RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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5.2.5 帶有特殊功能的閱讀器

在4.3.5節(jié)中介紹了多種標(biāo)簽芯片的特殊功能，這些特殊功能中的大部分都需要閱讀器的指令配合。本節(jié)主要介紹兩種創(chuàng)新的閱讀器功能，分別是接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）處理功能和相位列陣定位功能。

01、接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）處理功能

市場(chǎng)上主流的閱讀器在盤點(diǎn)標(biāo)簽時(shí)，不僅可以獲得標(biāo)簽的EPC數(shù)據(jù)，同時(shí)還會(huì)獲得該標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信號(hào)的強(qiáng)度指示，它的實(shí)現(xiàn)是在反向通道基帶接收濾波器之后進(jìn)行的，體現(xiàn)為基帶I、Q信道功率積分得到的瞬時(shí)值。當(dāng)信號(hào)小于靈敏度或遇到干擾時(shí)則EPC無法被解調(diào)出來，因此RSSI的值一定大于靈敏度。

（1）RSSI強(qiáng)度過濾

RSSI的數(shù)值越大表示信號(hào)越強(qiáng)，當(dāng)使用同樣的標(biāo)簽在輻射場(chǎng)中時(shí)，RSSI越大可以解釋為標(biāo)簽距離閱讀器天線越近。因此可以通過RSSI的信號(hào)強(qiáng)度判斷標(biāo)簽與天線距離（具體計(jì)算方法可以參照2.3.3節(jié)），從而實(shí)現(xiàn)過濾功能，如圖5-38所示，將閱讀器收到的信號(hào)強(qiáng)度根據(jù)一定特征分類，并選中其中的一類標(biāo)簽進(jìn)行操作。如在一些近距離識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景中，遠(yuǎn)處堆放的標(biāo)簽有時(shí)候會(huì)被識(shí)別到，影響應(yīng)用管理。這時(shí)，可以通過采用近距離過濾的功能。此時(shí)只有信號(hào)大于-40dBm的標(biāo)簽可以被識(shí)別，遠(yuǎn)處的干擾標(biāo)簽就可以被濾除掉。

圖5-38 RSSI強(qiáng)度過濾示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，通過RSSI過濾的應(yīng)用有不少缺陷，主要是由于RSSI與標(biāo)簽的距離只有在理想狀態(tài)下才能保證對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要是由于如下幾個(gè)問題引起的：

標(biāo)簽的一致性較差，標(biāo)簽生產(chǎn)時(shí)就存在一致性問題，且不同的標(biāo)簽靈敏度和反向散射的調(diào)制深度也不同，尤其是當(dāng)標(biāo)簽貼放在不同物體上時(shí)，阻抗失配狀況無法獲得。

閱讀器的靈敏度有限，在閱讀器計(jì)算RSSI信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)候會(huì)受到載波泄漏和直流偏移的影響，所以標(biāo)簽的RSSI會(huì)有一定的誤差。

閱讀器天線輻射與標(biāo)簽的耦合，即使閱讀器天線采用圓極化天線，當(dāng)標(biāo)簽垂直于天線平面時(shí)，則標(biāo)簽收到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)大幅下降甚至無法工作。

因此只是靠RSSI來判斷標(biāo)簽的距離的確是會(huì)存在不少誤差。在利用RSSI強(qiáng)度的時(shí)候有幾個(gè)竅門，對(duì)于常規(guī)標(biāo)簽正面識(shí)別時(shí)，RSSI讀數(shù)非常大，如果大于-40dBm，那么一般標(biāo)簽都很近；RSSI讀數(shù)非常小時(shí)，如果小于-70dBm，那么標(biāo)簽一般很遠(yuǎn)。RSSI讀數(shù)很大的情況很容易理解，只有正向和反向損耗都很小才能有大的RSSI，同理只有在正向和反向損耗都很大的時(shí)候才能有很小的RSSI。而有一些標(biāo)簽雖然距離天線不遠(yuǎn)但由于阻抗失配正向損耗很大，但其反向損耗不大，因此不會(huì)落在RSSI很大或很小的區(qū)間。

