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基于RFID庫存管理分集系統(tǒng)設(shè)計
作者:RFID世界網(wǎng) 收編
來源:OFweek電子工程網(wǎng)
日期:2010-10-13 08:52:23
摘要:庫存管理系統(tǒng)現(xiàn)在依靠無源RFID技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)時自動識別。對許多應(yīng)用來說,使用RFID的投資回報是可接受的。這些系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r捕獲到全部在場庫存產(chǎn)品的信息,這就要求RFID系統(tǒng)必須能夠百分百地讀取所有被貼以標(biāo)簽的物品。
庫存管理系統(tǒng)現(xiàn)在依靠無源RFID技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)時自動識別。對許多應(yīng)用來說,使用RFID的投資回報是可接受的。這些系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r捕獲到全部在場庫存產(chǎn)品的信息,這就要求RFID系統(tǒng)必須能夠百分百地讀取所有被貼以標(biāo)簽的物品。RFID系統(tǒng)的讀取能力是涉及到許多變量的一個函數(shù),這些變量包括:標(biāo)簽大小、方向、放置方式,以及查詢器天線(IA)設(shè)計。不幸的是,對所有單天線設(shè)計來說都存在讀不到標(biāo)簽的“黑洞”。通過分析并確認(rèn)這些黑洞,業(yè)界已開發(fā)出一種方法,即利用對ISO 15693/ISO 18000-3(13.56-MHz)物品等級系統(tǒng)的多樣性來實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取能力。
諸如智能卡車/貨柜等高頻(HF)RFID系統(tǒng)在該領(lǐng)域發(fā)揮著作用,很多制造商和方案供應(yīng)商都提供此類產(chǎn)品。這些并不昂貴的系統(tǒng)采用無源RFID標(biāo)簽(大量生產(chǎn)時單價不到25美分),這項(xiàng)技術(shù)在跟蹤臨床高價值物品時具有巨大潛力,其中一些物品有一定的保質(zhì)期。例如,在醫(yī)院的心導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室通常會有的儲物柜內(nèi),可能會存放著250多個支架,總價值估計達(dá)37.5萬美元。取決于醫(yī)院規(guī)模,有可能會使用四個這樣的儲物柜,其內(nèi)的物品每4個月要被消耗掉,相當(dāng)于這樣一個儲物柜每年“經(jīng)手”的物品價值高達(dá)1.125百萬美元。植入式心臟去纖顫器(ICD)也是醫(yī)院內(nèi)的高價值物品。它們體積?。ú捎眉s3×4×6英寸的包裝),但是價值卻在10,000至20,000美元。它們通常儲存在諸如加鎖儲物柜等安全空間。在此類應(yīng)用中,使用RFID可以降低因某些物品備貨不足或過量而導(dǎo)致的成本損失,并且可以更好地掌控這些貴重物品的下落。
一個基本的RFID系統(tǒng)包括一個主機(jī)系統(tǒng)和多個RF組件(圖1)。RF組件包括一個射頻查詢器(讀寫器和天線)以及標(biāo)簽。查詢器的目的是與現(xiàn)場標(biāo)簽通信,對無源系統(tǒng)來說,查詢器還通過發(fā)射的RF信號給標(biāo)簽供電。查詢器負(fù)責(zé)協(xié)議處理、給標(biāo)簽供電、讀取標(biāo)簽信息、將信息寫入標(biāo)簽,并確保將信息有效傳遞到主機(jī)系統(tǒng)。
ISO 15693標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:只有當(dāng)“置身”于射頻場時,無源標(biāo)簽才被激活。為激活無源標(biāo)簽,由射頻場感應(yīng)來的電壓(VTag)必須足夠高,要達(dá)到嵌入在標(biāo)簽內(nèi)的RFID芯片工作所需的最低電壓水平。VTag 值是標(biāo)簽尺寸/方向與磁場強(qiáng)度幅值的函數(shù),對一個理想環(huán)路來說,VTag 可以表述為:
