RFID干货专栏｜34 带有特殊功能的阅读器

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

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5.2.5 带有特殊功能的阅读器

在4.3.5节中介绍了多种标签芯片的特殊功能，这些特殊功能中的大部分都需要阅读器的指令配合。本节主要介绍两种创新的阅读器功能，分别是接收信号强度（RSSI）处理功能和相位列阵定位功能。

01、接收信号强度（RSSI）处理功能

市场上主流的阅读器在盘点标签时，不仅可以获得标签的EPC数据，同时还会获得该标签的信号强度。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，体现为基带I、Q信道功率积分得到的瞬时值。当信号小于灵敏度或遇到干扰时则EPC无法被解调出来，因此RSSI的值一定大于灵敏度。

（1）RSSI强度过滤

RSSI的数值越大表示信号越强，当使用同样的标签在辐射场中时，RSSI越大可以解释为标签距离阅读器天线越近。因此可以通过RSSI的信号强度判断标签与天线距离（具体计算方法可以参照2.3.3节），从而实现过滤功能，如图5-38所示，将阅读器收到的信号强度根据一定特征分类，并选中其中的一类标签进行操作。如在一些近距离识别的应用场景中，远处堆放的标签有时候会被识别到，影响应用管理。这时，可以通过采用近距离过滤的功能。此时只有信号大于-40dBm的标签可以被识别，远处的干扰标签就可以被滤除掉。

图5-38 RSSI强度过滤示意图

在实际应用中，通过RSSI过滤的应用有不少缺陷，主要是由于RSSI与标签的距离只有在理想状态下才能保证对应关系，主要是由于如下几个问题引起的：

标签的一致性较差，标签生产时就存在一致性问题，且不同的标签灵敏度和反向散射的调制深度也不同，尤其是当标签贴放在不同物体上时，阻抗失配状况无法获得。

阅读器的灵敏度有限，在阅读器计算RSSI信号强度的时候会受到载波泄漏和直流偏移的影响，所以标签的RSSI会有一定的误差。

阅读器天线辐射与标签的耦合，即使阅读器天线采用圆极化天线，当标签垂直于天线平面时，则标签收到的信号强度会大幅下降甚至无法工作。

因此只是靠RSSI来判断标签的距离的确是会存在不少误差。在利用RSSI强度的时候有几个窍门，对于常规标签正面识别时，RSSI读数非常大，如果大于-40dBm，那么一般标签都很近；RSSI读数非常小时，如果小于-70dBm，那么标签一般很远。RSSI读数很大的情况很容易理解，只有正向和反向损耗都很小才能有大的RSSI，同理只有在正向和反向损耗都很大的时候才能有很小的RSSI。而有一些标签虽然距离天线不远但由于阻抗失配正向损耗很大，但其反向损耗不大，因此不会落在RSSI很大或很小的区间。

如果只是分析一个固定的标签，可以通过RSSI分析天线的辐射场区内的信号强弱变化。这一点对于现场测试非常有用，在没有便携功率计测试时，可以使用一个固定的标签摆放在不同的位置通过阅读器获得不同位置的RSSI信号强度数据，绘制出一张辐射信号强度分布图（6.1.3节有辐射场图的相关介绍）。

（2）速度及方向过滤

由于可以通过RSSI计算标签与阅读器天线之间的距离s（计算方法可以参照2.3.3节），RSSI越大对应的s越小（距离近信号大），同理RSSI越小距离越远。多次采集数据后获得连续时间内的多个s，可以对s求导计算标签的速度v。如图5-39所示，一个静止的标签，其RSSI的强度几乎保持不变，因此其速率表现为0；当一个标签靠近天线时，其信号强度会变大，通过公式计算的s会变小，因此将标签向靠近天线运动的方向记为方向负（-），同理远离天线的方向为方向正（+）。当一个标签从天线辐射场区外进入场区内再离开场区，则获得的标签的RSSI变化为先变大再变小，速度变化为先负方向，再正方向。

图5-39 RSSI方向判断示意图

在实际应用中可以充分利用速度方向的特性，因为这个特性不会因为环境差异而发生变化，准确度非常高，只有在极少的情况下由于墙面或金属反射引起方向判断错误。通过RSSI速度方向的判断对于仓库的进出库管理等应用有奇效，尤其是配合具体的速度判断。如图5-40所示，不同移动速度的标签可以通过RSSI的变化速度展现出来，在快速进出库的叉车应用中，即使库房中有干扰标签的信号由于反射进入识别区域内，由于叉车内的物品标签具有相同的速度特性，而反射标签不具备该特性，从而可以过滤掉干扰标签。