如果只是分析一個(gè)固定的標(biāo)簽，可以通過RSSI分析天線的輻射場(chǎng)區(qū)內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)弱變化。這一點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試非常有用，在沒有便攜功率計(jì)測(cè)試時(shí)，可以使用一個(gè)固定的標(biāo)簽擺放在不同的位置通過閱讀器獲得不同位置的RSSI信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，繪制出一張輻射信號(hào)強(qiáng)度分布圖（6.1.3節(jié)有輻射場(chǎng)圖的相關(guān)介紹）。

（2）速度及方向過濾

由于可以通過RSSI計(jì)算標(biāo)簽與閱讀器天線之間的距離s（計(jì)算方法可以參照2.3.3節(jié)），RSSI越大對(duì)應(yīng)的s越?。ň嚯x近信號(hào)大），同理RSSI越小距離越遠(yuǎn)。多次采集數(shù)據(jù)后獲得連續(xù)時(shí)間內(nèi)的多個(gè)s，可以對(duì)s求導(dǎo)計(jì)算標(biāo)簽的速度v。如圖5-39所示，一個(gè)靜止的標(biāo)簽，其RSSI的強(qiáng)度幾乎保持不變，因此其速率表現(xiàn)為0；當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽靠近天線時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)變大，通過公式計(jì)算的s會(huì)變小，因此將標(biāo)簽向靠近天線運(yùn)動(dòng)的方向記為方向負(fù)（-），同理遠(yuǎn)離天線的方向?yàn)榉较蛘?）。當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽從天線輻射場(chǎng)區(qū)外進(jìn)入場(chǎng)區(qū)內(nèi)再離開場(chǎng)區(qū)，則獲得的標(biāo)簽的RSSI變化為先變大再變小，速度變化為先負(fù)方向，再正方向。

圖5-39 RSSI方向判斷示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中可以充分利用速度方向的特性，因?yàn)檫@個(gè)特性不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境差異而發(fā)生變化，準(zhǔn)確度非常高，只有在極少的情況下由于墻面或金屬反射引起方向判斷錯(cuò)誤。通過RSSI速度方向的判斷對(duì)于倉庫的進(jìn)出庫管理等應(yīng)用有奇效，尤其是配合具體的速度判斷。如圖5-40所示，不同移動(dòng)速度的標(biāo)簽可以通過RSSI的變化速度展現(xiàn)出來，在快速進(jìn)出庫的叉車應(yīng)用中，即使庫房中有干擾標(biāo)簽的信號(hào)由于反射進(jìn)入識(shí)別區(qū)域內(nèi)，由于叉車內(nèi)的物品標(biāo)簽具有相同的速度特性，而反射標(biāo)簽不具備該特性，從而可以過濾掉干擾標(biāo)簽。

圖5-40 RSSI速度判斷示意圖

（3）RSSI行為分析

在傳送帶的快速設(shè)備場(chǎng)景中，由于環(huán)境很難控制，因此無法實(shí)現(xiàn)傳送帶上的閱讀器與標(biāo)簽一對(duì)一識(shí)別，許多時(shí)候閱讀器都可以識(shí)別到傳送帶上前后多個(gè)標(biāo)簽，無法判斷哪一個(gè)是正上方的標(biāo)簽。當(dāng)采用RSSI作為判斷手段時(shí)，可以通過“頂點(diǎn)”判斷的方式確定哪一個(gè)標(biāo)簽是當(dāng)前位置的標(biāo)簽，如圖5-41所示。尤其是面對(duì)流水線上的標(biāo)簽一致性不同的情況，雖然每個(gè)標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度不同，但是它們的“頂點(diǎn)”是相同的。

圖5-41

這種“頂點(diǎn)”識(shí)別的方案在物流包裹分揀、藥品和單品貼標(biāo)、流水線寫標(biāo)等場(chǎng)景中有很大幫助。

通過RSSI的數(shù)據(jù)分析還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零售客戶行為的分析，該技術(shù)的名稱叫做RFID“天眼”。顧名思義就是將超高頻RFID閱讀器天線放置在使用了電子標(biāo)簽的零售店鋪的天花板上，并不斷掃描覆蓋區(qū)域的標(biāo)簽，相當(dāng)于有一雙眼睛一直看著這些標(biāo)簽。當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)，人會(huì)遮擋或反射閱讀器的電磁波，引起閱讀器收集到的標(biāo)簽RSSI變化，經(jīng)過AI學(xué)習(xí)，很容易判斷出顧客的行走路徑和停留時(shí)間，以及物品被拿起或帶走等行為。如圖5-42所示為“天眼”覆蓋下的三個(gè)標(biāo)簽RSSI的變化曲線，從中可以判斷出：有顧客經(jīng)過、顧客離開、A物品被拿起來以及A物品被帶走。

