用于智能制造生產(chǎn)線的超高頻RFID讀寫器讀寫性能測(cè)試

近年來(lái)，RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)在物流行業(yè)、制造業(yè)、資產(chǎn)管理、人員跟蹤監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和電子標(biāo)簽組成，讀寫器通過無(wú)線通信方式獲得標(biāo)簽信息，從而識(shí)別攜帶該標(biāo)簽的對(duì)象。因此，讀寫器性能對(duì)RFID系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用。

目前，對(duì)讀寫器所開展的測(cè)試包括一致性測(cè)試、通用性測(cè)試以及性能測(cè)試三個(gè)階段。一致性測(cè)試是為了測(cè)試設(shè)備如標(biāo)簽、讀寫器是否符合EPC global的標(biāo)準(zhǔn)，這樣終端用戶可以購(gòu)買到經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品;通用性測(cè)試是為了測(cè)試某種設(shè)備與其他設(shè)備的兼容性操作;性能測(cè)試是為了測(cè)試讀寫器在某個(gè)具體環(huán)境、真實(shí)條件下的識(shí)讀水平，以保證所有環(huán)節(jié)識(shí)讀的準(zhǔn)確率。ISO/IEC 18046定義了RFID設(shè)備的性能檢測(cè)方法，包括對(duì)標(biāo)簽性能參數(shù)、速度、標(biāo)簽陣列、方向、單標(biāo)簽檢測(cè)及多標(biāo)簽檢測(cè)等標(biāo)簽性能檢測(cè)方法，以及對(duì)讀取距離、讀取率、單標(biāo)簽和多標(biāo)簽讀取等讀寫器性能檢測(cè)方法。左中梁等在GTEM小室中測(cè)試了UHF RFID系統(tǒng)的讀寫距離，分析了UHF RFID系統(tǒng)通信的受限因素是前向鏈路，從而根據(jù)前向鏈路信號(hào)的衰減推導(dǎo)了使用GTEM小室進(jìn)行UHF RFID系統(tǒng)讀寫距離測(cè)量的公式及方法;史玉良等在高速環(huán)境下對(duì)UHFRFID標(biāo)簽讀取率進(jìn)行了測(cè)試，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1款直線導(dǎo)軌以模擬低速到高速的不同應(yīng)用環(huán)境，研究標(biāo)簽的讀取率與速度之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，這些方法主要針對(duì)的是讀寫器本身的參數(shù)對(duì)其讀寫性能的影響，對(duì)于具體的環(huán)境因素對(duì)讀寫器讀寫性能的影響研究較少。本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測(cè)試出了RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器漏讀率，分析了實(shí)際生產(chǎn)線環(huán)境對(duì)漏讀率的影響。

1 測(cè)試平臺(tái)搭建與數(shù)據(jù)采集

1.1 RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器

RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器外形圖及其接口定義如圖1所示，支持符合ISO18000-6C(EPC C1G2)、ISO18000-6B協(xié)議電子標(biāo)簽，可用于物流、個(gè)人身份識(shí)別、會(huì)議簽到系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防偽系統(tǒng)及生產(chǎn)過程控制等多種無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)。RFID讀寫器硬件電路由以下幾部分組成：射頻識(shí)別模塊電路、微控制器電路、串行接口電路、射頻收發(fā)電路、電源電路等，如圖2所示。

圖1 RRU9806SR讀寫器外形圖及接口

圖2 讀寫器內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的物體進(jìn)入無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)讀寫器的識(shí)讀范圍時(shí)，其天線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標(biāo)簽發(fā)射回來(lái)的電磁波信號(hào)后，經(jīng)過處理得到電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

1.2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本文在現(xiàn)有物流分揀、混流生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上搭建測(cè)試平臺(tái)。該智能制造生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程及工件加工的智能監(jiān)控，相關(guān)控制軟件可以顯示工件到達(dá)的工位，并可以通過安裝在生產(chǎn)線上的讀寫器以及讀寫頭讀取裝有電子標(biāo)簽的工件的信息。本項(xiàng)目則將原有的高頻讀寫器取下來(lái)，換上待測(cè)試的超高頻讀寫器，為此需要對(duì)生產(chǎn)線少許改裝，改裝后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)

