超高频电子耳标物理层及标签识别层测试方法研究

张 旭，董 明，刘 燕，戴波涛，张晶声*

(1.中国兽医药品监察所，北京100081；2.河北省涿州市农业农村局，河北涿州 072750；3.辽宁省农业发展服务中心，沈阳 110032)

RFID是Radio-Frequency Identification的缩写，即射频识别。RFID技术是一种无线自动识别技术，应用该技术设计的标签或携带该标签的物品可实现准确快速定位。与传统的二维码技术相比，射频标签具有抗恶劣环境、耐高温、防水、防磁、使用寿命长、同时识别多个对象的特点。电子耳标追溯体系是RFID技术在畜牧业应用的一个重要方面，该追溯体系可进行动物出生后、屠宰前的精准定位，实现畜产品的可追溯性管理。目前青海省动物疫病预防控制中心已开展耗牛藏羊原产地可追溯工程试点建设项目，该项目借助青海“智慧农牧业大数据”平台，运用国家动物标识及产品可追溯管理平台和国家动物标识及产品可追溯体系数据库，目标是构建青海省耗牛藏羊原产地可追溯平台。该平台的技术核心是构建一套RFID测试系统，即在耗牛藏羊耳部佩戴电子耳标，通过阅读器对电子耳标进行信息识别，进而实现耗牛藏羊的可追溯化管理。

1 RFID测试系统概述及实现原理

一套完整的RFID系统由射频电子标签、阅读器、天线和应用系统四部分组成。从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，RFID系统一般可分成两类，即电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统。电感耦合通过交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，耦合原理如图1所示，一般适用于中、低频工作的近距离RFID系统。电磁反向散射耦合为雷达原理模型，发射出的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波空间传播规律，耦合原理如图2所示，一般适用于超高频、高频工作的远距离RFID系统。

图1 电感耦合原理模型[1]Fig 1 Principle model of inductive coupling[1]

图2 雷达原理模型[1]Fig 2 Radar principle model[1]

2 频段选择

RFID技术的工作频段可以分为低频、高频、超高频和微波频段，在不同工作频段，RFID技术将会有不同的特性，这些特性使它们作用于不同的应用场合。

2.1 低频(125～134 KHz) 该频段主要是通过电感耦合方式进行工作的，标签供电的电压由交变磁场提供，磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。其具有相对均匀的读写区域、较慢的传输速率及较近的读取距离[2]。

2.2 超高频(860～960 MHz) 该频段主要是通过电磁反向散射耦合方式进行工作的，RFID系统通过电场传输能量，电场的能量下降的不是很快，但读取区域很难定义。其具有较远的读取距离及较高的传输速率，很短时间就可以读取大量的标签[2]。鉴于以上特点，在畜牧业可追溯体系建设中广泛应用超高频电子耳标测试系统。

3 超高频射频测试标准、测试项目及测试方法

3.1 测试标准 空中接口协议标准ISO18000-63[3]标准定义了物理层和标签标识层两层分层结构。其中物理层主要涉及到工作频率、数据编码方式、调制格式、包络形状及数据速率等问题；标签标识层主要处理读写器读写标签的各种指令。该标准具体规定了超高频(860～960 MHz)从阅读器到标签的工作频段、速率、调制方式、编码方式及错误链路检测等技术要求，还规定了从标签到阅读器的负载波频率、速率、调制方式、编码方式、存储地址及错误链路检测等技术要求。

在阅读器到标签的前向链路中，采用PIE编码、DSB/SSB/PR调制方式[4]。在标签到阅读器的后向链路中，采用FM0/Miller编码、ASK/PSK调制方式，标准规定了传输的信息格式(前同步码、占空比、链接频率、连接定时)、命令格式、响应及标签状态图等内容。

3.2 测试项目及方法 ISO18047-6的8.2中[5]规范了依据ISO18000-63设计的标签的测试方法。

3.2.1 标签频率范围 标签应具有从频率范围 860～930 MHz 内的各个频率接受能量并与读写器通信的能力。分别设置中心频率866、915 MHz，设置发射功率、接收功率(约为带内功率)，发送Query指令，若返回随机数，则表示该频段有响应，上述两个频段都有响应，则表示该耳标的频率范围是860～930 MHz。

