新型RFID系统基准性能测试指标体系设计*

刘敬光 吴斯栋 梁小明 洪晓斌

（1.广州市标准化研究院 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

新型RFID系统基准性能测试指标体系设计*

刘敬光1吴斯栋2梁小明1洪晓斌2

（1.广州市标准化研究院 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

本文介绍了无线传感识别测控平台，根据性能测试可测量、可重复、可对比以及应用有效原则，采用系统结构划分方法，提出集成传感器RFID系统的基准性能测试指标新体系，并分别介绍了测试指标体系中各个指标的内容、使用导向与评价标准，为保证集成传感器RFID系统的工作性能和有效部署奠定了基础。

RFID；基准性能；指标体系；传感器

1 引言

随着RFID技术的蓬勃发展，市场对RFID设备的需求也日趋旺盛。越来越多的厂商和企业投入到RFID设备生产这一领域内，各种不同类型的RFID设备不断涌现。然而，不同的设计方案与制作工艺导致了不同品牌和型号的RFID设备性能出现显著的差异，并且RFID设备生产商所标称的产品及系统性能参数都是基于不同的测试方法和标准，产品之间的比较缺乏统一的基准平台，这给对同类产品性能进行有效公正的横向比较以及系统集成应用带来了困难[1]。因此，对RFID设备及系统进行科学的评估成为有效部署RFID系统的一项关键任务。

目前国内外几大主要地区的相关研究机构根据不同地域的产业特点、业务需求以及政企管理需要，分别设计了不同特点的RFID基准测试体系，并建立了相应的RFID测试中心。如美国Sun RFID测试中心，设计了注重解决优化标签和后台数据整合问题的RFID测试体系；欧洲英飞凌科技公司RFID解决方案展示和测评中心采用的RFID基准测试体系，主要针对专用RFID系统基础设施的开发和验证[2]；中国科学院自动化研究所RFID研究中心建立的国内首个国家级RFID测试实验室，根据应用可靠性测试的原则总结出了一套系统及应用实务评测体系；上海复旦大学Auto-ID中国实验室的RFID演示平台，提出了为标准制订和产品设计提供的参考评测体系等[3]。同时，传感网作为物联网核心技术之一，呈现出与RFID技术的互补融合趋势，促使集成传感器RFID系统技术逐渐成为物联网发展研究热点。因此，建立一套符合RFID系统发展趋势所需的测试基准体系具有重要的研究意义和前瞻性。本文基于前期研究，设计了一套集成传感器RFID系统基准性能测试指标体系。

2 WSID网络测控平台

本文前期设计了一套WSID测控平台[4]。该平台分为现场测控层、企业级监控层及远程监控层三层结构。现场测控层是对底层现场的数据采集及处理；企业级监控层即在线控制现场设备；远程监控层可利用当前的商业以太网实现远程检测与控制。现场测控层采用IEEE 802.15.4的Zigbee网络协议，构建一个多跳的自组织网络，WSN网络节点集成了无源RFID标签和传感器，分别负责采集物品信息和环境等参量。现场测控网与企业监控层网络通过网关进行连接，企业监控层采用以太网网络，在系统服务器中存放各种数据库等资源，并通过Web服务器与外界Internet相连。现场测控层对测控数据的传递起着桥梁的作用，主要包括多个无源RFID传感装置、汇聚节点/网关、现场监控微机，各组成单元在系统中承担不同的测控任务。企业级监控层位于现场测控层的上层，具体包括测控策略服务器、系统服务器、工作站及Web服务器等，主要负责综合监控测控现场的所有信息并集中显示，进行系统测控策略设计。远程测控层构建在Internet框架上，在线提供现场测控参数的实时数据和历史数据，用户可以随时浏览测控现场的各种实时数据，了解现场的工作情况。

WSID网络测控平台能够充分发挥以WSN作为前端测控网络、以无源RFID传感装置采集物品相关信息的优势，扩展了物联网的发展空间。在结合中间监控层和后端服务层需要的同时，如何保证测控网络前端采集信息的实时性和有效性则是测控平台总体规划中的首要技术要求。因此，有必要针对WSID网络测控平台前端的集成传感器RFID系统进行科学的性能评估。

3 集成传感器RFID系统基准性能测试体系框架结构

从WSID网络测控平台的集成传感器RFID系统基准性能测试体系的直观性、应用有效性和客观性等方面考虑，系统性能测试指标须符合如下要求：评价标准可测量；评价方法可重复；评价结果可对比。对RFID设备及系统进行科学评估不仅要求评估各个系统组成部分的独立性能，同时要求评估各个系统组成部分相互联系时的构造性能[5]。只有同时满足以上评估要求，才能全面地评价既有的RFID设备及系统的性能，保证RFID应用系统可靠有效运行，为有效部署RFID系统提供重要依据。因此，本文分别从RFID标签、阅读器、天线、智能传感器混合模式接口（Mixed Mode Interface，MMI）以及系统五个部分，研究集成传感器RFID系统的基准性能测试指标体系。

