RFID产品与系统测试研究.doc

RFID产品与系统测试研究金青松（航天信息股份有限公司金卡事业部）摘 要：解决RFID项目所遇到的关键技术问题，就是需要研究开发一套先进的、能体现典型场景的技术测试软件和完整的示范应用框架。所以RFID测试研究应是涵盖RFID技术基础测试、RFID产品（电子标签、读写器、天线等）性能测试和RFID应用系统测试的综合性试验和测试场所；目的是为RFID产品设计与开发、RFID产品鉴定与完善、RFID应用系统模拟和检验测试提供试验测试场所与技术手段。关键词：RFID、系统模拟、关键技术、标准、应用前言目前，各国都在积极开展RFID技术和设备的测试工作。为了从容地参与国际竞争，我国政府和相关企业应仔细着手建立自己的RFID测试中心，对RFID产业化中的共性基础和关键技术进行针对性研究。在模拟现实的场景下，我们可以通过一系列测试试验来评估RFID技术并检测其可靠性。但由于RFID项目的故障率非常高，比如可能会碰到多个物品堆积时由于相互干扰而造成识别率降低所带来的“防碰撞”问题；多个阅读器多通道同时读取时物品群的“去重”问题；由于电子标签所附物品的介质不同对无线信息的“干扰”造成的性能下降；RFID在“安全”架构方面的问题（如防止标签的复制问题、标签自销毁问题）等。因此在实施RFID之前，进行一些测试及错误试验是绝对有必要的。 要建立一个标准而权威的RFID测试环境，就必须从硬件和软件环境两方面入手，要综合考虑位置、距离、温度、湿度、干扰等诸多影响因素，建立一个多角度的测试环境；另一方面，在测试软件上，要考虑到可针对不同厂家的RFID产品的通用测试程序。此外，在测试过程中还应严格遵守一个标准的测试规范进行。1RFID测试研究现状 1 RFID测试研究现状 1.1 国外 由于巨大利益的驱使，Sun、IBM、UPS、Microsoft等IT和物流行业巨头已经重金投入对RFID的测试和解决方案的开发。美国联合包裹服务公司（UPS）目前正在进行着多项RFID测试。在其中一个实验项目中，UPS公司把RFID货运标签放在可重复使用的集装箱中，这些集装箱用来装运小型或形状不规则的货物，结果发现在不规则形状的包裹上使用RFID标签可以提高读取速率。还有一个试验是在位于罗斯韦尔的工厂里进行的，RFID标签被放置在车辆上，以测试在不同的天气条件下标签的工作情况如何，以及在不同的车辆速度和阅读距离下，RFID获取信息的准确度如何。 IBM也在美国马里兰州兴建了RFID测试中心，并宣布这个测试中心可作为沃尔玛等各家厂商将RFID导入例行操作之前的测试场地。Sun则在整合了硬件、软件和服务后推出了多层的Sun EPC网络架构，并在全球各地部署了多个RFID测试中心。 1.2 中国 我国也已经开始着手建立自己的RFID测试中心。其中有中科院自动化所的RFID研究中心,上海复旦的Auto-ID中国实验室,国家RFID检测中心以及相关行业公司的演示中心等。(1)中国科学院自动化研究所RFID测试实验室 中国科学院自动化研究所RFID研究中心与北京中交国科物流技术发展有限公司在国家863计划支持下建立了国内首个国家级RFID测试实验室，目的是在较为完善的实验条件和环境下，测试RFID关键技术的多项可靠性指标，最终总结出可靠性测试的评测体系，为进一步的研究工作提供基本数据并引导研发方向。目前实验室已经以RFID技术在物流行业为出发点，首先建立了一个面向物流应用的测试环境，包括物流领域中智能仓库、商品配送、运输管理等多个模拟环境。 (2)Auto-ID中国实验室 上海复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室的Auto-ID中国实验室建立了一个开放的RFID演示平台，可结合应用中出现的问题进行理论分析和基础研究，为建立EPC国际标准和中国RFID标准提供参考依据。整个演示系统包括一个完整的供应链业务场景所需的两个场所（制造商分销中心或发货仓，零售商分销中心或受货仓），每个场所具有一个通道和至少两个侧门，不同的样品将贴上RFID 标签通过这个通道。通过评估RFID 标签和侧门的工作性能和样品材料之间的干扰，为标准制订和产品设计提供有效的参考。