RFID干货专栏｜39 应用测试技术

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。

为了填补这方面的空缺，甘泉老师花费数年之功，撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布，本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述，干货满满！RFID世界网得到了甘泉老师独家授权，在RFID世界网公众号特设专栏，陆续发布本书内容。

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6.1.3 应用测试技术

超高频RFID的应用测试是针对具体项目的测试，其目的主要有两个：提高识别率和控制识别范围。一般从两方面入手，一方面是标签的摆放方式和位置，目的是让标签更容易被识别；另外一方面是阅读器的放置方式，控制场区的范围，让工作区内最好没有盲点，工作区外识别区尽量少。

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环境因素对标签的影响

在4.4节标签天线技术中可知，影响标签工作距离最主要的因素是匹配，从2.3节中可知影响标签工作距离的主要因素是标签能获得的能量和极化匹配。

（1）标签的贴放对性能的影响

当标签天线靠近高介电常数的物品时，其天线阻抗特性会发生变化，影响匹配，进入芯片的能量大幅度减小，使得标签的工作距离减小。玻璃、纯净水、陶瓷等都是高介电常数的材料，一般认为海绵、泡沫塑料、纸张的介电常数较低，对标签的影响较小。

当标签靠近金属物体或金属离子液体时，标签性能会发生剧烈变化，尤其是贴在金属上时，标签完全无法工作。如图6-19所示，当标签贴在金属表面时，其偶极子天线的两臂连通（与图2-17（a）的场景相似），相当于将电池的正负极短路。带有金属离子的液体会有同样的效果，如在盐水瓶的表面贴标签后，该标签几乎无法工作。人体也可以理解为一种带有金属离子的液体，电子标签靠近人体后性能也会大幅度下降。即使标签天线没有与金属物品电气接触，对标签天线的阻抗影响也是非常大的，其性能影响的比高介电常数的材料的影响大很多。

图6-19标签贴在金属表面

（2）传播路径对标签的影响

电磁波传输过程中遇到物体会发生反射和穿透（折射），在此过程中能量会发生衰减。对于纯金属的物体，电磁波绝大多数发生发射，少量被金属吸收，几乎没有穿透；对于玻璃、橡胶、塑料、食用油、木头等电磁波主要为穿透，一部分能量会被吸收和反射；对于导电性差的液体，电磁波主要体现为吸收特性，反射和穿透较小，人体和是湿木头属于这一类。如图6-20所示为电磁波穿过装满饮料的塑料瓶后，传输的信号轻度大幅下降。

图6-20电磁波穿过满饮料的塑料瓶

（3）极化匹配及环境对工作距离的影响

标签的贴放时还需要注意：一定保证标签极化方向与阅读器天线的极化方向相同，当环境中有无法避免的金属阻挡时，应尽量选择更大的辐射孔或采用缝隙的方式通过能量。如图6-21所示为一个圆极化天线的辐射通过一个很窄的垂直缝隙（例如两个金属板），从缝隙产生出水平极化的电磁波。因此一个线极化标签最佳的方向是与缝隙的方向垂直90°，而标签放置方向与缝隙相同时则无法识别。上述方法在实际应用中非常有效，当然没有遮挡、缝隙和反射的环境是最好的。

图6-21圆极化天线的辐射通过一个很窄的缝隙

多标签识别场景中，标签的贴放方法是至关重要的。对于箱体管理，标签应尽量贴放在人眼可视的位置。对于包装内有多个商品标签的场景，应保证包装内的商品按照一定的规则摆放，使每个标签的性能都不会有过大的下降。

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环境因素对辐射场区的影响

在实际应用环境中，需要尽量保证场区内工作范围稳定，场区范围内要求没有盲点，可以稳定的识别工作中的标签；并将不相关的标签放置在场区外，尽量不要产生误读和错读。许多仓库管理和物流的超高频RFID项目都是因为误读、漏读和错读的问题导致项目失败的。