RFID标签在系统中负责信息标识以及传感器工作能量储备和供应。它在电路设计、加工工艺和现场部署等多个程序上存在差别，导致其在多个方面呈现性能差异。根据这些性能差异在应用效果上的影响程度，设计出五个子指标，对实现RFID标签功能的模块进行相应的标签性能评价，分别为标签工作场强阈值、标签灵敏度降级、标签介质影响、标签芯片功耗以及标签排列密度。这五个指标均采用标签的反向散射强度作为评价标准，以考察RFID应用系统中相关标签配置信息对标签工作性能的影响。

阅读器在系统中负责能量的输送以及信号的收发，其硬件设计的差别会导致能量和信号质量的差异；在处理复杂环境下通信问题的过程中，采用不同的调度算法和处理算法也同样会导致阅读器性能出现多方面差异。因此，设计三个阅读器性能指标对实现阅读器功能的模块进行评价，包括阅读器频谱表现、阅读器接收灵敏度和阅读器防碰撞能力。

RFID系统中天线性能的评估，注重读写器经天线发出的电磁波能量分布，即天线能量分布。它可以与由标签芯片功耗和阅读器接收灵敏度组合确定的功率阈值作对比，从而在天线能量分布图上获取一个RFID系统正常工作的范围。

混合模式接口能够实现传感数据的传输和转化。传感器接口采用不同的设计方案或者系统采用不同的接入算法都会使其性能在多方面体现出差异。对混合模式接口的关注，主要集中在近年来IEEE1451.4混合模式传感器接口引发的对传统模拟式传感器和传感器的自识别功能的发展上。集成传感器RFID系统应用中设计了两个描述智能传感器插拔过程的性能指标，分别为影响传感器接入质量的即插即用性能以及影响传感器插拔安全的热插拔性能。

最后，在前面所述的四个分支指标确定的前提下，利用既选的RFID标签、阅读器、天线及IEEE1451.4智能传感器构建一个RFID应用系统，针对该应用系统进行系统性能的总体评价，即为系统稳定性能。

4 RFID系统基准性能测试指标体系

以下分别从测试指标的内容、导向和评价标准三方面分析RFID基准性能测试体系。

4.1 RFID标签性能测试指标

① 工作场强阈值

标签工作场强阈值可分为识别磁场强度阈值、读磁场强度阈值、写磁场强度阈值、最大工作磁场强度阈值以及生存磁场强度阈值。识别磁场强度阈值是指标签识别所需要的磁场强度阀值水平，标签需要能量工作，能量则来自于磁场，识别磁场阈值是允许标签识别的最小场强；读磁场强度阈值是指标签读操作所需要的最小磁场强度阀值水平；写磁场强度阈值是指标签写操作所需要的最小磁场强度阀值水平；最大工作磁场强度阈值是指标签和读写器实现正常识别、读写通信的最大工作磁场强度；生存磁场强度阈值是指当标签放置环境的磁场强度超过该强度后，即使将磁场强度再降低到识别磁场强度阈值和最大工作磁场强度阈值之间，标签也不再能工作。标签工作场强阈值是为了给使用者提供一个对标签进行各种操作时的正常且安全的场强水平，其评价标准直接采用磁场强度计量。

② 标签灵敏度降级

标签灵敏度降级是指标签在各个不同的方向（方位角和俯仰角）上对标签工作性能造成的差异影响。标签灵敏度降级有助于使用者直观地了解一款RFID标签产品在相对阅读器不同方位下的性能表现，从而指导使用者配置性能表现更好的标签方位。标签灵敏度降级的评价标准采用标签的反向散射强度，更直观地反映出RFID标签工作的有效性，同时方便定量测量和连续测量，最重要的是隔离了阅读器对测量结果的影响。

③ 介质影响

介质影响是指RFID标签的工作性能可能由于介质材料和介质间距引发的谐振频率漂移问题发生改变。介质影响的测试是为了帮助使用者获得标签工作在不同介质或不同介质距离环境下的性能表现，从而指导使用者采用合适的介质配置方法，降低标签周围的介质对标签性能的影响。标签介质影响采用标签的反向散射强度作为评价标准。

④ 芯片功耗

标签芯片功耗是指标签在工作时所需要的最小能量消耗。标签芯片功耗的测试，可以协助使用者选择功耗更低、识读机会更高的RFID标签。标签芯片功耗采用标签的反向散射强度作为评价标准。

⑤ 标签排列密度

标签排列密度是指测试标签位于一个标签群中时，测试标签工作性能受到周围不同空间排列和不同密度标签群的干扰影响。标签排列密度测试可以协助使用者在构建多标签环境的RFID应用系统时，选择效果更好的标签群部署方式，减少标签间的干扰影响，保证更好的标签工作性能。标签排列密度采用标签的反向散射强度作为评价标准。