(3)国家RFID检测中心 国家RFID检测中心是国家为RFID产业的健康发展和RFID应用的有序推进而建立的权威性的第三方检验机构。这也是完善我国RFID产业链的重要举措，将为我国RFID产业健康有序的发展起到积极的监督保障作用。中心已经初步具备了一些条件，如跟踪相关产品标准、检测方法、检测设备的技术人员；拥有固定的满足产品检验要求的实验室环境和设施；满足相关产品检验、符合标准要求的部分检测仪器设备；同时实验室的管理符合检测和校准实验室认可准则(ISO/IEC17025)的认可要求。2RFID国际标准目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO 11784和11785；用于非接触智能卡的ISO 15693、ISO 14443；用于集装箱识别的ISO 10374等。有些标准正在形成和完善之中，比如用于供应链的ISO 18000无源超高频（860Mhz930Mhz载波频率）部分。我国自己的国家标准也将会随后出台。 世界一些知名公司各自也推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式的差异上，这也给RFID的大范围应用带来了困难。目前全球有两大RFID标准阵营：欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center（UID）。前者的领导组织是美国的EPC环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等企业，同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术支持。后者主要由日系厂商组成。 下面对这几个标准加以简述。 (1)ISO 11784和ISO 11785 ISO 11784和11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管状、耳标或项圈等。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2KHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示。应答器采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。 (2)ISO 15693和ISO 14443 ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，单个系统于1999年进入市场，两项标准的完成则是在2000年之后。二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率：ISO15693读写距离较远，当然这与应用系统的天线形状和发射功率有关；而ISO 14443 读写距离稍近，但应用较广泛，目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 Type B协议。 ISO 14443定义了Type A、Type B两种类型协议。通信速率为106kbits/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。 ISO 15693标准规定的载波频率亦为13.56MHz，VCD和VICC全部都用ASK调制原理，调制深度为10%和100%，VICC必须对两种调制深度正确解码。 (3)ISO 10374 ISO 10374标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。应答器为有源设备，工作频率为850MHz950Mhz及2.4GHz2.5GHz。只要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的FSK副载波通过反向散射调制做出应答。信号在两个副载波频率40kHz和20kHz之间被调制。此标准和ISO 6346共同应用于集装箱的识别，ISO 6346规定了光学识别，ISO 10374则用微波的方式来表征光学识别的信息。 (4)ISO/IEC 18000 ISO 18000是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。