（1）反射盲点问题

在6.1.1节中，介绍了由于电磁的反射，会在辐射区内的一些位置会出现盲点。这些盲点是由于直射和反射的信号强度相近，相位相差180°引起的。盲点的问题一直困扰行业人士很多年，尤其是在封闭的箱体或柜体内，盲点的数量更多，为此业内人士进行了大量的尝试。早期的尝试都是通过改变天线或改变环境（增加或减少反射、增加吸收等），但效果都不是很好，经常遇到这样的情况，刚刚消除了一个盲点，在新的地方又出现了另外一个盲点。直到微波暗室发明后才完全解决了盲点的问题，但是微波暗室的成本很高，而应用现场也不可能贴满吸波材料，尤其是应用现场的地面不可能使用吸波材料。因此需要采用成本更低效率更高的解决方案。

由于盲点是与直射和反射信号的相位差相关的，而相位差与距离和波长相关，当阅读器的工作频率变化时，原来的盲点位置直射和反射的相位差就不再是180°了，原来的盲点就消失了，此时有可能会在新的地方出现一个新的盲点。采用快速跳频的方式可以保证工作区内的所有盲点都消失。如表6-4所示，为美国频段超高频RFID的工作频率，其波长不同，传输同样距离时相位变化不同，从而解决盲点问题。实际应用中应尽量宽泛的使用跳频范围，且快速识别并跳转到下一个频率点。

表6-4美国频段超高频RFID波长对比表

在工业控制和生产自动化应用中，由于环境中的反射面特别多，很容易出现盲点现象。尤其是当距离较近且反射严重时，很容易出现无法摆脱的盲点问题，这是因为整个路径的长度仅有几个波长。在中国频段中最大波长为920MHz的32.6cm，最小波长为925MHz的32.4cm，两者相差0.2cm，假设入射为1个波长，反射为3.5个波长，频率从920MHz切换到925MHz后，相位差从之前的180°变为现在的190°，仍然存在盲点的可能性。此时需要通过增加反射或增加吸波材料的方法改变反射信号的强度，从而减少或消除盲点。

（2）辐射场图

阅读器天线辐射的电磁场可以覆盖的区域，称为辐射场图，此处的覆盖区域指的是标签在该区域内可以获得足够能量被激活的区域。辐射场图是为了项目中确定物品摆放位置和管理的重要依据。如图6-22所示为一个阅读器天线的辐射场图，该图为俯视图，辐射场图像一个小提琴。靠近天线处具有较宽的辐射角度，虽然旁瓣的辐射增益很小，但由于距离发射源很近，此处的信号强度足够激活标签。当距离增加时，旁瓣的信号强度不足，无法激活标签，因此相当于小提琴的“瘦腰”。距离继续增加后，其辐射场区主要由天线的主瓣覆盖，直到极限距离。在离开辐射场区之外的不远处，仍有不少的小区域可以识别到标签，这些小区域称之为不稳定读取区。不稳定读取区是由于反射叠加增强引起的，之所以不连续是因为只有在相位相加的情况下才能有足够的能量激活标签，而相位相抵消的区域则无法激活标签。

图6-22天线的辐射场图（俯视图）

许多读者在室外测试时发现标签的工作距离大于公式计算的结果，而在微波暗室中测试的结果与公式计算的几乎相同。这就是因为室外测试时一直找最远处可以识别的点，是不稳定读取区，而非辐射场区。若要准确的找到系统的工作距离，最好的方式是在天线的中轴方向慢慢远离天线，直到第一次出现阅读器无法识别，记录当前距离，此时的工作距离与计算值相近（该测试的前提是天线增益不能太大，也不能架设太高）。

