文/繆程錳 劉冠一 李婷婷

1 引言

限于實(shí)體書店的發(fā)展現(xiàn)狀，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還僅僅停留在最基礎(chǔ)的階段，許多實(shí)體書店存在的問題依然沒有得到解決，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒有得到很好地利用。例如，實(shí)體書店經(jīng)營時(shí)必然會(huì)遇到讀者閱讀完后隨手?jǐn)R置手中的圖書或者由于閱讀時(shí)是移動(dòng)的把圖書放置于就近的書架，這增加了員工花費(fèi)在整理錯(cuò)位圖書上的時(shí)間，使得實(shí)體書店人工成本提高。本文提出基于RFΙD傳感器設(shè)計(jì)的圖書錯(cuò)位檢測警報(bào)系統(tǒng)，旨在利用RFΙD標(biāo)簽的編碼唯一性以及數(shù)據(jù)傳感器的信息處理傳輸功能，將同一書架上的圖書信息編碼儲(chǔ)存于RFΙD傳感器中，當(dāng)讀寫器讀取到不屬于本書架的編碼時(shí)，RFΙD傳感器將信號傳輸至讀寫器，然后將圖書錯(cuò)位信息及時(shí)地反饋到管理終端，方便書店員工隨時(shí)掌握圖書錯(cuò)置情況并及時(shí)歸位。

2 RFID傳感器技術(shù)

2.1 RFID傳感器系統(tǒng)及工作模式

RFΙD傳感器是將射頻識別技術(shù)與傳感器技術(shù)進(jìn)行結(jié)合（如圖1），主要分為有源與無源兩類，本文主要研究無源RFΙD傳感器。無源RFΙD傳感器基于電磁傳導(dǎo)機(jī)理，利用讀寫器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其能在不需要主動(dòng)功率供給和信號處理電路的情況下實(shí)現(xiàn)對物理量的測量。其主要原理是：利用RFΙD傳感器標(biāo)簽天線周圍環(huán)境物理和化學(xué)特性的改變引起的增益及阻抗變化，通過設(shè)計(jì)可讓這些變換被讀寫器接受并轉(zhuǎn)換為反饋信息，從而起到傳感器作用。

RFΙD傳感器主要由四部分組成：天線、讀寫部分、射頻模塊及控制模塊，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的無源RFΙD傳感器利用電磁耦合效應(yīng)，使讀寫器天線將電磁的能量以電磁波的形式傳播出去，在射頻標(biāo)簽天線接收到電磁波之后進(jìn)行相應(yīng)的信號處理反饋（如圖2）。

2.2 RFID傳感器工作原理

RFΙD標(biāo)簽主要有低頻、高頻、超高頻三種主要的工作頻段，其中低頻（125KHz-134KHz）RFΙD技術(shù)是各頻段中首先實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的頻段，該頻率通過讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間變壓器耦合的作用，為RFΙD射頻卡供電并完成數(shù)據(jù)讀寫；高頻RFΙD技術(shù)主要可利用工作頻率為13.56MHz，該頻率下的標(biāo)簽天線利用蝕刻、印刷等方式制作，省去了傳統(tǒng)的繞制方式，相應(yīng)配套的感應(yīng)器通過感應(yīng)器上的負(fù)載電阻的接通與斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對天線進(jìn)行振幅調(diào)制；超高頻RFΙD技術(shù)主要可利用工作頻段為860MHz-960MHz，該頻段讀取距離較遠(yuǎn)，無源天線可達(dá)到10m的讀取范圍，主要通過電容耦合的方式實(shí)現(xiàn)讀取。

本文主要采用超高頻RFΙD（860-960MHz）作為圖書錯(cuò)位警報(bào)系統(tǒng)RFΙD標(biāo)簽工作頻段。警報(bào)系統(tǒng)工作時(shí)，在圖書書架放置讀寫器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)圖書上的RFΙD標(biāo)簽的天線工作（如圖3），每個(gè)讀寫器對應(yīng)識別該層圖書所附識別碼，一旦出現(xiàn)非本層圖書（識別碼），讀寫器中電磁激發(fā)裝置啟動(dòng)，通過改變RFΙD標(biāo)簽天線接收的電磁量從而引起增益及阻抗的變化，利用這一變化將天線作為傳感器使用，將錯(cuò)位信息傳至管理終端。