VTag = 2πf0NQB(Scosa) (1)
其中:
N=標(biāo)簽線圈的繞組數(shù),
Q = 標(biāo)簽的質(zhì)量因數(shù),
B=磁場強(qiáng)度,
S =標(biāo)簽線圈的面積,
a = 標(biāo)簽的指向角
B = (μ0INa2)/2r3 (2)
其中:
I = IA線圈電流,
N = IA線圈繞組數(shù),
a = IA線圈半徑,
μ0 =無礙空間的磁導(dǎo)率,
r = 到IA的距離。
從這些方程,我們可以推導(dǎo)出標(biāo)簽大小和方向之間,以及與沿IA軸線感應(yīng)出的場強(qiáng)之間的關(guān)系。當(dāng)標(biāo)簽和查詢器接近時,雖然借助兩者間復(fù)雜的反應(yīng)式近場關(guān)系,其耦合關(guān)聯(lián)得以建立,但是只能被上述等式勉強(qiáng)表述,特別是當(dāng)r 《《 a且偏離查詢器的軸線時,其耦合關(guān)系難以準(zhǔn)確預(yù)測。在實(shí)際的物件級應(yīng)用中,標(biāo)簽通常是靠近查詢器天線的,所以基于這個原因,選擇并不完全依賴這些預(yù)測。
由于在實(shí)際使用模型中,大量標(biāo)簽會非常緊湊地放在一起,所以設(shè)計人員擔(dān)心查詢器的失諧效應(yīng)會降低讀寫器性能,從而影響到標(biāo)簽的正確讀取。所測得的單一查詢器天線的回波損耗響應(yīng)(S11)接近50(圖5),與讀寫器給出的特性阻抗匹配。圖5還顯示了在不同標(biāo)簽大小條件下,查詢器的S11響應(yīng)。較大的標(biāo)簽,與查詢器耦合得非常好,對S11響應(yīng)有顯著影響,將其置于讀寫器約明的要求之外。有些讀寫器根本讀取不了挨得很近的標(biāo)簽,其廠家表示,高度的不匹配將“吞沒”接收器電路,以致檢測不到標(biāo)簽。但在這項(xiàng)研究中使用的讀寫器在這種條件下表現(xiàn)良好。除將標(biāo)簽非常近地靠近查詢器的PCB走線,針對查詢器S11的單標(biāo)簽(相對于多個標(biāo)簽)惡化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。希望單標(biāo)簽測試發(fā)現(xiàn)的射頻黑洞會類似于多標(biāo)簽測試中所發(fā)現(xiàn)的,以加快以后查詢器設(shè)計的驗(yàn)證過程。
在預(yù)測試時,一個簡單的無源RF探針會很有用(圖6)。探針包含一個標(biāo)簽,其RFID芯片被發(fā)光二極管(LED)所取代,LED可用以指示EM場的存在;采用不同大小的標(biāo)簽組裝三個探針。雖然這個測試工具僅需一美元,很粗糙,但作為一種可定位RF黑洞的實(shí)時探針卻很有效。該探針能夠定位當(dāng)時無法明顯憑直觀感覺到的射頻黑洞。當(dāng)標(biāo)簽非??拷樵兤鲿r,射頻黑洞暴露了出來,且對稱地分布在環(huán)形PCB走線的周圍。讀寫器的S11響應(yīng)驗(yàn)證了這種情況,當(dāng)標(biāo)簽放置在這些位置時,觀察不到變化,根據(jù)小環(huán)形探針記錄的S21測量情況也證明了這點(diǎn)。
這表明了可借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA),通過觀察S11 和S21隨標(biāo)簽或PCB導(dǎo)線環(huán)運(yùn)動的響應(yīng)變化,來觀測射頻黑洞。通過對不同尺寸標(biāo)簽以及查詢器天線的進(jìn)一步檢測表明,在PCB走線的相同位置存在著黑洞。測試發(fā)現(xiàn),讀取效果不好的區(qū)域相當(dāng)大,且都在PCB導(dǎo)線環(huán)附近、很有可能放置標(biāo)簽的位置。
對指向與IA平面相同的標(biāo)簽進(jìn)行的測試,指明了對所有標(biāo)簽尺寸和查詢器設(shè)計而言所共有的黑洞位置。如前面觀察到的,當(dāng)存在與標(biāo)簽的對稱情況時,在IA PCB導(dǎo)線附近就出現(xiàn)射頻黑洞。圖8(a)詳盡標(biāo)明了映射響應(yīng),當(dāng)把卡向左或右移動,使這一整列標(biāo)簽與查詢器天線導(dǎo)線具有對稱性時,可清楚顯示出射頻黑洞。隨著高度的增加,處在邊緣的標(biāo)簽逐漸落在可讀取范圍之外,此時,可用金字塔表述該整體三維可讀取區(qū)的形狀。我們還發(fā)現(xiàn),讀取區(qū)的大小與查詢器和標(biāo)簽的大小成正比。