4.2 阅读器性能测试指标

① 频谱表现

阅读器频谱表现是指阅读器产品直接输出的频谱信号，包括信道带宽及信道占用带宽、载波频率容限、发射功率和邻道功率泄漏比等。阅读器频谱表现的测试结果与使用者所在地无线电管理机构分配到的RFID阅读器频谱特性要求的对比，可以协助使用者选择频谱符合标准的阅读器产品。阅读器频谱表现采用频域信号作为评价标准，具有直观、可测量和抗干扰的性能。

② 接收灵敏度

阅读器接收灵敏度是指阅读器能够正确解读反射链路中标签传送回来信号时的最小功率，是表征阅读器接收微弱信号能力的指标。阅读器接收灵敏度测试是为了协助使用者选择识别效果更好的阅读器，为构造一个合理的系统工作范围提供依据。

③ 防碰撞能力

阅读器防碰撞能力是指阅读器在识读不同数量级的RFID标签群过程中的有效识读能力。阅读器防碰撞能力可以协助使用者在多数量标签群的工作环境下选用性能更好的阅读器，避免发生传输失败、信息丢失等状况。阅读器防碰撞能力采用时隙信号作为评价标准，评价结果是识读过程中有效时隙占总体时间的占空比，即吞吐率。

4.3 天线、MMI及系统性能测试指标

① 天线能量分布

天线能量分布是指在固定频率和功率的信号驱动下，天线辐射出去的能量在空间极坐标系中的功率或场强的分布特性。天线能量分布的评价标准可以直接采用功率或场强表示。

② 即插即用

针对智能传感器混合模式接口的特点，设计了识别速度和识别成功率两个子指标作为MMI即插即用性能测试指标。MMI即插即用性能的测试可以协助使用者在算法未知的情况下选择效率和可靠性更高的传感器接口。

③ 热插拔

一般的插拔操作可能产生过电流、瞬态电压或静电释放等危害，其中尤以静电释放的危害最大，瞬态电压可能为正常工作电压的几倍，但是静电释放电压却可以达到几千伏。因此，针对静电释放危害的破坏性进行实验来检验MMI接口的热插拔性能。热插拔性能的实验结果可以协助使用者选择安全性更高的传感器接口，避免接口或系统损坏。

④ 系统工作性能

对于系统工作性能的评价比较宏观，设计静态测试和动态测试环境下系统的识读范围和识读速度作为系统性能指标。识读范围一般定义为标签不能被读取的最短距离，它表示在这段距离内阅读器能可靠地读取标签中的数据。识别速度是指单位时间内阅读器识读标签的总次数。识读范围和识读速度可以作为评价一个现有RFID应用系统的显示标准。

5 结束语

目前集成传感器RFID系统的概念和研究受到物联网专业人士的广泛重视，但其技术驱动和应用仍处在初期阶段。集成传感器RFID系统将在相对较长的一段时间内成为物联网发展的底层重心，对于它的性能评估和保障也将随之得到进一步重视。本文提出集成传感器RFID系统基准性能测试指标体系，兼顾了典型RFID系统基准性能评估中应该注意的各个系统组成部分，使测试指标的分析全部定量化，并且具备指标组合重构的潜能。加入了传感器性能测试的思想，增加了系统接口的稳定性和可靠性，为未来进一步的集成传感器RFID系统的性能测试发展需要奠定基础。

[1] J.David Porter,Richard E.Billo,Marlin H.Michie.A Standard Test Protocol for Evaluation of Radio Frequency Identification Systems for Supply Chain Applications[J].Journal of Manufacturin Systems,2004,23(1):46-55.

[2] 徐永成,罗日荣,陶利民,等.射频识别技术国内外应用现状、问题与对策[J].测控技术,2008,27(11):96-99.

[3] 刘禹,朱智源,关强,等.基于试验设计的RFID应用组合测试优化研究[J].自动化学报,2010,36(12):1674-1680.

[4] 洪晓斌,周钦河,杜喜鹏,等.IPv4/IPv6共存多层智能测控平台设计[J].制造业自动化,2008,30(7):88-92.

[5] ISO/IEC Information Technology—Automatic Identification and Data Capture Techniques —Radio Frequency Identification Device Performance Test Methods, ISO/IEC TR 18046,2006.

Design on Benchmark Performance Testing Indexes System for a RFID System

Liu Jingguang1Wu Sidong2Liang Xiaoming1Hong Xiaobin2
(1. Guangzhou Institute of Standardization 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology）

The WSID networked measuring and controlling platform is presented in the paper. On the basis of principles of performance testing, including measurability, comparability, repeatability and application availability, a benchmark performance testing indexes system of a new-type RFID system is put forward with the method of system structure. The contents, guides and evaluation criterions of each index are presented. The indexes system lays a foundation for guaranteeing performance and efficient deployment of the new-type system integrating sensors.

RFID; Benchmark Performance; Indexes System; Sensor

国家自然科学基金项目（61101015）

刘敬光，男，1978年生，工学硕士，工程师，主要从事编码及自动识别、检测技术及标准化研究工作。