面向物流工程的射频识别虚拟仿真实验的教学探索研究

蔡奇

摘 要：随着电子通信的发展和物联网的推广，射频识别（RFID）技术在物流行业有着重要的用途。RFID利用射频信号的空间耦合传输，通过非接触的方式识别目标、读取数据，可以用于物流管理、仓储分拣、安全监测、信息传递等场景。读写器是RFID系统中的关键装置，负责对电子标签进行读取或写入信息。在面向物流工程专业的RFID课程教学中，由于阅读器系统架构复杂、理论性强，使得学生对RFID读写器机制的理解存在困难。在RFID教学中引入射频EDA仿真软件，通过虚拟仿真实验直观展示RFID读写器的工作机理，加强学生的实践和创新能力。文章探索了结合物流行业开展RFID教学活动，通过引入基于虚拟仿真的实践教学环节，提升教学质量，为物流工程专业培养复合型高素质人才。

关键词：射频识别；物流；虚拟仿真实验；教学研究

中图分类号：F259.22；G642；TN925文献标志码：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.10.032

Abstract： With the development of electronic communication and the promotion of the Internet of Things， Radio Frequency Identification （RFID） technology has important applications in the logistics industry. RFID utilizes the spatial coupling transmission of radio frequency signals to identify targets and read data in a non-contact manner. It can be used in scenarios such as logistics management， warehouse sorting， security monitoring and information transmission. The RFID reader is a key device in the RFID system to read or write information to tags. In the teaching of RFID courses for logistics engineering majors， due to the complex architecture and strong theoretical nature of RFID reader， it is difficult for students to understand the mechanism of RFID reader. Introducing radio frequency EDA simulation software into RFID teaching， intuitively demonstrating the working mechanism of RFID readers through virtual simulation experiments strengthens students' practical and innovative abilities. The paper explores the implementation of RFID teaching with the logistics industry， by introducing practical teaching links based on virtual simulation， the teaching is improved， and the composite and high-quality talents for the logistics engineering are cultivated.

Key words： Radio Frequency Identification （RFID）；logistics；virtual simulation experiment；teaching research

0    引    言

随着社会经济的不断发展，现代物流行业成为我国经济的重要支持。“十四五”规划指出要进一步打造现代化物流体系，加快物流技术的创新与升级。射频识别（RFID）技术早在20世纪90年代就用于物流仓储管理的精细化作业[1-3]。RFID技术利用射频信号的空间耦合，可以实现非接触式信息传递并识别目标对象，具有速度快、效率高、多目标、操作简便、准确精细、性能稳定等特点，结合物联网、大数据、云计算、人工智能等智慧化技术，在现代物流管理的存储、配送、分销、运输、零售、巡检、预警等环节上具有显著优势[4-6]。

物流技术的高速发展也对高校教学提出了新的要求，物流工程、物联网工程等专业都开展RFID技术相关的课程，教授现代物流的发展、RFID技术及相关理论，以及RFID技术在现代物流中的应用等内容，培养符合物流行业需求的高素质专业化人才。RFID技术及相关理论是教学中的重点和难点，而读写器作为前端的数据收发采集设备，是RFID系统的核心，也是决定系统性能的关键模块。因此，理解RFID系统读写器的架构和工作机理，对于培养学生掌握RFID技术原理、获得解决相关问题的能力具有重要意义。

1    面向物流工程的射频识别教学面临的挑战

在物流行业中，RFID读写器的射频发射模块通过天线发送特定频率的无线电波，电子标签接收到该电波后，利用感应电流产生的能量将自身信息发回。读写器通过射频接收模块来接收信号，并在此过程中，为电子标签提供能量，实现防碰撞功能、消息鉴权、数据信息处理等操作。读写器的性能优劣，如工作频率、发射功率、动态灵敏度等直接影响目标识别的性能。因此，有必要让学生学习和掌握RFID读写器的工作原理。