圖3中，將待測(cè)讀寫器分別安裝在生產(chǎn)線的四個(gè)工位，通過螺母螺絲調(diào)讀寫器托盤高度，達(dá)到讀寫器讀寫檢測(cè)距離。將超高頻電子標(biāo)簽安裝在傳送底座上，當(dāng)工具通過讀寫器所在位置時(shí)，讀寫器以應(yīng)答模式讀取工件相關(guān)信息。

0 引言

近年來(lái)，RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)在物流行業(yè)、制造業(yè)、資產(chǎn)管理、人員跟蹤監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和電子標(biāo)簽組成，讀寫器通過無(wú)線通信方式獲得標(biāo)簽信息，從而識(shí)別攜帶該標(biāo)簽的對(duì)象。因此，讀寫器性能對(duì)RFID系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用。

目前，對(duì)讀寫器所開展的測(cè)試包括一致性測(cè)試、通用性測(cè)試以及性能測(cè)試三個(gè)階段。一致性測(cè)試是為了測(cè)試設(shè)備如標(biāo)簽、讀寫器是否符合EPC global的標(biāo)準(zhǔn)，這樣終端用戶可以購(gòu)買到經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品;通用性測(cè)試是為了測(cè)試某種設(shè)備與其他設(shè)備的兼容性操作;性能測(cè)試是為了測(cè)試讀寫器在某個(gè)具體環(huán)境、真實(shí)條件下的識(shí)讀水平，以保證所有環(huán)節(jié)識(shí)讀的準(zhǔn)確率。ISO/IEC 18046定義了RFID設(shè)備的性能檢測(cè)方法，包括對(duì)標(biāo)簽性能參數(shù)、速度、標(biāo)簽陣列、方向、單標(biāo)簽檢測(cè)及多標(biāo)簽檢測(cè)等標(biāo)簽性能檢測(cè)方法，以及對(duì)讀取距離、讀取率、單標(biāo)簽和多標(biāo)簽讀取等讀寫器性能檢測(cè)方法。左中梁等在GTEM小室中測(cè)試了UHF RFID系統(tǒng)的讀寫距離，分析了UHF RFID系統(tǒng)通信的受限因素是前向鏈路，從而根據(jù)前向鏈路信號(hào)的衰減推導(dǎo)了使用GTEM小室進(jìn)行UHF RFID系統(tǒng)讀寫距離測(cè)量的公式及方法;史玉良等在高速環(huán)境下對(duì)UHFRFID標(biāo)簽讀取率進(jìn)行了測(cè)試，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1款直線導(dǎo)軌以模擬低速到高速的不同應(yīng)用環(huán)境，研究標(biāo)簽的讀取率與速度之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，這些方法主要針對(duì)的是讀寫器本身的參數(shù)對(duì)其讀寫性能的影響，對(duì)于具體的環(huán)境因素對(duì)讀寫器讀寫性能的影響研究較少。本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測(cè)試出了RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器漏讀率，分析了實(shí)際生產(chǎn)線環(huán)境對(duì)漏讀率的影響。

1 測(cè)試平臺(tái)搭建與數(shù)據(jù)采集

1.1 RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器

RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器外形圖及其接口定義如圖1所示，支持符合ISO18000-6C(EPC C1G2)、ISO18000-6B協(xié)議電子標(biāo)簽，可用于物流、個(gè)人身份識(shí)別、會(huì)議簽到系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防偽系統(tǒng)及生產(chǎn)過程控制等多種無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)。RFID讀寫器硬件電路由以下幾部分組成：射頻識(shí)別模塊電路、微控制器電路、串行接口電路、射頻收發(fā)電路、電源電路等，如圖2所示。

圖1 RRU9806SR讀寫器外形圖及接口

圖2 讀寫器內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的物體進(jìn)入無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)讀寫器的識(shí)讀范圍時(shí)，其天線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標(biāo)簽發(fā)射回來(lái)的電磁波信號(hào)后，經(jīng)過處理得到電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