當(dāng)標(biāo)簽指向與查詢器正交時,因?yàn)闃?biāo)簽和查詢器場域正交且耦合不好,所以認(rèn)為標(biāo)簽讀取性能會變差。該方向的標(biāo)簽映射如圖8(b)所示,當(dāng)標(biāo)簽接近并與查詢器PCB導(dǎo)線平行時,標(biāo)簽讀取效果很好,但其它地方都不好。在查詢器PCB走線附近,沒發(fā)現(xiàn)RF黑洞,與平行平面指向的對稱排列所測得結(jié)果不一樣。讀取性能是高度的函數(shù),特別是對小標(biāo)簽來說,性能隨高度增加而顯著惡化(相對于平面平行反應(yīng));這些結(jié)果證明,在此方向只能使用較大的ISO標(biāo)簽。盡管該方向的總體讀取性能表現(xiàn)不佳,但分集系統(tǒng)的多天線設(shè)計可改善讀取性能。
與此同時,我們還研究了雙回路IA設(shè)計。很顯然,對小標(biāo)簽來說,在大的單回路IA設(shè)計的中心普遍存在著射頻黑洞。對雙回路IA設(shè)計的建模結(jié)果表明,與同樣大小的單回路設(shè)計相比,雙回路設(shè)計在中心區(qū)的標(biāo)簽讀取效果有顯著改進(jìn)。雖然雙回路IA尚未投放市場,但我們制造了一個并進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示,對放置在中心區(qū)標(biāo)簽的讀取有顯著改善,但同樣遭受了在此位置對稱效應(yīng)的影響。
分集天線
隨后將這些測試結(jié)果應(yīng)用到分集系統(tǒng)的設(shè)計,目標(biāo)是針對庫存管理應(yīng)用實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取率。另一個目標(biāo)是在對現(xiàn)有硬件(架子、櫥柜等)不做重大修改的條件下,提供平面設(shè)計,這樣做不會減小產(chǎn)品空間而且也美觀。該設(shè)計還必須考慮到任何可能降低性能的因素,如包裝。我們對紙板包裝的支架和導(dǎo)管產(chǎn)品以及密封在箔襯袋內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行了大量測試,還針對智能圖書架應(yīng)用,對圖書館內(nèi)的書籍的標(biāo)記和讀取做了很多次測試。與此同時,ICD測試也在進(jìn)行中。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相對較大的包裝所出的問題最少,從而允許以與RFID查詢器平行的指向使用大的ISO標(biāo)簽。
針對以支架為對象的物件級應(yīng)用來說,對其進(jìn)行標(biāo)記被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)?,因?yàn)闃?biāo)簽實(shí)際上可盡可能近地靠近查詢器。對于支架類產(chǎn)品,標(biāo)簽如圖9(a)所示置于底部邊緣;甚至在帶箔內(nèi)襯包裝時,仍可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取。對以正交指向放置的較大ISO標(biāo)簽進(jìn)行測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有在去除鋁箔包裝后,才可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取。對垂直指向放置、帶鋁箔包裝的ISO標(biāo)簽的測試結(jié)果不好,這是因?yàn)闃?biāo)簽被夾在金屬之間,從而使標(biāo)簽失調(diào)且也減弱了達(dá)到標(biāo)簽的射頻場強(qiáng)。
在查詢器設(shè)計的早期發(fā)展階段,人們了解到:所有單回路天線設(shè)計的組合都可能產(chǎn)生問題,因它們彼此間存在強(qiáng)烈的耦合,使測得的每個單回路天線的性能也因此不再有效。對各種回路組合進(jìn)行多次建模測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn):單和雙回路(通常稱為“數(shù)字8”)組合架構(gòu)可互補(bǔ)彼此的覆蓋范圍,早期測試中也證明了這點(diǎn)。此外,同心環(huán)/“數(shù)字8”間的耦合性預(yù)測會很低,后來的測試證明該指標(biāo)好于-20dB。