其中ISO 18000-6基本上是整合了一些现有RFID厂商的产品规格和EAN-超CC所提出的标签架构要求而订出的规范。它只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于EPC。实际上，若采用ISO 18000-6对空气接口的规定加上EPC系统的编码结构再加上ONS架构，就可以构成一个完整的供应链标准。3RFID测试内容根据共性基础，我们可以将RFID产品检测分为：射频识别与电子标签产品的物理特性检测、静态性能检测、动态性能检测及射频识别与电子标签产品应用模拟试验场等。研究面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范、标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范、系统解决方案综合性检测技术与规范等。研究及制定符合中国无线电频率管理政策和规定的空中接口；研究及制定编码和编码应用规则、产品和应用标准；制定测试规范，研究标准之间的互联互通；建立具有自主知识产权的公共服务体系标准，以及科学公正的测试标准体系。同时还应根据国家标准制定的进程和产品应用的实际需求，逐步完善射频识别与电子标签产品的其他检测环境、检测设备和检测方法。在技术测试中，需要针对高频、超高频和微波频段的不同设备和产品分别进行性能和可靠性测试。通过对它们在不同介质、不同材料、不同磁场、不同速度、不同距离、不同障碍等条件下的读取率进行记录和整理，研究各种标签及读写器的性能，从而得到一份完整全面的系统共性基础评测报告。此外，还需要研究多个阅读器和多个标签下的信号的时空分布模型和防干扰处理算法。在应用测试中，主要需要对实际应用中存在的关键技术问题进行研究，并试图找到解决方案，包括客户应用的设备和实际环境；不同频段所表现的不同性能；标签容量大小对业务和系统的影响；主动标签、半主动标签与被动标签的选择；系统性能和业务优势的实现；复杂环境下的电磁干扰问题；与现有条形码的共存问题；以及与企业原有系统，如ERP等商业应用软件进行无缝连接等。3.1 测试要求标签和天线产品：材料特性、环境适应性、贴附强度、抗磁场、抗静电、阻燃性、抗紫外线、交变磁场、交变电场、读取距离、读取角度、动态读取率等。标签机具产品：外观结构、功能及性能、电源适应能力、噪声、安全、电磁兼容、环境适应性和可靠性等。标签系统应用：标签最低开启功率与标签读取角度测量、标签类型/标签贴附位置最佳化选用方案、输送带闸门容器附贴标签的动态读取率测量、进出货闸门大型物箱或栈板贴附标签的动态读取率测量、标签类型/标签贴附位置的最佳化选用建议、射频识别与电子标签系统架设最佳化方案、射频识别与电子标签应用平台技术导入及系统整合服务等。3.2 测试项目RFID 系统的性能评估，最主要的就是读写距离这个参数。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的RFID输出功率、读写器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q 值、天线方向、读写器和射频卡的耦合度等等。(1) 针对RFID标签和标签天线的测试最主要的指标包括：频率响应以及品质因素Q。A.测试项目 高频、超高频、微波波段无源和有源标签与天线电性能测试，包括电感、损耗、标签谐振频率、复阻抗测试，磁场度与分布的测试； 高频、超高频、微波波段功率测试； 高频、超高频、微波波段波形存储与测试分析； 高频、超高频、微波波段频谱分析，包括信号谱和杂波谱分析以及相位噪声测试； 高频、超高频、微波波段电磁场场强测试； 高频、超高频、微波波段RFID终端系统读写距离测试； 高频、超高频、微波波段RFID应用系统识别成功率测试； 高频、超高频、微波波段RFID应用系统防冲突测试； 高频、超高频、微波波段RFID应用系统终端电磁兼容测试。B.