论有源RFID在自动化堆场中的应用

叶知春 上海交海信息科技有限公司

当今车辆识别主要分为视读和机读两种。视读技术的代表为OCR，即视频识别系统，主要由普通车牌、摄像头、电脑、视频识别软件组成。机读技术的代表是RFID，即射频识别系统，主要由电子车牌、读写器、电脑、读写软件组成。两种识别方式在应用上各有优劣。但从防止黑车和套牌车的能力上来看，RFID车辆识别技术更胜一筹。

此次实验的RFID车辆识别场景是一个自动化堆场，在这个场景中需要运用RFID技术对堆场中的作业车辆信息和位置进行识别，并将识别结果传送给后台，后台再利用收到的车辆数据来通知自动化吊车按计划作业。

首先对无源RFID和有源RFID技术进行了比较，经过比较，有源RFID技术的优点非常明显。并且，由于试验现场自动化设备上RFID读写器安装位置有限，读写器天线无法正对集卡车头，只能由侧面朝向集卡车头，而无源RFID天线对电子标签的方向要求非常高，因此经过论证认为该环境中不适合使用无源RFID识别技术。

在确定使用有源RFID识别方案后，要选定有源RFID的工作频段。目前常用的有源RFID频段有433Mhz、2.4Ghz、5.8Ghz。在此次的项目中由于需要对有源标签进行一个相对精准的定位，因此对频段的要求是频率越高越好。首先考虑的是5.8Ghz，其次是2.4Ghz，而433Mhz频段适合远距离传输，因此不做此次项目的考虑。

目前5.8Ghz的设备非常稀少，因此不适合大范围应用。而2.4Ghz应用广泛，且作业现场2.4Ghz频段干扰弱，现场只有少量的间歇性工作的2.4Ghz设备，这样的环境有利于2.4Ghz有源读写器的正常工作。经过上述分析决定此次选用2.4Ghz频段的有源RFID设备。

2.4 Ghz设备由于其用途大多用作信号覆盖，因此2.4Ghz有源RFID设备天线最常用的是全向天线。而采用全向天线的设备只要波瓣长度能控制好就可以生成一个精确的读卡边界，但这种理想方式只是一种假设。在港口堆场实际应用中由于周边环境金属物的反射和屏蔽，这个读卡边界往往形同虚设。在测试前搭了一个模拟港口堆场道路的实验环境。2.4Ghz读写器采用陶瓷高增益全向天线，设备放在三角支架顶端，离地高度1.5米，支架底部支撑在水泥地面，支架放置在道路一侧。读写器中的射频芯片衰减共计32档，考虑到常用的集卡长度约为15米，因此测试时将衰减设为第八档，对应的读卡参考距离=15米。2.4Ghz电子标签摆放在集卡车头驾驶操作台上。集卡以小于等于5公里/小时的时速向读卡器行驶进行测试。测试了多辆集卡后发现每次的测试结果都不相同，但都不能达到理想值。测试结果显示，在模拟的堆场环境中采用全向天线的有源RFID设备无法确保在指定区域中正常工作。

第二步测试时在读写器上改用定向天线，此次试验选用的是PCB天线和八木天线。最终发现PCB和八木天线在现场环境的测试中依然无法发挥出定向天线的优势，波瓣边界模糊，宽度时大时小。

自此，根据以上两大类的天线测试，得出的结论是有源RFID设备要用作堆场中对电子车牌识别的话，其天线不适合采用全向和定向的方式。最后决定采用对角线交叉极化的矩形同相口径天线。

根据矩形同相口径天线具有信号束缚能力强、波瓣边界清晰、信号稳定的特征，以及现场设备的频段以及读写器的读卡波瓣需求，我们自己制作了一款矩形同相口径天线，并且在现场通过调整天线角度，达到了令人满意的读卡效果。天线的设计主瓣宽度为3米，安装角度是水平朝下45°，由于其口径场向z方向传播直线到达地面距离为10米，远小于波瓣长度，因此天线正面干扰可以忽略不计。集卡进入到自动化堆场后都需要排队等候在计划贝位，等待自动化机械前来吊装集装箱。此时集卡的队伍都是按列排对，即后车车头对前车车尾呈直线排列。常规的长挂车总长度约为15米，极少数的短挂车长度约为9米，因此控制在宽度为3米的天线波瓣能准确的读到当前集卡的电子标签，对于处在距离波瓣中轴左右各15米开外的标签能完全避免误读。

在现场应用时在轨道吊横梁上以40尺货柜作业位置为基准安装了第一台读写器，然后在这台读写器向前和向后3米位置再各安装一台独立的同频天线。三台天线形成了一种天线阵列。按照设计要求进行馈电和空间排列后，测试发现该阵列能准确的读到车辆信息。读写器阵列精度提为3米。由于天气及现场环境的原因，为确保读卡的准确率因此我在配置时让相邻天线之间的辐射单元存在一个小交集，这一调整让阵列天线辐射单元将集卡的位置信息控制在3米至6米的范围内。在堆场实际作业时还会遇到集卡提20尺货柜，这种货柜尺寸只有40尺货柜的一半，箱子放置在挂车前半段或后半段。进行此类小箱作业时集卡车头位置会比40尺货柜作业位置会向前或向后3米，凭借排列的这种天线阵列可以很好的识别当前集卡停放的作业贝位，并将位置上报给自动化机械，用作现场作业计划的参考。

应用有源RFID技术对车辆进行识别的方案提升了自动化吊车对集卡的识别准确率及效率，大大减少了后台人工干预的频次。对减轻作业人员负担，降低人力成本起到了很大的作用。

此项新技术在港口自动化项目中是第一次尝试，从实验结果来看优于国外类似的自动化港口方案。