詳細(xì)剖析RFID識(shí)別技術(shù)常見的應(yīng)用場(chǎng)景案例

射頻識(shí)別(RFID)作為物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于物流、交通、電子支付、安全鑒別等領(lǐng)域。其中很多應(yīng)用需要在高速運(yùn)動(dòng)中對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，例如ETC電子收費(fèi)系統(tǒng)、電子車牌、列車電子標(biāo)簽。這些系統(tǒng)都需要貼裝射頻識(shí)別標(biāo)簽的車輛、列車在運(yùn)動(dòng)中和讀寫器應(yīng)答。讀寫器-標(biāo)簽系統(tǒng)對(duì)速度適應(yīng)范圍越大，對(duì)交通影響越小，使用越方便，應(yīng)用價(jià)值越大。然而在高速運(yùn)動(dòng)中，RFID讀寫器和標(biāo)簽之間的通信信道在動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致標(biāo)簽接收到的單個(gè)指令信號(hào)就帶有這種變化產(chǎn)生的信號(hào)畸變。如何評(píng)估標(biāo)簽在高速運(yùn)動(dòng)情況下的響應(yīng)能力，是標(biāo)簽性能評(píng)估的重要內(nèi)容。

有實(shí)驗(yàn)室采用實(shí)物模擬的方法，架起一個(gè)直線導(dǎo)軌，把標(biāo)簽放在導(dǎo)軌上的小車?yán)?，快速拉?dòng)小車，模擬快速移動(dòng)的場(chǎng)景。這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單，但是顯然不能模擬全速運(yùn)行車輛的速度，也難以控制周邊物體對(duì)射頻反射產(chǎn)生的不可控因素。

本文根據(jù)ISO 18046-3等相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和作者在通信測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)介紹了兩種較先進(jìn)的測(cè)試方法。

最大場(chǎng)強(qiáng)變化率測(cè)試

這個(gè)方法在ISO 18046-3標(biāo)準(zhǔn)里面8.9和8.10章節(jié)描述，測(cè)試的基本設(shè)想是，標(biāo)簽和讀寫器距離變化的時(shí)候空氣中的傳輸損耗也發(fā)生變化。也就是說，距離縮短信號(hào)加強(qiáng)，距離拉遠(yuǎn)信號(hào)減弱。那么標(biāo)簽相對(duì)讀寫器運(yùn)動(dòng)速度就決定了信號(hào)強(qiáng)度的變化率。用自由空間射頻傳輸場(chǎng)強(qiáng)公式計(jì)算：

式中：P是發(fā)射功率，單位為W；G是發(fā)生天線增益；R是發(fā)生天線到標(biāo)簽距離，單位為m。假設(shè)R以速度V變化，則：

假設(shè)發(fā)射功率2 W，天線增益為6 dBi，當(dāng)標(biāo)簽-讀寫器距離5 m，在相對(duì)速度150 km/h的時(shí)候，功率變化率達(dá)到-25.76 V/m/s。變化率是負(fù)數(shù)，表示遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)下降，接近運(yùn)動(dòng)使場(chǎng)強(qiáng)升高。根據(jù)公式計(jì)算，在距離2 m、5 m、10 m，相對(duì)速度10 km/h、50 km/h、100 km/h、150 km/h、250 km/h、500 km/h的場(chǎng)強(qiáng)變化率如表1所示。

更簡(jiǎn)單的評(píng)估是直接計(jì)算不同距離的場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)表2和表3所示，車輛在250 km/h速度下只要43 ms就可以從5 m接近到2 m，期間場(chǎng)強(qiáng)從3 V/m增強(qiáng)到了7.7 V/m。

對(duì)于目前常用的EPC UHF C1G2（等同于ISO18000-6C）標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)讀應(yīng)答時(shí)間典型在3 ms以內(nèi)。 根據(jù)表1和表2推算，當(dāng)標(biāo)簽-讀寫器距離2 m，速度250 km/h接近時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)變化在10%左右。然而，這是時(shí)間最短的應(yīng)答之一。隨著指令周期長(zhǎng)度增加，標(biāo)簽對(duì)速度的適應(yīng)性就容易變差。當(dāng)識(shí)別系統(tǒng)需要安全鑒權(quán)或?qū)⑹召M(fèi)或路徑信息寫入標(biāo)簽時(shí)，應(yīng)答時(shí)間會(huì)顯著增加，這種效應(yīng)會(huì)更顯著。

本測(cè)試方法就是在射頻暗室環(huán)境下制造這樣的功率迅速變化條件，測(cè)試標(biāo)簽應(yīng)答性能的方案。

測(cè)試通常在暗室中進(jìn)行，測(cè)試儀和被測(cè)標(biāo)簽在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離上，先測(cè)量靈敏度場(chǎng)強(qiáng)。然后在靈敏度場(chǎng)強(qiáng)之上3~9 dB之間進(jìn)行功率三角波掃描。標(biāo)簽正常響應(yīng)的最高三角波變化率就是測(cè)量結(jié)果。ISO18046稱為最大衰落率Max fade rate V/(m·s)。

功率傳遞函數(shù)模擬測(cè)試

功率變化率測(cè)試，標(biāo)簽在多快場(chǎng)強(qiáng)變化下可以正常應(yīng)答，是已知的；但是并沒有說明，它在多快車速下可以正常工作。原因在于，標(biāo)簽-讀寫器天線相對(duì)位置夾角、距離和車速同時(shí)影響了場(chǎng)強(qiáng)變化率。其中，由于天線方向圖特性和車輛經(jīng)過閱讀器過程中相對(duì)夾角的變化，導(dǎo)致標(biāo)簽接收到的功率變化不是線性的。所以，有功率傳遞函數(shù)模擬測(cè)試方法。

