便携式RFID现场检测仪设计

田正其，欧阳曾恺，徐 晴，祝宇楠，杨 帆

(1．国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210019；2．国家电网有限公司电能计量重点实验室，江苏 南京 210019；3．中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥，230601)

0 引言

在无线电通信技术中，射频识别(radio frequency identification，RFID)技术是一种非视觉、无机械或光接触的双向通信自动识别技术。该技术具有灵敏度高、速度快、抗干扰能力强、信息丰富可加密和寿命长等优点，被广泛应用于物流、供应链、车辆识别、门禁系统、图书管理、自动收费和生产制造等领域[1-3]。

RFID标签因其自身的非可视阅读、远距离阅读、自动识别和追踪、能在恶劣环境下工作等众多优势，具有代替条形码的潜力[4]。随着RFID系统的快速发展和市场需求的增加[5]，各种RFID产品纷纷涌现，使人们对RFID产品的质量要求也变得更高。因此，RFID产品性能的检测装置应运而生。但是传统的RFID检测面临诸多困难，如标准多、性能要求高、检测系统设备笨重等[6-8]，而且相关RFID电子标签和阅读器的设计也变得多样化，因此便携式RFID检测仪的设计与实现变得非常有必要[9-10]。便携式RFID检测仪能够实现对各应用领域RFID系统的环境部署以及标签、阅读器设备的检测。

1 RFID技术的基本原理

RFID技术是一种无接触式的技术，不需要个人行为的介入。RFID技术可以在各种恶劣条件下工作，通过射频识别对研究对象自动识别，并对电子标签进行读写操作。这种识别操作不但能够识别运动中的物体，而且能够识别不同的电子标签。

一套完整的RFID最小系统由控制终端、阅读器、标签以及天线等组成[11]，如图1所示。

图1 RFID最小系统示意图

①控制终端。控制终端是整套RFID系统的控制核心，包含应用软件的计算机或嵌入式主板，用于协调整套系统各部件之间的工作。

②阅读器。阅读器是读取标签信息的设备，通常包含一个控制单元和一个射频模块。射频模块包含发射器与接收器。根据支持的标签类型以及完成的功能不同，阅读器的复杂程度显著不同。

③标签。标签是RFID阅读器识别的对象，通常由天线和射频芯片组成，用于存储用户所要了解的对象的信息，通常安置在被识别物体的表面。

④天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收。

控制终端控制阅读器通过天线发送电磁波。标签进入该电磁波磁场后，其内部的线圈会产生感应电流。标签获得电流后开始工作，接收阅读器发出的射频信号。如果是无源标签(又称被动标签)，其将会发送出存储在芯片中的产品信息；如果是有源标签(又称主动标签)，其将会主动发送某一频率的射频信号。阅读器通过天线获取该信号，解码后送至阅读器的控制单元进行有关数据处理，并最终反馈至控制终端，实现数据的交互。

2 硬件架构设计

本文所设计的RFID现场检测仪，是基于高性能射频收发模块和高速现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)通信模块而设计的一种小型、便携的检测系统仪器[12]。该现场检测仪的硬件架构如图2所示。现场检测仪主要由以下几个部分组成。

图2 检测仪硬件架构图

①可编程嵌入式双核处理器。该部分选用赛灵思Zynq芯片，采用片上系统(system on chip,SOC)技术将处理器系统(processing system，PS)和可编程逻辑(programmable logic，PL)两大部分集成在一片FPGA中，使得软件与逻辑分别在PS和PL中实现成为可能，提升了系统的集成度、灵活性和可扩展性。

②射频(radio frequency，RF)捷变收发器。该部分主要采用AD9361射频捷变收发器完成射频信号的收发工作，前端部分支持多输入多输出(multiple input and multiple output，MIMO)收发，频段可达70～6 000 MHz，同时支持GPS时钟同步，满足多方面需求。

③按键功能模块与电容触摸屏。该部分主要用于实现数据交互功能。

④异步收发器。该部分主要实现检测仪的通信接口功能。

⑤电源管理。该部分主要用于实现外、内部供电模式转换。

3 软件功能设计

RFID现场检测仪软件功能设计主要包括两大方面：一方面是RFID系统部署过程中的信号监测，另一方面是阅读器和标签的性能评估。

3.1 RFID部署过程监测

RFID系统部署过程中的信号监测，主要包括对RFID设备部署环境探测、RIFD设备射频通信信令分析和基于参考标签的性能评估。

3.1.1 环境探测

在RFID系统部署过程中，将便携式RFID现场检测仪及天线放置于RFID设备部署环境中，启动信号强度检测功能，并使用检测仪记录各个信道的信号强度。根据设置的频率在实时频谱分析带宽内实时显示最新的频谱扫描数据，可对现场环境进行评估。此外，对于复杂射频环境中的信号干扰问题，可捕获射频通信过程信号，在较长的时间内采集大数据，获取在未知时间未知地点出现的一个持续时间未知的干扰事件。

