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        一種模擬應(yīng)用場景的RFID設(shè)備檢測方法研究

        2018-03-09 20:21:09劉一濤劉濱
        科技視界 2017年35期
        關(guān)鍵詞:電子標(biāo)簽發(fā)球標(biāo)簽

        劉一濤+劉濱

        中圖分類號: TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 2095-2457(2017)35-0053-002

        Research on RFID Device Testing Method for Simulation Application

        LIU Yi-tao LIU Bin

        (Shanghai Zhongjing FudianElectronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201303,China)

        1 RFID產(chǎn)品檢測現(xiàn)狀

        射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù),是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。RFID產(chǎn)業(yè)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、制造與生產(chǎn)方法上是比較成熟的,但由于在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中存在各種干擾及不確定性,如何保證或提高產(chǎn)品大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用時(shí)的有效性和可靠性,是目前面臨的主要問題。

        目前我國RFID系統(tǒng)應(yīng)用測試技術(shù)還處于探索研究和起步建設(shè)階段,沒有形成系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系,應(yīng)用測試技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)水平與國外差距較大。自2011年左右起,中國物品編碼中心、中科院自動化所等科研院所和高校開始建立RFID測試實(shí)驗(yàn)室,并研究開發(fā)我國自主標(biāo)準(zhǔn)的RFID 測試系統(tǒng),目標(biāo)是突破核心技術(shù),形成核心能力,實(shí)現(xiàn)射頻識別技術(shù)應(yīng)用性能、產(chǎn)品及系統(tǒng)性能及安全性能的專業(yè)測試。

        在實(shí)際應(yīng)用中,一方面RFID技術(shù)將會有越來越多的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成商開始踏足規(guī)?;袠I(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù);另一方面由于企業(yè)自身?xiàng)l件或客戶所處特殊行業(yè)限制(包括地理位置、現(xiàn)場環(huán)境等),又會出現(xiàn)難于即時(shí)獲得應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的情況,尤其是那些關(guān)系系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵要素環(huán)境,如通信基站或高壓輸變電設(shè)備(線路)附近的電磁場環(huán)境、時(shí)速150km/h的高速行駛環(huán)境、酷暑(+65℃)嚴(yán)寒(-20℃)環(huán)境等。對于系統(tǒng)開發(fā)商來說,在項(xiàng)目開發(fā)階段,為了調(diào)試系統(tǒng),就得頻繁奔波于應(yīng)用現(xiàn)場,從項(xiàng)目成本控制的角度講,這種做法顯然不可取。

        有鑒于此,研究建立自主標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場景模擬檢測實(shí)驗(yàn)室,可以針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況,為系統(tǒng)集成商提供特定運(yùn)行環(huán)境要素下的系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù),使得其行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)最終盡可能符合客戶現(xiàn)場環(huán)境要求,達(dá)到實(shí)際部署、運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。

        2 特定應(yīng)用場景檢測需求

        RFID技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、交通、物流和公共安全等多個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛地應(yīng)用,并且日益顯示出它的巨大潛力。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境的有著各種干擾,為保證系統(tǒng)或產(chǎn)品的正常工作,往往要通過現(xiàn)場的反復(fù)調(diào)試、測試及一段時(shí)間的試運(yùn)行來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,這大大影響了RFID產(chǎn)品的使用效果。

        下面以高速路口車輛識別、停車場管理、高速物流卡口、非接觸門禁管理等行業(yè)規(guī)模化應(yīng)用為對象,研究建立此類應(yīng)用場景的模擬檢測環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)針對此類應(yīng)用的RFID產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室檢測。

        2.1 場景描述

        在此類RFID技術(shù)行業(yè)應(yīng)用中,RFID標(biāo)簽被安裝在具有一定運(yùn)行速度的物體上,如汽車的ETC卡、車場出入口的門禁卡、貨運(yùn)小車上貨物標(biāo)簽等。它們通過RFID識讀設(shè)備時(shí),具有一定速度、一定角度、不規(guī)則的運(yùn)動軌跡、不同材質(zhì)附著物等特點(diǎn),要求在很短時(shí)間內(nèi)能正確識別標(biāo)簽信息,保證較高的識讀正確率。

