基于RFID庫存管理分集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　 庫存管理系統(tǒng)現(xiàn)在依靠無源RFID技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)時自動識別。對許多應(yīng)用來說，使用RFID的投資回報是可接受的。這些系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r捕獲到全部在場庫存產(chǎn)品的信息，這就要求RFID系統(tǒng)必須能夠百分百地讀取所有被貼以標(biāo)簽的物品。RFID系統(tǒng)的讀取能力是涉及到許多變量的一個函數(shù)，這些變量包括：標(biāo)簽大小、方向、放置方式，以及查詢器天線（IA）設(shè)計(jì)。不幸的是，對所有單天線設(shè)計(jì)來說都存在讀不到標(biāo)簽的“黑洞”。通過分析并確認(rèn)這些黑洞，業(yè)界已開發(fā)出一種方法，即利用對ISO15693/ISO18000-3（13.56-MHz）物品等級系統(tǒng)的多樣性來實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取能力。

諸如智能卡車/貨柜等高頻（HF）RFID系統(tǒng)在該領(lǐng)域發(fā)揮著作用，很多制造商和方案供應(yīng)商都提供此類產(chǎn)品。這些并不昂貴的系統(tǒng)采用無源RFID標(biāo)簽（大量生產(chǎn)時單價不到25美分），這項(xiàng)技術(shù)在跟蹤臨床高價值物品時具有巨大潛力，其中一些物品有一定的保質(zhì)期。例如，在醫(yī)院的心導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室通常會有的儲物柜內(nèi)，可能會存放著250多個支架，總價值估計(jì)達(dá)37.5萬美元。取決于醫(yī)院規(guī)模，有可能會使用四個這樣的儲物柜，其內(nèi)的物品每4個月要被消耗掉，相當(dāng)于這樣一個儲物柜每年“經(jīng)手”的物品價值高達(dá)1.125百萬美元。植入式心臟去纖顫器（ICD）也是醫(yī)院內(nèi)的高價值物品。它們體積小（采用約3×4×6英寸的包裝），但是價值卻在10，000至20，000美元。它們通常儲存在諸如加鎖儲物柜等安全空間。在此類應(yīng)用中，使用RFID可以降低因某些物品備貨不足或過量而導(dǎo)致的成本損失，并且可以更好地掌控這些貴重物品的下落。

一個基本的RFID系統(tǒng)包括一個主機(jī)系統(tǒng)和多個RF組件（圖 1）。RF組件包括一個射頻查詢器（讀寫器和天線）以及標(biāo)簽。查詢器的目的是與現(xiàn)場標(biāo)簽通信，對無源系統(tǒng)來說，查詢器還通過發(fā)射的RF信號給標(biāo)簽供電。查詢器負(fù)責(zé)協(xié)議處理、給標(biāo)簽供電、讀取標(biāo)簽信息、將信息寫入標(biāo)簽，并確保將信息有效傳遞到主機(jī)系統(tǒng)。

ISO15693標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：只有當(dāng)“置身”于射頻場時，無源標(biāo)簽才被激活。為激活無源標(biāo)簽，由射頻場感應(yīng)來的電壓（VTag）必須足夠高，要達(dá)到嵌入在標(biāo)簽內(nèi)的RFID芯片工作所需的最低電壓水平。VTag值是標(biāo)簽尺寸/方向與磁場強(qiáng)度幅值的函數(shù)，對一個理想環(huán)路來說，VTag可以表述為：

VTag=2πf0NQB（Scosa）（1）

其中：

N=標(biāo)簽線圈的繞組數(shù)，

Q=標(biāo)簽的質(zhì)量因數(shù)，

B=磁場強(qiáng)度，

S=標(biāo)簽線圈的面積，

a=標(biāo)簽的指向角

圖1：一個基本的RFID系統(tǒng)包括一個主機(jī)系統(tǒng)和多個RF組件

　　磁場強(qiáng)度（B）由圓形查詢器天線（IA）產(chǎn)生，可由式2表述：

B=（μ0INa2）/2r3（2）

其中：

I=IA線圈電流，

N=IA線圈繞組數(shù)，

a=IA線圈半徑，

μ0=無礙空間的磁導(dǎo)率，

r=到IA的距離。

從這些方程，我們可以推導(dǎo)出標(biāo)簽大小和方向之間，以及與沿IA軸線感應(yīng)出的場強(qiáng)之間的關(guān)系。當(dāng)標(biāo)簽和查詢器接近時，雖然借助兩者間復(fù)雜的反應(yīng)式近場關(guān)系，其耦合關(guān)聯(lián)得以建立，但是只能被上述等式勉強(qiáng)表述，特別是當(dāng)r《《a且偏離查詢器的軸線時，其耦合關(guān)系難以準(zhǔn)確預(yù)測。在實(shí)際的物件級應(yīng)用中，標(biāo)簽通常是靠近查詢器天線的，所以基于這個原因，選擇并不完全依賴這些預(yù)測。