3.1.2 射频通信信令分析

在RFID系统处于工作状态的情况下，将便携式RFID现场检测仪与天线放置于被测系统的工作范围以内。启动信令分析功能，使用检测仪分析阅读器和标签的通信情况，记录工作过程中的信令、时序等参数。

信令分析功能主要针对读写器和标签的通信信令的探测、验证和分析，能够分析信令收发序列，并且进行跟踪和检测，从而直观观察到读写器和标签间通信的时序，分析出存在问题的信令点。当被测系统处于异常工作状态时，可以进一步分析异常现象的具体情况，并追溯出现异常的原因。

在RFID设备射频通信信令模式配置下，检测仪在阅读器模拟、标签模拟、信号监听等不同的检测模式下工作。阅读器模拟模式能主动发射指令信号，同时接收和分析标签响应信号，适用于电子标签检测。标签模拟模式能接收和分析指令信号，同时发射响应信号，适用于阅读器的符合性和性能检测。信号监听模式能采集、实时流盘和回放RFID系统的通信信号，适用于RFID系统的整体性能检测和故障诊断。

3.1.3 基于参考标签的性能评估

在RFID系统未处于工作状态的情况下，将便携式RFID现场检测仪及配套设备，包括检测天线、参考标签套件等，放置于被测系统的工作范围以内。

参考标签与被测的阅读器进行通信，启动射频性能评估功能，使用检测仪采集被测产品的射频信号进行时域和频域的分析，得出射频性能的主要参数，包括工作频率、带内功率、读取距离、写入距离等。

当被测系统出现异常工作状态时，还可以采用参考标签替代射频性能参数下降的失效产品进行验证，对系统故障进行辅助定位和诊断。

3.2 RFID系统性能检测评估

根据被检测RFID系统不同类型，检测可分为标签检测、阅读器检测两大类别。每一个类别具体又包含一个或多个功能面板。RFID系统性能检测流程如图3所示。

以太网连接嵌入式RFID检测模块与主板，配置正确的IP地址，打开软件与设备连接，连接成功后可配置各项检测参数。开始检测后，通过采集到的时域波形来判断信号是否被正确采集到。数据采集回来就可以通过软件自动或者手动定位信号，并把分析结果显示出来。最后，把采集的信号与分析的结果数据保存到磁盘。

图3 RFID系统性能检测流程图

3.2.1 标签符合性检测

射频识别标签符合性检测通过给被测标签发送指令信号，采集并分析返回的响应信号。

射频识别标签符合性主要技术参数主要包括调制深度(modulation depth,MD)、脉冲宽度(pulse width，PW)、过调制(over modulation，OM)、欠调制(under modulation，UM)等。

调制深度也称调制度，指的是被调制波的幅度与载波幅度的比值，用百分数Rmd表示。

有信号的调制函数p(t)为：

p(t)=[A+m(t)]×cos2πft

(1)

式中：A为载波幅度；m(t)为被调制波形函数；f为频率；t为时间。

则调制深度Rmd可以表示为：

(2)

式中：peak(m) 为被调制波形函数的峰值。

调制深度Rmd也可以用已调波与载波的幅度关系来表示：

(3)

式中：mmax为已调波的最大振幅；mmin为已调波的最小振幅；pmax为载波的最大振幅；pmin为载波的最小振幅。

脉冲宽度为脉冲所能达到幅值所持续的周期，用T表示，即：

T=tum+tom+tam

(4)

式中：tum为欠调制时间；tom为过调制时间；tam正常调制幅度的时间。

欠调制，也叫欠冲，用调制信号波峰的峰值低于正常调制幅值的时间tum与脉冲宽度时间T的比值表示为：

(5)

过调制也叫过冲，用调制信号的某些峰值超过正常调制幅值的时间tom与脉冲宽度T的比值表示为：

(6)