图5-40 RSSI速度判断示意图

（3）RSSI行为分析

在传送带的快速设备场景中，由于环境很难控制，因此无法实现传送带上的阅读器与标签一对一识别，许多时候阅读器都可以识别到传送带上前后多个标签，无法判断哪一个是正上方的标签。当采用RSSI作为判断手段时，可以通过“顶点”判断的方式确定哪一个标签是当前位置的标签，如图5-41所示。尤其是面对流水线上的标签一致性不同的情况，虽然每个标签的信号强度不同，但是它们的“顶点”是相同的。

图5-41

这种“顶点”识别的方案在物流包裹分拣、药品和单品贴标、流水线写标等场景中有很大帮助。

通过RSSI的数据分析还可以实现对零售客户行为的分析，该技术的名称叫做RFID“天眼”。顾名思义就是将超高频RFID阅读器天线放置在使用了电子标签的零售店铺的天花板上，并不断扫描覆盖区域的标签，相当于有一双眼睛一直看着这些标签。当有人经过时，人会遮挡或反射阅读器的电磁波，引起阅读器收集到的标签RSSI变化，经过AI学习，很容易判断出顾客的行走路径和停留时间，以及物品被拿起或带走等行为。如图5-42所示为“天眼”覆盖下的三个标签RSSI的变化曲线，从中可以判断出：有顾客经过、顾客离开、A物品被拿起来以及A物品被带走。

图5-42 RSSI数据分析曲线

至今，已经有多家超高频RFID厂商正在研究“天眼”技术，且已经有一些成功的试点，虽然技术还没有完全成熟，存在一定误判，但其仍有不少的指导意义，尤其对于新零售的发展打开了一条新的道路。

01、相位列阵天线

（1）超高频RFID相位列阵天线

相位列阵天线又叫相控阵天线，指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。可以简单的理解为，传统的天线只有一个固定的辐射图，而列阵天线可以有多个不同方向的辐射图。当超高频RFID系统中使用了相位列阵天线后，可以将一个天线变成多个不同方向的天线，如图5-43所示，为一个带有相位列阵天线的网关辐射图，原有的天线主瓣辐射轴θ=0°，对列阵天线中指定辐射单元进行相位调整后，其主瓣辐射轴会发生偏转，最大可以偏转45°。采用图5-43方案的相位列阵网关，对比传统方案，覆盖范围大幅增加，原有的3dB辐射角度为30°，现在变为120°。

图5-43 相位列阵天线的网关辐射图

相位列阵网关具体工作时可以理解为一个单端口阅读器变成一个多端口阅读器（相位存在多少种组合对应多少端口），原来单端口的阅读器只能接一个天线，辐射范围固定，而多端口阅读器可以接许多个天线，且每个天线辐射的范围不同，这个多端口阅读器可以根据需求选择需要扫描的区域启动对应的端口发射信号通过对应的天线覆盖指定的区域。

不过相位列阵网关也存在自身的问题，虽然其覆盖范围比传统的增大了很多，但需要不断的切换相位进行扫描，因此完成整个区域的扫描时间是过去几十倍，若标签的数量较大则扫描时间会更长，就存在遗漏运动标签的情况。相位列阵网关的另外一个缺点是其设计和开发成本较高，如果只是为了增加覆盖区域，可以直接采用两个或多个天线辐射覆盖的方法，其覆盖的区域一般大于单个相位列阵网关的区域。只有在天线安装空间有限的情况下才会用单个相位列阵网关替代多天线系统。

（2）相位列阵天线定位功能

市场上常见两款相位列阵网关：Impinj的xSpan和xArray。如图5-44所示为xArray的波束方向图，xArray为一个正方形的相位列阵网关。当 xArray悬挂在屋顶时，其覆盖区域为一个圆形，共8个扇区52个辐射区域，可以简单的理解为一个52端口的阅读器连接着52个不同辐射区域的天线。

图5-44 xArray的波束方向图

如图5-45所示为xSpan的波束方向图，xSpan为一个长方形的相位列阵网关。当xSpan悬挂在屋顶时，其覆盖的区域为一个长方形，共13个辐射区域，可以简单的理解为一个13端口的阅读器连接着13个不同辐射区域的天线。

图5-45 xSpan的波束方向图

xSpan网关可以看做xArray的简化版，当xArray的相位只工作在扇区（Sector）6和扇区2时，其覆盖区域与xSpan相同。可以理解为xArray的3辐射扇区对应xSpan的1辐射扇区；xArray的扇区2对应xSpan的扇区2；xArray的扇区6对应xSpan的扇区3。因此当xArray只开启3辐射区的扇区2和扇区6内的所有辐射区后实现的辐射覆及波束方向与xSpan几乎相同。

实际环境中相邻编号的辐射区之间是相互重叠的，当多个编号的辐射区内都识别到同一个标签时，可以通过RSSI大小计算出标签的具体位置，计算过程为RSSI差转化为距离差，再通过多点定位算法实现。当然标签大概率落在RSSI值最大的辐射区内。

