基于RFID庫存管理分集系統設計

　 庫存管理系統現在依靠無源RFID技術進行產品的實時自動識別。對許多應用來說，使用RFID的投資回報是可接受的。這些系統必須能夠實時捕獲到全部在場庫存產品的信息，這就要求RFID系統必須能夠百分百地讀取所有被貼以標簽的物品。RFID系統的讀取能力是涉及到許多變量的一個函數，這些變量包括：標簽大小、方向、放置方式，以及查詢器天線（IA）設計。不幸的是，對所有單天線設計來說都存在讀不到標簽的“黑洞”。通過分析并確認這些黑洞，業界已開發出一種方法，即利用對ISO15693/ISO18000-3（13.56-MHz）物品等級系統的多樣性來實現百分之百的讀取能力。

諸如智能卡車/貨柜等高頻（HF）RFID系統在該領域發揮著作用，很多制造商和方案供應商都提供此類產品。這些并不昂貴的系統采用無源RFID標簽（大量生產時單價不到25美分），這項技術在跟蹤臨床高價值物品時具有巨大潛力，其中一些物品有一定的保質期。例如，在醫院的心導管實驗室通常會有的儲物柜內，可能會存放著250多個支架，總價值估計達37.5萬美元。取決于醫院規模，有可能會使用四個這樣的儲物柜，其內的物品每4個月要被消耗掉，相當于這樣一個儲物柜每年“經手”的物品價值高達1.125百萬美元。植入式心臟去纖顫器（ICD）也是醫院內的高價值物品。它們體積小（采用約3×4×6英寸的包裝），但是價值卻在10，000至20，000美元。它們通常儲存在諸如加鎖儲物柜等安全空間。在此類應用中，使用RFID可以降低因某些物品備貨不足或過量而導致的成本損失，并且可以更好地掌控這些貴重物品的下落。

一個基本的RFID系統包括一個主機系統和多個RF組件（圖 1）。RF組件包括一個射頻查詢器（讀寫器和天線）以及標簽。查詢器的目的是與現場標簽通信，對無源系統來說，查詢器還通過發射的RF信號給標簽供電。查詢器負責協議處理、給標簽供電、讀取標簽信息、將信息寫入標簽，并確保將信息有效傳遞到主機系統。

ISO15693標準規定：只有當“置身”于射頻場時，無源標簽才被激活。為激活無源標簽，由射頻場感應來的電壓（VTag）必須足夠高，要達到嵌入在標簽內的RFID芯片工作所需的最低電壓水平。VTag值是標簽尺寸/方向與磁場強度幅值的函數，對一個理想環路來說，VTag可以表述為：

VTag=2πf0NQB（Scosa）（1）

其中：

N=標簽線圈的繞組數，

Q=標簽的質量因數，

B=磁場強度，

S=標簽線圈的面積，

a=標簽的指向角

圖1：一個基本的RFID系統包括一個主機系統和多個RF組件

　　磁場強度（B）由圓形查詢器天線（IA）產生，可由式2表述：

B=（μ0INa2）/2r3（2）

其中：

I=IA線圈電流，

N=IA線圈繞組數，

a=IA線圈半徑，

μ0=無礙空間的磁導率，

r=到IA的距離。

從這些方程，我們可以推導出標簽大小和方向之間，以及與沿IA軸線感應出的場強之間的關系。當標簽和查詢器接近時，雖然借助兩者間復雜的反應式近場關系，其耦合關聯得以建立，但是只能被上述等式勉強表述，特別是當r《《a且偏離查詢器的軸線時，其耦合關系難以準確預測。在實際的物件級應用中，標簽通常是靠近查詢器天線的，所以基于這個原因，選擇并不完全依賴這些預測。

圖2：本次研究中使用的最小的RFID標簽，只有硬幣大小

　　該機制對理解射頻黑洞很關鍵，它既與IA和標簽的設計相關，也受兩者間交互的影響。HF標簽有多種設計和尺寸，通常分為兩大類：平面和三維（3D）設計。平面標簽是較常見的那種薄紙載體型，而三維標簽內含鐵氧體且體積小得多。這項研究中使用的標簽都是平面型。由于性能是標簽和IA的函數，所以這里探討了三種不同大小的常用標簽的功能，其中圖2所示標簽尺寸最小，圖3為兩種不同尺寸且設計截然不同的IA。對在感應場內只有一個標簽和多個標簽的情況，對讀寫器的反應做了記錄。對在感應場內通常會有許多產品挨著擺放的實際應用情況來說，這種做法頗有代表性。這些測量的目的，是力圖勾畫出一個可代表實際系統的三維空間，并定位出任何存在的RF黑洞。

圖3：兩種典型的RFID查詢器天線（IA），兩個天線的PCB走線中，都有一些關鍵位置

　　射頻黑洞的位置信息可用來定位其他天線的位置，使其在一個“沒有黑洞”的分集系統中發揮作用。常用的分集系統（圖4）內置單刀多擲開關，用來將多個天線路由至RFID讀寫器。此類系統被設計可以頻繁在眾多天線中切換，采用PIN二極管開關，與只有單一可移動天線RFID系統所用的機械繼電器比，PIN二極管的平均無故障時間（MTBF）要長得多。目前市面上已推出商用的整合了帶復用電路讀寫器（有些能處理多達256個查詢器天線）的分集RFID系統，而價格也相對可接受。

