劉敬光 吳斯棟 梁小明 洪曉斌

（1.廣州市標(biāo)準(zhǔn)化研究院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

新型RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)體系設(shè)計*

劉敬光1吳斯棟2梁小明1洪曉斌2

（1.廣州市標(biāo)準(zhǔn)化研究院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

本文介紹了無線傳感識別測控平臺，根據(jù)性能測試可測量、可重復(fù)、可對比以及應(yīng)用有效原則，采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分方法，提出集成傳感器RFID系統(tǒng)的基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)新體系，并分別介紹了測試指標(biāo)體系中各個指標(biāo)的內(nèi)容、使用導(dǎo)向與評價標(biāo)準(zhǔn)，為保證集成傳感器RFID系統(tǒng)的工作性能和有效部署奠定了基礎(chǔ)。

RFID；基準(zhǔn)性能；指標(biāo)體系；傳感器

1 引言

隨著RFID技術(shù)的蓬勃發(fā)展，市場對RFID設(shè)備的需求也日趨旺盛。越來越多的廠商和企業(yè)投入到RFID設(shè)備生產(chǎn)這一領(lǐng)域內(nèi)，各種不同類型的RFID設(shè)備不斷涌現(xiàn)。然而，不同的設(shè)計方案與制作工藝導(dǎo)致了不同品牌和型號的RFID設(shè)備性能出現(xiàn)顯著的差異，并且RFID設(shè)備生產(chǎn)商所標(biāo)稱的產(chǎn)品及系統(tǒng)性能參數(shù)都是基于不同的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品之間的比較缺乏統(tǒng)一的基準(zhǔn)平臺，這給對同類產(chǎn)品性能進(jìn)行有效公正的橫向比較以及系統(tǒng)集成應(yīng)用帶來了困難[1]。因此，對RFID設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的評估成為有效部署RFID系統(tǒng)的一項關(guān)鍵任務(wù)。

目前國內(nèi)外幾大主要地區(qū)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)根據(jù)不同地域的產(chǎn)業(yè)特點、業(yè)務(wù)需求以及政企管理需要，分別設(shè)計了不同特點的RFID基準(zhǔn)測試體系，并建立了相應(yīng)的RFID測試中心。如美國Sun RFID測試中心，設(shè)計了注重解決優(yōu)化標(biāo)簽和后臺數(shù)據(jù)整合問題的RFID測試體系；歐洲英飛凌科技公司RFID解決方案展示和測評中心采用的RFID基準(zhǔn)測試體系，主要針對專用RFID系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)和驗證[2]；中國科學(xué)院自動化研究所RFID研究中心建立的國內(nèi)首個國家級RFID測試實驗室，根據(jù)應(yīng)用可靠性測試的原則總結(jié)出了一套系統(tǒng)及應(yīng)用實務(wù)評測體系；上海復(fù)旦大學(xué)Auto-ID中國實驗室的RFID演示平臺，提出了為標(biāo)準(zhǔn)制訂和產(chǎn)品設(shè)計提供的參考評測體系等[3]。同時，傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一，呈現(xiàn)出與RFID技術(shù)的互補(bǔ)融合趨勢，促使集成傳感器RFID系統(tǒng)技術(shù)逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究熱點。因此，建立一套符合RFID系統(tǒng)發(fā)展趨勢所需的測試基準(zhǔn)體系具有重要的研究意義和前瞻性。本文基于前期研究，設(shè)計了一套集成傳感器RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)體系。