        本文中將此類場景稱為“速度場景”。在此類場景中射頻信號會受到很多因素影響,如RFID電子標(biāo)簽附著物材質(zhì)、信號強(qiáng)度范圍、輻射角度等。當(dāng)附著物不是靜態(tài)的時(shí)候,帶有電子標(biāo)簽的物體與RFID識讀設(shè)備間的相對運(yùn)動速度,會導(dǎo)致多普勒效應(yīng),相對運(yùn)動速度越快表現(xiàn)就越明顯,這將影響識讀的正確率。

        建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的速度場景模擬檢測系統(tǒng),是通過運(yùn)動裝置模擬車輛或物體的高速運(yùn)動狀態(tài),測試、驗(yàn)證多普勒效應(yīng)以及環(huán)境中電磁場信號對RFID技術(shù)應(yīng)用可能產(chǎn)生的影響,評估RFID產(chǎn)品性能。

        2.2 檢測需求

        通過對應(yīng)用場景分析,在實(shí)驗(yàn)室建立模擬測試環(huán)境的功能要求是:被測電子標(biāo)簽以一定運(yùn)動速度通過識讀區(qū);識讀設(shè)備進(jìn)行識讀,記錄識讀信息并判斷是否正確;反復(fù)多次最終得到此產(chǎn)品的識讀正確率。

        按照應(yīng)用場景分析結(jié)果,主要指標(biāo)應(yīng)有:

        a)標(biāo)簽運(yùn)動瞬時(shí)速度:0.5m/s~8m/s;

        b)標(biāo)簽運(yùn)動方式是不規(guī)則路線的非勻速運(yùn)動;

        c)標(biāo)簽可附著于金屬及非金屬物體

        實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行速度模擬是在綜合分析了城市交通行業(yè)、物流行業(yè)等應(yīng)用的基礎(chǔ)上,專門針對特定車輛行駛速度而進(jìn)行的系統(tǒng)化模擬,同時(shí)考慮介質(zhì)要素及安裝方式,可以科學(xué)、客觀地對RFID產(chǎn)品進(jìn)行靈敏度、性能測試評估,驗(yàn)證實(shí)際運(yùn)行效果。

        3 檢測方法設(shè)計(jì)

        3.1 RFID組成

        一套完整的RFID應(yīng)用系統(tǒng)包括:電子標(biāo)簽、識讀設(shè)備(閱讀器)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

        電子標(biāo)簽包括有源和無源兩種,因有源標(biāo)簽應(yīng)用范圍不及無源標(biāo)簽廣、且測試方法沒有本質(zhì)區(qū)別,所以在本文中僅以無源標(biāo)簽為例進(jìn)行研究。無源標(biāo)簽在此類非接觸式應(yīng)用中一般附于對象表面,在識讀時(shí)與閱讀器之間一般不能有物體隔離,或僅有簡單的非金屬隔離(如玻璃)。電子標(biāo)簽內(nèi)存數(shù)據(jù)信息,依靠接收到的無線電信號能量發(fā)射帶有信息的回答信號。

        識讀設(shè)備包括識讀器和天線兩部分,能夠發(fā)射帶有一定能量的無線電信號給電子標(biāo)簽;同時(shí)接收電子標(biāo)簽的信號,并記錄數(shù)據(jù)信息。識讀設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間有通信接口。識讀設(shè)備天線的正面扇形區(qū)域是讀取電子標(biāo)簽的有效識讀區(qū)。

        計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過接口接收識讀設(shè)備信息,并向識讀設(shè)備下達(dá)工作指令、設(shè)置參數(shù)等。

        3.2 空間運(yùn)動方式

        物體空間運(yùn)動的主要指標(biāo)是速度。

        速度(velocity)表征動點(diǎn)在某瞬時(shí)運(yùn)動快慢和運(yùn)動方向的矢量,記為v:

        速度是動點(diǎn)矢徑對時(shí)間的導(dǎo)數(shù),其方向同軌跡的切線方向一致??臻g曲線運(yùn)動中,速度在直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系中的表示方法如下:

        將電子標(biāo)簽在空間運(yùn)動軌跡記錄下來,放入平面直角坐標(biāo)系中。以坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn),畫出與弧形運(yùn)行軌跡的切線。此切線與坐標(biāo)系X軸的角度作為電子標(biāo)簽的初始角度。

        通過采用一種設(shè)備(如乒乓球發(fā)球機(jī)、羽毛球發(fā)球機(jī)等)將帶有電子標(biāo)簽的物體發(fā)射出去,在空間形成可記錄速度的運(yùn)動軌跡。運(yùn)動軌跡應(yīng)落在識讀設(shè)備的識讀區(qū)域內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)對此類RFID產(chǎn)品的檢測。

        選擇目前在戶外應(yīng)用中常見的的UHF標(biāo)簽,設(shè)置不同速度、多種角度以及常見的附著物體(木質(zhì)、塑料質(zhì)、毛質(zhì)、鐵質(zhì))進(jìn)行測試,以判斷常見UHF標(biāo)簽在不同的速度,不同的角度以及不同的附著物下的讀取距離范圍、信號強(qiáng)度范圍、靈敏度范圍等。

        3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

        測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖,包括電子標(biāo)簽、運(yùn)動物體發(fā)射設(shè)備、識讀設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備等。相應(yīng)地產(chǎn)生或記錄的數(shù)據(jù)信息包括:標(biāo)簽ID信息、運(yùn)動物體的初速度信息、識讀ID信息、多次測試結(jié)果(報(bào)表)。

        4 實(shí)現(xiàn)方案

        4.1 系統(tǒng)組成及要求

        硬件部分包括羽毛球發(fā)球機(jī)、多種材質(zhì)羽毛球、計(jì)算機(jī)設(shè)備。

        軟件部分包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、速度場景模擬分析軟件。

        測試對象包括:電子標(biāo)簽、識讀設(shè)備、設(shè)備驅(qū)動及接口軟件。

        綜合各方因素,為確保檢測系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行,系統(tǒng)將至少滿足下述性能指標(biāo):

        1)可存儲百萬字節(jié)數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)操作客戶端響應(yīng)時(shí)間小于2秒;

        2)系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間大于5000小時(shí);

        3)信號強(qiáng)度范圍:-69~-15dbm

        4)靈敏度范圍:-69~-15dbm

        5)每分鐘模擬物體數(shù)量:大于100

        6)速度檔數(shù):0~20m/s

        7)識讀區(qū)域角度:0~180度

        4.2 測試方法

        測試選擇的標(biāo)簽應(yīng)該至少有兩種:普通的RFID標(biāo)簽和抗金屬RFID標(biāo)簽。

        測試分為三大類:

        a)發(fā)球速度和發(fā)球角度不變,使用不同的附著物質(zhì)(木質(zhì)、塑料質(zhì)、毛質(zhì)、鐵質(zhì))進(jìn)行測試;

        b)發(fā)球速度和標(biāo)簽附著物質(zhì)不變,改變不同的發(fā)球角度進(jìn)行測試;

        c)發(fā)球角度和標(biāo)簽附著物質(zhì)不變,調(diào)節(jié)每次的發(fā)球速度進(jìn)行測試。

        每一大類測試中的同一條件測試應(yīng)該測試三次或三次以上取其平均的測試數(shù)據(jù),以此減少測試中的誤差。

        4.3 測試數(shù)據(jù)示例

        測試數(shù)據(jù)記錄如表所示。

        5 結(jié)語

        通過對RFID技術(shù)行業(yè)應(yīng)用場景的分析,提取出應(yīng)用場景要素,建立實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際要求的RFID產(chǎn)品檢測,這是檢測技術(shù)發(fā)展的重要手段之一。本文針對速度場景建立的模擬測試系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽在運(yùn)動速度、運(yùn)動角度、附著材質(zhì)等因素影響下的性能檢測;不足之處在于還不能準(zhǔn)確記錄電子標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)。改進(jìn)方法是在運(yùn)動物體上增加位置傳感器,可以得到更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息,但同時(shí)會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]郎為民.射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

        [2]游戰(zhàn)清,李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用,電子工業(yè)出版社,2004.

        [3]李楠,RFID無線射頻識別技術(shù)應(yīng)用探析,《激光雜志》[J].2009,6.endprint

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