圖4：該框圖顯示的，是使用多條CAT5線纜處理RF和數字控制信號的分集系統

　　在整個測試設置中，RFID讀寫器被認為是最關鍵的部分，它被規定按照ISO15693/ISO18000-3Mode1協議的要求工作。該 ISO標準是成熟的，在全球范圍得到認可，許多資深的制造商可提供各種讀寫器型號和標簽大小。由于在一次掃描中可能會發現大量物件，所選的RFID讀寫器有能力在每次掃描中讀識最少100個標簽。測試系統所選的讀寫器的（射頻）輸出是1W、來自可靠的制造商。本測試也評估了低功耗（200至250mW）讀寫器，但發現對特定的物件級應用來說，其讀識范圍不理想。另外評估了功率高達10W的讀寫器，但并沒發現性能有顯著改善。此外，高功率水平與建議使用的 IA相結合，會超過監管的輻射水平。且這些大功率讀寫器的成本比實際測試所用的低功耗版本要高近一個數量級。

由于在實際使用模型中，大量標簽會非常緊湊地放在一起，所以設計人員擔心查詢器的失諧效應會降低讀寫器性能，從而影響到標簽的正確讀取。所測得的單一查詢器天線的回波損耗響應（S11）接近50（圖5），與讀寫器給出的特性阻抗匹配。圖5還顯示了在不同標簽大小條件下，查詢器的S11響應。較大的標簽，與查詢器耦合得非常好，對S11響應有顯著影響，將其置于讀寫器約明的要求之外。有些讀寫器根本讀取不了挨得很近的標簽，其廠家表示，高度的不匹配將“吞沒”接收器電路，以致檢測不到標簽。但在這項研究中使用的讀寫器在這種條件下表現良好。除將標簽非常近地靠近查詢器的PCB走線，針對查詢器S11的單標簽（相對于多個標簽）惡化現象并不嚴重。希望單標簽測試發現的射頻黑洞會類似于多標簽測試中所發現的，以加快以后查詢器設計的驗證過程。

在預測試時，一個簡單的無源RF探針會很有用（圖6）。探針包含一個標簽，其RFID芯片被發光二極管（LED）所取代，LED可用以指示EM場的存在；采用不同大小的標簽組裝三個探針。雖然這個測試工具僅需一美元，很粗糙，但作為一種可定位RF黑洞的實時探針卻很有效。該探針能夠定位當時無法明顯憑直觀感覺到的射頻黑洞。當標簽非常靠近查詢器時，射頻黑洞暴露了出來，且對稱地分布在環形PCB走線的周圍。讀寫器的S11響應驗證了這種情況，當標簽放置在這些位置時，觀察不到變化，根據小環形探針記錄的S21測量情況也證明了這點。

這表明了可借助矢量網絡分析儀（VNA），通過觀察 S11和S21隨標簽或PCB導線環運動的響應變化，來觀測射頻黑洞。通過對不同尺寸標簽以及查詢器天線的進一步檢測表明，在PCB走線的相同位置存在著黑洞。測試發現，讀取效果不好的區域相當大，且都在PCB導線環附近、很有可能放置標簽的位置。

　
圖5：單一查詢器天線的回波損耗響應（S11）接近50

　
圖6：該RFID標簽作為一個簡單的測試探針使用，其RFID芯片被一個發光二極管（LED）所取代

　　RFID標簽測試臺準備了多種標簽設計和方向配置（圖7）。測試臺的配置包括多達77個標簽、并指向x-y平面（平行于查詢器平面）以及正交于查詢器平面。每個RFID標簽內的各芯片都內含一個獨特標識符，作為讀取過程的一部分，可以讀出該標識符；它用來標記其測試臺的位置。讀寫器反應（讀取標簽的能力）以IA（Z軸）之上的固定增量被記錄下來。此外，還記錄了卡片以小步進增量在查詢器的x-y平面移動的結果。x-y平面上的運動很重要，因為它允許對標簽和查詢器導線的對稱排列并指示出在先前預測試時遇到的射頻黑洞。

　　結果發現，單和多標簽測試結果對平行平面和垂直平面來說，都符合得相當好。垂直平面測量的結果符合這樣一種情況：在標簽-標簽間的高度耦合是主導趨勢時，當標簽間距小于0.4英寸時，有惡化現象。在垂直平面條件下的多標簽測試是不停地讀取更多的標簽；因標簽間的高度耦合使位于射頻黑洞內的標簽得以激活，所以可將其認為是一個激活標簽產生的結果，而非直接來自查詢器。

對指向與IA平面相同的標簽進行的測試，指明了對所有標簽尺寸和查詢器設計而言所共有的黑洞位置。如前面觀察到的，當存在與標簽的對稱情況時，在IAPCB導線附近就出現射頻黑洞。圖8（a）詳盡標明了映射響應，當把卡向左或右移動，使這一整列標簽與查詢器天線導線具有對稱性時，可清楚顯示出射頻黑洞。隨著高度的增加，處在邊緣的標簽逐漸落在可讀取范圍之外，此時，可用金字塔表述該整體三維可讀取區的形狀。我們還發現，讀取區的大小與查詢器和標簽的大小成正比。