用于智能制造生產(chǎn)線的超高頻RFID讀寫器讀寫性能測試

近年來，RFID(Radio Frequency Identification)技術在物流行業(yè)、制造業(yè)、資產(chǎn)管理、人員跟蹤監(jiān)控等多個領域得到廣泛的應用，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和電子標簽組成，讀寫器通過無線通信方式獲得標簽信息，從而識別攜帶該標簽的對象。因此，讀寫器性能對RFID系統(tǒng)功能的實現(xiàn)起著舉足輕重的作用。

目前，對讀寫器所開展的測試包括一致性測試、通用性測試以及性能測試三個階段。一致性測試是為了測試設備如標簽、讀寫器是否符合EPC global的標準，這樣終端用戶可以購買到經(jīng)過認證的產(chǎn)品;通用性測試是為了測試某種設備與其他設備的兼容性操作;性能測試是為了測試讀寫器在某個具體環(huán)境、真實條件下的識讀水平，以保證所有環(huán)節(jié)識讀的準確率。ISO/IEC 18046定義了RFID設備的性能檢測方法，包括對標簽性能參數(shù)、速度、標簽陣列、方向、單標簽檢測及多標簽檢測等標簽性能檢測方法，以及對讀取距離、讀取率、單標簽和多標簽讀取等讀寫器性能檢測方法。左中梁等在GTEM小室中測試了UHF RFID系統(tǒng)的讀寫距離，分析了UHF RFID系統(tǒng)通信的受限因素是前向鏈路，從而根據(jù)前向鏈路信號的衰減推導了使用GTEM小室進行UHF RFID系統(tǒng)讀寫距離測量的公式及方法;史玉良等在高速環(huán)境下對UHFRFID標簽讀取率進行了測試，并設計實現(xiàn)了1款直線導軌以模擬低速到高速的不同應用環(huán)境，研究標簽的讀取率與速度之間存在的對應關系。然而，這些方法主要針對的是讀寫器本身的參數(shù)對其讀寫性能的影響，對于具體的環(huán)境因素對讀寫器讀寫性能的影響研究較少。本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測試出了RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器漏讀率，分析了實際生產(chǎn)線環(huán)境對漏讀率的影響。

1 測試平臺搭建與數(shù)據(jù)采集

1.1 RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器

RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器外形圖及其接口定義如圖1所示，支持符合ISO18000-6C(EPC C1G2)、ISO18000-6B協(xié)議電子標簽，可用于物流、個人身份識別、會議簽到系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防偽系統(tǒng)及生產(chǎn)過程控制等多種無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)。RFID讀寫器硬件電路由以下幾部分組成：射頻識別模塊電路、微控制器電路、串行接口電路、射頻收發(fā)電路、電源電路等，如圖2所示。

圖1 RRU9806SR讀寫器外形圖及接口

圖2 讀寫器內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當貼有電子標簽的物體進入無線識別系統(tǒng)讀寫器的識讀范圍時，其天線將產(chǎn)生感應電流，電子標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標簽發(fā)射回來的電磁波信號后，經(jīng)過處理得到電子標簽存儲的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計算機進一步處理。

1.2 測試平臺的搭建

本文在現(xiàn)有物流分揀、混流生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上搭建測試平臺。該智能制造生產(chǎn)線可以實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程及工件加工的智能監(jiān)控，相關控制軟件可以顯示工件到達的工位，并可以通過安裝在生產(chǎn)線上的讀寫器以及讀寫頭讀取裝有電子標簽的工件的信息。本項目則將原有的高頻讀寫器取下來，換上待測試的超高頻讀寫器，為此需要對生產(chǎn)線少許改裝，改裝后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 測試平臺

圖3中，將待測讀寫器分別安裝在生產(chǎn)線的四個工位，通過螺母螺絲調(diào)讀寫器托盤高度，達到讀寫器讀寫檢測距離。將超高頻電子標簽安裝在傳送底座上，當工具通過讀寫器所在位置時，讀寫器以應答模式讀取工件相關信息。

0 引言

近年來，RFID(Radio Frequency Identification)技術在物流行業(yè)、制造業(yè)、資產(chǎn)管理、人員跟蹤監(jiān)控等多個領域得到廣泛的應用，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和電子標簽組成，讀寫器通過無線通信方式獲得標簽信息，從而識別攜帶該標簽的對象。因此，讀寫器性能對RFID系統(tǒng)功能的實現(xiàn)起著舉足輕重的作用。

目前，對讀寫器所開展的測試包括一致性測試、通用性測試以及性能測試三個階段。一致性測試是為了測試設備如標簽、讀寫器是否符合EPC global的標準，這樣終端用戶可以購買到經(jīng)過認證的產(chǎn)品;通用性測試是為了測試某種設備與其他設備的兼容性操作;性能測試是為了測試讀寫器在某個具體環(huán)境、真實條件下的識讀水平，以保證所有環(huán)節(jié)識讀的準確率。ISO/IEC 18046定義了RFID設備的性能檢測方法，包括對標簽性能參數(shù)、速度、標簽陣列、方向、單標簽檢測及多標簽檢測等標簽性能檢測方法，以及對讀取距離、讀取率、單標簽和多標簽讀取等讀寫器性能檢測方法。左中梁等在GTEM小室中測試了UHF RFID系統(tǒng)的讀寫距離，分析了UHF RFID系統(tǒng)通信的受限因素是前向鏈路，從而根據(jù)前向鏈路信號的衰減推導了使用GTEM小室進行UHF RFID系統(tǒng)讀寫距離測量的公式及方法;史玉良等在高速環(huán)境下對UHFRFID標簽讀取率進行了測試，并設計實現(xiàn)了1款直線導軌以模擬低速到高速的不同應用環(huán)境，研究標簽的讀取率與速度之間存在的對應關系。然而，這些方法主要針對的是讀寫器本身的參數(shù)對其讀寫性能的影響，對于具體的環(huán)境因素對讀寫器讀寫性能的影響研究較少。本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測試出了RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器漏讀率，分析了實際生產(chǎn)線環(huán)境對漏讀率的影響。

