王东教授：RFID应用系统设计的几个关键问题

　　8月15日，2013第六届国际物联网发展高峰论坛与“2013第五届中国(深圳)国际物联网博览会”同期举办。会上，上海电子标签与物联网产学研联盟秘书长王东教授作了“RFID应用系统设计的几个关键问题”的主题报告。

　　上海电子标签与物联网产学研联盟秘书长王东教授

　　王东：已经连续若干年都到这里来演讲。刚才中午我到底下看了一下，很多企业以前在的企业都没了，但是有一批新的企业起来了，当然还有一些企业一直都在这个行业里。原来早就说这个行业要井喷发展了，但一直没有出现，我也一直想不清楚，我们这个行业出现杀手级的应用。杀手级的应用有两个特征，第一个是刚性需求，不是柔性需求，不是它可有可无，而是必须有RFID才能完成的事情;第二量要大，这两个特征组成为杀手级的应用。我认为像服装业就是杀手级的应用，但是观察来看，这个服装行业到现在为止都是国外推动的，国内服装行业RFID还是没有起来。

　　昨天还在跟一个老朋友交流，他说服装业在干三件事情，第一件事应付电子商务对它巨大冲击;第二件事在搞企业上ERP，上新一个层次(第二个像李宁、美邦等等，他们的库存都几十亿，最近三年都在消化库存，于是用RFID这两三年不太可能)。还有一些企业我就不点名了，比如他知道服装业行业是RFID的一个杀手级应用，于是他把我们RFID企业一家家请过去做测试，然后帮助他去拿各项政府项目，拿完之后，把政府的钱一骗到手就不做了，搞得RFID行业做得很辛苦。

　　有几个推动力，我想会慢慢跑起来，今天物联传媒说今年的展会有250家，其中有100多家是做了特装，这说明这个产业慢慢起来了。怎么起来了?第一、物联网战略的推动;第二、智慧城市，1月29日和8月5日，一年之内住建部一下搞了190个智慧城市，城市智慧了各个行当都要智慧，于是RFID说不定能找到比较大的市场。第三、大数据时代来临了，现在马云都开始搞大数据了，光靠过去投实体店等等做一些实际的东西不一定能赚钱，未来可能要通过各种的手段，以RFID为代表的数据采集手段采集大量的数据，基于这些数据进行分析商业挖掘，然后做一系列的决策，或者搭建一个平台为客户提供服务。这个大数据时代的来临也可能会给我们这个产业带来推动力。通过这三方面的推动，说不定RFID的日子会好过一点。

　　RFID是什么?就是三个东西，第一个应用标签;第二读写器，当然还有中间件，我本人就是做中间件的，到现在为止没有哪家企业来找我做中间件，于是我今天把这个中间件省略掉了;第三是应用解决方案，有了标签，有了读写器，拿这个标签、读写器怎么去解决企业应用问题，最后再讲讲人才培养的问题。

　　先看标签应用工程，主要三个方面。第一个标签的天线设计，标签这个芯片没几家能做的，世界上能提供高频、超高频的芯片比如TI，我们国内可能有几家能提供这样的芯片，但是这个标签太多了，他们差别在哪里呢?

　　我给大家剖析一下，为什么我们这个行业碰到很多问题，有的客户是想用的，但是因为我们的系统集成商和客户对RFID一些基本的东西不太了解，不太了解以后到客户现场的时候，他可能拿了几款标签就去试了，也没有根据客户的需求，是不是标准化的商品和标签，我们需要针对客户需求进行特殊设计，今天我把这方面的东西跟大家分享一下。

