基于RFID庫存管理分集系統(tǒng)設計

　　如測試表明，沒有任何一個平面查詢器天線在其整個平面能實現(xiàn)百分之百的讀取率，且在查詢器附近有一個體積不小的射頻黑洞。測試結果表明，若適當?shù)嘏挪级鄠€IA，則有望實現(xiàn)百分之百的讀取。測試還顯示，適當設計的分集系統(tǒng)可在整個表面滿足百分之百的讀取性能要求，且沒有物件數(shù)量的限制。這些結果只應用于可能的不同標簽/查詢器組合樣例，其中一些可能會滿足預期的性能。

與此同時，我們還研究了雙回路IA設計。很顯然，對小標簽來說，在大的單回路IA設計的中心普遍存在著射頻黑洞。對雙回路IA設計的建模結果表明，與同樣大小的單回路設計相比，雙回路設計在中心區(qū)的標簽讀取效果有顯著改進。雖然雙回路IA尚未投放市場，但我們制造了一個并進行了測試。結果顯示，對放置在中心區(qū)標簽的讀取有顯著改善，但同樣遭受了在此位置對稱效應的影響。

分集天線

隨后將這些測試結果應用到分集系統(tǒng)的設計，目標是針對庫存管理應用實現(xiàn)百分之百的讀取率。另一個目標是在對現(xiàn)有硬件（架子、櫥柜等）不做重大修改的條件下，提供平面設計，這樣做不會減小產品空間而且也美觀。該設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管產品以及密封在箔襯袋內的產品進行了大量測試，還針對智能圖書架應用，對圖書館內的書籍的標記和讀取做了很多次測試。與此同時，ICD測試也在進行中。結果發(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標簽。

針對以支架為對象的物件級應用來說，對其進行標記被認為是適當?shù)?，因為標簽實際上可盡可能近地靠近查詢器。對于支架類產品，標簽如圖9（a）所示置于底部邊緣；甚至在帶箔內襯包裝時，仍可實現(xiàn)百分之百的讀取。對以正交指向放置的較大ISO標簽進行測試的結果發(fā)現(xiàn)，只有在去除鋁箔包裝后，才可實現(xiàn)百分之百的讀取。對垂直指向放置、帶鋁箔包裝的ISO標簽的測試結果不好，這是因為標簽被夾在金屬之間，從而使標簽失調且也減弱了達到標簽的射頻場強。

　　對于圖書應用，ISO大小的標簽被放置在前封面內側的下部（圖9（b））。即使標簽與讀寫器成直角，只要書的寬度大于0.2英寸，采用大標簽才可以實現(xiàn)百分之百的讀取。當書的寬度太小時，各本書內的標簽就會挨得很近，實際上對標簽施加了失諧效應，從而使讀取變得困難。應該指出的是，對隨機放置的標簽來說，無論怎樣努力都無法實現(xiàn)百分之百的讀取率，本研究只針對妥善安置的標簽。

在查詢器設計的早期發(fā)展階段，人們了解到：所有單回路天線設計的組合都可能產生問題，因它們彼此間存在強烈的耦合，使測得的每個單回路天線的性能也因此不再有效。對各種回路組合進行多次建模測試的結果發(fā)現(xiàn)：單和雙回路（通常稱為“數(shù)字8”）組合架構可互補彼此的覆蓋范圍，早期測試中也證明了這點。此外，同心環(huán)/“數(shù)字8”間的耦合性預測會很低，后來的測試證明該指標好于-20dB。

最后生成的查詢器設計如圖10所示。設計時考慮了要滿足支架和ICD的實際存儲情況，以及書籍或任何類似大小、類此組成的其它產品的情況。最初的設計包括三個環(huán)路/數(shù)字8對。這種配置是為預計應用（支架/ICD/書籍）設計的，用來讀取與讀寫器同一平面內的任何標簽，或任何與讀寫器垂直或平行于側壁的標簽。后來增加了兩個數(shù)字8來評估額外的標簽取向（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簽。設計查詢器天線布局和間距的原則，是以最少天線實現(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簽。

　　對設計內的每個查詢器天線進行調整，以使阻抗匹配有利于標簽現(xiàn)場情況。讀寫器的阻抗要求規(guī)定IA應滿足50-？的系統(tǒng)特性阻抗。為在標簽在場的情況下調整其反應，則標簽不在場時的性能將不再是優(yōu)化的了。在這兩種情況間做了妥協(xié)，以使在任何數(shù)量的標簽在場的情況下，匹配都相當于VSWR小于2.0:1的情況。先前的研究測試了讀寫器的性能與VSWR的關系，情況顯示：除非匹配明顯高于5.0:1的VSWR，否則性能沒有明顯惡化。值得一提的是，從等式1和 2可以看到：為使讀取范圍加倍，由讀寫器產生的IA內的電流必須以立方的量級增加。因功率正比于電流的平方，則讀寫器的功率必須要高64倍才能在該 RFID系統(tǒng)內使讀取距離加倍（其中P與r6成比例）；系統(tǒng)內合理的VSWR反應不會導致感應電壓的重大損失。

借助商業(yè)讀寫器/多工器和測試設置對測試結果進行記錄，如圖11。所有8個天線的映射響應如圖12所示。映射響應清楚表明，對許多標簽指向來說，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，且仍可達到百分之百的讀取性能。讀寫器/多路復用器還有可操控多達256個查詢器天線的復用功能。使用由讀寫器/復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英尺的電纜可實現(xiàn)百分之百的讀取性能。

　　在這項研究中碰到的幾個問題可以認為是對一些應用的限制，例如捕獲速度。借助整合的復用技術，可順序進行切換交替；讀寫器捕獲標簽所需的時間與現(xiàn)場標簽數(shù)直接成正比。用所有這8個查詢器讀取77標簽試驗臺所需的時間為40秒。在研究這些數(shù)據(jù)集之后，確認其中5個查詢器是完全多余的，將它們拿掉后整個掃描時間縮短為20秒。在測試現(xiàn)場，對支架應用來說，我們遇到的情況是不超過50個產品/貨架，通常是25個，讀取它們所花的時間在15秒以內。讀寫器的速率是轉發(fā)器協(xié)議（指定的標簽/秒速率）、防競突算法以及讀寫器能力（將數(shù)據(jù)傳遞到主機的吞吐量）的函數(shù)。好消息是，新的HFGen2RFID標準協(xié)議的進度明顯加快，而相應的讀寫器/標簽應在不久就可面市。在該應用中，對時間的考慮不是重要問題，因為庫存更新只需在換班時進行，每天3次。有一些應用既要借助RFID跟蹤產品，也需求通過生物識別技術（指紋）或ID卡識別人員，它們發(fā)生在繁忙區(qū)域，其中貨車/貨柜間的讀識間隔會很短，這時掃描時間就是個重要參數(shù)了。

　　另一個潛在的問題與窄的產品相關，如支架；有一種現(xiàn)象是，當貨架沒全滿時，這些窄的產品有可能“跌倒”。在這種情況下，標簽就與讀寫器成直角，且有可能處在無法被讀取的高度，尤其是當產品使用小標簽時。為規(guī)避這種情況，需在貨架內放置可移動的塑料格柵/書檔，以防止產品“跌倒”

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，且為將其整合進現(xiàn)有的系統(tǒng)進行了配置，從而不會顯著犧牲產品空間，從美學角度也不會很難看。整合了復用技術的物件級RFID技術為許多應用提供了可接受的方案，且對跟蹤諸如支架和ICD等昂貴臨床產品尤其有吸引力。