合器件获得能量，一部分提供自身工作，另一部分反射（BackScatter）标签上的电子编码，由阅读器解码处理。

电子标签内存由独立的四个存储区组成，每个存储区由单个或数个字节（byte）组成。

如图1所示，四个区域分别是Reserved（保留）区，EPC（电子产品编码）区，TID（Tag identififier）区和USER（用户）区。

阅读器，是对RFID标签进行写读操作的设备，也称读写器或读头。

阅读器工作时，发射无线电射频信号，当标签出现在射频信号的读写范围之内，标签获取能量供自己工作；然后标签解调来自阅读器的信息，经编码处理后发送，阅读器接收后开始解码获取标签数据。

按照设备是否固定方式和移动状况，可分为手持式和固定式。

根据需要，阅读器可以修改标签信息，还可以锁定/灭活标签，设置访问权限，修
改EPC区域的长度等。

天线是读写器和RFID标签之间实现数据交互的桥梁。

通过发射或接收电磁波信号进行无线通信的设备。

市面上的标签把RFID芯片和天线设计在一起；读写器中天线医科放置在设备内部，也可以放置在外部；群淂数码科技公司开发的超高频手持读写设备既有内置陶瓷天线，又可以根据需要在RF接口上外接外置天线。

高性能的天线，不仅需要良好的匹配特性，还要根据应用环境对方向特性、极化特性和频率特性等进行特别的设计[1]。

1.2 超高频RFID的工作原理
阅读器采用单边带幅度键控（SSB-ASK），反相幅度键控（PR-ASK）或双边带幅度键控（DSB-ASK）调制射频载波方式发送数据[4]。

当RFID标签进入阅读器磁
场领域时产生感应电流进而得到能量，标签接收数据并解码，按照命令做对应的响应。

若为盘点指令，回送标签EPC的内容；若是写指令，则进行标签写的处理，
回送处理结果成功或失败的状态给读写器。

1.3 射频识别（RFID）系统原理图（图2）
射频识别（RFID）系统有四部分组成：读写器（含天线）、RFID标签、网关（含MiddleWare中间件）、企业服务器系统（由数据库与其他服务器组成）[1]。

与
最基本的RFID系统相比，增添了网关服务器和企业后台系统。

本地应用服务器利用RFID中间件以太网或串口收集RFID读写器所读取的信息和被标识的物体，然
后通过互联网或本地网络，保存到后台数据库，相当于一个应用网关。

数据库和其他服务器组成了企业的后台系统，它负责对整个RFID系统收集来的信息实施收集、汇总、计算、分析和选优等功能。

它需要一个很强的行业应用系统来支撑。

2.1 天线辐射场
根据天线与实测点位置不同分为无功近场区、辐射近场区和辐射远场区独立的区域。

无功近场区即为电抗性近场（Reactive Field）。

近场能量与辐射场两者的边界为：式中r为边界到天线的距离；λ为电磁波的波长。

当满足以下条件时，即r＜＜，该处的电磁场区域简称为近场。

当满足以下条件时，即r＞＞，该区域的电磁场空间简称为辐射远场。

电磁场以电磁波的方式向空中传播，即电磁辐射，也称辐射场[1]。

2.2 弗里斯（Friis）传输公式
弗里斯（Friis）传输方程
式中PLF（Polarization Loss Factor）表示极化耗损因子，PR表示接收功率大小，PT表示发射天线的输入功率，GT表示发射天线的增益，GR表示接收天线的增益，
λ表示波长（单位m），f是频率（单位赫兹，Hz）。

对于902MHz频率波长
λ1==3*102（/902*106）=0.3326m，同理915MHz频率的波长
在实际应用中，超高频RFID系统基本上围绕读写器、电子标签、现场环境、还有天线四个角度改善系统的稳定性和写读成功率，使得系统稳定、经济、高性能的满足项目需求。

