基于RFID库存管理分集系统设计

　库存管理系统现在依靠无源RFID技术进行产品的实时自动识别。对许多应用来说，使用RFID的投资回报是可接受的。这些系统必须能够实时捕获到全部在 场库存产品的信息，这就要求RFID系统必须能够百分百地读取所有被贴以标签的物品。RFID系统的读取能力是涉及到许多变量的一个函数，这些变量包括： 标签大小、方向、放置方式，以及查询器天线（IA）设计。不幸的是，对所有单天线设计来说都存在读不到标签的"黑洞"。通过分析并确认这些黑洞，业界已开 发出一种方法，即利用对ISO 15693/ISO 18000-3（13.56-MHz）物品等级系统的多样性来实现百分之百的读取能力。

诸如智能卡车/货柜等高频（HF）RFID系统在该领域发挥着作用，很多制造商和方案供应商都提供此类产品。这些并不昂贵的系统采用无源RFID标签 （大量生产时单价不到25美分），这项技术在跟踪临床高价值物品时具有巨大潜力，其中一些物品有一定的保质期。例如，在医院的心导管实验室通常会有的储物 柜内，可能会存放着250多个支架，总价值估计达37.5万美元。取决于医院规模，有可能会使用四个这样的储物柜，其内的物品每4个月要被消耗掉，相当于 这样一个储物柜每年"经手"的物品价值高达1.125百万美元。植入式心脏去纤颤器（ICD）也是医院内的高价值物品。它们体积小（采用约3×4×6英寸 的包装），但是价值却在10，000至20，000美元。它们通常储存在诸如加锁储物柜等安全空间。在此类应用中，使用RFID可以降低因某些物品备货不 足或过量而导致的成本损失，并且可以更好地掌控这些贵重物品的下落。

一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件（图 1）。RF组件包括一个射频查询器（读写器和天线）以及标签。查询器的目的是与现场标签通信，对无源系统来说，查询器还通过发射的RF信号给标签供电。查 询器负责协议处理、给标签供电、读取标签信息、将信息写入标签，并确保将信息有效传递到主机系统。

ISO 15693标准规定：只 有当"置身"于射频场时，无源标签才被激活。为激活无源标签，由射频场感应来的电压（VTag）必须足够高，要达到嵌入在标签内的RFID芯片工作所需的 最低电压水平。VTag 值是标签尺寸/方向与磁场强度幅值的函数，对一个理想环路来说，VTag 可以表述为：

VTag = 2πf0NQB（Scosa） （1）

其中：

N=标签线圈的绕组数，

Q = 标签的质量因数，

B=磁场强度，

S =标签线圈的面积，

a = 标签的指向角

图1：一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件

　　磁场强度（B）由圆形查询器天线（IA）产生，可由式2表述：

B = （μ0INa2）/2r3 （2）

其中：

I = IA线圈电流，

N = IA线圈绕组数，

a = IA线圈半径，

μ0 =无碍空间的磁导率，

r = 到IA的距离。

从这些方程，我们可以推导出标签大小和方向之间，以及与沿IA轴线感应出的场强之间的关系。当标签和查询器接近时，虽然借助两者间复杂的反应式近场关 系，其耦合关联得以建立，但是只能被上述等式勉强表述，特别是当r 《《 a且偏离查询器的轴线时，其耦合关系难以准确预测。在实际的物件级应用中，标签 通常是靠近查询器天线的，所以基于这个原因，选择并不完全依赖这些预测。

图2：本次研究中使用的最小的RFID标签，只有硬币大小

　 　该机制对理解射频黑洞很关键，它既与IA和标签的设计相关，也受两者间交互的影响。HF标签有多种设计和尺寸，通常分为两大类：平面和三维（3D）设 计。平面标签是较常见的那种薄纸载体型，而三维标签内含铁氧体且体积小得多。这项研究中使用的标签都是平面型。由于性能是标签和IA的函数，所以这里探讨 了三种不同大小的常用标签的功能，其中图2所示标签尺寸最小，图3为两种不同尺寸且设计截然不同的IA。对在感应场内只有一个标签和多个标签的情况，对读 写器的反应做了记录。对在感应场内通常会有许多产品挨着摆放的实际应用情况来说，这种做法颇有代表性。这些测量的目的，是力图勾画出一个可代表实际系统的 三维空间，并定位出任何存在的RF黑洞。

图3：两种典型的RFID查询器天线（IA），两个天线的PCB走线中，都有一些关键位置

射频黑洞的位置信息可用来定位其他天线的位置，使其在一个"没有黑洞"的分集系统中发挥作用。常用的分集系统（图4）内置单刀多掷开关，用来将多个天线 路由至RFID读写器。此类系统被设计可以频繁在众多天线中切换，采用PIN二极管开关，与只有单一可移动天线RFID系统所用的机械继电器比，PIN二 极管的平均无故障时间（MTBF）要长得多。目前市面上已推出商用的整合了带复用电路读写器（有