测试方法 对于带引线电磁耦合式的标签,可以使用4294A 阻抗分析仪配合16047E 测试夹具进行阻抗的测试，通过谐振频率点可以得出该标签的工作频率; 如果标签没有引线，那么可以使用4294A+42941A 的探针来进行接触式的阻抗测试，同样可以得到其谐振频率; 对于高频、超高频或微波的RFID 标签（射频卡）测试，可以采用E4991A 射频阻抗分析仪或ENA（E5071B）网络分析仪进行测量； 通常，对于已经封装好的标签测试，由于没有接触点，可以利用环路天线可以进行非接触测量。 上图是采用环路天线对电子标签（射频卡）进行的非接触测量。左图显示射频卡谐振频率为13.56MHz；右图测试条件是在谐振工作频率下，标签（射频卡）阻抗随交流信号电平改变的曲线，不同颜色代表环路天线与被测标签（射频卡）之间的不同距离。由此显示，随着距离的增加，RFID 标签达到工作状态的电压（信号源的能量）也随之增加。在0cm 情况下，阈值电压为0.2V。事实上，低频和高频情况下，电子标签（射频卡）耦合功率主要依赖电杆耦合效率，耦合功率1/d6（d 是标签和源天线距离）。在超高频情况下，主要依赖远场传输效应，耦合功率耦合功率1/d2。(2) 针对RFID读写器和读写器天线的测试测试项目与方法主要包括： 电路测试：包括阻抗、相位、传输系数（衰减）、驻波比等项目测试。如电感、损耗、标签谐振频率、复阻抗测试、方向图、增益、工作频率通频带、磁场度与分布的测试； 输出功率测试:读写器的输出功率直接影响到识别距离。对于输出功率的测试可以使用功率计E4418B+E9300A 来完成。 频谱以及解调分析测试:一般RFID 系统都采用ASK 或者FSK 调制，因此可以使用E4438C 系列ESG 产生调制激励信号，采用ESA 系列频谱分析仪或MSO6000 系列示波器以及89601A 矢量信号分析软件来进行解调分析； 天线匹配测试:采用E5071B ENA进行天线匹配，方向性等参数测试。 时域信号分析测试:采用MSO6000 系列示波器进行时域信号波形分析,主要测试参数包括时钟抖动，频率，电平及数据流分析。 空中接口参数测试与故障分析； 终端产品电磁兼容性EMC/EMI试验研究与性能指标测试。4RFID测试环境与流程 4.1 硬件环境RFID产品测试硬件环境包含以下几个主要方面： 测试场地:由于RFID产品性能参数不同，其读取范围也从几厘米到几十米、上百米不等，需要有多样的测试场地； 基本测试设备:如用于放置标签的货箱、托盘、叉车、集装箱等； 数据采集设备：包括用于采集环境数据的温/湿度计、场强仪、测速仪等； 数据分析设备：如频谱分析仪、电子计算机及相关数据库、数据分析软件； 除此之外，在部分测试过程中还可能需要用到特殊设备，如要研究产品在无干扰环境下的表现就需要对外界信号进行屏蔽，这就需要屏蔽室或电波暗室。(1)场地建设 微波暗室： 微波与电路实验室： 环境实验室： RFID专业实验室： RFID终端系统模拟实验室：静态模拟实验室;低速模拟实验室;中速模拟实验室：(2)仪器配备1)检测、测试和标定仪器：实时频谱分析仪、矢量网络分析仪、射频阻抗/频谱/网络分析仪、精密LCR表、矢量信号发生器、示波器、数字万用表、微波频率计、衰减器、转接头、EMI/EMC预兼容测试系统、逻辑分析仪；2)自行研制与定制的设计和开发工具：电子标签测试系统、读写器测试系统、各频段读写器；单轴位置转台、多功能综合老化筛选系统、外场实验测试专用车、静电模拟器、电磁振动台、分体高低温交变试验箱、高低温交变湿热试验箱； PCB设计系统、VHD仿真器、XTK信号完整性分析工具、静电分析器、Pro-E设计控件、射频设计与仿真软件系统、工作站平台和计算机网络设备等。4.2 软件环境 (1)总体设计 1)总体设计标准 在进行RFID测试软件的设计与开发过程中，建议遵循以下基本准则： 设计方案的正确性、先进性、可行性和经济性； 系统组成、系统要求及接口和标准的合理性； 系统与各子系统间技术接口的协调性； 系统可靠性、维修性、安全性； 关键技术的落实解决情况； 编制的质量计划是否可行。 我们希望通过以上的规范，要求RFID测试软件具有更高的效率以及更好的可拓展性、可移植性。如在封装读写器API函数的时候，应考虑到今后用到的读写器类型的复杂性，方便生成的DLL库文件对于其他读写器的拓展性等。所以如建议采用抽象类与继承的方法来实现各读写器API函数的封装。 2)结构设计 RFID测试软件从根本上说就是监察物理层，然后在操作层上搜集数据，最后将其应用于商业层面上的操作。