　　高频标签这是最基本的，高频标签可以等效为这样一个电路，芯片可以等效为一个电容，天线可以等效为一个电阻和电感。你要通过电子感应工作让它性能最佳，一定要让它和阻抗相互匹配。怎么匹配?首先，这个芯片，我们在座的自己都不会设计芯片，都买芯片，我们买他的芯片可以看它的芯片标签参数。比如这个电容，我这里写的NXP的电容是23.5pf，第二步根据这样一个公式，我如果知道他的工作频率，知道他的电容值，就可以倒推出来这个天线的电感值是怎么样的，根据这个电感值可以推算我这个天线应该才能什么形式的天线，而这个电感值，你看这里方的、圆的天线，我有一个公式，也就是说这样一个电感与天线的几何尺寸、形状是相关的，然后根据这样一个形式，我们就可以总结对高频标签来说，影响这个电感的参数就是天线的形状，包括这是是矩形的，还是圆形的，还有线圈匝宽、线圈之间的间距，如果是双边天线的话，还要考虑他们之间的介质和距离，我举一款线圈，匝数有5匝，线宽及线间距均为0.8mm，总体尺寸40×40mm的天线。这就是它的仿真模型，建立了它的仿真模型，我可以分析从10兆-20兆扫频，可以看到在什么频率下它仿真出来这款天线的形状，它的线圈电感是多少，这个电感和和你选择芯片需要的电感能不能匹配，第二这个线圈的尺寸能不能满足客户应用的，可以贴这个标签面积的需要，于是可以做更多的仿真结合。我们可以把这个标签几何尺寸不断变化，最后我们就来进行设定，这是高频，我举个例子，这是某个厂家实际商品化的标签，现在已经几百万了。这个左上角是实际的标签，右下角是我们建立的仿真模型，通过这个仿真模型仿真下来发现在它在13.56赫兹高频的时候，它的电感大概5.36微分，比我们根据刚才那个计算的理论值芯片和评估的频率，我们可以计算它的理论值好像放大，这一大正好可以得出一个结论，因为电感值偏大，导致它最佳的频点往前偏移，不是在13.56赫兹最佳了。通过这样的东西，如果系统集成商和客户都了解这样一个基本的知识，可能我们以后解决实际能力问题就会提高。

　　对超高频天线一样，这个天线的形状，这个标签种类繁多，每种天线几何尺寸都有它最适合应用的场合，为什么会出现这种情况?比如简单的半波长偶极子天线的总长度，理论计算如果在860-960MHz的话，你要理论计算的话，这个超高频标签的天线长度应该是16公分，这160mm公分贴在矿泉水瓶也不行，贴在酒瓶上也不可以。那怎么办呢?于是要小型化，一小型化，我们右下角这个图就要更小型化，我无非就是做更多的弯折，这一弯折天线的面积就小了，但是它的性能也会变化。第二阻抗匹配，电感要和芯片电容相互匹配，这个方法有很多，横条加载、感性耦合、容性耦合等等各种各样的方法。举个例子，你看下面是一个超高频的偶极子天线，上面我加一条横条，调节这个横条和下面偶极子天线之间的间距，我就可以调节这样一个标签它的阻抗，这样我就可以让天线的阻抗和芯片的阻抗相互匹配，这个性能是最佳的。

　　通过做这样一系列的事情，如果涉及应用金属、液体环境上的标签，还有涉及圆极化对方向不敏感的标签都要做各种设计，最大的设计就是改变天线的形状，这个形状一改变之后会对超高频芯片它的频率特性、读写特性都会产生影响。这个影响我们怎么分?它的几何参数以这些来做参考，包括中心回路，这个矩形就是做这个阻抗匹配的，这个矩形的长宽是什么，它的线条粗细如何，焊接芯片处形状如何，这是一个。第二有线形辐射面和面状的辐射面，这个辐射面我也有一系列的几何尺寸，根据这个东西我就拿一个经典的标签，这是应用在商标上的，是酒的商标或烟商标，左上角是开了一个实际标签，这是我建立的一个仿真模型，你看它有参数，一个参数中间的阻抗频率有长度和宽度，旁边有四五个弯折，那是一个线形的辐射面，然后两边有面状辐射面。根据刚才的理论，现在第一步调整参数，首先我可以分析一下，通过仿真或者通过实际测试我可以知道UHF天线的方向图，和我们的理论上应该是一样的，比如我下面，我把中间的阻抗匹配图的线宽加宽，这一加宽你会发现它是影响阻抗的，但是它对中心频点不会产生影响。第二，我可以把外面面状辐射面，原来是这么宽的我把它加宽了，这一加宽，你一分析发现，原来外面辐射面的长度是影响标签的频段和都会发生变化，通过这种的方式你对超高频就认识比较深刻了，以后你就会根据应用的需求来选择适合的标签，这是第一个标签天线的设计。

