基于RFID传感器的图书错位警报系统设计

文/缪程锰 刘冠一 李婷婷

1 引言

限于实体书店的发展现状，物联网技术的应用还仅仅停留在最基础的阶段，许多实体书店存在的问题依然没有得到解决，物联网技术没有得到很好地利用。例如，实体书店经营时必然会遇到读者阅读完后随手搁置手中的图书或者由于阅读时是移动的把图书放置于就近的书架，这增加了员工花费在整理错位图书上的时间，使得实体书店人工成本提高。本文提出基于RFΙD传感器设计的图书错位检测警报系统，旨在利用RFΙD标签的编码唯一性以及数据传感器的信息处理传输功能，将同一书架上的图书信息编码储存于RFΙD传感器中，当读写器读取到不属于本书架的编码时，RFΙD传感器将信号传输至读写器，然后将图书错位信息及时地反馈到管理终端，方便书店员工随时掌握图书错置情况并及时归位。

2 RFID传感器技术

2.1 RFID传感器系统及工作模式

RFΙD传感器是将射频识别技术与传感器技术进行结合（如图1），主要分为有源与无源两类，本文主要研究无源RFΙD传感器。无源RFΙD传感器基于电磁传导机理，利用读写器进行驱动，其能在不需要主动功率供给和信号处理电路的情况下实现对物理量的测量。其主要原理是：利用RFΙD传感器标签天线周围环境物理和化学特性的改变引起的增益及阻抗变化，通过设计可让这些变换被读写器接受并转换为反馈信息，从而起到传感器作用。

RFΙD传感器主要由四部分组成：天线、读写部分、射频模块及控制模块，系统所设计的无源RFΙD传感器利用电磁耦合效应，使读写器天线将电磁的能量以电磁波的形式传播出去，在射频标签天线接收到电磁波之后进行相应的信号处理反馈（如图2）。

2.2 RFID传感器工作原理

RFΙD标签主要有低频、高频、超高频三种主要的工作频段，其中低频（125KHz-134KHz）RFΙD技术是各频段中首先实现实际应用的频段，该频率通过读写器线圈和感应器线圈间变压器耦合的作用，为RFΙD射频卡供电并完成数据读写；高频RFΙD技术主要可利用工作频率为13.56MHz，该频率下的标签天线利用蚀刻、印刷等方式制作，省去了传统的绕制方式，相应配套的感应器通过感应器上的负载电阻的接通与断开促使读写器天线上的电压发生变化，以实现远距离感应器对天线进行振幅调制；超高频RFΙD技术主要可利用工作频段为860MHz-960MHz，该频段读取距离较远，无源天线可达到10m的读取范围，主要通过电容耦合的方式实现读取。

本文主要采用超高频RFΙD（860-960MHz）作为图书错位警报系统RFΙD标签工作频段。警报系统工作时，在图书书架放置读写器负责驱动图书上的RFΙD标签的天线工作（如图3），每个读写器对应识别该层图书所附识别码，一旦出现非本层图书（识别码），读写器中电磁激发装置启动，通过改变RFΙD标签天线接收的电磁量从而引起增益及阻抗的变化，利用这一变化将天线作为传感器使用，将错位信息传至管理终端。

3 警报系统关键硬件设计

3.1 RFID传感器天线设计

图1：RFID传感器系统结构框图

图2：RFID传感器系统工作模式

图3：警报系统硬件组成示意图

本文所设计的图书错位警报系统关键硬件在于RFΙD传感器，而其中RFΙD标签天线是核心部分，由于天线的增益、阻抗变化会转换为反馈信息，所以天线的设计需要更好地配合警报系统使用场景。文献[8]设计了一款弯折偶极子标签天线，通过电感祸合实现阻抗匹配，天线尺寸50.4mm×30mm，增益为1.64 dBi.文献[9]设计了两个弯折偶极子天线，天线的尺寸分别为76.5mm×16mm和48.5mm×25.5mm，带宽是860MHz ～ 938MHz和901MHz ～929MHz。

3.1.1 天线结构设计

小型RFΙD标签天线由于使用特殊性，对其体积的要求非常高，对其性能起主要影响的结构包含T型匹配网络和U型贴片，T型匹配网络能有效地解决天线的匹配问题。其中天线带宽为11%（860-960MHz），采用层叠微带天线展宽天线带宽[10]。其结构共分三层，尺寸为440×220×20mm3，包含由厚度为t1的空气层隔开的上下两层介质基板，基板厚度均为h，顶层基板两面都附着金属层，称为顶层金属和中层金属;底层基板仅有底面附着金属层，称为底层金属.为减小环境对天线的影响，底层金属层完全覆盖介质底面，通过两侧金属壁连接顶层和底层金属，形成外层辐射体（如图4所示）。