2 WSID網(wǎng)絡(luò)測控平臺

本文前期設(shè)計了一套WSID測控平臺[4]。該平臺分為現(xiàn)場測控層、企業(yè)級監(jiān)控層及遠(yuǎn)程監(jiān)控層三層結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場測控層是對底層現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及處理；企業(yè)級監(jiān)控層即在線控制現(xiàn)場設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)控層可利用當(dāng)前的商業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測與控制?，F(xiàn)場測控層采用IEEE 802.15.4的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，構(gòu)建一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集成了無源RFID標(biāo)簽和傳感器，分別負(fù)責(zé)采集物品信息和環(huán)境等參量?，F(xiàn)場測控網(wǎng)與企業(yè)監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，企業(yè)監(jiān)控層采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)服務(wù)器中存放各種數(shù)據(jù)庫等資源，并通過Web服務(wù)器與外界Internet相連。現(xiàn)場測控層對測控數(shù)據(jù)的傳遞起著橋梁的作用，主要包括多個無源RFID傳感裝置、匯聚節(jié)點/網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場監(jiān)控微機(jī)，各組成單元在系統(tǒng)中承擔(dān)不同的測控任務(wù)。企業(yè)級監(jiān)控層位于現(xiàn)場測控層的上層，具體包括測控策略服務(wù)器、系統(tǒng)服務(wù)器、工作站及Web服務(wù)器等，主要負(fù)責(zé)綜合監(jiān)控測控現(xiàn)場的所有信息并集中顯示，進(jìn)行系統(tǒng)測控策略設(shè)計。遠(yuǎn)程測控層構(gòu)建在Internet框架上，在線提供現(xiàn)場測控參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶可以隨時瀏覽測控現(xiàn)場的各種實時數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場的工作情況。

WSID網(wǎng)絡(luò)測控平臺能夠充分發(fā)揮以WSN作為前端測控網(wǎng)絡(luò)、以無源RFID傳感裝置采集物品相關(guān)信息的優(yōu)勢，擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展空間。在結(jié)合中間監(jiān)控層和后端服務(wù)層需要的同時，如何保證測控網(wǎng)絡(luò)前端采集信息的實時性和有效性則是測控平臺總體規(guī)劃中的首要技術(shù)要求。因此，有必要針對WSID網(wǎng)絡(luò)測控平臺前端的集成傳感器RFID系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的性能評估。

3 集成傳感器RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試體系框架結(jié)構(gòu)

從WSID網(wǎng)絡(luò)測控平臺的集成傳感器RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試體系的直觀性、應(yīng)用有效性和客觀性等方面考慮，系統(tǒng)性能測試指標(biāo)須符合如下要求：評價標(biāo)準(zhǔn)可測量；評價方法可重復(fù)；評價結(jié)果可對比。對RFID設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)評估不僅要求評估各個系統(tǒng)組成部分的獨立性能，同時要求評估各個系統(tǒng)組成部分相互聯(lián)系時的構(gòu)造性能[5]。只有同時滿足以上評估要求，才能全面地評價既有的RFID設(shè)備及系統(tǒng)的性能，保證RFID應(yīng)用系統(tǒng)可靠有效運(yùn)行，為有效部署RFID系統(tǒng)提供重要依據(jù)。因此，本文分別從RFID標(biāo)簽、閱讀器、天線、智能傳感器混合模式接口（Mixed Mode Interface，MMI）以及系統(tǒng)五個部分，研究集成傳感器RFID系統(tǒng)的基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)體系。

RFID標(biāo)簽在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)信息標(biāo)識以及傳感器工作能量儲備和供應(yīng)。它在電路設(shè)計、加工工藝和現(xiàn)場部署等多個程序上存在差別，導(dǎo)致其在多個方面呈現(xiàn)性能差異。根據(jù)這些性能差異在應(yīng)用效果上的影響程度，設(shè)計出五個子指標(biāo)，對實現(xiàn)RFID標(biāo)簽功能的模塊進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)簽性能評價，分別為標(biāo)簽工作場強(qiáng)閾值、標(biāo)簽靈敏度降級、標(biāo)簽介質(zhì)影響、標(biāo)簽芯片功耗以及標(biāo)簽排列密度。這五個指標(biāo)均采用標(biāo)簽的反向散射強(qiáng)度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，以考察RFID應(yīng)用系統(tǒng)中相關(guān)標(biāo)簽配置信息對標(biāo)簽工作性能的影響。

閱讀器在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)能量的輸送以及信號的收發(fā)，其硬件設(shè)計的差別會導(dǎo)致能量和信號質(zhì)量的差異；在處理復(fù)雜環(huán)境下通信問題的過程中，采用不同的調(diào)度算法和處理算法也同樣會導(dǎo)致閱讀器性能出現(xiàn)多方面差異。因此，設(shè)計三個閱讀器性能指標(biāo)對實現(xiàn)閱讀器功能的模塊進(jìn)行評價，包括閱讀器頻譜表現(xiàn)、閱讀器接收靈敏度和閱讀器防碰撞能力。