最后生成的查詢器設(shè)計如圖10所示。設(shè)計時考慮了要滿足支架和ICD的實(shí)際存儲情況,以及書籍或任何類似大小、類此組成的其它產(chǎn)品的情況。最初的設(shè)計包括三個環(huán)路/數(shù)字8對。這種配置是為預(yù)計應(yīng)用(支架/ICD/書籍)設(shè)計的,用來讀取與讀寫器同一平面內(nèi)的任何標(biāo)簽,或任何與讀寫器垂直或平行于側(cè)壁的標(biāo)簽。后來增加了兩個數(shù)字8來評估額外的標(biāo)簽取向(垂直和平行于背墻),此舉使其有能力借助單一平面讀寫器配置,來讀取任意指向的標(biāo)簽。設(shè)計查詢器天線布局和間距的原則,是以最少天線實(shí)現(xiàn)最佳性能。如圖10所示,該布局允許采用多條走線完成PCB的走線長度。這些靠得很近的長線段有利于在整個表面上讀識標(biāo)簽。
借助商業(yè)讀寫器/多工器和測試設(shè)置對測試結(jié)果進(jìn)行記錄,如圖11。所有8個天線的映射響應(yīng)如圖12所示。映射響應(yīng)清楚表明,對許多標(biāo)簽指向來說,都可得到百分之百的讀取率。此外,還發(fā)現(xiàn)存在巨大的天線“冗員”現(xiàn)象,其中標(biāo)簽被一個以上天線讀取,因此可將參加掃描的天線數(shù)減為三個,且仍可達(dá)到百分之百的讀取性能。讀寫器/多路復(fù)用器還有可操控多達(dá)256個查詢器天線的復(fù)用功能。使用由讀寫器/復(fù)用器制造商描述的常用CAT5電纜,可輕松地配置和組裝智能貨車以便容納多達(dá)16個RFID貨柜,每一個都可以在16個天線間切換。借助非平衡變壓器的使用,射頻能量通過四對CAT5雙絞線電纜(100-)中的一對傳送,其余6根線用作數(shù)字輸入/輸出(I/O)。在13.56MHz,CAT5電纜的損耗相對較低,通過100英尺的電纜可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取性能。
隨著價格便宜的COTS硬件的推出,商家可以配置具有成本效益的分集系統(tǒng),從而滿足許多庫存管理應(yīng)用所要求的規(guī)范。這些系統(tǒng)本來就可以是模塊化的,且為將其整合進(jìn)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行了配置,從而不會顯著犧牲產(chǎn)品空間,從美學(xué)角度也不會很難看。整合了復(fù)用技術(shù)的物件級RFID技術(shù)為許多應(yīng)用提供了可接受的方案,且對跟蹤諸如支架和ICD等昂貴臨床產(chǎn)品尤其有吸引力。
諸如智能卡車/貨柜等高頻(HF)RFID系統(tǒng)在該領(lǐng)域發(fā)揮著作用,很多制造商和方案供應(yīng)商都提供此類產(chǎn)品。這些并不昂貴的系統(tǒng)采用無源RFID標(biāo)簽(大量生產(chǎn)時單價不到25美分),這項(xiàng)技術(shù)在跟蹤臨床高價值物品時具有巨大潛力,其中一些物品有一定的保質(zhì)期。例如,在醫(yī)院的心導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室通常會有的儲物柜內(nèi),可能會存放著250多個支架,總價值估計達(dá)37.5萬美元。取決于醫(yī)院規(guī)模,有可能會使用四個這樣的儲物柜,其內(nèi)的物品每4個月要被消耗掉,相當(dāng)于這樣一個儲物柜每年“經(jīng)手”的物品價值高達(dá)1.125百萬美元。植入式心臟去纖顫器(ICD)也是醫(yī)院內(nèi)的高價值物品。它們體積?。ú捎眉s3×4×6英寸的包裝),但是價值卻在10,000至20,000美元。它們通常儲存在諸如加鎖儲物柜等安全空間。在此類應(yīng)用中,使用RFID可以降低因某些物品備貨不足或過量而導(dǎo)致的成本損失,并且可以更好地掌控這些貴重物品的下落。
