一种模拟应用场景的RFID设备检测方法研究

刘一涛+刘滨

中图分类号： TP391.44 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0053-002

Research on RFID Device Testing Method for Simulation Application

LIU Yi-tao LIU Bin

（Shanghai Zhongjing FudianElectronic Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201303，China）

1 RFID产品检测现状

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID产业在技术标准、产品标准、制造与生产方法上是比较成熟的，但由于在实际复杂环境中存在各种干扰及不确定性，如何保证或提高产品大规模行业应用时的有效性和可靠性，是目前面临的主要问题。

目前我国RFID系统应用测试技术还处于探索研究和起步建设阶段，没有形成系统的应用标准体系，应用测试技术与系统开发水平与国外差距较大。自2011年左右起，中国物品编码中心、中科院自动化所等科研院所和高校开始建立RFID测试实验室，并研究开发我国自主标准的RFID 测试系统，目标是突破核心技术，形成核心能力，实现射频识别技术应用性能、产品及系统性能及安全性能的专业测试。

在实际应用中，一方面RFID技术将会有越来越多的物联网系统集成商开始踏足规模化行业应用业务；另一方面由于企业自身条件或客户所处特殊行业限制（包括地理位置、现场环境等），又会出现难于即时获得应用现场进行系统调试的情况，尤其是那些关系系统运行稳定的关键要素环境，如通信基站或高压输变电设备（线路）附近的电磁场环境、时速150km/h的高速行驶环境、酷暑（+65℃）严寒（-20℃）环境等。对于系统开发商来说，在项目开发阶段，为了调试系统，就得频繁奔波于应用现场，从项目成本控制的角度讲，这种做法显然不可取。

有鉴于此，研究建立自主标准应用场景模拟检测实验室，可以针对物联网技术在各行业的实际应用情况，为系统集成商提供特定运行环境要素下的系统验证服务，使得其行业应用系统最终尽可能符合客户现场环境要求，达到实际部署、运行的标准。

2 特定应用场景检测需求

RFID技术已经在工业、交通、物流和公共安全等多个领域得到了越來越广泛地应用，并且日益显示出它的巨大潜力。因为在实际应用中复杂现场环境的有着各种干扰，为保证系统或产品的正常工作，往往要通过现场的反复调试、测试及一段时间的试运行来发现问题、解决问题，这大大影响了RFID产品的使用效果。

下面以高速路口车辆识别、停车场管理、高速物流卡口、非接触门禁管理等行业规模化应用为对象，研究建立此类应用场景的模拟检测环境，以实现针对此类应用的RFID产品实验室检测。

2.1 场景描述

在此类RFID技术行业应用中，RFID标签被安装在具有一定运行速度的物体上，如汽车的ETC卡、车场出入口的门禁卡、货运小车上货物标签等。它们通过RFID识读设备时，具有一定速度、一定角度、不规则的运动轨迹、不同材质附着物等特点，要求在很短时间内能正确识别标签信息，保证较高的识读正确率。

本文中将此类场景称为“速度场景”。在此类场景中射频信号会受到很多因素影响，如RFID电子标签附着物材质、信号强度范围、辐射角度等。当附着物不是静态的时候，带有电子标签的物体与RFID识读设备间的相对运动速度，会导致多普勒效应，相对运动速度越快表现就越明显，这将影响识读的正确率。

建立实验室环境下的速度场景模拟检测系统，是通过运动装置模拟车辆或物体的高速运动状态，测试、验证多普勒效应以及环境中电磁场信号对RFID技术应用可能产生的影响，评估RFID产品性能。

2.2 检测需求

通过对应用场景分析，在实验室建立模拟测试环境的功能要求是：被测电子标签以一定运动速度通过识读区；识读设备进行识读，记录识读信息并判断是否正确；反复多次最终得到此产品的识读正确率。

按照应用场景分析结果，主要指标应有：

a）标签运动瞬时速度：0.5m/s～8m/s；

b）标签运动方式是不规则路线的非匀速运动；

c）标签可附着于金属及非金属物体

实验室进行速度模拟是在综合分析了城市交通行业、物流行业等应用的基础上，专门针对特定车辆行驶速度而进行的系统化模拟，同时考虑介质要素及安装方式，可以科学、客观地对RFID产品进行灵敏度、性能测试评估，验证实际运行效果。