3.1 超高频RFID读写器的改进
3.1.1 超高频阅读器硬件的改善
读写器在工作时，能量无法做到100%转换效率。

事实上，发射出去的能量一部分转化成热量，造成额外的损耗。

超高频RFID读写器在长时间的工作中因为环境温度或本身温度的上升，设备性能有所下降。

可以采用几种方式：
其一散热结构不能进一步完善的情况下，增强设备散热能力，可以采用绝缘导热硅胶，还可以再加导热性能好的金属片。

从元器件角度可以采用带有温度补偿的器件，如晶振（Crystal）和振荡器（Oscillator），声表面滤波器的工作温度比较宽。

放大器（PA）的工作纬度范围尽量大一点。

从阻抗匹配的角度分析，在高频电路中，还要考虑反射的问题。

频率越高波长则越短，当传输线长度与波长接近时，在原信号上将叠加反射信号，从而改变原信号波形。

在阻抗失配时，反射在在系统负载端形成反射。

传输线阻抗跟负载的特征阻抗理应相当，可以抑制产生反射，达到阻抗匹配的目标。

若是不匹配，则能量无法传递过去，形成了反射，产生了驻波，降低了效率；能量不能及时发出，在某一处产生热量，严重时会损坏发射设备。

若是PCB（印刷电路板）上的负载阻抗与高速
的信号线失配时，会产生信号反射，EMI辐射等。

当阻抗不匹配时，有哪些办法使它匹配呢？适当校准和修改电容或电感数值匹配射频电路参数。

对于传输线的匹配，可以串联一个20多欧姆的电阻，或者在输入阻抗则比较高时并联电阻。

超高频阅读器在接收标签信息时，还要持续发射载波（Carrierwave）以维持标签工作；这样导致带有增益的混频器前端或者低噪声放大LNA射频接收前端饱和接收信噪比（SNR）下降；反映到阅读器上，便是读取距离变近，读取到的标签数
量变少，降低了阅读器性能可以采用带有载波抑制功能的超高频RFID芯片抑制这种载波泄露的问题，如英频杰公司（ImpinJ）公司的Indy R2000，载波抑制框图（图5）。

3.1.2 超高频读写器参数设定中间件（Middleware）是介于应用系统和系统软件
之间的一类软件。

它屏蔽了复杂的技术细节，屏蔽了复杂的物理底层操作，使用户不必知道细节，直接开发企业应用程序，为不同客户量身定制应用程序提供了方便。

应用程序是通过RFID中间件来实现的修改读写器参数。

在很多项目部署中，需要超高频读写器读取的距离更远。

最直接的方式是通过中间件增加读写器的发射功率，根据弗里斯传输公式，要增加读取距离，在发射天线的增益、接收天线的增益、接收天线、无线频率确定的情况下，必须增大发射功率。

如要读取的距离是原来的两倍，那么发射功率是之前的4倍，即
10log104=10*0.6=6dB。

在一些盘点RFID标签时，由于TID在出厂已经设定，无法修改，往往还需要读取TID信息。

如果限度EPC区域而后再读TID，那么耗费时间比仅仅读取EPC所花
费的时间多一倍以上。

可以启用ImpinJ读写器FastIDTM功能，这样在统一操作中同时读取到了EPC和TID，速度还比通常的读物TID方式快2-3倍，降低了
TID的应用难度。

超高频RFID应用在需要大量标签扫描的场合,如仓储管理。

为了提高大批量标签的可靠性和提高难度标签的读取能力，减少标签重复读取的次数，应用程序操作中间件实现TagFocusTM功能。

3.2 电子标签改善
在超高频RFID项目实施中，电子标签所处环境的多样化，标签的选择和优化对性能影响较大。

金属环境中，当普通的标签（Tag）贴在金属表面时，读写器很难读取到标签信息。

当标签接收到查询指令后，把内存中的电子编码发送给读写器；同时无线电波在遇到金属表面时，也发生发射，导致反射功率过大，对读写器形成了干扰，标签无法被识别到。

无法改变金属的介质，可以改变金属和标签之间的介质，同时把金属当做反射面，提高标签在金属上的特性。

另外可以采用抗金属标签，一种专门针对金属环境场合特别优化。

还有一种在标签和金属中间铺一层防磁性吸波材料，示意图如图7。

3.3 天线改善
当RDID电子标签进入到超高频读写器的电磁场空间领域中，因电磁感应产生电流，维持自身工作，然后电子标签通过耦合器天线把信息回送到超高频读写器，阅读器收到信息后进行解调获取标签信息。