圖5-42 RSSI數(shù)據(jù)分析曲線

至今，已經(jīng)有多家超高頻RFID廠商正在研究“天眼”技術(shù)，且已經(jīng)有一些成功的試點(diǎn)，雖然技術(shù)還沒有完全成熟，存在一定誤判，但其仍有不少的指導(dǎo)意義，尤其對(duì)于新零售的發(fā)展打開了一條新的道路。

01、相位列陣天線

（1）超高頻RFID相位列陣天線

相位列陣天線又叫相控陣天線，指的是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向，以達(dá)到波束掃描的目的?？梢院?jiǎn)單的理解為，傳統(tǒng)的天線只有一個(gè)固定的輻射圖，而列陣天線可以有多個(gè)不同方向的輻射圖。當(dāng)超高頻RFID系統(tǒng)中使用了相位列陣天線后，可以將一個(gè)天線變成多個(gè)不同方向的天線，如圖5-43所示，為一個(gè)帶有相位列陣天線的網(wǎng)關(guān)輻射圖，原有的天線主瓣輻射軸θ=0°，對(duì)列陣天線中指定輻射單元進(jìn)行相位調(diào)整后，其主瓣輻射軸會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大可以偏轉(zhuǎn)45°。采用圖5-43方案的相位列陣網(wǎng)關(guān)，對(duì)比傳統(tǒng)方案，覆蓋范圍大幅增加，原有的3dB輻射角度為30°，現(xiàn)在變?yōu)?20°。

圖5-43 相位列陣天線的網(wǎng)關(guān)輻射圖

相位列陣網(wǎng)關(guān)具體工作時(shí)可以理解為一個(gè)單端口閱讀器變成一個(gè)多端口閱讀器（相位存在多少種組合對(duì)應(yīng)多少端口），原來單端口的閱讀器只能接一個(gè)天線，輻射范圍固定，而多端口閱讀器可以接許多個(gè)天線，且每個(gè)天線輻射的范圍不同，這個(gè)多端口閱讀器可以根據(jù)需求選擇需要掃描的區(qū)域啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的端口發(fā)射信號(hào)通過對(duì)應(yīng)的天線覆蓋指定的區(qū)域。

不過相位列陣網(wǎng)關(guān)也存在自身的問題，雖然其覆蓋范圍比傳統(tǒng)的增大了很多，但需要不斷的切換相位進(jìn)行掃描，因此完成整個(gè)區(qū)域的掃描時(shí)間是過去幾十倍，若標(biāo)簽的數(shù)量較大則掃描時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，就存在遺漏運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的情況。相位列陣網(wǎng)關(guān)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是其設(shè)計(jì)和開發(fā)成本較高，如果只是為了增加覆蓋區(qū)域，可以直接采用兩個(gè)或多個(gè)天線輻射覆蓋的方法，其覆蓋的區(qū)域一般大于單個(gè)相位列陣網(wǎng)關(guān)的區(qū)域。只有在天線安裝空間有限的情況下才會(huì)用單個(gè)相位列陣網(wǎng)關(guān)替代多天線系統(tǒng)。

（2）相位列陣天線定位功能

市場(chǎng)上常見兩款相位列陣網(wǎng)關(guān)：Impinj的xSpan和xArray。如圖5-44所示為xArray的波束方向圖，xArray為一個(gè)正方形的相位列陣網(wǎng)關(guān)。當(dāng) xArray懸掛在屋頂時(shí)，其覆蓋區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)圓形，共8個(gè)扇區(qū)52個(gè)輻射區(qū)域，可以簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)52端口的閱讀器連接著52個(gè)不同輻射區(qū)域的天線。

