田正其，歐陽曾愷，徐 晴，祝宇楠，楊 帆

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210019；2．國(guó)家電網(wǎng)有限公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210019；3．中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥，230601)

0 引言

在無線電通信技術(shù)中，射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是一種非視覺、無機(jī)械或光接觸的雙向通信自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)具有靈敏度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、信息豐富可加密和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈、車輛識(shí)別、門禁系統(tǒng)、圖書管理、自動(dòng)收費(fèi)和生產(chǎn)制造等領(lǐng)域[1-3]。

RFID標(biāo)簽因其自身的非可視閱讀、遠(yuǎn)距離閱讀、自動(dòng)識(shí)別和追蹤、能在惡劣環(huán)境下工作等眾多優(yōu)勢(shì)，具有代替條形碼的潛力[4]。隨著RFID系統(tǒng)的快速發(fā)展和市場(chǎng)需求的增加[5]，各種RFID產(chǎn)品紛紛涌現(xiàn)，使人們對(duì)RFID產(chǎn)品的質(zhì)量要求也變得更高。因此，RFID產(chǎn)品性能的檢測(cè)裝置應(yīng)運(yùn)而生。但是傳統(tǒng)的RFID檢測(cè)面臨諸多困難，如標(biāo)準(zhǔn)多、性能要求高、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備笨重等[6-8]，而且相關(guān)RFID電子標(biāo)簽和閱讀器的設(shè)計(jì)也變得多樣化，因此便攜式RFID檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)變得非常有必要[9-10]。便攜式RFID檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各應(yīng)用領(lǐng)域RFID系統(tǒng)的環(huán)境部署以及標(biāo)簽、閱讀器設(shè)備的檢測(cè)。

1 RFID技術(shù)的基本原理

RFID技術(shù)是一種無接觸式的技術(shù)，不需要個(gè)人行為的介入。RFID技術(shù)可以在各種惡劣條件下工作，通過射頻識(shí)別對(duì)研究對(duì)象自動(dòng)識(shí)別，并對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。這種識(shí)別操作不但能夠識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的物體，而且能夠識(shí)別不同的電子標(biāo)簽。

一套完整的RFID最小系統(tǒng)由控制終端、閱讀器、標(biāo)簽以及天線等組成[11]，如圖1所示。

圖1 RFID最小系統(tǒng)示意圖

①控制終端?？刂平K端是整套R(shí)FID系統(tǒng)的控制核心，包含應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)或嵌入式主板，用于協(xié)調(diào)整套系統(tǒng)各部件之間的工作。

②閱讀器。閱讀器是讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備，通常包含一個(gè)控制單元和一個(gè)射頻模塊。射頻模塊包含發(fā)射器與接收器。根據(jù)支持的標(biāo)簽類型以及完成的功能不同，閱讀器的復(fù)雜程度顯著不同。

③標(biāo)簽。標(biāo)簽是RFID閱讀器識(shí)別的對(duì)象，通常由天線和射頻芯片組成，用于存儲(chǔ)用戶所要了解的對(duì)象的信息，通常安置在被識(shí)別物體的表面。

④天線。天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對(duì)位置也會(huì)影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。

控制終端控制閱讀器通過天線發(fā)送電磁波。標(biāo)簽進(jìn)入該電磁波磁場(chǎng)后，其內(nèi)部的線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。標(biāo)簽獲得電流后開始工作，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)。如果是無源標(biāo)簽(又稱被動(dòng)標(biāo)簽)，其將會(huì)發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息；如果是有源標(biāo)簽(又稱主動(dòng)標(biāo)簽)，其將會(huì)主動(dòng)發(fā)送某一頻率的射頻信號(hào)。閱讀器通過天線獲取該信號(hào)，解碼后送至閱讀器的控制單元進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，并最終反饋至控制終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀，是基于高性能射頻收發(fā)模塊和高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)通信模塊而設(shè)計(jì)的一種小型、便攜的檢測(cè)系統(tǒng)儀器[12]。該現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的硬件架構(gòu)如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀主要由以下幾個(gè)部分組成。

圖2 檢測(cè)儀硬件架構(gòu)圖

①可編程嵌入式雙核處理器。該部分選用賽靈思Zynq芯片，采用片上系統(tǒng)(system on chip,SOC)技術(shù)將處理器系統(tǒng)(processing system，PS)和可編程邏輯(programmable logic，PL)兩大部分集成在一片F(xiàn)PGA中，使得軟件與邏輯分別在PS和PL中實(shí)現(xiàn)成為可能，提升了系統(tǒng)的集成度、靈活性和可擴(kuò)展性。

