基于RFID庫存管理分集系統(tǒng)設(shè)計

　　如測試表明，沒有任何一個平面查詢器天線在其整個平面能實現(xiàn)百分之百的讀取率，且在查詢器附近有一個體積不小的射頻黑洞。測試結(jié)果表明，若適當(dāng)?shù)嘏挪级鄠€IA，則有望實現(xiàn)百分之百的讀取。測試還顯示，適當(dāng)設(shè)計的分集系統(tǒng)可在整個表面滿足百分之百的讀取性能要求，且沒有物件數(shù)量的限制。這些結(jié)果只應(yīng)用于可能的不同標(biāo)簽/查詢器組合樣例，其中一些可能會滿足預(yù)期的性能。

與此同時，我們還研究了雙回路IA設(shè)計。很顯然，對小標(biāo)簽來說，在大的單回路IA設(shè)計的中心普遍存在著射頻黑洞。對雙回路IA設(shè)計的建模結(jié)果表明，與同樣大小的單回路設(shè)計相比，雙回路設(shè)計在中心區(qū)的標(biāo)簽讀取效果有顯著改進。雖然雙回路IA尚未投放市場，但我們制造了一個并進行了測試。結(jié)果顯示，對放置在中心區(qū)標(biāo)簽的讀取有顯著改善，但同樣遭受了在此位置對稱效應(yīng)的影響。

分集天線

隨后將這些測試結(jié)果應(yīng)用到分集系統(tǒng)的設(shè)計，目標(biāo)是針對庫存管理應(yīng)用實現(xiàn)百分之百的讀取率。另一個目標(biāo)是在對現(xiàn)有硬件（架子、櫥柜等）不做重大修改的條件下，提供平面設(shè)計，這樣做不會減小產(chǎn)品空間而且也美觀。該設(shè)計還必須考慮到任何可能降低性能的因素，如包裝。我們對紙板包裝的支架和導(dǎo)管產(chǎn)品以及密封在箔襯袋內(nèi)的產(chǎn)品進行了大量測試，還針對智能圖書架應(yīng)用，對圖書館內(nèi)的書籍的標(biāo)記和讀取做了很多次測試。與此同時，ICD測試也在進行中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對較大的包裝所出的問題最少，從而允許以與RFID查詢器平行的指向使用大的ISO標(biāo)簽。

針對以支架為對象的物件級應(yīng)用來說，對其進行標(biāo)記被認為是適當(dāng)?shù)模驗闃?biāo)簽實際上可盡可能近地靠近查詢器。對于支架類產(chǎn)品，標(biāo)簽如圖9（a）所示置于底部邊緣；甚至在帶箔內(nèi)襯包裝時，仍可實現(xiàn)百分之百的讀取。對以正交指向放置的較大ISO標(biāo)簽進行測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有在去除鋁箔包裝后，才可實現(xiàn)百分之百的讀取。對垂直指向放置、帶鋁箔包裝的ISO標(biāo)簽的測試結(jié)果不好，這是因為標(biāo)簽被夾在金屬之間，從而使標(biāo)簽失調(diào)且也減弱了達到標(biāo)簽的射頻場強。

　　對于圖書應(yīng)用，ISO大小的標(biāo)簽被放置在前封面內(nèi)側(cè)的下部（圖9（b））。即使標(biāo)簽與讀寫器成直角，只要書的寬度大于0.2英寸，采用大標(biāo)簽才可以實現(xiàn)百分之百的讀取。當(dāng)書的寬度太小時，各本書內(nèi)的標(biāo)簽就會挨得很近，實際上對標(biāo)簽施加了失諧效應(yīng)，從而使讀取變得困難。應(yīng)該指出的是，對隨機放置的標(biāo)簽來說，無論怎樣努力都無法實現(xiàn)百分之百的讀取率，本研究只針對妥善安置的標(biāo)簽。

在查詢器設(shè)計的早期發(fā)展階段，人們了解到：所有單回路天線設(shè)計的組合都可能產(chǎn)生問題，因它們彼此間存在強烈的耦合，使測得的每個單回路天線的性能也因此不再有效。對各種回路組合進行多次建模測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單和雙回路（通常稱為“數(shù)字8”）組合架構(gòu)可互補彼此的覆蓋范圍，早期測試中也證明了這點。此外，同心環(huán)/“數(shù)字8”間的耦合性預(yù)測會很低，后來的測試證明該指標(biāo)好于-20dB。

最后生成的查詢器設(shè)計如圖10所示。設(shè)計時考慮了要滿足支架和ICD的實際存儲情況，以及書籍或任何類似大小、類此組成的其它產(chǎn)品的情況。最初的設(shè)計包括三個環(huán)路/數(shù)字8對。這種配置是為預(yù)計應(yīng)用（支架/ICD/書籍）設(shè)計的，用來讀取與讀寫器同一平面內(nèi)的任何標(biāo)簽，或任何與讀寫器垂直或平行于側(cè)壁的標(biāo)簽。后來增加了兩個數(shù)字8來評估額外的標(biāo)簽取向（垂直和平行于背墻），此舉使其有能力借助單一平面讀寫器配置，來讀取任意指向的標(biāo)簽。設(shè)計查詢器天線布局和間距的原則，是以最少天線實現(xiàn)最佳性能。如圖10所示，該布局允許采用多條走線完成PCB的走線長度。這些靠得很近的長線段有利于在整個表面上讀識標(biāo)簽。

