基于RFID库存管理分集系统设计

　　如测试表明，没有任何一个平面查询器天线在其整个平面能实现百分之百的读取率，且在查询器附近有一个体积不小的射频黑洞。测试结果表明，若适当地排布多个IA，则有望实现百分之百的读取。测试还显示，适当设计的分集系统可在整个表面满足百分之百的读取性能要求，且没有物件数量的限制。这些结果只应用于可能的不同标签/查询器组合样例，其中一些可能会满足预期的性能。

与此同时，我们还研究了双回路IA设计。很显然，对小标签来说，在大的单回路IA设计的中心普遍存在着射频黑洞。对双回路IA设计的建模结果表明，与同样大小的单回路设计相比，双回路设计在中心区的标签读取效果有显著改进。虽然双回路IA尚未投放市场，但我们制造了一个并进行了测试。结果显示，对放置在中心区标签的读取有显著改善，但同样遭受了在此位置对称效应的影响。

分集天线

随后将这些测试结果应用到分集系统的设计，目标是针对库存管理应用实现百分之百的读取率。另一个目标是在对现有硬件（架子、橱柜等）不做重大修改的条件下，提供平面设计，这样做不会减小产品空间而且也美观。该设计还必须考虑到任何可能降低性能的因素，如包装。我们对纸板包装的支架和导管产品以及密封在箔衬袋内的产品进行了大量测试，还针对智能图书架应用，对图书馆内的书籍的标记和读取做了很多次测试。与此同时，ICD测试也在进行中。结果发现，相对较大的包装所出的问题最少，从而允许以与RFID查询器平行的指向使用大的ISO标签。

针对以支架为对象的物件级应用来说，对其进行标记被认为是适当的，因为标签实际上可尽可能近地靠近查询器。对于支架类产品，标签如图9（a）所示置于底部边缘；甚至在带箔内衬包装时，仍可实现百分之百的读取。对以正交指向放置的较大ISO标签进行测试的结果发现，只有在去除铝箔包装后，才可实现百分之百的读取。对垂直指向放置、带铝箔包装的ISO标签的测试结果不好，这是因为标签被夹在金属之间，从而使标签失调且也减弱了达到标签的射频场强。

　　对于图书应用，ISO大小的标签被放置在前封面内侧的下部（图9（b））。即使标签与读写器成直角，只要书的宽度大于0.2英寸，采用大标签才可以实现百分之百的读取。当书的宽度太小时，各本书内的标签就会挨得很近，实际上对标签施加了失谐效应，从而使读取变得困难。应该指出的是，对随机放置的标签来说，无论怎样努力都无法实现百分之百的读取率，本研究只针对妥善安置的标签。

在查询器设计的早期发展阶段，人们了解到：所有单回路天线设计的组合都可能产生问题，因它们彼此间存在强烈的耦合，使测得的每个单回路天线的性能也因此不再有效。对各种回路组合进行多次建模测试的结果发现：单和双回路（通常称为“数字8”）组合架构可互补彼此的覆盖范围，早期测试中也证明了这点。此外，同心环/“数字8”间的耦合性预测会很低，后来的测试证明该指标好于-20dB。

最后生成的查询器设计如图10所示。设计时考虑了要满足支架和ICD的实际存储情况，以及书籍或任何类似大小、类此组成的其它产品的情况。最初的设计包括三个环路/数字8对。这种配置是为预计应用（支架/ICD/书籍）设计的，用来读取与读写器同一平面内的任何标签，或任何与读写器垂直或平行于侧壁的标签。后来增加了两个数字8来评估额外的标签取向（垂直和平行于背墙），此举使其有能力借助单一平面读写器配置，来读取任意指向的标签。设计查询器天线布局和间距的原则，是以最少天线实现最佳性能。如图10所示，该布局允许采用多条走线完成PCB的走线长度。这些靠得很近的长线段有利于在整个表面上读识标签。

　　对设计内的每个查询器天线进行调整，以使阻抗匹配有利于标签现场情况。读写器的阻抗要求规定IA应满足50-？的系统特性阻抗。为在标签在场的情况下调整其反应，则标签不在场时的性能将不再是优化的了。在这两种情况间做了妥协，以使在任何数量的标签在场的情况下，匹配都相当于VSWR小于2.0:1的情况。先前的研究测试了读写器的性能与VSWR的关系，情况显示：除非匹配明显高于5.0:1的VSWR，否则性能没有明显恶化。值得一提的是，从等式1和 2可以看到：为使读取范围加倍，由读写器产生的IA内的电流必须以立方的量级增加。因功率正比于电流的平方，则读写器的功率必须要高64倍才能在该RFID系统内使读取距离加倍（其中P与r6成比例）；系统内合理的VSWR反应不会导致感应电压的重大损失。

借助商业读写器/多工器和测试设置对测试结果进行记录，如图11。所有8个天线的映射响应如图12所示。映射响应清楚表明，对许多标签指向来说，都可得到百分之百的读取率。此外，还发现存在巨大的天线“冗员”现象，其中标签被一个以上天线读取，因此可将参加扫描的天线数减为三个，且仍可达到百分之百的读取性能。读写器/多路复用器还有可操控多达256个查询器天线的复用功能。使用由读写器/复用器制造商描述的常用CAT5电缆，可轻松地配置和组装智能货车以便容纳多达16个RFID货柜，每一个都可以在16个天线间切换。借助非平衡变压器的使用，射频能量通过四对CAT5双绞线电缆（100-）中的一对传送，其余6根线用作数字输入/输出（I/O）。在13.56MHz，CAT5电缆的损耗相对较低，通过100英尺的电缆可实现百分之百的读取性能。

　　在这项研究中碰到的几个问题可以认为是对一些应用的限制，例如捕获速度。借助整合的复用技术，可顺序进行切换交替；读写器捕获标签所需的时间与现场标签数直接成正比。用所有这8个查询器读取77标签试验台所需的时间为40秒。在研究这些数据集之后，确认其中5个查询器是完全多余的，将它们拿掉后整个扫描时间缩短为20秒。在测试现场，对支架应用来说，我们遇到的情况是不超过50个产品/货架，通常是25个，读取它们所花的时间在15秒以内。读写器的速率是转发器协议（指定的标签/秒速率）、防竞突算法以及读写器能力（将数据传递到主机的吞吐量）的函数。好消息是，新的HFGen2RFID标准协议的进度明显加快，而相应的读写器/标签应在不久就可面市。在该应用中，对时间的考虑不是重要问题，因为库存更新只需在换班时进行，每天3次。有一些应用既要借助RFID跟踪产品，也需求通过生物识别技术（指纹）或ID卡识别人员，它们发生在繁忙区域，其中货车/货柜间的读识间隔会很短，这时扫描时间就是个重要参数了。

　　另一个潜在的问题与窄的产品相关，如支架；有一种现象是，当货架没全满时，这些窄的产品有可能“跌倒”。在这种情况下，标签就与读写器成直角，且有可能处在无法被读取的高度，尤其是当产品使用小标签时。为规避这种情况，需在货架内放置可移动的塑料格栅/书档，以防止产品“跌倒”

随着价格便宜的COTS硬件的推出，商家可以配置具有成本效益的分集系统，从而满足许多库存管理应用所要求的规范。这些系统本来就可以是模块化的，且为将其整合进现有的系统进行了配置，从而不会显著牺牲产品空间，从美学角度也不会很难看。整合了复用技术的物件级RFID技术为许多应用提供了可接受的方案，且对跟踪诸如支架和ICD等昂贵临床产品尤其有吸引力。