②射頻(radio frequency，RF)捷變收發(fā)器。該部分主要采用AD9361射頻捷變收發(fā)器完成射頻信號(hào)的收發(fā)工作，前端部分支持多輸入多輸出(multiple input and multiple output，MIMO)收發(fā)，頻段可達(dá)70～6 000 MHz，同時(shí)支持GPS時(shí)鐘同步，滿足多方面需求。

③按鍵功能模塊與電容觸摸屏。該部分主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

④異步收發(fā)器。該部分主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的通信接口功能。

⑤電源管理。該部分主要用于實(shí)現(xiàn)外、內(nèi)部供電模式轉(zhuǎn)換。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀軟件功能設(shè)計(jì)主要包括兩大方面：一方面是RFID系統(tǒng)部署過程中的信號(hào)監(jiān)測(cè)，另一方面是閱讀器和標(biāo)簽的性能評(píng)估。

3.1 RFID部署過程監(jiān)測(cè)

RFID系統(tǒng)部署過程中的信號(hào)監(jiān)測(cè)，主要包括對(duì)RFID設(shè)備部署環(huán)境探測(cè)、RIFD設(shè)備射頻通信信令分析和基于參考標(biāo)簽的性能評(píng)估。

3.1.1 環(huán)境探測(cè)

在RFID系統(tǒng)部署過程中，將便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀及天線放置于RFID設(shè)備部署環(huán)境中，啟動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)功能，并使用檢測(cè)儀記錄各個(gè)信道的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)設(shè)置的頻率在實(shí)時(shí)頻譜分析帶寬內(nèi)實(shí)時(shí)顯示最新的頻譜掃描數(shù)據(jù)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。此外，對(duì)于復(fù)雜射頻環(huán)境中的信號(hào)干擾問題，可捕獲射頻通信過程信號(hào)，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)采集大數(shù)據(jù)，獲取在未知時(shí)間未知地點(diǎn)出現(xiàn)的一個(gè)持續(xù)時(shí)間未知的干擾事件。

3.1.2 射頻通信信令分析

在RFID系統(tǒng)處于工作狀態(tài)的情況下，將便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀與天線放置于被測(cè)系統(tǒng)的工作范圍以內(nèi)。啟動(dòng)信令分析功能，使用檢測(cè)儀分析閱讀器和標(biāo)簽的通信情況，記錄工作過程中的信令、時(shí)序等參數(shù)。

信令分析功能主要針對(duì)讀寫器和標(biāo)簽的通信信令的探測(cè)、驗(yàn)證和分析，能夠分析信令收發(fā)序列，并且進(jìn)行跟蹤和檢測(cè)，從而直觀觀察到讀寫器和標(biāo)簽間通信的時(shí)序，分析出存在問題的信令點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)處于異常工作狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)一步分析異?，F(xiàn)象的具體情況，并追溯出現(xiàn)異常的原因。

在RFID設(shè)備射頻通信信令模式配置下，檢測(cè)儀在閱讀器模擬、標(biāo)簽?zāi)M、信號(hào)監(jiān)聽等不同的檢測(cè)模式下工作。閱讀器模擬模式能主動(dòng)發(fā)射指令信號(hào)，同時(shí)接收和分析標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)，適用于電子標(biāo)簽檢測(cè)。標(biāo)簽?zāi)M模式能接收和分析指令信號(hào)，同時(shí)發(fā)射響應(yīng)信號(hào)，適用于閱讀器的符合性和性能檢測(cè)。信號(hào)監(jiān)聽模式能采集、實(shí)時(shí)流盤和回放RFID系統(tǒng)的通信信號(hào)，適用于RFID系統(tǒng)的整體性能檢測(cè)和故障診斷。

3.1.3 基于參考標(biāo)簽的性能評(píng)估

在RFID系統(tǒng)未處于工作狀態(tài)的情況下，將便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀及配套設(shè)備，包括檢測(cè)天線、參考標(biāo)簽套件等，放置于被測(cè)系統(tǒng)的工作范圍以內(nèi)。

參考標(biāo)簽與被測(cè)的閱讀器進(jìn)行通信，啟動(dòng)射頻性能評(píng)估功能，使用檢測(cè)儀采集被測(cè)產(chǎn)品的射頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，得出射頻性能的主要參數(shù)，包括工作頻率、帶內(nèi)功率、讀取距離、寫入距離等。

當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)時(shí)，還可以采用參考標(biāo)簽替代射頻性能參數(shù)下降的失效產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行輔助定位和診斷。

3.2 RFID系統(tǒng)性能檢測(cè)評(píng)估

根據(jù)被檢測(cè)RFID系統(tǒng)不同類型，檢測(cè)可分為標(biāo)簽檢測(cè)、閱讀器檢測(cè)兩大類別。每一個(gè)類別具體又包含一個(gè)或多個(gè)功能面板。RFID系統(tǒng)性能檢測(cè)流程如圖3所示。