RFID系統(tǒng)中天線性能的評估，注重讀寫器經(jīng)天線發(fā)出的電磁波能量分布，即天線能量分布。它可以與由標(biāo)簽芯片功耗和閱讀器接收靈敏度組合確定的功率閾值作對比，從而在天線能量分布圖上獲取一個RFID系統(tǒng)正常工作的范圍。

混合模式接口能夠?qū)崿F(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)化。傳感器接口采用不同的設(shè)計方案或者系統(tǒng)采用不同的接入算法都會使其性能在多方面體現(xiàn)出差異。對混合模式接口的關(guān)注，主要集中在近年來IEEE1451.4混合模式傳感器接口引發(fā)的對傳統(tǒng)模擬式傳感器和傳感器的自識別功能的發(fā)展上。集成傳感器RFID系統(tǒng)應(yīng)用中設(shè)計了兩個描述智能傳感器插拔過程的性能指標(biāo)，分別為影響傳感器接入質(zhì)量的即插即用性能以及影響傳感器插拔安全的熱插拔性能。

最后，在前面所述的四個分支指標(biāo)確定的前提下，利用既選的RFID標(biāo)簽、閱讀器、天線及IEEE1451.4智能傳感器構(gòu)建一個RFID應(yīng)用系統(tǒng)，針對該應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能的總體評價，即為系統(tǒng)穩(wěn)定性能。

4 RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)體系

以下分別從測試指標(biāo)的內(nèi)容、導(dǎo)向和評價標(biāo)準(zhǔn)三方面分析RFID基準(zhǔn)性能測試體系。

4.1 RFID標(biāo)簽性能測試指標(biāo)

① 工作場強(qiáng)閾值

標(biāo)簽工作場強(qiáng)閾值可分為識別磁場強(qiáng)度閾值、讀磁場強(qiáng)度閾值、寫磁場強(qiáng)度閾值、最大工作磁場強(qiáng)度閾值以及生存磁場強(qiáng)度閾值。識別磁場強(qiáng)度閾值是指標(biāo)簽識別所需要的磁場強(qiáng)度閥值水平，標(biāo)簽需要能量工作，能量則來自于磁場，識別磁場閾值是允許標(biāo)簽識別的最小場強(qiáng)；讀磁場強(qiáng)度閾值是指標(biāo)簽讀操作所需要的最小磁場強(qiáng)度閥值水平；寫磁場強(qiáng)度閾值是指標(biāo)簽寫操作所需要的最小磁場強(qiáng)度閥值水平；最大工作磁場強(qiáng)度閾值是指標(biāo)簽和讀寫器實現(xiàn)正常識別、讀寫通信的最大工作磁場強(qiáng)度；生存磁場強(qiáng)度閾值是指當(dāng)標(biāo)簽放置環(huán)境的磁場強(qiáng)度超過該強(qiáng)度后，即使將磁場強(qiáng)度再降低到識別磁場強(qiáng)度閾值和最大工作磁場強(qiáng)度閾值之間，標(biāo)簽也不再能工作。標(biāo)簽工作場強(qiáng)閾值是為了給使用者提供一個對標(biāo)簽進(jìn)行各種操作時的正常且安全的場強(qiáng)水平，其評價標(biāo)準(zhǔn)直接采用磁場強(qiáng)度計量。

② 標(biāo)簽靈敏度降級

標(biāo)簽靈敏度降級是指標(biāo)簽在各個不同的方向（方位角和俯仰角）上對標(biāo)簽工作性能造成的差異影響。標(biāo)簽靈敏度降級有助于使用者直觀地了解一款RFID標(biāo)簽產(chǎn)品在相對閱讀器不同方位下的性能表現(xiàn)，從而指導(dǎo)使用者配置性能表現(xiàn)更好的標(biāo)簽方位。標(biāo)簽靈敏度降級的評價標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)簽的反向散射強(qiáng)度，更直觀地反映出RFID標(biāo)簽工作的有效性，同時方便定量測量和連續(xù)測量，最重要的是隔離了閱讀器對測量結(jié)果的影響。