软件总体从分布式应用系统的角度设计，一般具有如下的特点：能够与用户进行交互；处理特定的业务功能；在存储介质中保存它的状态。因此，在架构上分为三层：表现层、事务逻辑层、数据服务层。RFID测试软件总体由总控制台和分布的各个测试点组成，总控制台与各个测试点通过Web服务进行信息通信。 3)总控制台（服务器端）设计 总控制台服务端完成的主要任务有： 完成各个测试点客户端的注册，登记测试类型等参数； 完成测试系统中采用的所有类型电子标签的注册； 实时动态监控分布在各个测试点的状态； 数据的分析和处理。分析RFID测试指标与各个影响因素的关系，找出该测试性能随各因素变化的影响规律。 4)测试点（客户端）设计 测试点客户端完成的主要任务有： 创建客户端的测试项目和测试任务； 打开读写器，建立客户端与读写器、标签之间的信息通道； RFID前端数据采集； RFID后台数据传输和处理； 生成读写器与标签的读写性能报表； 实时动态地与总控制台传输信息。 4.3 测试流程 RFID测试软件应是基于Web Services开发的分布式应用软件,比如可以针对复杂场景下物流系统性能进行研究，如超市、高速公路收费等一些典型应用场景，通过RFID系统在场景下的测试结果研究多个RFID通道之间的空间分布及互相影响，并通过多点RFID系统验证研究点到点之间RFID信息传输的准确性、效率和可靠性。 软件测试流程:首先，客户机启动测试应用程序，依据测试任务提出服务请求；各个测试点的客户机测试程序控制读写器完成各种参数的测量，调用Web Services，把各个测试点的状态和过滤后的测试数据传给服务器端，并存入SQL Server数据库。 产品测试规范:测试过程并不是自由的，对于不同产品的测试报告，其可比性是建立在相同的测试条件和测试程序基础上的。因此，应该有一套完整的测试规范来控制整个测试过程。 (1)测试目的:从应用出发，根据影响读取率的因素逐一进行测试，如速度、介质、环境、标签方向、干扰等。 (2)测试流程：以RFID标签读取率的静态测试，流程如下： 1)布置测试环境 首先应保证尽量减少外界干扰，如附近不能有向外发射电磁信号的设备和与测试无关的金属制品。因为它们可能改变天线所发出电磁波的分布，进而影响测试结果的准确性。 布置测试用标签、货箱及读写器，不同的测试需要用到不同材料的货箱。当前金属、塑料、木质和纸质货箱应用最广泛，这几种货箱对读取率的影响不同。在同一次测试中，应保证货箱材料的统一。特别是在对不同厂家生产的标签和读写器进行测试的时候，这一点更加重要。因为从工艺角度出发，即使是相同规格的不同货箱从外形尺寸、材料分布上也不可能做到完全相同，而有些参数对于读取率的影响是不能忽视的。 2)记录环境数据 记录测试时间，测试时的温度、湿度及外界场强。 3)测试不同位置的读取率 改变标签与天线的相对位置，分别记录各个位置的读取率，每次测试最多改变一项参数。 如研究标签与天线距离对读取率的影响时，则把距离向量作为唯一的变量，制定读取率与距离关系表格。用于计算读取率的读取结果应保证一定数量，用读取成功的次数和读取总数计算读取率。尽量降低由于特殊情况造成的读取率变化对最终结果的影响。在距离变化上，一般以10cm为单位递增，但这并不是固定的。在读取率比较稳定的情况下，可以适当增加距离变化的幅度；而在读取率发生变化的过程中，为了更加准确地得到读取率随距离变化的规律，就应该减小这一数值。测试范围应从读取率为100%开始直至读取率降为0，其采样点应尽可能多。 此外，还应研究标签方向对读取率的影响。改变标签的方向，与前面所说的过程类似，记录下标签在不同放置方向的情况下其读取率与距离的关系。由于实际应用中货箱的形状及摆放都是笔直的，因此在测试过程中也可以忽略标签倾斜的情况，而只研究标签与天线平行或垂直的情况。 这一测试过程只是最简单的流程，在实际测试中可根据情况增加测试项目。如在标签与天线之间放置木板、纸板、金属板，从而得到在有障碍的情况下的读取率数据。也可以将标签与天线的位置固定，而改变周围的环境，来研究环境对读取率的影响。 4)分析测试数据 测试所得到的数据，可以输入电脑，使用相关软件对其进行分析；或转化为图表，使结果更加直观地反映出来。而多次测试的结果还可以汇总起来。对这些数据和图表进行归纳和总结，可以