图4：标签天线几何结构示意图

在射频识别系统工作过程中，信号发生器（读写器）产生的功率信号，通过同轴线传递至发射天线，以电磁波的形式散发出去，再有接收端（RFΙD标签）天线进行接收反馈。读写器天线的极化方式一般需要做到圆极化（如图5所示）。

3.1.2 天线参数设计

天线的增益与效率是天线设计过程中两个很重要的参数。效率是衡量天线损耗大小的一个参考值，定义为天线的辐射功率与输入天线的功率之比，与本身结构及所用材料决定。天线效率用来表示能量转换的能力，其值恒小于1。

其中，Pr表示天线辐射功率，Pin表示天线输入功率。

天线的增益是衡量天线接收到的功率按特定的方向辐射能力的一个参量。可以通过峰值辐射强度来测量。它的定义与方向性系数的定义很接近，但是增益是在方向性的基础上同时考虑了天线效率的问题，天线增益与方向性系数的关系如下：

图5：读写器天线结构示意图

图6：电磁发射装置振荡电路

图7：电磁发射装置示意图

另外输入阻抗与反射系数也是天线设计中两个重要参数。天线与后端的发射机或者接收机通过传输线或者波导相连。天线馈电端口处的阻抗决定了它与后端传输线或波导的匹配特性，匹配的好坏影响传输到天线的能量的多少，因此天线的输入阻抗需设计合理才能实现天线的有效辐射。天线的阻抗定义式为：

其中，

Pin——天线的输入复功率

Vin，Ιin——天线馈电端口处输入电压、电流

Rin——输入电阻

Xin——输入电抗

天线反射系数也叫电压驻波比（voltage standing wave radio,VSWR），用来衡量天线匹配能力，天线与后端传输线不匹配时，会导致传输线上传输驻波或者行驻波，这会导致能量的反射，造成天线的辐射效率大大下降，因此在天线设计过程中必须选择合适的反射系数。定义式如下：

其中，VSWR是一个实数，等于1表示完全匹配，一般天线系统要求VSWR≤2。

3.2 读写器电磁激发装置设计

为了引起RFΙD标签天线阻抗及增益的变化，在读写器内设计了一款小型电磁波信号发射装置，当异驾图书放到本书驾时，读写器读取图书识别码并通过微控制器启动电磁波发射装置，从而改变RFΙD标签天线的增益及阻抗数值，并将这一变化传输到管理终端平台，报警图书错位信息。

电磁波由发射装置中振荡电路产生，振荡电路的电容器两极板拉开成为两条直导线，作为天线和地线，有效地向外辐射电磁能量。电路中产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发散（如图6所示）。电磁发射装置由封装外壳、微控制器、电磁发射模块及电池模块组成，微控制器由读写器进行控制，当读写器检测到不属于本书架标识码则通过微控制器启动电磁发射装置（如图7所示）。

4 警报系统管理终端平台设计

系统管理终端平台利用MATLAB guide软件进行设计制作，主要包含系统管理模块、数据感知模块、数据统计模块、数据分析模块，其中系统管理模块最为重要，其子模块既图书状态管理模块是本警报系统的重点。

利用图书上附着的RFΙD标签以及带有电磁发射装置的读写器，当不属于该书架的图书被读写器识别到之后，电磁激发装置启动改变标签天线增益阻抗，通过RFΙD传感器将这一变化直接传至管理终端，则图书状态管理模块便会显示该错位图书的位置及信息，同时表示该书架的模块变为红色发出警报提示（如图8、9、10所示）。

5 结论

针对当前实体书店人工成本不断上升、图书归置不及时的问题，设计了一套图书错位警报系统，采用超高频作为RFΙD标签工作频段，特别在读写器中加入电磁激发装置，通过电磁波的改变以此引起图书附着RFΙD标签天线增益、阻抗的改变，起到传感器作用。电磁发射装置主要通过振荡电路进行电磁波发射，通过微控制器启停电路。最终将图书错位信息传递至管理终端。

该系统可以有效地减少实体书店工作人员用于寻找、整理错位图书的时间，降低人工成本；同时能让错置图书及时归位，保证了读者的选购质量，有效地提高实体书店服务水平。该系统设计结构较为简单，成本低廉，适用于各类实体书店及图书馆使用。

图8：系统终端管理平台首页

图9：系统管理模块界面

图10：图书状态管理界面