对超高频RFID标签之漏读率的研究.doc

对超高频RFID标签之漏读率的研究 东莞太平洋计算机科技有限公司 RFID研发中心 钟汉摘要：介绍超高频RFID无源标签读取技术，分析标签漏读问题的产生的原因，并提供了一些解决方法。 关键词：超高频 RFID 电子标签 18000-6B 18000-6C 一、 前言RFID(Radio Frequency Identification)射频识别，俗称电子标签识别。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，工作时阅读器和电子标签之间无需接触，可工作于各种恶劣环境。并且RFID射频识别技术可识别高速运动物体并可以同时识别多个标签，操作快捷方便。另外，由于RFID系统可以从技术上防止被仿冒、侵入，还具备了极高的安全防护能力。目前超高频RFID的标准主要有18000-6B和18000-6C。工作频率一般在902MHz-928 MHz，一些国家规定的标准是860MHz-960 MHz。对于超高频无源RFID标签，每个标签都有自身的唯一号码，最常见的用途是代替普通条型码，贴于各种物品上，以便对物品进行身份识别。一般和超高频阅读器配合使用。RFID标签能将信息无线传递给10米范围内的超高频阅读器上，使仓库、车间、超市等场合可以对物品进行群体扫描，不再需要使用激光条形码阅读器对物品逐个扫描条码。RFID技术及系统的应用领域十分广阔，涉及到工业、商业、交通、仓储、物流及军事等领域的方方面面。例如，全球最大的商品销售商沃尔玛公司要求其前100位供应商都要在货箱和托盘上使用RFID标签，目前正在实施中；目前，在我国的一些地区已经开始应用RFID技术，比如，在全国铁路调度和统计系统中，已有55万辆车厢、机车安装了无源RFID 标签；上海市质量技术监督局也已应用 RFID对全市16万只液化石油气瓶、1万只剧毒化学品容器、10万箱烟花爆竹和4万辆出租车车载计价器进行电子跟踪；另外，今年上海至深圳的内贸集装箱将使用RFID实现货物跟踪。随着我国经济的飞速发展，不久的将来，RFID技术必将在商品流通、运输、管理以及物流、交通等方面形成一个庞大的市场，RFID技术将是未来一个新的经济增长点。随着RFID标签的应用越来越广泛，与其配合使用的阅读器的性能也越来越重要。而电子标签的读全率，或它的反概念：漏读率，是阅读器性能中最重要的一环。漏读是指标签通过读写区域后不能够被正确读出。漏读甚至成了制约RFID应用的一个重要因素。标签一旦漏读，轻则导致数据混乱，增加时间和人力的消耗，重则导致财产损失甚至灾难发生。故，尽力减少RFID标签的漏读率极为重要，下面是我们多年来对RFID标签漏读率的研究结果。标签照片阅读器和天线的照片漏读率是受多种条件影响的，其中包括多种不确定因素。它除了和关于读写距离的影响因素有关外，还与同时有多少个标签通过、标签与标签之间的相对位置、标签与读写器天线之间的距离、标签与读写器天线之间的相对移动速度等因素有关。当然，读写器和标签的性能是基础。二、 漏读率研究1、读器盲点问题UHF(860MHz960MHz)主要是电磁场方式，电场进行感应。在这个频段，标签进入阅读器建立的电场后进入工作状态，会对阅读器发送的载波进行反射，阅读器就是靠接收标签的反射波从而解调出标签的数据。因为不同标签和阅读器之间位置不同，如果有的标签反射的波形和阅读器发送的波形相位相反，波形就会减弱，甚至抵消。860MHz960MHz频段波长大约在30厘米左右，这样每隔30厘米左右将会出现一块射频的盲点，交替出现标签能读到读不到能读到读不到的现象。当阅读器的工作范围中存在比较多的盲点的时候，标签的漏读就会比较重。为了解决这个问题，我们可以设计Q、I双支路电路，在电路中其中一个支路对标签返回的电波进行90度相位转换，而另外一路不做转换，这样不管标签反射的波形和阅读器发送的波形相位相同或相反都有其中一个支路能把标签的信号解调出来。但在实际测试中，也许电路中存在90度相位转换的精度问题等，盲点现象有了大幅度的减少，但还没杜绝，需要继续研究。2、天线与标签方向天线的作用是在电子标签和阅读器间传递射频信号。RFID系统的读写器必须要通过天线来发射能量形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别，可以说天线所形成的电磁场范围就是射频系统的可读区域。有时RFID系统是由一根天线来同时完成发射和接收的；有时RFID系统则由一根天线来完成发射而由另一根天线来承担接收，所采用天线的形式及数量应视具体应用而定。