相位列阵网关最大的作用是定位，判断物品的位置和运动情况。如图5-46所示为xSpan和xArray可追踪的标签运动方式。其中xSpan只能追踪一个轴方向的标签运动，而xArray可以追踪多个不同方向运动的标签。

图5-46 相位列阵网关方向追踪

为了保证追踪物体的实时性，就需要保证天线切换的速度足够快，即使每次切换50ms，xArray所有辐射区扫描一遍也需要2.5s的时间。因此在物品追踪的应用中，应保证场内的标签数量。如果需要高精度追踪，最好标签数量不超过20个；如果要实现高速追踪，标签数量也要不超过50个。如果需要追踪物体，需要将Session设置为S0；如需要大批量盘点，Session设置为S1。

在实际测试中由于多种原因，存在一定的误差，在没有遮挡和反射的理想环境中实测数据为：有85%的概率误差在1.5米之内。在复杂环境中该误差会更大，尤其是零售商店等具有货架、墙壁反射影响以及标签的堆叠和摆放高度都会对测试精度产生很大影响。不过对比传统的技术，采用相位列阵网关对于物品定位和寻找大大提高了精度和便利性。

（3）相位列阵天线技术实现方法

虽然xArray具有52个辐射区域，但其内部并非有52个天线，实际上适合超高频RFID工作的天线尺寸即使最小化也无法将52个天线放置在xArray内。如图5-47（a）所示为笔者开发制作的一款60辐射区的9元阵相位列阵天线的仿真模型图，该天线可以实现与xArray相似的特性，其辐射场特性如图5-47（b）所示。

图中5-47（a）共有9个小天线，每个小天线都是可以独立工作的超高频RFID天线，其中小天线1（ANT1）在整个天线阵列的中间，因此它的相位不需要改变。列阵天线工作时，以ANT1为中轴线，配合对称的两个天线形成一组三元阵天线，覆盖两个扇区。ANT3、ANT7和ANT1组成一组三元阵覆盖扇区2和扇区6；ANT2、ANT6和ANT1组成一组三元阵覆盖扇区9和扇区5；ANT5和ANT9和ANT1组成一组三元阵覆盖扇区8和扇区4；ANT8、ANT4和ANT1组成一组三元阵覆盖扇区3和扇区7。通过调节一组三元阵中两个对称小天线的输入相位，可以实现天线主瓣辐射轴θ的变化，从而实现不同辐射区域。比如ANT3和ANT7相位输出共有15种不同的相位组合（ANT1保持0°相位不变），从而实现了对辐射区域53、辐射区域45、辐射区域37、辐射区域29、辐射区域21、辐射区域13、辐射区域5、辐射区域3、辐射区域9、辐射区域17、辐射区域25、辐射区域33、辐射区域41、辐射区域49和辐射区域57的扫描覆盖。当ANT3的相位为负而ANT7的相位为正时，辐射偏扇区2，且相位差越大天线主瓣辐射轴θ值也越大；同理当ANT7的相位为负而ANT3的相位为正时，辐射偏扇区6，且相位差越大天线主瓣辐射轴θ值也越大。

（a）仿真模型图 （b）辐射场扇区图

图5-47 9元阵相位列阵天线设计方案

上述9元阵相位天线的实现主要靠一个可控的相位电路实现，如图5-48所示，为该9元阵相位天线的电路实现方法。阅读器单端口输出的射频信号通过不等分功分器将能量分为三份，分别通往配到阵元1（ANT1）、阵元2到阵元5中的一个以及其对称位置的阵元6到阵元9中的一个，形成一组三元阵。数控相移单元可以调节相位的变化，其范围是150°，通过调节相位实现主瓣辐射轴的变化。如果开发与xSpan类似的网关可以采用同样的设计方案，只需要选择阵元3、阵元1和阵元7即可，电路基本相同，省去两组单刀四掷开关即可。

图5-489元阵相位天线的电路实现图

系统需要通过阅读器的GPIO管理主控模块实现天线的切换和相位的调节。由于主瓣辐射轴θ变化时，天线与地面标签的距离会发生变化L=H/cosθ，其中H为天线与地面的距离，L为标签与天线的距离，因此θ越大时天线距离标签的距离就越远，因此需要对阅读器输出功率进行校准，辐射区域为外围圈时需要增加输出功率进行补偿。

相位列阵天线的种类有很多，可以根据具体需求进行设计，需要考虑的主要参数为识别精度和追踪的实时性。在相同的覆盖范围内，辐射区域越多定位精度相对越高，实时性响应就越差，同理辐射区域少的系统定位精度就越差，实时性响应就越好，比如单天线系统就有最好的实时性，不过只能大范围的区域定位了。当然并不是辐射区域越多定位精度就越高，高精度定位可以通过不同区域的RSSI进行精确定位，有时候少量辐射区获得更高准确性的RSSI可以计算出更好的效果。