圖2：本次研究中使用的最小的RFID標(biāo)簽，只有硬幣大小

　　該機(jī)制對理解射頻黑洞很關(guān)鍵，它既與IA和標(biāo)簽的設(shè)計(jì)相關(guān)，也受兩者間交互的影響。HF標(biāo)簽有多種設(shè)計(jì)和尺寸，通常分為兩大類：平面和三維（3D）設(shè)計(jì)。平面標(biāo)簽是較常見的那種薄紙載體型，而三維標(biāo)簽內(nèi)含鐵氧體且體積小得多。這項(xiàng)研究中使用的標(biāo)簽都是平面型。由于性能是標(biāo)簽和IA的函數(shù)，所以這里探討了三種不同大小的常用標(biāo)簽的功能，其中圖2所示標(biāo)簽尺寸最小，圖3為兩種不同尺寸且設(shè)計(jì)截然不同的IA。對在感應(yīng)場內(nèi)只有一個標(biāo)簽和多個標(biāo)簽的情況，對讀寫器的反應(yīng)做了記錄。對在感應(yīng)場內(nèi)通常會有許多產(chǎn)品挨著擺放的實(shí)際應(yīng)用情況來說，這種做法頗有代表性。這些測量的目的，是力圖勾畫出一個可代表實(shí)際系統(tǒng)的三維空間，并定位出任何存在的RF黑洞。

圖3：兩種典型的RFID查詢器天線（IA），兩個天線的PCB走線中，都有一些關(guān)鍵位置

　　射頻黑洞的位置信息可用來定位其他天線的位置，使其在一個“沒有黑洞”的分集系統(tǒng)中發(fā)揮作用。常用的分集系統(tǒng)（圖4）內(nèi)置單刀多擲開關(guān)，用來將多個天線路由至RFID讀寫器。此類系統(tǒng)被設(shè)計(jì)可以頻繁在眾多天線中切換，采用PIN二極管開關(guān)，與只有單一可移動天線RFID系統(tǒng)所用的機(jī)械繼電器比，PIN二極管的平均無故障時間（MTBF）要長得多。目前市面上已推出商用的整合了帶復(fù)用電路讀寫器（有些能處理多達(dá)256個查詢器天線）的分集RFID系統(tǒng)，而價格也相對可接受。

圖4：該框圖顯示的，是使用多條CAT5線纜處理RF和數(shù)字控制信號的分集系統(tǒng)

　　在整個測試設(shè)置中，RFID讀寫器被認(rèn)為是最關(guān)鍵的部分，它被規(guī)定按照ISO15693/ISO18000-3Mode1協(xié)議的要求工作。該 ISO標(biāo)準(zhǔn)是成熟的，在全球范圍得到認(rèn)可，許多資深的制造商可提供各種讀寫器型號和標(biāo)簽大小。由于在一次掃描中可能會發(fā)現(xiàn)大量物件，所選的RFID讀寫器有能力在每次掃描中讀識最少100個標(biāo)簽。測試系統(tǒng)所選的讀寫器的（射頻）輸出是1W、來自可靠的制造商。本測試也評估了低功耗（200至250mW）讀寫器，但發(fā)現(xiàn)對特定的物件級應(yīng)用來說，其讀識范圍不理想。另外評估了功率高達(dá)10W的讀寫器，但并沒發(fā)現(xiàn)性能有顯著改善。此外，高功率水平與建議使用的 IA相結(jié)合，會超過監(jiān)管的輻射水平。且這些大功率讀寫器的成本比實(shí)際測試所用的低功耗版本要高近一個數(shù)量級。

由于在實(shí)際使用模型中，大量標(biāo)簽會非常緊湊地放在一起，所以設(shè)計(jì)人員擔(dān)心查詢器的失諧效應(yīng)會降低讀寫器性能，從而影響到標(biāo)簽的正確讀取。所測得的單一查詢器天線的回波損耗響應(yīng)（S11）接近50（圖5），與讀寫器給出的特性阻抗匹配。圖5還顯示了在不同標(biāo)簽大小條件下，查詢器的S11響應(yīng)。較大的標(biāo)簽，與查詢器耦合得非常好，對S11響應(yīng)有顯著影響，將其置于讀寫器約明的要求之外。有些讀寫器根本讀取不了挨得很近的標(biāo)簽，其廠家表示，高度的不匹配將“吞沒”接收器電路，以致檢測不到標(biāo)簽。但在這項(xiàng)研究中使用的讀寫器在這種條件下表現(xiàn)良好。除將標(biāo)簽非常近地靠近查詢器的PCB走線，針對查詢器S11的單標(biāo)簽（相對于多個標(biāo)簽）惡化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。希望單標(biāo)簽測試發(fā)現(xiàn)的射頻黑洞會類似于多標(biāo)簽測試中所發(fā)現(xiàn)的，以加快以后查詢器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證過程。