圖5-44 xArray的波束方向圖

如圖5-45所示為xSpan的波束方向圖，xSpan為一個(gè)長(zhǎng)方形的相位列陣網(wǎng)關(guān)。當(dāng)xSpan懸掛在屋頂時(shí)，其覆蓋的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方形，共13個(gè)輻射區(qū)域，可以簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)13端口的閱讀器連接著13個(gè)不同輻射區(qū)域的天線。

圖5-45 xSpan的波束方向圖

xSpan網(wǎng)關(guān)可以看做xArray的簡(jiǎn)化版，當(dāng)xArray的相位只工作在扇區(qū)（Sector）6和扇區(qū)2時(shí)，其覆蓋區(qū)域與xSpan相同。可以理解為xArray的3輻射扇區(qū)對(duì)應(yīng)xSpan的1輻射扇區(qū)；xArray的扇區(qū)2對(duì)應(yīng)xSpan的扇區(qū)2；xArray的扇區(qū)6對(duì)應(yīng)xSpan的扇區(qū)3。因此當(dāng)xArray只開啟3輻射區(qū)的扇區(qū)2和扇區(qū)6內(nèi)的所有輻射區(qū)后實(shí)現(xiàn)的輻射覆及波束方向與xSpan幾乎相同。

實(shí)際環(huán)境中相鄰編號(hào)的輻射區(qū)之間是相互重疊的，當(dāng)多個(gè)編號(hào)的輻射區(qū)內(nèi)都識(shí)別到同一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，可以通過RSSI大小計(jì)算出標(biāo)簽的具體位置，計(jì)算過程為RSSI差轉(zhuǎn)化為距離差，再通過多點(diǎn)定位算法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然標(biāo)簽大概率落在RSSI值最大的輻射區(qū)內(nèi)。

相位列陣網(wǎng)關(guān)最大的作用是定位，判斷物品的位置和運(yùn)動(dòng)情況。如圖5-46所示為xSpan和xArray可追蹤的標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)方式。其中xSpan只能追蹤一個(gè)軸方向的標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)，而xArray可以追蹤多個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)的標(biāo)簽。

圖5-46 相位列陣網(wǎng)關(guān)方向追蹤

為了保證追蹤物體的實(shí)時(shí)性，就需要保證天線切換的速度足夠快，即使每次切換50ms，xArray所有輻射區(qū)掃描一遍也需要2.5s的時(shí)間。因此在物品追蹤的應(yīng)用中，應(yīng)保證場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量。如果需要高精度追蹤，最好標(biāo)簽數(shù)量不超過20個(gè)；如果要實(shí)現(xiàn)高速追蹤，標(biāo)簽數(shù)量也要不超過50個(gè)。如果需要追蹤物體，需要將Session設(shè)置為S0；如需要大批量盤點(diǎn)，Session設(shè)置為S1。

在實(shí)際測(cè)試中由于多種原因，存在一定的誤差，在沒有遮擋和反射的理想環(huán)境中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：有85%的概率誤差在1.5米之內(nèi)。在復(fù)雜環(huán)境中該誤差會(huì)更大，尤其是零售商店等具有貨架、墻壁反射影響以及標(biāo)簽的堆疊和擺放高度都會(huì)對(duì)測(cè)試精度產(chǎn)生很大影響。不過對(duì)比傳統(tǒng)的技術(shù)，采用相位列陣網(wǎng)關(guān)對(duì)于物品定位和尋找大大提高了精度和便利性。

（3）相位列陣天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

雖然xArray具有52個(gè)輻射區(qū)域，但其內(nèi)部并非有52個(gè)天線，實(shí)際上適合超高頻RFID工作的天線尺寸即使最小化也無法將52個(gè)天線放置在xArray內(nèi)。如圖5-47（a）所示為筆者開發(fā)制作的一款60輻射區(qū)的9元陣相位列陣天線的仿真模型圖，該天線可以實(shí)現(xiàn)與xArray相似的特性，其輻射場(chǎng)特性如圖5-47（b）所示。

