孫偉華，何 蔚，徐 江，張 輝，張豐利

(公安部第三研究所 防偽事業(yè)部，上海 201204)

0 引言

RFID是一種非接觸自動識別技術(shù)，RFID系統(tǒng)由讀寫器、天線和安裝在識別目標(biāo)上的電子標(biāo)簽構(gòu)成，通過射頻無線通信的方式實(shí)現(xiàn)對靜止或移動物體或人員的遠(yuǎn)距離自動識別[1-2]。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和識別技術(shù)相比較，RFID具有識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、序列標(biāo)識一致性等優(yōu)點(diǎn)[3]。

目前RFID技術(shù)已應(yīng)用于車輛識別領(lǐng)域，如：ETC不停車收費(fèi)、小區(qū)停車監(jiān)控、貨運(yùn)港口車輛管理等[4]。固定式龍門架采集基站是常用的RFID車輛信息采集基站。以下對采集基站射頻識讀距離進(jìn)行了仿真計(jì)算，從而可對系統(tǒng)包括讀寫器天線安裝高度、傾角設(shè)置，不同車型電子標(biāo)簽安裝位置等的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)行優(yōu)化。

1 汽車數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信源

全稱為“汽車身份特征信息和管理基礎(chǔ)信息的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信源”，其具有“汽車電子身份證”功能，俗稱為“電子車牌”。其實(shí)質(zhì)上為一種工作于UHF頻段，且具有多項(xiàng)應(yīng)用特性的無源陶基型汽車專用RFID電子標(biāo)簽，此標(biāo)簽與汽車擋風(fēng)玻璃“固聯(lián)一體”，是緊貼擋風(fēng)玻璃安裝的[5]。

現(xiàn)行市場上國家批準(zhǔn)銷售的車輛共有上百個品牌幾百種不同的型號，其擋風(fēng)玻璃的傾角從21°～93°不等，擋風(fēng)玻璃上沿高度距離地面從 1～3米以上不等。因此有必要對安裝在不同車型、不同位置的標(biāo)簽分別進(jìn)行測算，保證所有安裝有“汽車數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信源”的車都能正確被基站所識別。

2 固定式龍門架采集基站識讀距離仿真

如圖1所示，當(dāng)前擋風(fēng)玻璃上貼有無源RFID電子標(biāo)簽的車輛通過固定式龍門架采集基站時，隨車輛向采集基站前行，天線與標(biāo)簽之間間距R、其與讀寫器天線的法線方向的夾角θa、與標(biāo)簽法線方向的夾角θt均發(fā)生變化。其滿足：

圖1 RFID固定式龍門架采集基站

對于圖1中的RFID系統(tǒng)，在車輛前進(jìn)的過程中，讀寫器天線與標(biāo)簽的相對位置和主輻射面的法線夾角不斷變化，因此在前向鏈路中標(biāo)簽接收功率為：

其中 Greader(θa)為讀寫器天線H面上θa方向上的增益值，Gtag(θt) 為標(biāo)簽天線H面上的θt方向上的增益值。

無源標(biāo)簽由讀寫器天線發(fā)送的連續(xù)載波提供能量激活標(biāo)簽，要驅(qū)動標(biāo)簽芯片工作，需滿足Pchip大于標(biāo)簽靈敏度閥值。

反向鏈路中，讀寫器端接收到無源標(biāo)簽反射回的功率為：

當(dāng)滿足Pback大于讀寫器天線的靈敏度閥值時，系統(tǒng)才能正確識讀到標(biāo)簽。而一般情形下，RFID識別系統(tǒng)的識別距離主要受前向鏈路的影響[6]。因此可以標(biāo)簽接收到的功率值是否大于標(biāo)簽芯片靈敏度的閥值作為判斷系統(tǒng)是否正常工作的依據(jù)。