　　對設(shè)計內(nèi)的每個查詢器天線進行調(diào)整，以使阻抗匹配有利于標(biāo)簽現(xiàn)場情況。讀寫器的阻抗要求規(guī)定IA應(yīng)滿足50-？的系統(tǒng)特性阻抗。為在標(biāo)簽在場的情況下調(diào)整其反應(yīng)，則標(biāo)簽不在場時的性能將不再是優(yōu)化的了。在這兩種情況間做了妥協(xié)，以使在任何數(shù)量的標(biāo)簽在場的情況下，匹配都相當(dāng)于VSWR小于2.0:1的情況。先前的研究測試了讀寫器的性能與VSWR的關(guān)系，情況顯示：除非匹配明顯高于5.0:1的VSWR，否則性能沒有明顯惡化。值得一提的是，從等式1和 2可以看到：為使讀取范圍加倍，由讀寫器產(chǎn)生的IA內(nèi)的電流必須以立方的量級增加。因功率正比于電流的平方，則讀寫器的功率必須要高64倍才能在該 RFID系統(tǒng)內(nèi)使讀取距離加倍（其中P與r6成比例）；系統(tǒng)內(nèi)合理的VSWR反應(yīng)不會導(dǎo)致感應(yīng)電壓的重大損失。

借助商業(yè)讀寫器/多工器和測試設(shè)置對測試結(jié)果進行記錄，如圖11。所有8個天線的映射響應(yīng)如圖12所示。映射響應(yīng)清楚表明，對許多標(biāo)簽指向來說，都可得到百分之百的讀取率。此外，還發(fā)現(xiàn)存在巨大的天線“冗員”現(xiàn)象，其中標(biāo)簽被一個以上天線讀取，因此可將參加掃描的天線數(shù)減為三個，且仍可達到百分之百的讀取性能。讀寫器/多路復(fù)用器還有可操控多達256個查詢器天線的復(fù)用功能。使用由讀寫器/復(fù)用器制造商描述的常用CAT5電纜，可輕松地配置和組裝智能貨車以便容納多達16個 RFID貨柜，每一個都可以在16個天線間切換。借助非平衡變壓器的使用，射頻能量通過四對CAT5雙絞線電纜（100-）中的一對傳送，其余6根線用作數(shù)字輸入/輸出（I/O）。在13.56MHz，CAT5電纜的損耗相對較低，通過100英尺的電纜可實現(xiàn)百分之百的讀取性能。

　　在這項研究中碰到的幾個問題可以認為是對一些應(yīng)用的限制，例如捕獲速度。借助整合的復(fù)用技術(shù)，可順序進行切換交替；讀寫器捕獲標(biāo)簽所需的時間與現(xiàn)場標(biāo)簽數(shù)直接成正比。用所有這8個查詢器讀取77標(biāo)簽試驗臺所需的時間為40秒。在研究這些數(shù)據(jù)集之后，確認其中5個查詢器是完全多余的，將它們拿掉后整個掃描時間縮短為20秒。在測試現(xiàn)場，對支架應(yīng)用來說，我們遇到的情況是不超過50個產(chǎn)品/貨架，通常是25個，讀取它們所花的時間在15秒以內(nèi)。讀寫器的速率是轉(zhuǎn)發(fā)器協(xié)議（指定的標(biāo)簽/秒速率）、防競突算法以及讀寫器能力（將數(shù)據(jù)傳遞到主機的吞吐量）的函數(shù)。好消息是，新的HFGen2RFID標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的進度明顯加快，而相應(yīng)的讀寫器/標(biāo)簽應(yīng)在不久就可面市。在該應(yīng)用中，對時間的考慮不是重要問題，因為庫存更新只需在換班時進行，每天3次。有一些應(yīng)用既要借助RFID跟蹤產(chǎn)品，也需求通過生物識別技術(shù)（指紋）或ID卡識別人員，它們發(fā)生在繁忙區(qū)域，其中貨車/貨柜間的讀識間隔會很短，這時掃描時間就是個重要參數(shù)了。

　　另一個潛在的問題與窄的產(chǎn)品相關(guān)，如支架；有一種現(xiàn)象是，當(dāng)貨架沒全滿時，這些窄的產(chǎn)品有可能“跌倒”。在這種情況下，標(biāo)簽就與讀寫器成直角，且有可能處在無法被讀取的高度，尤其是當(dāng)產(chǎn)品使用小標(biāo)簽時。為規(guī)避這種情況，需在貨架內(nèi)放置可移動的塑料格柵/書檔，以防止產(chǎn)品“跌倒”

隨著價格便宜的COTS硬件的推出，商家可以配置具有成本效益的分集系統(tǒng)，從而滿足許多庫存管理應(yīng)用所要求的規(guī)范。這些系統(tǒng)本來就可以是模塊化的，且為將其整合進現(xiàn)有的系統(tǒng)進行了配置，從而不會顯著犧牲產(chǎn)品空間，從美學(xué)角度也不會很難看。整合了復(fù)用技術(shù)的物件級RFID技術(shù)為許多應(yīng)用提供了可接受的方案，且對跟蹤諸如支架和ICD等昂貴臨床產(chǎn)品尤其有吸引力。