在預(yù)測試時，一個簡單的無源RF探針會很有用（圖6）。探針包含一個標(biāo)簽，其RFID芯片被發(fā)光二極管（LED）所取代，LED可用以指示EM場的存在；采用不同大小的標(biāo)簽組裝三個探針。雖然這個測試工具僅需一美元，很粗糙，但作為一種可定位RF黑洞的實(shí)時探針卻很有效。該探針能夠定位當(dāng)時無法明顯憑直觀感覺到的射頻黑洞。當(dāng)標(biāo)簽非?？拷樵兤鲿r，射頻黑洞暴露了出來，且對稱地分布在環(huán)形PCB走線的周圍。讀寫器的S11響應(yīng)驗(yàn)證了這種情況，當(dāng)標(biāo)簽放置在這些位置時，觀察不到變化，根據(jù)小環(huán)形探針記錄的S21測量情況也證明了這點(diǎn)。

這表明了可借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），通過觀察 S11和S21隨標(biāo)簽或PCB導(dǎo)線環(huán)運(yùn)動的響應(yīng)變化，來觀測射頻黑洞。通過對不同尺寸標(biāo)簽以及查詢器天線的進(jìn)一步檢測表明，在PCB走線的相同位置存在著黑洞。測試發(fā)現(xiàn)，讀取效果不好的區(qū)域相當(dāng)大，且都在PCB導(dǎo)線環(huán)附近、很有可能放置標(biāo)簽的位置。

　
圖5：單一查詢器天線的回波損耗響應(yīng)（S11）接近50

　
圖6：該RFID標(biāo)簽作為一個簡單的測試探針使用，其RFID芯片被一個發(fā)光二極管（LED）所取代

　　RFID標(biāo)簽測試臺準(zhǔn)備了多種標(biāo)簽設(shè)計(jì)和方向配置（圖7）。測試臺的配置包括多達(dá)77個標(biāo)簽、并指向x-y平面（平行于查詢器平面）以及正交于查詢器平面。每個RFID標(biāo)簽內(nèi)的各芯片都內(nèi)含一個獨(dú)特標(biāo)識符，作為讀取過程的一部分，可以讀出該標(biāo)識符；它用來標(biāo)記其測試臺的位置。讀寫器反應(yīng)（讀取標(biāo)簽的能力）以IA（Z軸）之上的固定增量被記錄下來。此外，還記錄了卡片以小步進(jìn)增量在查詢器的x-y平面移動的結(jié)果。x-y平面上的運(yùn)動很重要，因?yàn)樗试S對標(biāo)簽和查詢器導(dǎo)線的對稱排列并指示出在先前預(yù)測試時遇到的射頻黑洞。

　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單和多標(biāo)簽測試結(jié)果對平行平面和垂直平面來說，都符合得相當(dāng)好。垂直平面測量的結(jié)果符合這樣一種情況：在標(biāo)簽-標(biāo)簽間的高度耦合是主導(dǎo)趨勢時，當(dāng)標(biāo)簽間距小于0.4英寸時，有惡化現(xiàn)象。在垂直平面條件下的多標(biāo)簽測試是不停地讀取更多的標(biāo)簽；因標(biāo)簽間的高度耦合使位于射頻黑洞內(nèi)的標(biāo)簽得以激活，所以可將其認(rèn)為是一個激活標(biāo)簽產(chǎn)生的結(jié)果，而非直接來自查詢器。

對指向與IA平面相同的標(biāo)簽進(jìn)行的測試，指明了對所有標(biāo)簽尺寸和查詢器設(shè)計(jì)而言所共有的黑洞位置。如前面觀察到的，當(dāng)存在與標(biāo)簽的對稱情況時，在IAPCB導(dǎo)線附近就出現(xiàn)射頻黑洞。圖8（a）詳盡標(biāo)明了映射響應(yīng)，當(dāng)把卡向左或右移動，使這一整列標(biāo)簽與查詢器天線導(dǎo)線具有對稱性時，可清楚顯示出射頻黑洞。隨著高度的增加，處在邊緣的標(biāo)簽逐漸落在可讀取范圍之外，此時，可用金字塔表述該整體三維可讀取區(qū)的形狀。我們還發(fā)現(xiàn)，讀取區(qū)的大小與查詢器和標(biāo)簽的大小成正比。