天线在其中扮演着能量传递的角色。

影响天线有辐射场振幅和方向，方向性系数，天线阻抗匹配特性，天线效率，以及天线带宽。

按照天线辐射时形成的电场强度方向不同，分为线极化天线和圆极化天线还有椭圆极化天线。

实际应用中圆极化是理想状态，更多呈现的是椭圆极化状态。

标签和天线的极化应该保持一致，不然能量有耗损，影响超高频RFID系统性能。

3.4 现场环境
对于标签要根据现场环境选择决定何种类型的标签。

高性能的标签可以抵御高温和浸泡入的液体，但标签的背胶肯定遭受侵蚀；但背胶在严寒的环境会导致标签脆化易碎，根据实际可以选择使用螺栓或扎带。

在超高频RFID的部署环境中，有些介质是水泥，有些介质是金属或含金属物质，有些是泥土，某些是绝缘体和导体复合物（如轮胎）。

介质不同，介电常数就有差异，超高频RFID读写器读写性能差异较大，严重时漏读有时出现漏读。

对于漏读，先找出漏读的原因是什么，配合各种仪器，查出主要原因。

其中一个重要原因是标
签在不同的金属反射面多次的反射，产生了频率偏移。

正常标签的响应范围是860-960MHz，由于介质的不同，标签的响应范围整体往下偏移或往上偏移。

超高频RFID系统已经部署完成，可以使用改变超高频RFID的频率通道方法，关闭读取性能差的通信通道，达到优化的目的。

以FCC（美国无线电委员会）为例，超高频读写器中有一个Hopping Table（跳频表），频率范围是902-920MHz。

对于频率偏移，有一个简易的方法可以测得，关闭所有的调频通道，打开其中一个通道，使用超高频读写器进行盘点，记录读取的标签EPC（Electronic product code）和读写次数；重复50次，记录每个通道的读写器盘点状况。

对获取的EPC和盘点次数进行统计，统计出那个频段对应读取标签的数量比较多，剔除那些读取次数特别小的；如果靠近902MHz的通道读取标签数量多，表示环境对标签的频率影响使得标签频率响应低频的偏移，否则，频率往高频偏移。

使用排列组合，统计出读取标签最全且没有漏读的跳频通道组合，使超高频读写器不漏读；由于跳过某些读取性能差的通道，可以使超高频读写器读得更快，性能更好。

目前，超高频RFID系统的优化方案在多个项目中部署实施，提高了超高频RFID 读取的性能，减少读写器的漏读。

优化方案不管对手持式超高频RFID读写器还是在固定式超高频RFID读写器都可以推广使用。

使用优化方案，可以减轻现场超高频RFID部署的难度，加快项目实施的进度，同时为用户节约时间，实现稳定、可靠，满足客户需求。

致谢：
在写这篇论文的过程中，受益于多年的工作经验。

感谢在工作中领导、同事的引导和帮忙，感谢陈有寿、张娴婧等在论文修改中提出的建议和意见。

同时，谨向参加评审的专家和老师表达由衷的感激和崇高的敬意。

【相关文献】
[1]黄东军.物联网技术导论[M].北京：电子工业出版社，2012，9.
[2]李楠.基于超高频RFID系统的天线技术探究[J].软件导刊，2015，14（8）.
[3]哈维·夏巴纳，帕斯卡·于里安，简-费迪南·苏西尼.RFID与物联网[M].清华大学出版社.
[4]EPCTMRadio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHFRFID Protocol for Communications at 860MHz-960MHz Version 1.2.0.
[5]https://.。