当前的RFID读写器教学面临如下挑战：首先，RFID读写器系统架构复杂、电路和通信理论性强。由于读写器需要在通过射频收发模块发送和接收电磁波，通过解调解码模块将射频信号转换为数字信号，电路模块众多，包括射频收发、基带控制、I/O接口及电源等几大模块，各模块又由众多子电路组成。实际教学“重讲解而轻实践”，学生在学习时只能“走马观花”地认识各个组成电路，对于设计参数如何选取、系统架构如何搭建、射频收发如何工作缺乏实践认知。其次，RFID实验教学需要综合电磁场类实验和电子电路类实验，对实验场所、实验仪器和操作人员的专业技能要求都比较高，学生在掌握理论知识的基础上，还需要投入大量的时间和精力学习电路布局布线、仪器操作使用、系统装配测试等，才能取得预期的实验结果，在教学过程中难以开展。

为了解决上述问题，在教学过程中引入虚拟仿真实验，利用高速发展的射频EDA仿真软件，如CST、HSFF、ADS等，为面向物流工程的RFID教学提供支撑[7-8]。学生不再局限于固定的实验室和上课时间，只需要一台计算机就可以搭建虚拟的实验环境，直接调用仿真平台的行为级模型电路，在教学理论的指导下完成RFID读写器系统的虚拟仿真实验，从而达到实践教学的学习效果，加深学生对教学内容的理解和掌握，增强学生学以致用的能力。

2     基于射频EDA软件的虚拟仿真实验平台

本课程基于射频EDA软件ADS（Advanced Design System）的仿真平台，探索了如何在面向物流工程的RFID课程中引入虚拟仿真实验的教学实践。ADS是由是德科技（Keysight Technologies）公司开发的电子设计自动化软件，也是当今业界和各高校科研机构主流的微波射频电路、天线、通信系统、RFIC设计开发软件之一。ADS软件能提供功能强大的时域和频率电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真和链路预算设计、数字信号处理仿真等，并具有丰富的应用模型库，可以实现从电路到系统的各级仿真，方便用户全方位对射频电路和系统设计进行开发评估[9-10]。本课程教学将ADS作为RFID虚拟仿真的实验平台，基于行为级模型的仿真实验，采用模块化的系统搭建方式，设置简洁明了，学生在教学实验中易于操作上手，也更容易理解各功能模块参数和RFID系统设计指标。

根据RFID系统的工作原理，其系统组成包括电子标签、读写器、应用系统及计算机网络。电子标签也称为应答器（tag），包括标签天线和芯片，用于存储被识别目标的属性、状态等相关信息。读写器对电子标签进行读写操作，与其进行通信联系，用作前端的数据采集，是RFID系统的核心。一方面，读写器的频率决定了RFID系统的工作频率；另一方面，读写器的发射功率决定了RFID系统的工作距离，接收功率决定了RFID系统的动态范围和灵敏度。ISO/IEC18000-6标准协议对RFID系统的射频标签和读写器之间通信的电磁波频率做了规定，主要针对超高频（UHF，860～960MHz），在国际上也被主流物流厂商认可，因此本课程的虚拟仿真教学实验以UHF频段为例，让学生直观清晰地掌握RFID读写器收发系统及其各模块性能参数，充分了解RFID读写器的工作机理，帮助学生深入掌握RFID技术知识。

3    教学案例一：物流工程中RFID读写器的锁相环系统的仿真实验

锁相环是RFID读写器的频率合成单元，用于对发送信号进行调制，对接收到来自标签的信号进行解调，对读写器的工作频率具有重要意义，直接影响RFID系统的通信质量和抗干扰能力。教学中以物流运输监测常用的UHF频率为例来介绍RFID读写器的锁相环系统的虚拟仿真实验。