　　第二个标签的连接，这个以前我讲过，这一箱里放的是铁罐的王老吉，另外是塑料瓶子的农夫山泉瓶，移速电磁波打到它这个侧面，电磁信号是不一样的，我们做了一个工具，大家卡右上角这个图，我打这个标签沿着这样一个侧面一变之后，这个软件工具就会告诉你画出这样一个热点图，这个热点图告诉你绿色的是贴标签，射频信号好的地方，你贴在这个位置读取率会比较好一点，你贴在红色的地方，可能就难以读取，这就是标签的空间部署。

　　第三传感标签，大家看这款它的基材是用石蜡，石蜡随着温度的不断升高，它从固态变成液态，这样一变化不要紧，天线的几何形状、空间形态就会变化，这一变化阻抗就会发生变化，根据外面温度变化、阻抗变化和频率变化之间的关系，我可以把这样一个标签做成温度传感标签，也就是我不需要外加传感器，而我这个标签本身就是一个传感器，通过我这个射频识别，短记录通讯，我可以把这个数据发射出来。第二个这是设计的一款标签，这个标签就像区别人一样，但是如果我两边把它用力一拉，一拉以后它的形状发生变化，形状发生变化，它的阻抗率发生变化，我一样可以看外面的重力和标签几何之间的关系，我可以做成一个力学上的研究，这是传感标签。

　　前面我跟大家讲了一下标签方面我们应该注意什么问题，第二个读写器，读写器在实际应用过程中，我们很多制造业是很想利用RFID技术，但是经常碰到问题。比如这是一个汽车制造厂，它的叉车像周转箱，带着一系列的汽车冲压电要出库了，但是你读这个笼子的时候，它旁边还有很多固定的笼，你不一定把叉车叉出来的标签读到了，有可能把旁边很多不该读的也读到了，这时候厂商就束手无策了。我们的Alien读写器有很强的功能，有些读写器可以静止的标签不读，它只读运动的标签，就是这个读写器，这个读写器你可以甚至参数，它只把运动的标签读取，把静止的标签全都给过滤掉了。通过这个方式，这个叉车叉这个货物出来，这个标签是要读的，那些静止放在旁边的就可以不读，当然由于多静效应会产生一些影响，于是第二步还可以干什么?这个叉车叉的货物出来，正对门叉车叉的笼子，它在门闸天线的正中，这个时候收到的信号强度最强。于是你可以做一个试验，当信号强度强到什么时候这个标签就是我应该阅读的标签，低到什么程度我就直接把它扔掉，这是第二。第三读取次数，这个标签一过来不是读一次，可能读两次、读几次，但是正是在这个信号读写器天线正中位置的时候，这个标签读取的次数会最多，在旁边读取的次数会最少。这样一做试验，最后我们可以得到采用一个复合的，什么事都不用干，在座的只要对读写器读他多个参数的值，就可以提高仓库门的读取率。

　　第二个读写器和应用环境的匹配，在设频信号不友好的环境中，如果不是一次过一个，而是一次过几十个甚至上百个，而且这个标签还比较密集，还有旁边有一家企业它是48个门，每个门都要叉车叉个货物上来，每个叉车里有60只标签，这时候多读写器同时工作，这时候你要分析它的话，它给你提出了一个密集读写器的模式DRM的工作模式，如果你在射频友好的情况下，可以用高速的模式。于是，我怎么样根据外界的环境应用情境，我通过一系列的研究，看外面，比如它的标签密度，这个标签运动速度和这个协议参数数字之间的关系，你了解这个关系之后就可以更好的利用这个读写器。