1 測試平臺搭建與數(shù)據(jù)采集

1.1 RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器

RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器外形圖及其接口定義如圖1所示，支持符合ISO18000-6C(EPC C1G2)、ISO18000-6B協(xié)議電子標簽，可用于物流、個人身份識別、會議簽到系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防偽系統(tǒng)及生產(chǎn)過程控制等多種無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)。RFID讀寫器硬件電路由以下幾部分組成：射頻識別模塊電路、微控制器電路、串行接口電路、射頻收發(fā)電路、電源電路等，如圖2所示。

圖1 RRU9806SR讀寫器外形圖及接口

圖2 讀寫器內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當貼有電子標簽的物體進入無線識別系統(tǒng)讀寫器的識讀范圍時，其天線將產(chǎn)生感應電流，電子標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標簽發(fā)射回來的電磁波信號后，經(jīng)過處理得到電子標簽存儲的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計算機進一步處理。

1.2 測試平臺的搭建

本文在現(xiàn)有物流分揀、混流生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上搭建測試平臺。該智能制造生產(chǎn)線可以實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程及工件加工的智能監(jiān)控，相關控制軟件可以顯示工件到達的工位，并可以通過安裝在生產(chǎn)線上的讀寫器以及讀寫頭讀取裝有電子標簽的工件的信息。本項目則將原有的高頻讀寫器取下來，換上待測試的超高頻讀寫器，為此需要對生產(chǎn)線少許改裝，改裝后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 測試平臺

圖3中，將待測讀寫器分別安裝在生產(chǎn)線的四個工位，通過螺母螺絲調(diào)讀寫器托盤高度，達到讀寫器讀寫檢測距離。將超高頻電子標簽安裝在傳送底座上，當工具通過讀寫器所在位置時，讀寫器以應答模式讀取工件相關信息。

1.3 測試數(shù)據(jù)的采集

為了自動采集生產(chǎn)線上的讀卡器讀取工件數(shù)量，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集軟件，其軟件開發(fā)流程圖如圖4所示。該軟件按照功能可以劃分成3部分：應用程序接口部分、讀寫器控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。讀寫器控制部分主要包括控制射頻模塊、參數(shù)配置模塊和協(xié)議處理模塊.根據(jù)圖4，采用C#語言開發(fā)出軟件界面如圖5所示。按下啟動按鈕，數(shù)據(jù)采集軟件動態(tài)采集標簽ID號、到達工位數(shù)、到達時間及漏讀率。圖5所示為數(shù)據(jù)采集軟件測試的部分數(shù)據(jù)。按下停止按鈕，數(shù)據(jù)采集軟件將測試數(shù)據(jù)保存到上位機。

圖4 測試系統(tǒng)劃分

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件界面

2 實驗結(jié)果及分析

啟動生產(chǎn)線，運行平臺，對數(shù)據(jù)進行采集。選取工位二和三的讀寫器進行分析，作出其漏讀率變化曲線，如圖6所示。

圖6 漏讀率曲線圖

讀寫器二的漏讀率總體較低，但是隨著使用次數(shù)的增加，漏讀率整體呈現(xiàn)增大的趨勢，說明讀寫器本身性能(包括抗環(huán)境干擾能力)較差，不適于應用在精度要求高的場景。而讀寫器三恰好與讀寫器二情況相反，漏讀率呈現(xiàn)遞減的狀態(tài)，但從變化曲線看得出其工作性能也不穩(wěn)定。所以，對于這兩臺讀寫器需要對其內(nèi)部影響其讀寫效率的參數(shù)進行優(yōu)化，提高工作性能。

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測試出了在實際生產(chǎn)線環(huán)境對RRU9806SR超高頻臺面式讀寫器漏讀率。首先，在現(xiàn)有智能制造生產(chǎn)線上搭建了測試讀寫器硬件平臺，接著開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件采集實際生產(chǎn)線上安裝的標簽數(shù)據(jù)，并計算出了漏讀率。最后在Matlab軟件中求出了漏讀率的分布圖并求出了漏讀率均方根值。所求漏讀率即為讀寫器漏讀率。求得了漏讀率的分布圖并求出了漏讀率的分布特性表達式。

此測試方案簡單易用，對讀寫器性能進行漏讀率的分析，不需要花費較多的人力物力以及資金投資便可以檢測讀寫器的一般性能，對工業(yè)級讀寫器在復雜環(huán)境應用方案和產(chǎn)品檢測方面有借鑒作用。從測試的過程也可反映出RFID讀寫器以及電子標簽對于現(xiàn)代各個行業(yè)都有很大的實用價值，而超高頻讀寫器也將因其各種優(yōu)勢更加廣泛的應用于各個行業(yè)。在本論文的基礎上，后續(xù)研究工作將提出具體的改善方案來降低漏讀率，對該讀寫器內(nèi)部影響其性能的具體參數(shù)進行測試并優(yōu)化，使其更好的用在實際環(huán)境中。