3 检测方法设计

3.1 RFID组成

一套完整的RFID应用系统包括：电子标签、识读设备（阅读器）、计算机系统。

电子标签包括有源和无源两种，因有源标签应用范围不及无源标签广、且测试方法没有本质区别，所以在本文中仅以无源标签为例进行研究。无源标签在此类非接触式应用中一般附于对象表面，在识读时与阅读器之间一般不能有物体隔离，或仅有简单的非金属隔离（如玻璃）。电子标签内存数据信息，依靠接收到的无线电信号能量发射带有信息的回答信号。

识读设备包括识读器和天线两部分，能够发射带有一定能量的无线电信号给电子标签；同时接收电子标签的信号，并记录数据信息。识读设备与计算机系统之间有通信接口。识读设备天线的正面扇形区域是读取电子标签的有效识读区。

计算机系统过接口接收识读设备信息，并向识读设备下达工作指令、设置参数等。

3.2 空间运动方式

物体空间运动的主要指标是速度。

速度（velocity）表征动点在某瞬时运动快慢和运动方向的矢量，记为v：

速度是动点矢径对时间的导数，其方向同轨迹的切线方向一致。空间曲线运动中，速度在直角坐标系坐标系中的表示方法如下：

将电子标签在空间运动轨迹记录下来，放入平面直角坐标系中。以坐标系的原点为起始点，画出与弧形运行轨迹的切线。此切线与坐标系X轴的角度作为电子标签的初始角度。

通过采用一种设备（如乒乓球发球机、羽毛球发球机等）将带有电子标签的物体发射出去，在空间形成可记录速度的运动轨迹。运动轨迹应落在识读设备的识读区域内，可以实现对此类RFID产品的检测。

选择目前在户外应用中常见的的UHF标签，设置不同速度、多种角度以及常见的附着物体（木质、塑料质、毛质、铁质）进行测试，以判断常见UHF标签在不同的速度，不同的角度以及不同的附着物下的读取距离范围、信号强度范围、灵敏度范围等。

3.3 系统架构

测试系统架构如图，包括电子标签、运动物体发射设备、识读设备、计算机设备等。相应地产生或记录的数据信息包括：标签ID信息、运动物体的初速度信息、识读ID信息、多次测试结果（报表）。

4 实现方案

4.1 系统组成及要求

硬件部分包括羽毛球发球机、多种材质羽毛球、计算机设备。

软件部分包括操作系统、数据库系统、速度场景模拟分析软件。

测试对象包括：电子标签、识读设备、设备驱动及接口软件。

综合各方因素，为确保检测系統的正常、稳定运行，系统将至少满足下述性能指标：

1）可存储百万字节数据量，数据操作客户端响应时间小于2秒；

2）系统无故障运行时间大于5000小时；

3）信号强度范围：-69～-15dbm

4）灵敏度范围：-69～-15dbm

5）每分钟模拟物体数量：大于100

6）速度档数：0～20m/s

7）识读区域角度：0～180度

4.2 测试方法

测试选择的标签应该至少有两种：普通的RFID标签和抗金属RFID标签。

测试分为三大类：

a）发球速度和发球角度不变，使用不同的附着物质（木质、塑料质、毛质、铁质）进行测试；

b）发球速度和标签附着物质不变，改变不同的发球角度进行测试；

c）发球角度和标签附着物质不变，调节每次的发球速度进行测试。

每一大类测试中的同一条件测试应该测试三次或三次以上取其平均的测试数据，以此减少测试中的误差。

4.3 测试数据示例

测试数据记录如表所示。

5 结语

通过对RFID技术行业应用场景的分析，提取出应用场景要素，建立实验室模拟环境，从而实现符合实际要求的RFID产品检测，这是检测技术发展的重要手段之一。本文针对速度场景建立的模拟测试系统，能实现对电子标签在运动速度、运动角度、附着材质等因素影响下的性能检测；不足之处在于还不能准确记录电子标签读取数据时的运动状态。改进方法是在运动物体上增加位置传感器，可以得到更准确数据信息，但同时会大大增加系统复杂度和成本。

【参考文献】

[1]郎为民.射频识别（RFID）技术原理与应用，机械工业出版社，2006.

[2]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用，电子工业出版社，2004.

[3]李楠，RFID无线射频识别技术应用探析，《激光杂志》[J].2009，6.endprint