假設(shè)讀寫器天線架高h(yuǎn)a=5.5米，安裝傾角α=25°，標(biāo)簽安裝位置離地高h(yuǎn)t=1.2米，汽車擋風(fēng)玻璃傾角β=58°，讀寫器輸出功率 PT=30 dBm(1W)，讀寫器天線增益12.5 dB，標(biāo)簽天線增益2.0 dB。

將式(2)、式(3)代入讀寫器天線、標(biāo)簽的 H 面遠(yuǎn)場圖Greader(θa)、Gtag(θt)可得讀寫器天線與標(biāo)簽隨車輛前進(jìn)時互指向的增益值 Greader(d)、Gtag(d)，如圖2所示。

圖2 讀寫器天線與標(biāo)簽隨車輛前進(jìn)時互指向的增益值Greader(d)、Gtag(d)

再同式(1)代入式(4)?？傻脴?biāo)簽接收功率Ptag隨車輛與采集基站間距d的變化，如圖3所示。

假設(shè)標(biāo)簽天線與芯片阻抗匹配，即Ptag=Pchip。一般標(biāo)簽靈敏度為-30 dBm（50 μW），即標(biāo)簽芯片接收功率高于此閥值時，標(biāo)簽被激活，RFID系統(tǒng)可識別到標(biāo)簽。

由仿真結(jié)果中可知在車輛距龍門架 5.25米處標(biāo)簽接收功率達(dá)到峰值。龍門架前可識別距離范圍為2.1～16米。即可測算出在車速180 km/h通過采集基站的情況下，可識讀時間窗口為280 ms。

圖3 標(biāo)簽接收功率Ptag隨車輛與采集基站間距d的變化

在以上條件下改變讀寫器天線的安裝傾角（20°、25°、30°），比較標(biāo)簽的接收功率，如圖4所示。

圖4 不同天線傾角下的標(biāo)簽接收功率

可見隨著天線傾角的增大，最遠(yuǎn)識讀距離減小，而最大峰值增大。

以下比較三種常見車型：小型車、貨運(yùn)卡車、客運(yùn)大巴的識讀距離，三種車型的參數(shù)如表1所示。

表1 三種常見車型傾角、高度

圖5為讀寫器天線傾角30°的條件下，可見客運(yùn)卡車的標(biāo)簽接收功率峰值最大，即通過辨識度最高；小型車可識讀范圍相對較小，通過辨識度最低。

圖5 三種常見車型的標(biāo)簽接收功率比較

3 結(jié)語

對不同車型通過RFID固定式龍門架采集基站時的可識讀距離做了理論計(jì)算，實(shí)際工程測試中RFID系統(tǒng)的識別距離還受到包括車體反射、地面反射、工作環(huán)境噪聲因素、汽車擋風(fēng)玻璃引起的標(biāo)簽失諧頻偏等的外部環(huán)境影響以及標(biāo)簽內(nèi)部電路對系統(tǒng)能量的損耗、芯片與天線間阻抗不完全匹配而引起的功率損耗的影響[7]。而識讀距離的仿真計(jì)算結(jié)果依然是反應(yīng)RFID車輛管理識別系統(tǒng)性能的一個有效標(biāo)尺，為汽車數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信系統(tǒng)采集基站的架設(shè)、讀寫器天線與電子標(biāo)簽的選擇提供了參考依據(jù)。

[1] 葉里莎.RFID技術(shù)的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2007，40(12)：267-271.

[2] 王睿，趙龒.RFID技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架的研究[J].通信技術(shù)，2009,42(05)：116-118.

[3] 張華,魏臻.無線射頻識別技術(shù)RFID及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)安全，2007(07)：30-32.

[4] 李元忠.射頻識別技術(shù)及其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2002(42)5-9.

[5] 趙郁亮,趙正德,楊立朝,等.汽車數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信源在道路公安交通管理中的應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2008(13)：1951-1954.

[6] NIKITIN P V, RAO K V S.Performance Limitations of Passive UHF RFID Systems[C].USA:IEEE, 2006：1011-1014.

[7] 李要偉,鄧成.RFID標(biāo)簽激活距離的計(jì)算方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006(23)：31-33.