一個基本的RFID系統(tǒng)包括一個主機(jī)系統(tǒng)和多個RF組件(圖1)。RF組件包括一個射頻查詢器(讀寫器和天線)以及標(biāo)簽。查詢器的目的是與現(xiàn)場標(biāo)簽通信,對無源系統(tǒng)來說,查詢器還通過發(fā)射的RF信號給標(biāo)簽供電。查詢器負(fù)責(zé)協(xié)議處理、給標(biāo)簽供電、讀取標(biāo)簽信息、將信息寫入標(biāo)簽,并確保將信息有效傳遞到主機(jī)系統(tǒng)。
ISO 15693標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:只有當(dāng)“置身”于射頻場時,無源標(biāo)簽才被激活。為激活無源標(biāo)簽,由射頻場感應(yīng)來的電壓(VTag)必須足夠高,要達(dá)到嵌入在標(biāo)簽內(nèi)的RFID芯片工作所需的最低電壓水平。VTag 值是標(biāo)簽尺寸/方向與磁場強(qiáng)度幅值的函數(shù),對一個理想環(huán)路來說,VTag 可以表述為:
VTag = 2πf0NQB(Scosa) (1)
其中:
N=標(biāo)簽線圈的繞組數(shù),
Q = 標(biāo)簽的質(zhì)量因數(shù),
B=磁場強(qiáng)度,
S =標(biāo)簽線圈的面積,
a = 標(biāo)簽的指向角
圖1:一個基本的RFID系統(tǒng)包括一個主機(jī)系統(tǒng)和多個RF組件
B = (μ0INa2)/2r3 (2)
其中:
I = IA線圈電流,
N = IA線圈繞組數(shù),
a = IA線圈半徑,
μ0 =無礙空間的磁導(dǎo)率,
r = 到IA的距離。
從這些方程,我們可以推導(dǎo)出標(biāo)簽大小和方向之間,以及與沿IA軸線感應(yīng)出的場強(qiáng)之間的關(guān)系。當(dāng)標(biāo)簽和查詢器接近時,雖然借助兩者間復(fù)雜的反應(yīng)式近場關(guān)系,其耦合關(guān)聯(lián)得以建立,但是只能被上述等式勉強(qiáng)表述,特別是當(dāng)r 《《 a且偏離查詢器的軸線時,其耦合關(guān)系難以準(zhǔn)確預(yù)測。在實(shí)際的物件級應(yīng)用中,標(biāo)簽通常是靠近查詢器天線的,所以基于這個原因,選擇并不完全依賴這些預(yù)測。
圖2:本次研究中使用的最小的RFID標(biāo)簽,只有硬幣大小
圖3:兩種典型的RFID查詢器天線(IA),兩個天線的PCB走線中,都有一些關(guān)鍵位置
圖4: 該框圖顯示的,是使用多條CAT5線纜處理RF和數(shù)字控制信號的分集系統(tǒng)
由于在實(shí)際使用模型中,大量標(biāo)簽會非常緊湊地放在一起,所以設(shè)計人員擔(dān)心查詢器的失諧效應(yīng)會降低讀寫器性能,從而影響到標(biāo)簽的正確讀取。所測得的單一查詢器天線的回波損耗響應(yīng)(S11)接近50(圖5),與讀寫器給出的特性阻抗匹配。圖5還顯示了在不同標(biāo)簽大小條件下,查詢器的S11響應(yīng)。較大的標(biāo)簽,與查詢器耦合得非常好,對S11響應(yīng)有顯著影響,將其置于讀寫器約明的要求之外。有些讀寫器根本讀取不了挨得很近的標(biāo)簽,其廠家表示,高度的不匹配將“吞沒”接收器電路,以致檢測不到標(biāo)簽。但在這項(xiàng)研究中使用的讀寫器在這種條件下表現(xiàn)良好。除將標(biāo)簽非常近地靠近查詢器的PCB走線,針對查詢器S11的單標(biāo)簽(相對于多個標(biāo)簽)惡化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。希望單標(biāo)簽測試發(fā)現(xiàn)的射頻黑洞會類似于多標(biāo)簽測試中所發(fā)現(xiàn)的,以加快以后查詢器設(shè)計的驗(yàn)證過程。
在預(yù)測試時,一個簡單的無源RF探針會很有用(圖6)。探針包含一個標(biāo)簽,其RFID芯片被發(fā)光二極管(LED)所取代,LED可用以指示EM場的存在;采用不同大小的標(biāo)簽組裝三個探針。雖然這個測試工具僅需一美元,很粗糙,但作為一種可定位RF黑洞的實(shí)時探針卻很有效。該探針能夠定位當(dāng)時無法明顯憑直觀感覺到的射頻黑洞。當(dāng)標(biāo)簽非??拷樵兤鲿r,射頻黑洞暴露了出來,且對稱地分布在環(huán)形PCB走線的周圍。讀寫器的S11響應(yīng)驗(yàn)證了這種情況,當(dāng)標(biāo)簽放置在這些位置時,觀察不到變化,根據(jù)小環(huán)形探針記錄的S21測量情況也證明了這點(diǎn)。
