用于金屬介質的射頻識別技術被動標簽設計

用于金屬介質的射頻識別技術被動標簽設計

rfid-fid-freceive（id）技術是一種非可見數(shù)據(jù)采集和目標識別技術，具有遠距離讀取率高、速度快、避免穿越、運動過程讀取等優(yōu)點，在物流供應鏈管理、自動生產管理、貨物銷售等領域具有廣闊的潛力應用空間。目前,射頻識別的工作頻率包括低頻、高頻、超高頻及微波段,其中尤以高頻和超高頻的應用最為廣泛。RFID標簽按照供電原理劃分,可分為主動(有源)標簽和被動(無源)標簽。相比主動標簽,被動標簽由于成本低、體積小而備受青睞。然而,超高頻波段的射頻對金屬十分敏感,導致目前這種工作頻率的被動標簽無法在具有金屬表面的物體上(例如鋼質貨架、集裝箱等)正常工作,而只能使用于非金屬表面(例如塑料、木材等)。射頻識別應用最為廣泛的物流行業(yè)多為金屬環(huán)境,所以金屬敏感性這一缺點大大限制了其在物流行業(yè)的應用。就目前技術而言,可以通過對RFID標簽表面施加隔離涂層來解決其在金屬表面的應用問題,但是這一方法施工難度大,生產成本高。所以,本文提出一種成本相對較低并且簡單易用的可用于金屬表面的超高頻RFID被動標簽。1無線射頻識別系統(tǒng)RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、天線和標簽組成。當標簽進入射頻識別范圍內,系統(tǒng)利用交流電磁場的原理對標簽進行讀寫操作以實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)識別、自動化控制和現(xiàn)代化管理的目的。其系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。根據(jù)無線射頻識別系統(tǒng)的工作原理,RFID被動標簽進入磁場后,接收閱讀器發(fā)出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息。閱讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。可見,RFID被動標簽正常工作的前提是通過場強變化提供激活標簽芯片工作和進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。根?jù)電磁場原理,金屬介質對RFID被動標簽的影響主要有以下兩方面的原因,這兩方面的合力導致標簽在金屬環(huán)境下的讀取率(每秒讀取標簽次數(shù))大大降低。1.1能量轉化的影響當金屬靠近天線時,由于電磁感應作用,其內部會產生渦流,同時吸收射頻能量轉換成自身的電場能,因此減弱了原有射頻場強的總能量。1.2標簽貼附位置的影響前述的渦流也會產生自身的感應磁場,該場的磁力線垂直于金屬表面,且方向與射頻場強相反。這種感應磁場對原磁場的阻礙效果使得射頻場強的分布在金屬表面發(fā)生“變形”,磁力曲線趨于平緩,在很近的區(qū)域內甚至平行于金屬表面,如圖2所示。因此當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時,該空間內實際并無射頻場強分布,標簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量,在這種情況下,RFID被動標簽無法正常工作。另外,在RFID超高頻段,當由于金屬對電磁波的反射作用所產生的電場剛好和原來的電場位相相同時,那么電場對標簽的感應強度反而增強,從而提高了標簽在金屬表面的讀取率。因此,可以設法在金屬表面設置對電磁波進行二次反射,從而使其電場位相與原始電場相同,提高標簽的讀取率。2rfid標簽的運動依據(jù)上述研究,可以看出,當標簽緊貼金屬表面時,標簽完全平行于分布在金屬表面的磁力線,從而沒有角度進行磁力線切割獲取能量,也就無法與RFID讀取器進行數(shù)據(jù)通訊;但是,那些遠離金屬表面的磁力線當中開始出現(xiàn)不與金屬表面平行的彎曲的磁力線,此時,處在離金屬表面一段距離的RFID標簽可以發(fā)生切割磁力線運動,從而獲取能量并進行數(shù)據(jù)通訊。因此,可以設想,當RFID標簽與金屬表面的間隔距離在射頻場強范圍不斷變化時,標簽所能切割的磁通量也應該隨著間隔距離的不同而相應發(fā)生變化,這一變化直接導致標簽獲取能量的多寡,并最終影響標簽讀取率。另外,由于金屬反射造成的同相位電場對標簽讀取率的正面效應也是此項研究的重要目的之一。為此,將進行一系列實驗以驗證上述研究結論的正確性。2.1天線參數(shù)和網絡模型該實驗所使用的標簽為封裝RFID被動超高頻標簽,工作頻率為915MHz;讀取器為固定式RFID超高頻讀取器,采用分體式獨立天線,天線增益為5.8dbi;數(shù)據(jù)載波協(xié)議為ISO-18000-6;讀取器天線和標簽的距離約為1m,屬于該套設備的有效數(shù)據(jù)通訊范圍,并且對標簽只進行讀操作,不進行寫操作。