考虑到实际应用中要实现对电子标签的宽频带扫描，在仿真教学实验时，设计锁相环电路在830MHz到1GHz的频带内产生协议规定的射频信号。在ADS仿真软件环境中搭建锁相环行为级系统模型，如图1所示。为了抑制杂散边带，采用三阶无源环路低通滤波器，环路带宽选取10kHz，相位裕度选取45°，压控振荡器的增益为12MHz/V，电荷泵电流为5mA，分频器的分频数为4 500。环路滤波器初始参数选取为Cp1=986 pF，Cp2=8.4 nF，Cp3=88 pF，Rp1=4.1 kΩ，Rp2=20.1 kΩ。

在ADS中进行交流仿真，图2为锁相环的幅度响应和相位响应，在10kHz处，环路幅度为0.008，相位裕度为46.5°，基本满足锁相环稳定工作的条件，达到设计目标。图3为锁相环跳频时的锁定时间，可以看到，当环路频率从915MHz调频到915.2MHz（跳频间隔200kHz），锁定时间为255 us，满足EPC C1G2协议规定的500us最大稳定时间。通过上述虚拟仿真实验，向学生清晰展示了RFID读写器的锁相环系统设计过程中，各参数含义以及对系统性能的影响程度，加深了学生对读写器的锁相环系统工作原理的理解和掌握。

4    教学案例二：物流工程中RFID读写器的射频接收系统的仿真实验

在RFID系统中，电子标签返回的响应信号被读写器天线接收后，通过读写器的射频接收机完成解调及解码工作，并将数据传送给后端的处理系统，将系统终端与各目标物体上的电子标签进行连接，实现物联网大数据功能。射频接收机在解调接收信号的同时，要能抑制镜频信号、滤除噪声干扰。此外，接收机的价格、功耗、集成度等都是需要考虑的因素。下面以无线接收机中常见的双通道零中频接收机为例，来介绍RFID读写器的射频接收系统的虚拟仿真实验。

在ADS仿真软件中搭建零中频接收机行为级模型，如图4所示。首先，零中频接收机因为没有中频，所以发射与接收信号不会互相影响；其次，系统搭建只需要混频器和低噪声放大器，结构简单易实现。变频后上下两路基带信号的相位差180°，可以有效抑制直流偏差干扰。接收机前端的带通滤波器采用四阶切比雪夫滤波器，中心频率设置为915MHz，3dB带宽26MHz，截止带宽40MHz，带外衰减40dB，前端放大器增益设置为20dB。本振频率和接收信号频率一致，都设置为915MHz。混频器取下边带，增益设置为3dB。模拟基带部分，信道选择采用切比雪夫低通滤波器，截止频率设置为600kHz。

在ADS中进行系统仿真。图5为读写器接收机频带选择性结果，可以看到频带选择滤波器偏离中心频率25MHz处，衰减达到30dB，具有良好的选择性，能有效滤除带外干扰。接收到的射频信号经过混频器和低通滤波器，得到100kHz的下变频基带信号，如图6所示。基带输出信号的时域波形如图7所示。图8展示了接收系统各电路单元的增益预算分配情况，可以看到，带通滤波器增益为-1dB，低噪声放大器增益为23dB，为实际系统的指标分析提供了指导。通过解调信号波形及增益预算仿真，清晰地展示了射频接收机各电路单元节点的工作情况，同时了解了物流应用中读写器性能参数的设置要求，加强了学生对RFID读写器收发系统工作机理的理解和掌握。

5    结    语

随着RFID技术的广泛应用，各高校基本都开设了RFID相关课程。在具体教学过程中存在理论学习难度较大、课内实验学习不足、学生短时间难以熟悉使用实验教学平台等状况。通过在RFID课程教学中引入基于ADS软件平台的虚拟仿真实验，结合行业热点增加相关的实践教学环节，有利于学生将课程所学理论知识与物流行业的实际应用相结合，培养学生的实践创新能力，激发学生学习的原动力，对促进物流工程和物联网工程专业培养高素质专业化人才具有积极意义。

参考文献：

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[9] 宋智，盛虎．基于ADS仿真的高频电路实验教学研究[J]．工业和信息化教育，2019（10）：69-73．

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