基于RFID读取率的问题研究

　　自从Wal-Mart于2000年代初宣布将导入RFID技术于其物流系统后，引起世界各国政府与信息产业界关切，都把RFID技术列为重点发展科技。我们政府也不例外成立推动RFID应用相关单位，带头在公/私领域导入RFID技术，应用于人、事与物的管理。RFID技术更是目前热门议题物联网(IOT)系统的核心技术之一，可以预期未来RFID应用领域只会更为普遍。 

　　在第一波热潮中带头导入RFID技术的企业先驱(Pioneer)，或多或少都已执行过小规模RFID验证项目。系统发展状况并没有如预期的大规模应用，业界似乎抱持观望态度。依笔者观察除了价格因素外，造成RFID产业推动缓慢之另外原因是系统整合建置技术需求高。由于射频运作效率受环境影响甚巨，RFID应用环境的差异性，造成建置时有技术选用及系统客制化的需求。换言之，系统建置时通用性的解决方案并不存在，一般需相关技术人员对环境特性及环境干扰进行检测，以确保方案的有效性。其中金属物品与环境电波反射所造成的读取率不足，是系统整合工作经常面临的问题，也是RFID产业应用发展受限的关键障碍。
　　
　　本文将分享笔者几年来执行RFID系统整合项目的经验，针对RFID读取率改善提供一些参考意见。

　　RFID有几个硬件组成组件牵涉到读取率，包括卷标(Tag)、天线(Antenna)与读取器(Reader)。而卷标的选用与附着、天线架设方式及读取器功率与参数设定，此三件因素决定了RFID的读取率是否稳定的因素。以下分别说明:

　　(一)选择合适卷标

　　卷标的选用需根据读取器操作距离、物品外形及材质、卷标读取环境等三个面向来综合考虑。

　　1.读取器操作距离：首先要根据读取操作距离需求来决定采用何种频带系统之卷标

　　(1)短距离手动读取
　　如果应用情境都是以手持式读取器来操作，读取范围需求在20公分之内，而且每次只读取一个卷标的话。则选择近场(Near field)磁感应方式的LF或HF卷标，适当改变手持式设备感应角度，以达到最佳磁场切割作用，要达到稳定读取率没有大问题。

　　(2)短距离移动物读取
　　如果应用情境是要在输送带上读取物品卷标，只要天线架设的有效读取区与物品移动方向磁场切割作用，慢速移动物品仍然可以用HF卷标。但是快速移动的物品，建议还是采用远场(Far field)电波共振式UHF卷标，才有较佳的读取率保证。

　　(3)长距离读取
　　超过1.5公尺以上距离的读取需求，卷标就要求有足够感度(sensitivity)。不管是固定或手持方式读取，1.5公尺距离基本上已超过LF或HF卷标的极限。目前被动式(passive)卷标中，UHF卷标是长距离读取的唯一选择。否则就要选择主动型(active)卷标才能确保长距离的稳定读取率。
 
　　2.物品外形及材质：根据物品外形与材质选择合适卷标规格

　　(1)敏感度
　　物品外形及材质会影响电磁场穿透力(penetration)，连带也影响卷标敏感度。通常卷标感度与其本身天线设计有关，感度越好的卷标外形尺寸就越大，但是如果搭配天线架设角度，找到最好的极化面(polarization)，即使小尺寸卷标也能达到稳定读取率。

　　(2)感应角度
　　当环境有其他RFID读取器同时运作时，卷标感应角度就显得很重要。
　　卷标需要根据物品移动方向，选择最佳感应角度来附着物体，目的是与天线发射产生最佳的极化面确保较佳读取方向，避免读取到其他周遭不相干的卷标。
 
　　3.卷标读取环境：

　　(1)金属与含水份环境
　　物品本身或环境若带有水气或金属成份也会影响卷标的感度性能。水气会吸收部分电磁波能量影响卷标感度，金属制品则会全面反射电磁波影响卷标的受电能力，两者都会造成读取率恶化的结果。其中水气环境只要空气湿度控制得宜应该不难解决，对于液体产品只要卷标与容器间保持固定间隙，仍然可以达到稳定的读取率。最难处理的就是金属反射环境，因为反射的电波强度会盖住卷标背向散射(backscatter)的信号，让读取器无法辨识卷标的响应内容。所以在选择RFID读取环境时应该尽量避开金属反射环境。