在应用现场绘制一张辐射场图是非常关键的。因此本节将重点介绍辐射场图的绘制方法，绘制方法分为两种，分别是简易辐射场图的绘制方法和带有梯度的辐射场图绘制方法。

现场测试绘图前首先需要准备绘制场区图的工具，如图6-23所示，阅读器天线固定高度为40英寸（约1米），天线的中心为直角坐标系的原点，其天线面的俯视投影为X轴，一侧为X正另外一侧为X负，天线辐射轴向方向定义为Y轴正方向。使用三个相同的标签固定在一根长杆上，其中标签A的高度为60英寸（约1.5米），标签B的高度为40英寸（约1米），标签C的高度为20英寸（约0.5米）。阅读器天线可以采用三种形式，分别是圆极化天线、垂直线极化天线和水平线极化天线。标签的固定方式有两种选择，分别是水平放置和垂直放置。阅读器天线和标签的选型应按照应用项目的需求选择。

图6-23现场测试工具及准备

在应用场地上用粉笔画沿着X轴和Y轴标识出刻度，假定刻度为1英尺（约0.3米），并沿着刻度做X轴和Y轴的平行线，从而交织成一个网格，如图6-24所示，我们称之为天线场区的地图格。与此同时在做图纸上也应画下相同的地图格，并标识出天线的位置。

图6-24绘制场区图

此时启动阅读器，手持标签长杆，从（X，Y）=（0，0）开始，逐渐增加Y的值，直到第一个无法读取的点停下，在图纸上标计下来（图中是五角星）。此时再从（X，Y）=（1，0）开始，逐渐增加Y的值，直到第一个无法读取的点停下，在图纸上标计下来，如此反复，如图6-24所示，最终形成了一张简易的辐射场区图。由于标签长杆上有三个标签，每个标签对应的辐射场区图是不同的，同样采用不同极化的阅读器天线也会有所不同。如图6-25（a）所示为采用圆极化天线，水平标签的三个不同高度标签的简易辐射场图，图6-25（b）为采用水平极化天线，水平标签的三个不同高度标签的简易辐射场图。相同增益的线极化天线会有更远的工作距离。

（a）圆极化天线、水平标签 （b）水平极化天线，水平标签

图6-25三个不同高度标签的简易辐射场图

采用简易辐射场图的绘制方法存在的问题是无法体现每个区域的信号强度，也无法体现区域内存在的盲点。因此可以采用梯度的辐射场图绘制方法，其要点为统计每个测试点的识别率。将阅读器设置连续寻卡100次（每次寻卡后跳频），统计每个测试点读取标签的次数，再将读取的次数进行量化，转化为不同颜色展示在图纸上，如图6-26所示为梯度辐射场绘图法示意图。其中图6-26（a）展示了读取次数的梯度与位置关系，图6-26（b）为采用颜色展示的俯视平面图，该图可以使用excel绘制。

（a）3D视图 （b）俯视图

图6-26梯度辐射场绘图法示意图

天线固定在距离地面40英寸，测试区域大小为30英尺×40英尺的环境中，系统采用圆极化天线、水平标签时的俯视图如图6-27所示。其中三个不同高度的标签辐射场图的中间部分（13英尺处）都存在无法识别的区域，当距离增大时，反而出现一大片可以识别的区域。根据计算，理论工作距离为首次无法识别区域之内的最远识别距离。第二个出现的识别区域是由地面反射叠加增强引起的。

图6-27圆极化天线、水平标签梯度辐射场绘图

如图6-28所示，为系统采用圆极化天线、垂直标签时的梯度辐射场俯视图。

图6-28圆极化天线、垂直标签梯度辐射场绘图

如图6-29所示，为系统采用线极化天线、水平标签时的梯度辐射场俯视图。

图6-29线极化天线、水平标签梯度辐射场绘图

如图6-30所示，系统采用线极化天线、垂直标签时的梯度辐射场俯视图。

图6-30线极化天线、垂直标签梯度辐射场绘图

在实际应用中很难有如此空旷的场地，不过同样可以采用该辐射场区的绘制方法，尤其是屋顶较低且反射面较多的场景，且出现盲点区域的概率非常大，采用该方法可以有效的避免应用中不必要的漏读和误读。当天线正面距离反射墙面很近时，会引起辐射场区图很不理想，可以略微调节天线辐射轴与水平的仰角，有效规避反射抵消的问题。