3 警報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

3.1 RFID傳感器天線設(shè)計(jì)

圖1：RFID傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：RFID傳感器系統(tǒng)工作模式

圖3：警報(bào)系統(tǒng)硬件組成示意圖

本文所設(shè)計(jì)的圖書錯(cuò)位警報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵硬件在于RFΙD傳感器，而其中RFΙD標(biāo)簽天線是核心部分，由于天線的增益、阻抗變化會(huì)轉(zhuǎn)換為反饋信息，所以天線的設(shè)計(jì)需要更好地配合警報(bào)系統(tǒng)使用場景。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款彎折偶極子標(biāo)簽天線，通過電感禍合實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，天線尺寸50.4mm×30mm，增益為1.64 dBi.文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了兩個(gè)彎折偶極子天線，天線的尺寸分別為76.5mm×16mm和48.5mm×25.5mm，帶寬是860MHz ～ 938MHz和901MHz ～929MHz。

3.1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型RFΙD標(biāo)簽天線由于使用特殊性，對其體積的要求非常高，對其性能起主要影響的結(jié)構(gòu)包含T型匹配網(wǎng)絡(luò)和U型貼片，T型匹配網(wǎng)絡(luò)能有效地解決天線的匹配問題。其中天線帶寬為11%（860-960MHz），采用層疊微帶天線展寬天線帶寬[10]。其結(jié)構(gòu)共分三層，尺寸為440×220×20mm3，包含由厚度為t1的空氣層隔開的上下兩層介質(zhì)基板，基板厚度均為h，頂層基板兩面都附著金屬層，稱為頂層金屬和中層金屬;底層基板僅有底面附著金屬層，稱為底層金屬.為減小環(huán)境對天線的影響，底層金屬層完全覆蓋介質(zhì)底面，通過兩側(cè)金屬壁連接頂層和底層金屬，形成外層輻射體（如圖4所示）。

圖4：標(biāo)簽天線幾何結(jié)構(gòu)示意圖

在射頻識別系統(tǒng)工作過程中，信號發(fā)生器（讀寫器）產(chǎn)生的功率信號，通過同軸線傳遞至發(fā)射天線，以電磁波的形式散發(fā)出去，再有接收端（RFΙD標(biāo)簽）天線進(jìn)行接收反饋。讀寫器天線的極化方式一般需要做到圓極化（如圖5所示）。

3.1.2 天線參數(shù)設(shè)計(jì)

天線的增益與效率是天線設(shè)計(jì)過程中兩個(gè)很重要的參數(shù)。效率是衡量天線損耗大小的一個(gè)參考值，定義為天線的輻射功率與輸入天線的功率之比，與本身結(jié)構(gòu)及所用材料決定。天線效率用來表示能量轉(zhuǎn)換的能力，其值恒小于1。

其中，Pr表示天線輻射功率，Pin表示天線輸入功率。

天線的增益是衡量天線接收到的功率按特定的方向輻射能力的一個(gè)參量?？梢酝ㄟ^峰值輻射強(qiáng)度來測量。它的定義與方向性系數(shù)的定義很接近，但是增益是在方向性的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮了天線效率的問題，天線增益與方向性系數(shù)的關(guān)系如下：

圖5：讀寫器天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖6：電磁發(fā)射裝置振蕩電路

圖7：電磁發(fā)射裝置示意圖

另外輸入阻抗與反射系數(shù)也是天線設(shè)計(jì)中兩個(gè)重要參數(shù)。天線與后端的發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)通過傳輸線或者波導(dǎo)相連。天線饋電端口處的阻抗決定了它與后端傳輸線或波導(dǎo)的匹配特性，匹配的好壞影響傳輸?shù)教炀€的能量的多少，因此天線的輸入阻抗需設(shè)計(jì)合理才能實(shí)現(xiàn)天線的有效輻射。天線的阻抗定義式為：