③ 介質(zhì)影響

介質(zhì)影響是指RFID標(biāo)簽的工作性能可能由于介質(zhì)材料和介質(zhì)間距引發(fā)的諧振頻率漂移問題發(fā)生改變。介質(zhì)影響的測試是為了幫助使用者獲得標(biāo)簽工作在不同介質(zhì)或不同介質(zhì)距離環(huán)境下的性能表現(xiàn)，從而指導(dǎo)使用者采用合適的介質(zhì)配置方法，降低標(biāo)簽周圍的介質(zhì)對標(biāo)簽性能的影響。標(biāo)簽介質(zhì)影響采用標(biāo)簽的反向散射強(qiáng)度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

④ 芯片功耗

標(biāo)簽芯片功耗是指標(biāo)簽在工作時所需要的最小能量消耗。標(biāo)簽芯片功耗的測試，可以協(xié)助使用者選擇功耗更低、識讀機(jī)會更高的RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽芯片功耗采用標(biāo)簽的反向散射強(qiáng)度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

⑤ 標(biāo)簽排列密度

標(biāo)簽排列密度是指測試標(biāo)簽位于一個標(biāo)簽群中時，測試標(biāo)簽工作性能受到周圍不同空間排列和不同密度標(biāo)簽群的干擾影響。標(biāo)簽排列密度測試可以協(xié)助使用者在構(gòu)建多標(biāo)簽環(huán)境的RFID應(yīng)用系統(tǒng)時，選擇效果更好的標(biāo)簽群部署方式，減少標(biāo)簽間的干擾影響，保證更好的標(biāo)簽工作性能。標(biāo)簽排列密度采用標(biāo)簽的反向散射強(qiáng)度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 閱讀器性能測試指標(biāo)

① 頻譜表現(xiàn)

閱讀器頻譜表現(xiàn)是指閱讀器產(chǎn)品直接輸出的頻譜信號，包括信道帶寬及信道占用帶寬、載波頻率容限、發(fā)射功率和鄰道功率泄漏比等。閱讀器頻譜表現(xiàn)的測試結(jié)果與使用者所在地?zé)o線電管理機(jī)構(gòu)分配到的RFID閱讀器頻譜特性要求的對比，可以協(xié)助使用者選擇頻譜符合標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器產(chǎn)品。閱讀器頻譜表現(xiàn)采用頻域信號作為評價標(biāo)準(zhǔn)，具有直觀、可測量和抗干擾的性能。

② 接收靈敏度

閱讀器接收靈敏度是指閱讀器能夠正確解讀反射鏈路中標(biāo)簽傳送回來信號時的最小功率，是表征閱讀器接收微弱信號能力的指標(biāo)。閱讀器接收靈敏度測試是為了協(xié)助使用者選擇識別效果更好的閱讀器，為構(gòu)造一個合理的系統(tǒng)工作范圍提供依據(jù)。

③ 防碰撞能力

閱讀器防碰撞能力是指閱讀器在識讀不同數(shù)量級的RFID標(biāo)簽群過程中的有效識讀能力。閱讀器防碰撞能力可以協(xié)助使用者在多數(shù)量標(biāo)簽群的工作環(huán)境下選用性能更好的閱讀器，避免發(fā)生傳輸失敗、信息丟失等狀況。閱讀器防碰撞能力采用時隙信號作為評價標(biāo)準(zhǔn)，評價結(jié)果是識讀過程中有效時隙占總體時間的占空比，即吞吐率。

4.3 天線、MMI及系統(tǒng)性能測試指標(biāo)

① 天線能量分布

天線能量分布是指在固定頻率和功率的信號驅(qū)動下，天線輻射出去的能量在空間極坐標(biāo)系中的功率或場強(qiáng)的分布特性。天線能量分布的評價標(biāo)準(zhǔn)可以直接采用功率或場強(qiáng)表示。