　　再往下读写器空间部署优化，这样一个门最经典的RFID利用场景，在这样一个门上，一般我的读写器都是接一个天线、两个天线、三个天线、四个天线，我应该在这个门上左边这个地方放一个天线还是两个天线，右边这个地方放一个天线还是两个天线?这个天线是用一个天线好还是两个天线?这个天线在门上该怎么部署?我们做了一套工具，我按照规则做一系列试验之后，它直接会给你一个结论，左边的地方应该放两支天线，每个天线应该放在高度30公分的，60公分的，这个天线的角度应该是什么角度，通过这个方式也可以提高读取率。

　　刚才我把我在实际实施RFID项目过程中一些总结跟大家汇报一下，当然在座各位都可以总结，这样总结出来之后，我们这个行业在面对客户的时候，我们就有取之不尽，用之不竭的武器和百宝箱，我就可以把客户搞定了，于是这个行业就可以发展起来。

　　最后应用解决方案，这是茅台酒厂的现场，一个集成商在那里折腾三个月，一天到晚在那里试，茅台就开始怀疑你了，我之前都很成熟，为什么你到我这里来，今天解决这个问题，明天那个问题?我们可以在一个试验环境中，在上海和无锡都建立了一个小型的环型线，这个环型线和酒厂的环型线，我虽然小，但是我完全可以模拟这个线。在这个线上我们的系统集成商和一些用户不耽误客户的正常生产，在这条线上我们做这样一个试验，我们这个标签该怎么改进?读取方式该怎么改进?最后才能解决现场的问题，这种试验是非常重要的。为此我建了这样一个实验室，现在在无锡建立了一个实验室，这个现在接近免费，这个实验室有RSSI，很多公司来应用，你来应用的话平均1000块钱，高的500块钱一小时，高的1500一小时，平均要1000块钱小时，有一个著名的厂商在我那里做了一个多月的时间，每天在那里做七八个小时，我收RSSI去收，一天收八千块，我们企业项目还没有拿到，企业又比较小，这就是我们搞公共服务的难处，现在只能接近免费了，成本都收不上来了，为大家提供服务。你想这个产业红火了，上海所有的RSSI全都排满了，它一天到晚做手机的弯曲、扭转、跌打、挤压、静电试验等等，做这个实验，他的任务已经接不过来了，现在的RFID我们最容易感觉RFID到底行还是不行，我这个没人来找我，找我都说王老师“你看我到你这里来测试”，说了半天就是不用付钱或者付很少的钱来做，现在这个行业达到这个程度，但我们还是全力支持这个行业的发展，所以我们这个试验无论在上海，还是在无锡，我们都愿意以低成本或者免费，一看你这个项目可以，我免费为你提供服务。

　　最后一个，全国都行动起来，温总理一提出物联网以后，教育部也开始行动了，分成四批，每年批一批，现在全国经过教育部正式批准的物联网专业学校有266所，这些学校都不知道这个专业应该教什么课，做什么试验，怎么样培养学生，今天早上我还看到华中的院长带着它整个物联网工程学院的所有学生在展览中心门口会合，他说我到学生来看一下这个展览，让学生有一个感性的认识，大家都是摸着石头过河，不知道干什么。于是叫我们交大前同，成立一个物联网教学研究专家组，这个专家组出了两个规范，应该上什么课、做什么试验，但是现在我们还在做一个事，我们要建立教育部计算机教指委物联网工程专业产学研合作基地，在无锡马上我们要在10月份要签约了，在别的地方我们可以集体签约，也可以单独签约，我想这是和在座企业家能合作的地方。

　　这就是我的演讲，谢谢。