其中，

Pin——天線的輸入復(fù)功率

Vin，Ιin——天線饋電端口處輸入電壓、電流

Rin——輸入電阻

Xin——輸入電抗

天線反射系數(shù)也叫電壓駐波比（voltage standing wave radio,VSWR），用來衡量天線匹配能力，天線與后端傳輸線不匹配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳輸線上傳輸駐波或者行駐波，這會(huì)導(dǎo)致能量的反射，造成天線的輻射效率大大下降，因此在天線設(shè)計(jì)過程中必須選擇合適的反射系數(shù)。定義式如下：

其中，VSWR是一個(gè)實(shí)數(shù)，等于1表示完全匹配，一般天線系統(tǒng)要求VSWR≤2。

3.2 讀寫器電磁激發(fā)裝置設(shè)計(jì)

為了引起RFΙD標(biāo)簽天線阻抗及增益的變化，在讀寫器內(nèi)設(shè)計(jì)了一款小型電磁波信號發(fā)射裝置，當(dāng)異駕圖書放到本書駕時(shí)，讀寫器讀取圖書識別碼并通過微控制器啟動(dòng)電磁波發(fā)射裝置，從而改變RFΙD標(biāo)簽天線的增益及阻抗數(shù)值，并將這一變化傳輸?shù)焦芾斫K端平臺，報(bào)警圖書錯(cuò)位信息。

電磁波由發(fā)射裝置中振蕩電路產(chǎn)生，振蕩電路的電容器兩極板拉開成為兩條直導(dǎo)線，作為天線和地線，有效地向外輻射電磁能量。電路中產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)散（如圖6所示）。電磁發(fā)射裝置由封裝外殼、微控制器、電磁發(fā)射模塊及電池模塊組成，微控制器由讀寫器進(jìn)行控制，當(dāng)讀寫器檢測到不屬于本書架標(biāo)識碼則通過微控制器啟動(dòng)電磁發(fā)射裝置（如圖7所示）。

4 警報(bào)系統(tǒng)管理終端平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理終端平臺利用MATLAB guide軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，主要包含系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，其中系統(tǒng)管理模塊最為重要，其子模塊既圖書狀態(tài)管理模塊是本警報(bào)系統(tǒng)的重點(diǎn)。

利用圖書上附著的RFΙD標(biāo)簽以及帶有電磁發(fā)射裝置的讀寫器，當(dāng)不屬于該書架的圖書被讀寫器識別到之后，電磁激發(fā)裝置啟動(dòng)改變標(biāo)簽天線增益阻抗，通過RFΙD傳感器將這一變化直接傳至管理終端，則圖書狀態(tài)管理模塊便會(huì)顯示該錯(cuò)位圖書的位置及信息，同時(shí)表示該書架的模塊變?yōu)榧t色發(fā)出警報(bào)提示（如圖8、9、10所示）。

5 結(jié)論

針對當(dāng)前實(shí)體書店人工成本不斷上升、圖書歸置不及時(shí)的問題，設(shè)計(jì)了一套圖書錯(cuò)位警報(bào)系統(tǒng)，采用超高頻作為RFΙD標(biāo)簽工作頻段，特別在讀寫器中加入電磁激發(fā)裝置，通過電磁波的改變以此引起圖書附著RFΙD標(biāo)簽天線增益、阻抗的改變，起到傳感器作用。電磁發(fā)射裝置主要通過振蕩電路進(jìn)行電磁波發(fā)射，通過微控制器啟停電路。最終將圖書錯(cuò)位信息傳遞至管理終端。

該系統(tǒng)可以有效地減少實(shí)體書店工作人員用于尋找、整理錯(cuò)位圖書的時(shí)間，降低人工成本；同時(shí)能讓錯(cuò)置圖書及時(shí)歸位，保證了讀者的選購質(zhì)量，有效地提高實(shí)體書店服務(wù)水平。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低廉，適用于各類實(shí)體書店及圖書館使用。

圖8：系統(tǒng)終端管理平臺首頁

圖9：系統(tǒng)管理模塊界面

圖10：圖書狀態(tài)管理界面