這個(gè)方法來源于歐洲高速鐵路信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。鐵路信標(biāo)是一種特殊的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)。列車車頭和車尾各有一個(gè)信標(biāo)閱讀器，當(dāng)列車通過布設(shè)在鐵軌中間的信標(biāo)時(shí)，天線讀取信標(biāo)信號(hào)，從而對(duì)列車進(jìn)行定位。

列車- 信標(biāo)的相對(duì)速度可以從0 km/h變化到400多km/h。歐洲標(biāo)準(zhǔn)UNISIG 085子集規(guī)定了實(shí)驗(yàn)室模擬的步驟。

首先測(cè)量在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的標(biāo)簽-閱讀器相對(duì)軌跡點(diǎn)各個(gè)位置上空間傳遞函數(shù)，以及場(chǎng)強(qiáng)對(duì)位移的曲線。在模擬測(cè)試的時(shí)候，將此曲線加載到信標(biāo)信號(hào)幅度上，曲線加載的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以根據(jù)測(cè)試模擬的列車速度計(jì)算。車速快曲線播放就快，反之就慢。這樣通過應(yīng)答信號(hào)模擬器的動(dòng)態(tài)幅度調(diào)制，避免了實(shí)物相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬任何可能的列車速度，而實(shí)際上實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒有運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，系統(tǒng)測(cè)量或計(jì)算出不同相對(duì)位移位置下閱讀器信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)，測(cè)試中根據(jù)需要模擬的速度制定位移-時(shí)間直線。圖中藍(lán)色曲線就是模擬的場(chǎng)強(qiáng)-位移關(guān)系，綠色和紅色直線段表示較慢和較快速度的位移-時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。將場(chǎng)強(qiáng)-位移通過位移-時(shí)間映射，就得到時(shí)間-場(chǎng)強(qiáng)曲線，如圖2中右側(cè)2根曲線。這個(gè)曲線加載到閱讀器發(fā)射功率包絡(luò)，就模擬了不同速度下標(biāo)簽經(jīng)過閱讀器的信號(hào)。這個(gè)時(shí)間-場(chǎng)強(qiáng)曲線就是一個(gè)時(shí)變功率傳遞函數(shù)。這個(gè)函數(shù)加載到RFID測(cè)試儀器發(fā)射端，就構(gòu)成了功率傳遞函數(shù)模擬測(cè)試。

用這種方法，可以通過軟件設(shè)置模擬任何可能的甚至不可能的相對(duì)速度場(chǎng)景。

測(cè)試可以設(shè)定各種相對(duì)速度，在不同載波頻率和應(yīng)答指令下，測(cè)試正常識(shí)別或?qū)懭氲淖畲笙鄬?duì)速度。

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

配合上述方法的測(cè)試系統(tǒng)除了常見射頻儀器要求以外，還必需具備信令交互、協(xié)議和性能測(cè)試、高速時(shí)變模擬功能。如圖3所示，背景是一套聚星儀器的RFID性能測(cè)試系統(tǒng)。儀器系統(tǒng)采用軟件無線電架構(gòu)，在底層FPGA上面實(shí)現(xiàn)了協(xié)議狀態(tài)機(jī)、信令編碼解碼、信令調(diào)制解調(diào)，和信號(hào)包絡(luò)調(diào)理。這些模塊受上位機(jī)協(xié)議測(cè)量分析模塊控制，并且將信令和波形匯報(bào)給上位機(jī)測(cè)量分析模塊。所以不論ISO還是UNISIG的波形包絡(luò)都可以加載到信號(hào)上面，實(shí)現(xiàn)高速時(shí)變信號(hào)模擬。

聚星儀器的RFID測(cè)試儀基于高精度射頻儀器平臺(tái)構(gòu)成，完全滿足國(guó)家和國(guó)際可溯源計(jì)量要求，避免了采用傳統(tǒng)儀器配合自制仿真器進(jìn)行測(cè)試的方式，在測(cè)試項(xiàng)目的覆蓋程度和性能精度上都能夠達(dá)到更好的水準(zhǔn)。同時(shí)，軟件無線電構(gòu)架也為測(cè)試系統(tǒng)提供了良好的擴(kuò)展能力，可以快速適應(yīng)RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家、地方、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的變化?；贔PGA的基帶平臺(tái)具有卓越的實(shí)時(shí)性能和可擴(kuò)展性，以滿足不斷演進(jìn)的RFID協(xié)議，靈活的射頻層提供了高頻、超高頻以及微波頻率接口。

系統(tǒng)中聚星儀器還提供了射頻暗箱，給標(biāo)簽-天線應(yīng)答提供了不受干擾的模擬自由空間的條件。

結(jié)論

高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下RFID標(biāo)簽性能的測(cè)試，可以通過模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)變信道情況實(shí)現(xiàn)。ISO標(biāo)準(zhǔn)和UNISIG標(biāo)準(zhǔn)分別針對(duì)800/900 MHz超高頻標(biāo)簽和鐵路信標(biāo)給測(cè)試方法。這些方法都使得可以不用運(yùn)動(dòng)部件而模擬實(shí)際標(biāo)簽接收到信號(hào)的動(dòng)態(tài)過程，從而評(píng)估標(biāo)簽在高速場(chǎng)景下的性能。