频域分析包括被测信号的中心频率、频率漂移、邻道泄漏比以及相位。

中心频率是理论中心频率，用fo表示。

频率漂移是指射频设备长时间连续工作时，其输出频率值随着时间单方向变化的情况。频率漂移fΔ用被测信号中心频率的实际检测值fmea与理论中心频率fo的差值表示为：

fΔ=fmea-fo

(7)

邻道泄漏比(adjacent channel leakage ratio，ACLR)是用来衡量射频设备工作时对主工作频率外信道的影响特性，用被测读写器在发射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)比值表示为：

(8)

软件设计了通信数据模块，包括解码数据、显示射频信号解码与识别结果。该模块还可以分析被测信号的反向链路频率的相关测量值、编码、前导码校验、循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)等，实现对射频识别标签各项指标的符合性检测。

3.2.2 阅读器符合性检测

阅读器符合性检测通过采集阅读器发出的信号，分析中心频率、采集时间、采样率、带宽等参数开展检测。

时域信号分析可以显示变频后的时域波形及基于时域波形所分析得到的各项参数。阅读器检测频率分析内容与标签符合性检测分析内容相似，也包括中心频率、频率漂移、邻道泄漏比和相位等。阅读器符合性检测的通信数据模块，除了包括解码数据、前导码校验和CRC校验外，还分析了编码方式相关测量值与基准时间Tc的测量。

通过对超高频和微波频段RFID系统部署过程中的信号监测，以及阅读器和标签的性能评估，能够有效优化系统的部署，解决布置多少个天线、如何确定每个天线的最佳位置以及每种物品的最佳贴标位置等问题，实现RFID系统部署过程的最优化。

4 试验结果与分析

以电子标签检测为例，对所设计的便携式RFID现场检测仪的检测能力进行测试。选用已部署RFID系统的车辆开展电子标签的性能检测，选一条环境较复杂的车道，将便携式RFID现场检测仪布置在道路一边，用装有电子标签的汽车开展两个具有代表性的试验。

试验一：速度与电子标签识别率关系测试。试验车以不同的速度通过同一测试点，记录不同速度下电子标签的识别情况，统计出不同速度下的电子标签识别率。

试验二：距离与电子标签识别率关系测试。试验车以固定的速度通过不同的测试位置，记录不同位置下的电子标签识别情况，统计出距离与电子标签识别率的关系。

速度、距离与识别率的关系分别如图4、图5所示。

图4 速度与识别率关系图

图5 距离与识别率关系图

从图4可以看出，部署的RFID电子标签系统优化前，随着移动速度开始增加，识别率就开始下降。当车速在20 km/h左右，识别率有90%左右；当车速为20～40 km/h，识别率仅为80%多。而距离方面，从图5中可以看出，部署的RFID电子标签系统优化前，RFID电子标签与天线距离在1 m以上就出现了识别率下降的情况，距离在6 m左右时识别率在95%左右。

综合速度与距离两种因素，即使速度保持在20 km/h，距离在6 m，识别率只有85%左右。如果在高速路收费站只有85%左右的识别率，10次经过收费站就有1次多出现识别不成功的情况，影响不停车收费系统(electionic toll collection,ETC)全自动收费的效率。

采用本文所设计的便携式RFID现场检测仪，对汽车上部署的RFID电子标签系统进行诊断。诊断结果表明：车辆中电子标签的功率偏低，加上车辆挡风玻璃较厚，进一步影响电子标签的识别成功率。适当调整电子标签的位置，并且更换功率稍大的电子标签，再次开展相同的测试。

优化后的试验结果可知，20 km/h以内识别率为100%，8 m以内识别率为100%，综合识别率高达100%；在20 km/h到50 km/h范围内，在8 m内的识别率也有94%以上。

通过便携式RFID现场检测仪，对RFID电子标签部署系统开展诊断分析，找出系统性能下降的原因并开展有效优化，可提高系统各项指标。

5 结束语

为完成对RFID相关设备的检测，从硬件架构设计、软件功能设计等方面开展了相关研究，设计、研制了便携式RFID现场检测仪，实现了对标签识别、阅读器、RFID系统部署环境的检测与性能评估。该便携式RFID现场检测仪外形小巧，既满足RFID电子标签以及阅读器基本指标测试要求，又能检测、诊断出RFID系统由于环境或自身等因素导致各项指标下降的原因。以电子标签检测为例，开展了相关试验验证。试验结果表明，便携式RIFD现场检测仪能够对已部署的RIFD系统出现的问题进行有效的诊断，并有针对地提出改善意见，提高了RFID系统性能。