2.2標簽和金屬的間隔距離是測量標簽讀取率的基礎條件,并對標簽與金屬接觸實驗一:將該標簽直接貼附于金屬表面上,分別測5次讀取率。與預想一致,貼附于金屬表面的標簽根本不能被讀取,讀取率為零。實驗二:將該標簽置于距離金屬表面10mm處,分別測5次讀取率。發(fā)現(xiàn)標簽能夠正常工作,并且讀取率比較穩(wěn)定。此實驗結果部分驗證了標簽與金屬介質的間隔距離對標簽讀取率的正面作用。實驗三:逐步增加標簽與金屬表面的間隔距離,并且選取合適的距離來測試此時標簽的讀取率,從而進一步分析標簽與金屬表面距離對標簽讀取率的影響。鑒于塑料材質對標簽的讀取率基本不構成影響,因此在實驗過程中,采用可調整高度的塑料隔離架來隔離標簽和金屬表面的接觸,即通過改變塑料隔離架的高度來改變標簽與金屬表面的間隔距離,并測量在每一隔離架高度下RFID讀取器對標簽的讀取率。實驗四:在實驗三的基礎上,在塑料隔離架和金屬表面之間放置2mm厚的塑料層和1mm厚的金屬層,即金屬表面+塑料層(2mm)+金屬層(1mm)+可調高的塑料隔離架+標簽。采用額外加設的金屬層反射原始電場而產生與原始電場同相位的電場,以期得到比實驗三更高的讀取率。由于塑料層和金屬層合高為3mm,因此在本實驗將塑料隔離架的高度每次相應降低3mm進行測量,使得結果是在標簽和金屬表面間隔距離與實驗三相同的條件得到,從而具有可比性。各實驗具體數(shù)據(jù)如表1所列。2.3間隔間距的影響根據(jù)實驗數(shù)據(jù),在誤差范圍內,隨著標簽與金屬表面的間隔距離不斷增加,標簽的讀取率也在不斷上升。這驗證了前面理論分析中的觀點,即隨著標簽遠離金屬介質,與金屬介質表面不平行的磁力線逐漸增多,這樣標簽就可以更好地切割磁力線獲取能量,以實現(xiàn)更高的讀取率。在實驗四中,可以看出附加金屬層反射電磁波而產生的同相位電場的增益作用是比較明顯的,實驗后期所測得的讀取率甚至超過實驗三中同等間隔距離下所測數(shù)據(jù)的1倍。對于在間隔距離在4mm和5mm分別產生的低于和近似實驗三相應結果的現(xiàn)象,可能的解釋為:此時標簽距離附加金屬層過近,金屬層自身產生的反相位電場效應強于其反射金屬表面電磁波產生的同相位電場,從而進一步削弱了標簽的感應能量,降低讀取率。將實驗三和實驗四各數(shù)據(jù)在二維坐標中進行描繪(圖3)?？梢钥闯?在實驗三中,標簽讀取率受到標簽與金屬表面距離的影響開始比較強烈,中后期則趨于平緩。也就是說,金屬介質對標簽讀取率的負面作用是在一定間隔距離范圍才有效的,當間隔距離超出一定范圍,標簽就可以擺脫金屬介質的影響。例如,在本實驗的設備環(huán)境下,金屬表面對標簽讀取率的影響是在間隔距離7mm以內有效,而當間隔距離超過7mm,金屬介質就失去其負面作用,標簽基本恢復正常工作狀態(tài)。實驗四中,在各個間隔距離所測得讀取率一直保持著快速的上升趨勢,并且,當實驗三中讀取率趨于平緩的時候(7mm以后),實驗四中的數(shù)據(jù)依然快速增加。這說明,實驗四所附加的金屬層不是簡單緩解金屬表面對讀取標簽的負面效應,而是與金屬表面配合起到了大大增強射頻信號對標簽的感應能力。所以說,對于超高頻段的RFID標簽來說,恰當?shù)臉撕灲Y構設計能顯著提高標簽在金屬環(huán)境下的工作性能。3標簽防護和防護根據(jù)本研究及實驗數(shù)據(jù),在一定范圍內,RFID被動標簽與金屬介質表面的距離越大,讀取效果(讀取率)越好,并且,標簽中合理附加金屬層可以有效增強讀取率。所以,將實驗三和實驗四中使用塑料隔離架和金屬層的想法運用到標簽設計當中,利用塑料隔離架在標簽與金屬介質之間產生一定的間隔距離,并在隔離架中距離金屬表面2mm處嵌入金屬層來保證標簽在金屬表面獲得較高的讀取性能;同時,兼顧成本以及使用方便性,將塑料隔離架的高度控制在最佳數(shù)值,例如,在本實驗環(huán)境下的塑料隔離架的最佳高度為10mm左右。該標簽設計可分為三個部分:第一部分為正常的射頻識別標簽,包括內嵌芯片和天線;第二部分為塑料隔離架,用于支撐標簽,使其遠離金屬表面一段距離,隔離架的高度和大小可根據(jù)實際承載的RFID標簽和工作環(huán)境作相應調整;第三部分為金屬層,它鑲嵌在隔離架中間,距離金屬表面2mm處,為降低標簽成本和重量,金屬層高可考慮少于1mm,例如,可為0.5mm左右。圖4是以標準卡狀RFID標簽為例而設計的用于金屬表面的標簽結構示意圖和安裝圖。4rfid被動標簽設計方案超高頻段RFID被動標簽的金屬干擾問題始終阻礙著這一新興識別技術的有效應用?；陔姶艌鱿嚓P理論,本文設計并進行一系列實驗。最后的實驗數(shù)據(jù)說明,雖然金屬介質對RFID被動標簽讀取率的影響較為明顯,但是這種影響會隨著標簽與金屬介質表面距離的加大而迅速衰減,并在超出一定范圍之后趨于消失;在標簽和金屬表面之間附加金屬層會大大增強標簽對射頻信號的感應性能,提高讀取率。根據(jù)此研究結果,本文提出一種可用于金屬表面的RF