超高频RFID天线在860MHz960MHz频率范围内的驻波比曲线相对平坦，且数值较小，表明此时天线工作良好，超出此频率范围时，天线的驻波比数值激增，天线的性能急剧下降。 目前的大部分RFID标签是以线极化方式工作。而阅读器天线可以分为线极化天线和圆极化天线。如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线,它始终在一个平面内传播,则称为线极化波。而两个空间上正交的振幅相等的线极化波，可以合成一个圆极化波。极化天线的能量比较集中，阅读距离比较远，象停车场和港口关口这种远距离（8-12米）都可以读卡，但缺点是如果标签的放置的方向和天线的机化方向相反的时候，反而很难被阅读器读到，阅读前需要人为控制标签的方向。常见用的圆极化射频天线能量是均分到两个极化，标签所能接收的功率也因此损失了一半，有限的的电磁能量无法向更远距离发射，一般有效距离只有4米左右比较稳定，但优点是因为圆极化的电磁波是正交的波形，在天线的阅读范围内，标签即使随意转动也能被读到。因此，如果标签是有规律放置的，那么使用线极化天线将会更有利于阅读标签，从而增加标签的读出概率，减少标签的漏读率。而如果标签是无序放置的，那么就要使用圆极化天线，否则，某些方向的标签从原理上就是无法读出来的，读全率当然就无法保证。当然，也可以使用多个线极化天线的方式，在多个方向对标签进行读取，对某个标签即使A方向无法读出，但也许B方向就可以读出，从而既能得到线极化天线的优点，又避免线极化天线使用的缺点，是一个行之有效的方法。如果使用4天线从多方向对标签进行读取，这样就可以将漏读率降低。假设有的产品特别难以通过 RF 技术读取到，在某个读取点上的读取率仅达到 50%，不过从概率论来看，假设一个系统设 4 个读取点的话，那么即便这种难以读取的产品在整个系统中被读取的概率也能达 94%。如果我们能将标签读取率从 50% 提高到 70%，那么就设有 4 个读取点的系统而言，其整体读取率就能达到 99%（100 件产品中漏读 1 件产品）。如果读取率提高到 90%，那么我们就能实现很优秀的读取率（即设有 4 个读取点的系统读取率高达 99.99%，每 1 万件产品仅漏读 1 件）。3、速度问题上文说到漏读是指标签通过读写区域后不能够被正确读出，而标签通过读写区域的动作时包含了速度的概念在里面的。在实际应用中，如果标签通过区域的时间比较快，阅读器还来不及把这么多标签碰撞出来，那么也会引起漏读。这时候放慢标签通过速度，就可以减少漏读率。当然，这是有代价的，如果通过速度太慢则会引起用户使用不便，而在某些应用，比如不停车收费等场合，则干脆失去使用意义。所以标签运行速度需要根据实际应用来决定。另外，提高阅读器的基带数据通信速率和防冲撞算法效率，其实和减慢标签运动速度有异曲同工之妙。目前市面上的阅读器一般是使用80K的基带速率，如果能够使用更快速的CPU进行解码，将最高可达到640k的速率，相应的读取标签速度将会相应的提高。我们现在使用FPGA芯片进行基带解码。FPGA是一种高速可编程逻辑器件，它不像CPU那样一个时刻只能处理一个事情，FPGA可以并行工作，所以可以对多个解调电路过来的信号同时进行基带解码，快速解码出标签的编码信息。对于防碰撞方面，则进行算法优化，并且测试，选择最好的防碰撞算法。4、环境因素因为UHF(860MHz960MHz)频段的频率比较高，无线电波长比较短，所以相对125KHz和13.56MHz的标签，RFID标签的通讯速率可以做的很高，天线可以做得很小，读卡距离也可以做得很远。但优势的另一面是劣势，频率越高，因涡流和寄生电容造成的能量损失就越大，因此UHF(860MHz960MHz)频段对金属、水等物体更加敏感，会被金属反射，会被水吸收。举个例子，我们人体就是RFID信号的极佳屏障，因为我们的身体里有大量的盐水。金属会引起额外的寄生电容(即由金属引起的电磁“摩擦”造成的能源损耗)，造成读写器和标签天线的失谐，破坏系统的性能。最终，在某些情况，被金属反射回来的能量就会在标签和读写器之间形成干扰。因此，在金属物质较多的环境下应用RFID，会使得实际的读写率、读写距离和可靠性大大降低，远低于在实验室环境下进行试用得出的结果。 但同样不可否认的是，合理的系统设计和操作将克服绝大多数的干扰。a. 设计合适的包含铁氧体磁心收发线圈的标签天线。铁氧体磁心的高渗透性使小型标签即使在金属表面附近磁场被削弱的情况下也能获取能量。b. 合理设计标签，对金属引起的失谐进行利用。例如，将标签的设计定为使其具有850Hz空中谐振频率，那么当标签贴附在金属货箱上时，其工作频率即可能达到920Hz，从而可以顺利地被阅读器读取。