圖中5-47（a）共有9個(gè)小天線，每個(gè)小天線都是可以獨(dú)立工作的超高頻RFID天線，其中小天線1（ANT1）在整個(gè)天線陣列的中間，因此它的相位不需要改變。列陣天線工作時(shí)，以ANT1為中軸線，配合對(duì)稱的兩個(gè)天線形成一組三元陣天線，覆蓋兩個(gè)扇區(qū)。ANT3、ANT7和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)2和扇區(qū)6；ANT2、ANT6和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)9和扇區(qū)5；ANT5和ANT9和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)8和扇區(qū)4；ANT8、ANT4和ANT1組成一組三元陣覆蓋扇區(qū)3和扇區(qū)7。通過調(diào)節(jié)一組三元陣中兩個(gè)對(duì)稱小天線的輸入相位，可以實(shí)現(xiàn)天線主瓣輻射軸θ的變化，從而實(shí)現(xiàn)不同輻射區(qū)域。比如ANT3和ANT7相位輸出共有15種不同的相位組合（ANT1保持0°相位不變），從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輻射區(qū)域53、輻射區(qū)域45、輻射區(qū)域37、輻射區(qū)域29、輻射區(qū)域21、輻射區(qū)域13、輻射區(qū)域5、輻射區(qū)域3、輻射區(qū)域9、輻射區(qū)域17、輻射區(qū)域25、輻射區(qū)域33、輻射區(qū)域41、輻射區(qū)域49和輻射區(qū)域57的掃描覆蓋。當(dāng)ANT3的相位為負(fù)而ANT7的相位為正時(shí)，輻射偏扇區(qū)2，且相位差越大天線主瓣輻射軸θ值也越大；同理當(dāng)ANT7的相位為負(fù)而ANT3的相位為正時(shí)，輻射偏扇區(qū)6，且相位差越大天線主瓣輻射軸θ值也越大。

（a）仿真模型圖 （b）輻射場(chǎng)扇區(qū)圖

圖5-47 9元陣相位列陣天線設(shè)計(jì)方案

上述9元陣相位天線的實(shí)現(xiàn)主要靠一個(gè)可控的相位電路實(shí)現(xiàn)，如圖5-48所示，為該9元陣相位天線的電路實(shí)現(xiàn)方法。閱讀器單端口輸出的射頻信號(hào)通過不等分功分器將能量分為三份，分別通往配到陣元1（ANT1）、陣元2到陣元5中的一個(gè)以及其對(duì)稱位置的陣元6到陣元9中的一個(gè)，形成一組三元陣。數(shù)控相移單元可以調(diào)節(jié)相位的變化，其范圍是150°，通過調(diào)節(jié)相位實(shí)現(xiàn)主瓣輻射軸的變化。如果開發(fā)與xSpan類似的網(wǎng)關(guān)可以采用同樣的設(shè)計(jì)方案，只需要選擇陣元3、陣元1和陣元7即可，電路基本相同，省去兩組單刀四擲開關(guān)即可。

圖5-489元陣相位天線的電路實(shí)現(xiàn)圖

系統(tǒng)需要通過閱讀器的GPIO管理主控模塊實(shí)現(xiàn)天線的切換和相位的調(diào)節(jié)。由于主瓣輻射軸θ變化時(shí)，天線與地面標(biāo)簽的距離會(huì)發(fā)生變化L=H/cosθ，其中H為天線與地面的距離，L為標(biāo)簽與天線的距離，因此θ越大時(shí)天線距離標(biāo)簽的距離就越遠(yuǎn)，因此需要對(duì)閱讀器輸出功率進(jìn)行校準(zhǔn)，輻射區(qū)域?yàn)橥鈬r(shí)需要增加輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償。

相位列陣天線的種類有很多，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要考慮的主要參數(shù)為識(shí)別精度和追蹤的實(shí)時(shí)性。在相同的覆蓋范圍內(nèi)，輻射區(qū)域越多定位精度相對(duì)越高，實(shí)時(shí)性響應(yīng)就越差，同理輻射區(qū)域少的系統(tǒng)定位精度就越差，實(shí)時(shí)性響應(yīng)就越好，比如單天線系統(tǒng)就有最好的實(shí)時(shí)性，不過只能大范圍的區(qū)域定位了。當(dāng)然并不是輻射區(qū)域越多定位精度就越高，高精度定位可以通過不同區(qū)域的RSSI進(jìn)行精確定位，有時(shí)候少量輻射區(qū)獲得更高準(zhǔn)確性的RSSI可以計(jì)算出更好的效果。