這表明了可借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA),通過觀察S11 和S21隨標(biāo)簽或PCB導(dǎo)線環(huán)運(yùn)動的響應(yīng)變化,來觀測射頻黑洞。通過對不同尺寸標(biāo)簽以及查詢器天線的進(jìn)一步檢測表明,在PCB走線的相同位置存在著黑洞。測試發(fā)現(xiàn),讀取效果不好的區(qū)域相當(dāng)大,且都在PCB導(dǎo)線環(huán)附近、很有可能放置標(biāo)簽的位置。
圖5: 單一查詢器天線的回波損耗響應(yīng)(S11)接近50
圖6: 該RFID標(biāo)簽作為一個簡單的測試探針使用,其RFID芯片被一個發(fā)光二極管(LED)所取代
對指向與IA平面相同的標(biāo)簽進(jìn)行的測試,指明了對所有標(biāo)簽尺寸和查詢器設(shè)計而言所共有的黑洞位置。如前面觀察到的,當(dāng)存在與標(biāo)簽的對稱情況時,在IA PCB導(dǎo)線附近就出現(xiàn)射頻黑洞。圖8(a)詳盡標(biāo)明了映射響應(yīng),當(dāng)把卡向左或右移動,使這一整列標(biāo)簽與查詢器天線導(dǎo)線具有對稱性時,可清楚顯示出射頻黑洞。隨著高度的增加,處在邊緣的標(biāo)簽逐漸落在可讀取范圍之外,此時,可用金字塔表述該整體三維可讀取區(qū)的形狀。我們還發(fā)現(xiàn),讀取區(qū)的大小與查詢器和標(biāo)簽的大小成正比。
當(dāng)標(biāo)簽指向與查詢器正交時,因?yàn)闃?biāo)簽和查詢器場域正交且耦合不好,所以認(rèn)為標(biāo)簽讀取性能會變差。該方向的標(biāo)簽映射如圖8(b)所示,當(dāng)標(biāo)簽接近并與查詢器PCB導(dǎo)線平行時,標(biāo)簽讀取效果很好,但其它地方都不好。在查詢器PCB走線附近,沒發(fā)現(xiàn)RF黑洞,與平行平面指向的對稱排列所測得結(jié)果不一樣。讀取性能是高度的函數(shù),特別是對小標(biāo)簽來說,性能隨高度增加而顯著惡化(相對于平面平行反應(yīng));這些結(jié)果證明,在此方向只能使用較大的ISO標(biāo)簽。盡管該方向的總體讀取性能表現(xiàn)不佳,但分集系統(tǒng)的多天線設(shè)計可改善讀取性能。
與此同時,我們還研究了雙回路IA設(shè)計。很顯然,對小標(biāo)簽來說,在大的單回路IA設(shè)計的中心普遍存在著射頻黑洞。對雙回路IA設(shè)計的建模結(jié)果表明,與同樣大小的單回路設(shè)計相比,雙回路設(shè)計在中心區(qū)的標(biāo)簽讀取效果有顯著改進(jìn)。雖然雙回路IA尚未投放市場,但我們制造了一個并進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示,對放置在中心區(qū)標(biāo)簽的讀取有顯著改善,但同樣遭受了在此位置對稱效應(yīng)的影響。
分集天線
隨后將這些測試結(jié)果應(yīng)用到分集系統(tǒng)的設(shè)計,目標(biāo)是針對庫存管理應(yīng)用實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取率。另一個目標(biāo)是在對現(xiàn)有硬件(架子、櫥柜等)不做重大修改的條件下,提供平面設(shè)計,這樣做不會減小產(chǎn)品空間而且也美觀。該設(shè)計還必須考慮到任何可能降低性能的因素,如包裝。我們對紙板包裝的支架和導(dǎo)管產(chǎn)品以及密封在箔襯袋內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行了大量測試,還針對智能圖書架應(yīng)用,對圖書館內(nèi)的書籍的標(biāo)記和讀取做了很多次測試。與此同時,ICD測試也在進(jìn)行中。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相對較大的包裝所出的問題最少,從而允許以與RFID查詢器平行的指向使用大的ISO標(biāo)簽。