以太網(wǎng)連接嵌入式RFID檢測(cè)模塊與主板，配置正確的IP地址，打開軟件與設(shè)備連接，連接成功后可配置各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)。開始檢測(cè)后，通過采集到的時(shí)域波形來判斷信號(hào)是否被正確采集到。數(shù)據(jù)采集回來就可以通過軟件自動(dòng)或者手動(dòng)定位信號(hào)，并把分析結(jié)果顯示出來。最后，把采集的信號(hào)與分析的結(jié)果數(shù)據(jù)保存到磁盤。

圖3 RFID系統(tǒng)性能檢測(cè)流程圖

3.2.1 標(biāo)簽符合性檢測(cè)

射頻識(shí)別標(biāo)簽符合性檢測(cè)通過給被測(cè)標(biāo)簽發(fā)送指令信號(hào)，采集并分析返回的響應(yīng)信號(hào)。

射頻識(shí)別標(biāo)簽符合性主要技術(shù)參數(shù)主要包括調(diào)制深度(modulation depth,MD)、脈沖寬度(pulse width，PW)、過調(diào)制(over modulation，OM)、欠調(diào)制(under modulation，UM)等。

調(diào)制深度也稱調(diào)制度，指的是被調(diào)制波的幅度與載波幅度的比值，用百分?jǐn)?shù)Rmd表示。

有信號(hào)的調(diào)制函數(shù)p(t)為：

p(t)=[A+m(t)]×cos2πft

(1)

式中：A為載波幅度；m(t)為被調(diào)制波形函數(shù)；f為頻率；t為時(shí)間。

則調(diào)制深度Rmd可以表示為：

(2)

式中：peak(m) 為被調(diào)制波形函數(shù)的峰值。

調(diào)制深度Rmd也可以用已調(diào)波與載波的幅度關(guān)系來表示：

(3)

式中：mmax為已調(diào)波的最大振幅；mmin為已調(diào)波的最小振幅；pmax為載波的最大振幅；pmin為載波的最小振幅。

脈沖寬度為脈沖所能達(dá)到幅值所持續(xù)的周期，用T表示，即：

T=tum+tom+tam

(4)

式中：tum為欠調(diào)制時(shí)間；tom為過調(diào)制時(shí)間；tam正常調(diào)制幅度的時(shí)間。

欠調(diào)制，也叫欠沖，用調(diào)制信號(hào)波峰的峰值低于正常調(diào)制幅值的時(shí)間tum與脈沖寬度時(shí)間T的比值表示為：

(5)

過調(diào)制也叫過沖，用調(diào)制信號(hào)的某些峰值超過正常調(diào)制幅值的時(shí)間tom與脈沖寬度T的比值表示為：

(6)

頻域分析包括被測(cè)信號(hào)的中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比以及相位。

中心頻率是理論中心頻率，用fo表示。

頻率漂移是指射頻設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)，其輸出頻率值隨著時(shí)間單方向變化的情況。頻率漂移fΔ用被測(cè)信號(hào)中心頻率的實(shí)際檢測(cè)值fmea與理論中心頻率fo的差值表示為：

fΔ=fmea-fo

(7)

鄰道泄漏比(adjacent channel leakage ratio，ACLR)是用來衡量射頻設(shè)備工作時(shí)對(duì)主工作頻率外信道的影響特性，用被測(cè)讀寫器在發(fā)射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)比值表示為：

(8)

軟件設(shè)計(jì)了通信數(shù)據(jù)模塊，包括解碼數(shù)據(jù)、顯示射頻信號(hào)解碼與識(shí)別結(jié)果。該模塊還可以分析被測(cè)信號(hào)的反向鏈路頻率的相關(guān)測(cè)量值、編碼、前導(dǎo)碼校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻識(shí)別標(biāo)簽各項(xiàng)指標(biāo)的符合性檢測(cè)。

3.2.2 閱讀器符合性檢測(cè)

閱讀器符合性檢測(cè)通過采集閱讀器發(fā)出的信號(hào)，分析中心頻率、采集時(shí)間、采樣率、帶寬等參數(shù)開展檢測(cè)。

時(shí)域信號(hào)分析可以顯示變頻后的時(shí)域波形及基于時(shí)域波形所分析得到的各項(xiàng)參數(shù)。閱讀器檢測(cè)頻率分析內(nèi)容與標(biāo)簽符合性檢測(cè)分析內(nèi)容相似，也包括中心頻率、頻率漂移、鄰道泄漏比和相位等。閱讀器符合性檢測(cè)的通信數(shù)據(jù)模塊，除了包括解碼數(shù)據(jù)、前導(dǎo)碼校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)外，還分析了編碼方式相關(guān)測(cè)量值與基準(zhǔn)時(shí)間Tc的測(cè)量。