② 即插即用

針對智能傳感器混合模式接口的特點，設(shè)計了識別速度和識別成功率兩個子指標(biāo)作為MMI即插即用性能測試指標(biāo)。MMI即插即用性能的測試可以協(xié)助使用者在算法未知的情況下選擇效率和可靠性更高的傳感器接口。

③ 熱插拔

一般的插拔操作可能產(chǎn)生過電流、瞬態(tài)電壓或靜電釋放等危害，其中尤以靜電釋放的危害最大，瞬態(tài)電壓可能為正常工作電壓的幾倍，但是靜電釋放電壓卻可以達(dá)到幾千伏。因此，針對靜電釋放危害的破壞性進(jìn)行實驗來檢驗MMI接口的熱插拔性能。熱插拔性能的實驗結(jié)果可以協(xié)助使用者選擇安全性更高的傳感器接口，避免接口或系統(tǒng)損壞。

④ 系統(tǒng)工作性能

對于系統(tǒng)工作性能的評價比較宏觀，設(shè)計靜態(tài)測試和動態(tài)測試環(huán)境下系統(tǒng)的識讀范圍和識讀速度作為系統(tǒng)性能指標(biāo)。識讀范圍一般定義為標(biāo)簽不能被讀取的最短距離，它表示在這段距離內(nèi)閱讀器能可靠地讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。識別速度是指單位時間內(nèi)閱讀器識讀標(biāo)簽的總次數(shù)。識讀范圍和識讀速度可以作為評價一個現(xiàn)有RFID應(yīng)用系統(tǒng)的顯示標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

目前集成傳感器RFID系統(tǒng)的概念和研究受到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人士的廣泛重視，但其技術(shù)驅(qū)動和應(yīng)用仍處在初期階段。集成傳感器RFID系統(tǒng)將在相對較長的一段時間內(nèi)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的底層重心，對于它的性能評估和保障也將隨之得到進(jìn)一步重視。本文提出集成傳感器RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能測試指標(biāo)體系，兼顧了典型RFID系統(tǒng)基準(zhǔn)性能評估中應(yīng)該注意的各個系統(tǒng)組成部分，使測試指標(biāo)的分析全部定量化，并且具備指標(biāo)組合重構(gòu)的潛能。加入了傳感器性能測試的思想，增加了系統(tǒng)接口的穩(wěn)定性和可靠性，為未來進(jìn)一步的集成傳感器RFID系統(tǒng)的性能測試發(fā)展需要奠定基礎(chǔ)。

[1] J.David Porter,Richard E.Billo,Marlin H.Michie.A Standard Test Protocol for Evaluation of Radio Frequency Identification Systems for Supply Chain Applications[J].Journal of Manufacturin Systems,2004,23(1):46-55.

[2] 徐永成,羅日榮,陶利民,等.射頻識別技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、問題與對策[J].測控技術(shù),2008,27(11):96-99.

[3] 劉禹,朱智源,關(guān)強(qiáng),等.基于試驗設(shè)計的RFID應(yīng)用組合測試優(yōu)化研究[J].自動化學(xué)報,2010,36(12):1674-1680.

[4] 洪曉斌,周欽河,杜喜鵬,等.IPv4/IPv6共存多層智能測控平臺設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2008,30(7):88-92.

[5] ISO/IEC Information Technology—Automatic Identification and Data Capture Techniques —Radio Frequency Identification Device Performance Test Methods, ISO/IEC TR 18046,2006.

Design on Benchmark Performance Testing Indexes System for a RFID System

Liu Jingguang1Wu Sidong2Liang Xiaoming1Hong Xiaobin2
(1. Guangzhou Institute of Standardization 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology）

The WSID networked measuring and controlling platform is presented in the paper. On the basis of principles of performance testing, including measurability, comparability, repeatability and application availability, a benchmark performance testing indexes system of a new-type RFID system is put forward with the method of system structure. The contents, guides and evaluation criterions of each index are presented. The indexes system lays a foundation for guaranteeing performance and efficient deployment of the new-type system integrating sensors.

RFID; Benchmark Performance; Indexes System; Sensor

國家自然科學(xué)基金項目（61101015）

劉敬光，男，1978年生，工學(xué)碩士，工程師，主要從事編碼及自動識別、檢測技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。