1.2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本文在現(xiàn)有物流分揀、混流生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上搭建測(cè)試平臺(tái)。該智能制造生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程及工件加工的智能監(jiān)控，相關(guān)控制軟件可以顯示工件到達(dá)的工位，并可以通過安裝在生產(chǎn)線上的讀寫器以及讀寫頭讀取裝有電子標(biāo)簽的工件的信息。本項(xiàng)目則將原有的高頻讀寫器取下來(lái)，換上待測(cè)試的超高頻讀寫器，為此需要對(duì)生產(chǎn)線少許改裝，改裝后的生產(chǎn)線如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)

圖3中，將待測(cè)讀寫器分別安裝在生產(chǎn)線的四個(gè)工位，通過螺母螺絲調(diào)讀寫器托盤高度，達(dá)到讀寫器讀寫檢測(cè)距離。將超高頻電子標(biāo)簽安裝在傳送底座上，當(dāng)工具通過讀寫器所在位置時(shí)，讀寫器以應(yīng)答模式讀取工件相關(guān)信息。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)的采集

為了自動(dòng)采集生產(chǎn)線上的讀卡器讀取工件數(shù)量，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集軟件，其軟件開發(fā)流程圖如圖4所示。該軟件按照功能可以劃分成3部分：應(yīng)用程序接口部分、讀寫器控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。讀寫器控制部分主要包括控制射頻模塊、參數(shù)配置模塊和協(xié)議處理模塊.根據(jù)圖4，采用C#語(yǔ)言開發(fā)出軟件界面如圖5所示。按下啟動(dòng)按鈕，數(shù)據(jù)采集軟件動(dòng)態(tài)采集標(biāo)簽ID號(hào)、到達(dá)工位數(shù)、到達(dá)時(shí)間及漏讀率。圖5所示為數(shù)據(jù)采集軟件測(cè)試的部分?jǐn)?shù)據(jù)。按下停止按鈕，數(shù)據(jù)采集軟件將測(cè)試數(shù)據(jù)保存到上位機(jī)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)劃分

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件界面

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

啟動(dòng)生產(chǎn)線，運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。選取工位二和三的讀寫器進(jìn)行分析，作出其漏讀率變化曲線，如圖6所示。

圖6 漏讀率曲線圖

讀寫器二的漏讀率總體較低，但是隨著使用次數(shù)的增加，漏讀率整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說明讀寫器本身性能(包括抗環(huán)境干擾能力)較差，不適于應(yīng)用在精度要求高的場(chǎng)景。而讀寫器三恰好與讀寫器二情況相反，漏讀率呈現(xiàn)遞減的狀態(tài)，但從變化曲線看得出其工作性能也不穩(wěn)定。所以，對(duì)于這兩臺(tái)讀寫器需要對(duì)其內(nèi)部影響其讀寫效率的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高工作性能。

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)有物流分揀、混合生產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線上，測(cè)試出了在實(shí)際生產(chǎn)線環(huán)境對(duì)RRU9806SR超高頻臺(tái)面式讀寫器漏讀率。首先，在現(xiàn)有智能制造生產(chǎn)線上搭建了測(cè)試讀寫器硬件平臺(tái)，接著開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件采集實(shí)際生產(chǎn)線上安裝的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并計(jì)算出了漏讀率。最后在Matlab軟件中求出了漏讀率的分布圖并求出了漏讀率均方根值。所求漏讀率即為讀寫器漏讀率。求得了漏讀率的分布圖并求出了漏讀率的分布特性表達(dá)式。

此測(cè)試方案簡(jiǎn)單易用，對(duì)讀寫器性能進(jìn)行漏讀率的分析，不需要花費(fèi)較多的人力物力以及資金投資便可以檢測(cè)讀寫器的一般性能，對(duì)工業(yè)級(jí)讀寫器在復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用方案和產(chǎn)品檢測(cè)方面有借鑒作用。從測(cè)試的過程也可反映出RFID讀寫器以及電子標(biāo)簽對(duì)于現(xiàn)代各個(gè)行業(yè)都有很大的實(shí)用價(jià)值，而超高頻讀寫器也將因其各種優(yōu)勢(shì)更加廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在本論文的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究工作將提出具體的改善方案來(lái)降低漏讀率，對(duì)該讀寫器內(nèi)部影響其性能的具體參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并優(yōu)化，使其更好的用在實(shí)際環(huán)境中。