3.2.2 标签解调性能 测试系统依次使用双边带幅度键控(DSB-ASK)/单边带幅度键控(SSB-ASK)/反相幅度键控(PR-ASK)调制,按照ISO18047-6中8.2.2中[5]的要求设定参数。发送Query指令，若6种状态均返回随机数，则标签解调性能良好。

3.2.3 占空比 按照ISO18047-6中8.2.3中[5]的要求设定参数。读写器发射Query命令, 若测试的24个状态的占空比均在50%±5%范围内，则占空比合格。

3.2.4 标签前同步码 按照ISO18047-6中8.2.4中[5]的要求设定参数。读写器发射Query命令, 若测试的8个状态均通过则合格。

3.2.5 标签链接频率容差和变差 按照ISO18047-6中8.2.5中[5]的要求设定参数。读写器发射Query命令, 若测试的6个状态容差在±15%，变差在±2.5%范围内则合格。

3.2.6 标签连接定时T1 按照ISO18047-6中8.2.6[5]的要求设定参数。读写器发射Query命令, 若测试的6个状态T1在MAX(RTcal, 10Tpri)×(1±FT)±2 μs的范围则合格。

3.2.7 标签连接定时T2 标签在处于Reply和Acknowledged状态时，接受的响应时间T2应该处于3Tpri到20Tpri区间之内，按照ISO18047-6中8.2.7[5]的要求设定参数，读写器发射Ack命令，若测试的6个状态在T2=3Tpri及T2=20Tpri有响应，在T2=32Tpri无响应则合格。

3.2.8 状态图 按照ISO18047-6中8.2.11中[5]的要求设定参数。阅读器发射每个状态的命令，若标签响应符合表1，则状态跳转合格。

表1 状态跳转图Tab 1 State transition table

4 测量不确定度及测量结果

链接时间T1是从阅读器发射到标签应答的时间，如图3所示，即从发射的最后位的最后上升沿到标签应答的第一上升沿的时间。对于单读写器和单标签之间的通信，T1的重要性在于，读写器在发送完命令信号后，会按照理论的T1值来等待特定的时间，然后在特定的时间窗内接收标签响应信号，如果标签T1时间过短或者过长，读写器可能会接收不到标签响应信号。对于单读写器和多标签之间的通信，T1时间准确与否会影响各个标签的响应信号之间的同步性，如果各个标签的T1时间有长有短，则响应信号有早有晚，读写器可能无法正确判断是否发生了标签碰撞，从而导致防碰撞流程失败。

图3 单个标签响应时序Fig 3 A single tag response sequence diagram

以测试链接时间T1为例，依据ISO18047-6表29中case 4测试T1值、计算其测量不确定度并评定测试结果。依据ISO18000-63，T1 的测试值应在MAX(RTcal,10Tpri)×(1±FT)±2 μs内，即应在(10.500，20.750)μs范围内。取电子耳标样品一个，在case4条件下对链接时间T1进行10次测试，测试结果见表2。

表2 链接时间T1多次测量结果Tab 2 Multiple measurement results of link time T1 μs

只考虑多次测量造成的不确定度，计算T1的A类测量不确定度[6]:

(1)

式1中，qk是第k次测量结果；q是k次测量的算术平均值，计算其测量不确定度：

测量结果为T1=(17.611±0.161)μs。该测量结果在(10.500，20.750)μs范围内，符合标准要求。

5 结 语

现阶段，绝大多数电子耳标是依据ISO18000-63协议规范进行设计的，因此其必须通过ISO18047-6所规定的测试方法进行测试。该测试结果反映了标签是否符合协议对物理层和标签标识层的要求，以确保阅读器准确识别标签。

目前青海省已全面开展耗牛藏羊原产地可追溯工程试点建设工作，作为青海省重大民生工程，电子耳标的质量关乎这项工程能否顺利推进。而可靠的检测将为省内招标提供有力的技术支撑。

面对越来越多的送检样品，提高检测准确性及效率是当前工作的重点，检测人员需要熟悉协议及测试规范，在测试中及时准确记录结果，对被测参数进行多次测量，剔出粗大误差，计算测量不确定度，确保测量结果准确性，为推动动物防疫可追溯体系建设提供技术支撑。