　　(2)金属专用卷标或客制化卷标
　　若是标的物本身就是金属制品，欲达到满意读取率恐怕只有使用金属专用卷标或客制化卷标。金属专用卷标有一特别设计隔离层，可以避免金属材料对卷标的特性影响，读取距离约2~3m但是背景环境的反射电波太强的话，仍然无法保证100%读取率。如果卷标需求量够大或是标的物属于高单价物品，笔者建议使用客制化金属卷标。客制化金属卷标的设计原理是将金属物体视为与卷标芯片共振的部份天线，如此所得到的读取距离与读取率都大幅提升，依笔者使用过之经验在4~6m距离读取率达到99.5%水平。
 
　　(二)天线架设

　　天线架设要点是要达到最佳电磁场型态同时避开电波反射干扰

　　1.读取区
　　目前固定型读取器通常至少有搭配四组输出天线，适度控制读取器输出功率与调整四组天线发射方向，就可以消除读取死角建构有效卷标读取区。值得提醒的是卷标读取区最好避免有金属直接反射平面，这种金属平面造成高强度反射电波，往往将微弱的卷标响应信号盖住，影响读取器信号辨识能力。


　　2.极化面
　　目前读取器使用的天线主要有线性波与旋转波两种极化面，线性波天线穿透力比旋转波天线强，而旋转波天线方向性比线性波天线宽广，该选择何种极化面天线是根据卷标在物品上的贴附方向决定。卷标贴附方向杂乱的选用旋转波天线读取效果较为佳，卷标贴附方向一致的选用线性波天线会有较远的读取距离。
 
　　(三)读取器功率与参数设定

　　设定适当发射功率与碰撞参数

　　1.功率设定

　　读取器发射功率可以透过程序操作来控制，功率太强容易产生折射干扰，功率不足则无法达到启动卷标电磁场的最低能量要求。笔者建议以由弱渐渐加强的方式改变读取器功率输出，找出最低启动卷标电源之读取器输出功率(Minimum turn on power)平均值。再运用读取器内建之RSSI (Received Signal Strength Indication)接收信号强度指针，来分析卷标灵敏度平均值。比较卷标的RSSI以及最低卷标启动电源之读取器输出功率，找出适用于卷标最佳读取率的功率设定条件。换言之，利用RSSI与卷标启动功率两个参数来判断，目前架设的天线所发射之电波环境是否具合理性。

　　2.碰撞参数设定

　　一个Reader针对同一群卷标中通信，在同一段时间里面接收到大量的Tag传送之数据而产生讯号碰撞，结果就会造成读取率不佳现象。解决碰撞与Q值设定有关，Q值太大也会影响读取器进行盘点所需时间，所以必根据卷标总数来决定，找出Q与卷标总数优化关系，亦即当卷标数量为多少，找出最佳建议Q值。

　　3.利用RSSI值过滤

　　Reader在读取某一区域卷标时，在同时间也会接收到其他区域的Tag数据。Reader程序可以根据卷标响应的RSSI值差异性进行过滤，减低误判现象。

　　4.避开盲点

　　由于环境折射波与天线直接波会产生相位加成与抵消作用，其中相位抵消的点会在有效读取区内产生读不到卷标的盲点。可以利用不同角度天线架设组合，并藉由Reader程控改变天线切换开关，达到读取区中盲点的位置移动作用，减低因盲点造成的读取率不稳现象。
 
　　结语

　　RFID建置时从硬件选用到系统客制化的执行过程中，现场布建经验的Know how通常被业者忽略。由于电磁波是眼睛看不到的东西，当发生RFID读取率不足时，因为应用环境的差异性牵涉到的原因与问题相当复杂，经常造成系统整合商与硬件供货商之间的责任归属争议。目前RFID系统建置时针对读取率不足的解决方案，尚未有系统化通用性准则可以遵行。一般需要仰赖系统整合业者对环境特性及设备性质进行系统检测，以确保达到项目所要求的效益。换言之，系统整合者扮演项目成功与否的关键角色。本篇文章仅就个人执行项目经验，提出问题解决方向建议供RFID系统整合业者参考。