通過對(duì)超高頻和微波頻段RFID系統(tǒng)部署過程中的信號(hào)監(jiān)測(cè)，以及閱讀器和標(biāo)簽的性能評(píng)估，能夠有效優(yōu)化系統(tǒng)的部署，解決布置多少個(gè)天線、如何確定每個(gè)天線的最佳位置以及每種物品的最佳貼標(biāo)位置等問題，實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)部署過程的最優(yōu)化。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以電子標(biāo)簽檢測(cè)為例，對(duì)所設(shè)計(jì)的便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的檢測(cè)能力進(jìn)行測(cè)試。選用已部署RFID系統(tǒng)的車輛開展電子標(biāo)簽的性能檢測(cè)，選一條環(huán)境較復(fù)雜的車道，將便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀布置在道路一邊，用裝有電子標(biāo)簽的汽車開展兩個(gè)具有代表性的試驗(yàn)。

試驗(yàn)一：速度與電子標(biāo)簽識(shí)別率關(guān)系測(cè)試。試驗(yàn)車以不同的速度通過同一測(cè)試點(diǎn)，記錄不同速度下電子標(biāo)簽的識(shí)別情況，統(tǒng)計(jì)出不同速度下的電子標(biāo)簽識(shí)別率。

試驗(yàn)二：距離與電子標(biāo)簽識(shí)別率關(guān)系測(cè)試。試驗(yàn)車以固定的速度通過不同的測(cè)試位置，記錄不同位置下的電子標(biāo)簽識(shí)別情況，統(tǒng)計(jì)出距離與電子標(biāo)簽識(shí)別率的關(guān)系。

速度、距離與識(shí)別率的關(guān)系分別如圖4、圖5所示。

圖4 速度與識(shí)別率關(guān)系圖

圖5 距離與識(shí)別率關(guān)系圖

從圖4可以看出，部署的RFID電子標(biāo)簽系統(tǒng)優(yōu)化前，隨著移動(dòng)速度開始增加，識(shí)別率就開始下降。當(dāng)車速在20 km/h左右，識(shí)別率有90%左右；當(dāng)車速為20～40 km/h，識(shí)別率僅為80%多。而距離方面，從圖5中可以看出，部署的RFID電子標(biāo)簽系統(tǒng)優(yōu)化前，RFID電子標(biāo)簽與天線距離在1 m以上就出現(xiàn)了識(shí)別率下降的情況，距離在6 m左右時(shí)識(shí)別率在95%左右。

綜合速度與距離兩種因素，即使速度保持在20 km/h，距離在6 m，識(shí)別率只有85%左右。如果在高速路收費(fèi)站只有85%左右的識(shí)別率，10次經(jīng)過收費(fèi)站就有1次多出現(xiàn)識(shí)別不成功的情況，影響不停車收費(fèi)系統(tǒng)(electionic toll collection,ETC)全自動(dòng)收費(fèi)的效率。

采用本文所設(shè)計(jì)的便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀，對(duì)汽車上部署的RFID電子標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行診斷。診斷結(jié)果表明：車輛中電子標(biāo)簽的功率偏低，加上車輛擋風(fēng)玻璃較厚，進(jìn)一步影響電子標(biāo)簽的識(shí)別成功率。適當(dāng)調(diào)整電子標(biāo)簽的位置，并且更換功率稍大的電子標(biāo)簽，再次開展相同的測(cè)試。

優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果可知，20 km/h以內(nèi)識(shí)別率為100%，8 m以內(nèi)識(shí)別率為100%，綜合識(shí)別率高達(dá)100%；在20 km/h到50 km/h范圍內(nèi)，在8 m內(nèi)的識(shí)別率也有94%以上。

通過便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀，對(duì)RFID電子標(biāo)簽部署系統(tǒng)開展診斷分析，找出系統(tǒng)性能下降的原因并開展有效優(yōu)化，可提高系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。

5 結(jié)束語

為完成對(duì)RFID相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)，從硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件功能設(shè)計(jì)等方面開展了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)、研制了便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)標(biāo)簽識(shí)別、閱讀器、RFID系統(tǒng)部署環(huán)境的檢測(cè)與性能評(píng)估。該便攜式RFID現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀外形小巧，既滿足RFID電子標(biāo)簽以及閱讀器基本指標(biāo)測(cè)試要求，又能檢測(cè)、診斷出RFID系統(tǒng)由于環(huán)境或自身等因素導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)下降的原因。以電子標(biāo)簽檢測(cè)為例，開展了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，便攜式RIFD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀能夠?qū)σ巡渴鸬腞IFD系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效的診斷，并有針對(duì)地提出改善意見，提高了RFID系統(tǒng)性能。