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針對以支架為對象的物件級應(yīng)用來說,對其進(jìn)行標(biāo)記被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)?,因?yàn)闃?biāo)簽實(shí)際上可盡可能近地靠近查詢器。對于支架類產(chǎn)品,標(biāo)簽如圖9(a)所示置于底部邊緣;甚至在帶箔內(nèi)襯包裝時,仍可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取。對以正交指向放置的較大ISO標(biāo)簽進(jìn)行測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有在去除鋁箔包裝后,才可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取。對垂直指向放置、帶鋁箔包裝的ISO標(biāo)簽的測試結(jié)果不好,這是因?yàn)闃?biāo)簽被夾在金屬之間,從而使標(biāo)簽失調(diào)且也減弱了達(dá)到標(biāo)簽的射頻場強(qiáng)。
在查詢器設(shè)計的早期發(fā)展階段,人們了解到:所有單回路天線設(shè)計的組合都可能產(chǎn)生問題,因它們彼此間存在強(qiáng)烈的耦合,使測得的每個單回路天線的性能也因此不再有效。對各種回路組合進(jìn)行多次建模測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn):單和雙回路(通常稱為“數(shù)字8”)組合架構(gòu)可互補(bǔ)彼此的覆蓋范圍,早期測試中也證明了這點(diǎn)。此外,同心環(huán)/“數(shù)字8”間的耦合性預(yù)測會很低,后來的測試證明該指標(biāo)好于-20dB。
最后生成的查詢器設(shè)計如圖10所示。設(shè)計時考慮了要滿足支架和ICD的實(shí)際存儲情況,以及書籍或任何類似大小、類此組成的其它產(chǎn)品的情況。最初的設(shè)計包括三個環(huán)路/數(shù)字8對。這種配置是為預(yù)計應(yīng)用(支架/ICD/書籍)設(shè)計的,用來讀取與讀寫器同一平面內(nèi)的任何標(biāo)簽,或任何與讀寫器垂直或平行于側(cè)壁的標(biāo)簽。后來增加了兩個數(shù)字8來評估額外的標(biāo)簽取向(垂直和平行于背墻),此舉使其有能力借助單一平面讀寫器配置,來讀取任意指向的標(biāo)簽。設(shè)計查詢器天線布局和間距的原則,是以最少天線實(shí)現(xiàn)最佳性能。如圖10所示,該布局允許采用多條走線完成PCB的走線長度。這些靠得很近的長線段有利于在整個表面上讀識標(biāo)簽。
借助商業(yè)讀寫器/多工器和測試設(shè)置對測試結(jié)果進(jìn)行記錄,如圖11。所有8個天線的映射響應(yīng)如圖12所示。映射響應(yīng)清楚表明,對許多標(biāo)簽指向來說,都可得到百分之百的讀取率。此外,還發(fā)現(xiàn)存在巨大的天線“冗員”現(xiàn)象,其中標(biāo)簽被一個以上天線讀取,因此可將參加掃描的天線數(shù)減為三個,且仍可達(dá)到百分之百的讀取性能。讀寫器/多路復(fù)用器還有可操控多達(dá)256個查詢器天線的復(fù)用功能。使用由讀寫器/復(fù)用器制造商描述的常用CAT5電纜,可輕松地配置和組裝智能貨車以便容納多達(dá)16個RFID貨柜,每一個都可以在16個天線間切換。借助非平衡變壓器的使用,射頻能量通過四對CAT5雙絞線電纜(100-)中的一對傳送,其余6根線用作數(shù)字輸入/輸出(I/O)。在13.56MHz,CAT5電纜的損耗相對較低,通過100英尺的電纜可實(shí)現(xiàn)百分之百的讀取性能。
隨著價格便宜的COTS硬件的推出,商家可以配置具有成本效益的分集系統(tǒng),從而滿足許多庫存管理應(yīng)用所要求的規(guī)范。這些系統(tǒng)本來就可以是模塊化的,且為將其整合進(jìn)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行了配置,從而不會顯著犧牲產(chǎn)品空間,從美學(xué)角度也不會很難看。整合了復(fù)用技術(shù)的物件級RFID技術(shù)為許多應(yīng)用提供了可接受的方案,且對跟蹤諸如支架和ICD等昂貴臨床產(chǎn)品尤其有吸引力。