第10章-RFID的测试与分析技术课件

第10章 RFID的测试与分析技术10.1 概述 RFID已经成为IT领域的热点，许多国家都在不遗余力地推广这种技术。然而，尽管RFID技术在各行各业中正逐步为人们所认识和重视，但它还是未能走向大规模应用，仍局限于小范围的示范应用。造成这种现状的根本原因在于，无论RFID技术本身还是基于这项技术所衍生的各种应用系统都还存在着尚未解决的问题。这些棘手的问题制约了RFID技术在众多行业中应用的全面展开。因此，在实际应用前对RFID系统和应用环境进行测试，就会降低RFID在企业中部署和应用的困难，从而有助于促进整个RFID产业链的形成和发展。1第10章 RFID的测试与分析技术10.1 概述110.1.1 RFID系统测试的目的 RFID系统测试通过模拟应用环境，对国际、国内的RFID设备进行统环境的测试，目的是为企业实施RFID技术提供参考依据。并为RFID产品和方案的设计提供指导，方便RFID生产和科研单位加速RFID科技成果的转化进程，完善我国已初步形成的RFID产业链，推动RFID技术、产业和应用的发展。RFID系统测试通过提出RFID技术的系列测试方法，建立开放式RFID软硬件产品的联合测试平台，制定系列RFID软硬件产品测试标准与规范，形成RFIU技术的测试标准体系，满足RFID技术研究测试、应用测试等公共服务需求。210.1.1 RFID系统测试的目的210.1.2国内外RFID测试研究工作现状及发展趋势1.国外RFID测试研究工作现状 国外的企业界和政府机构充分认识到RFID系统测试的重要意义，纷纷涉足这一领域，如IBM、SUN、英飞凌等厂商都建立了测试实验室，针对自己的产品进行性能测试；日本产品化工作进展较快，已推出的技术和产品均通过了测试；韩国也提出建设测试床计划（Test-bed Building Plan），该计划于2005年启动，建成RFID综合测试中心；我国香港、台湾地区也在建立这样的测试中心，主要发展电子标签和读写器技术和标准检测。310.1.2国内外RFID测试研究工作现状及发展趋势3 2.国内RFID测试研究工作现状在RFID产品与系统测试领域，国内最完备的是非接触卡（HF RFID）的测试与验证。目前，已经建立了一批权威的测试机构，并且已经形成了较为完善的测试流程和规范。在用于物品标识的电子标签性能测试和标准验证方面，国内刚刚起步，目前主要分散在产品的生产厂家，测试不够系统，而且缺乏统一的测试环境，一般都是针对某一个具体应用项目而进行的。事实上，我国要在RFID领域保持与世界先进技术同步的地位，开展相应的研究势在必行。4 2.国内RFID测试研究工作现状4 目前，国内外对于测试技术方面的工作主要是从对产品的认证和评测的角度开展的，其特点足搭建理想化或典型化的RFID应用场景，对各种产品和数据标准进行测试和评估。一些大学和科研机构，如中国科学院自动化研究所、上海复旦大学、信息产业部中国标准化技术研究所、电子工业标准化研究所等相关机构开展了RFID应用评测中心的建设工作。3.RFID测试技术发展趋势 RFID测试技术将由功能测试向性能测试发展。5 目前，国内外对于测试技术方面的工作主要是从对产品的认证和10.2 RFID系统测试10.2.1 RFID系统测试的主要内容 1.标准符合性测试 标准符合性测试是测试待测目标是否符合某项国内或国际标准（如IS018000标准）定义的空中接口协议。具体内容如下：（1）读写器功能测试。读写器功能测试包括调制方式测试、解调方式和返回时间测试、指令测试等。（2）标签功能测试 标签功能测试包括标签解调方式和返回时间测试、反应时间测试、反向散射测试、返回准确率测试、返回速率测试等。610.2 RFID系统测试10.2.1 RFID系统测试的主2.可互操作性测试可互操作性测试是测试待测设备与其他设备之间的协同工作能力。例如，待测品牌的读写器对其他电子标签的读写能力，待测品牌的电子标签在其他读写器的有效工作距离范围内的读写特性，待测品牌的读写器读取其他读写器写入标签的数据等。测试又可分为单读写器对单标签，单读写器对多标签，多读写器对单标签，多读写器对多标签等不同的环境。72.可互操作性测试73.性能测试 RFID性能测试的典型环境如图10-l所示，包括静态测试和动态测试，以及无干扰情况下的测试和有干扰情况下的测试。83.性能测试8 具体内容包括：（1）RFID标签测试。（2）RFID读写器测试。（3）RFID系统测试。4.RFID产品物理测试和质量认证 具有国家级认证资质的物理特性测试和质量验证，针对RFID标签、RFID阅读器、天线、模块等RFID系统中的关键产品的技术指标进行质量验证与测试，主要内容包括：（1）电磁兼容（EMC）。（2）环境试验参数。（3）电气安全参数。（4）RFID标签的特殊技术指标。（5）RFID读写器的特殊技术指标。9 具体内容包括：（1）RFID标签测试。（2）RFID读写10.2.2 RFID系统测试的硬件环境 1.RFID系统测试的硬件环境 RFID系统测试中测试平台需要的硬件环境包括以下主要方面：（l）测试场地。由于RFID系统性能参数不同，其读取范围也从几厘米到几十米、上百米不等。这就要求在针对不同RFID系统的测试中，选择合适的场地。（2）基本设备。基本设备如用于放置标签的货箱、托盘、叉车、集装箱等。由于RFID标签应用广泛，在实际使用过程中可能被设置在各种材料、规格的货物上，因此在测试阶段就应考虑到这一点从应用出发，全面分析各种情况。1010.2.2 RFID系统测试的硬件环境10 （3)数据采集设备。数据采集设备包括用于采集环境数据的温度计、湿度计、场强仪、测速仪等。因为很多环境因素对测试结果影响很大，也需要研究。（4）数据分析设备。数据分析设备如频谱分析仪、电子计算机及相关数据库、数据分析软件，用来对测试数据进行全面地分析，找出其中的规律。这也是产品测试报告中最重要的数据来源和依据。除此之外，在部分测试过程中还可能需要用到特殊设备，如要研究产品在无干扰环境下的表现就需要刘外界信号进行屏蔽，这就需要屏蔽室或电波暗室。11 （3)数据采集设备。1112122.RFID系统常用测试仪器 （1）频谱分析仪。（2）信号发生器。（3）信号单元。（4）切换单元。（5）射频信号发生器。132.RFID系统常用测试仪器1310.2.3 RFID系统测试的软件环境以RIDER为例，对于软件环境作一些说明。图10-7所示为软件的架构。测试方案的自动化和实施采用Lab WindowCVI。1410.2.3 RFID系统测试的软件环境1410.2.4 RFID系统测试的步骤 针对RFID系统的测试应首先从应用出发，根据影响读取率的因素逐一进行测试，如速度、介质、环境、标签方向、干扰等。通过这样的测试，才能了解产品在实际应用过程中的表现，从中得出有用的结论，指导产品的使用。举例来说，针对RFID标签读取率的静态测试流程如下：1.布置测试环境 2.记录环境数据 3.测试不同位置的读取率 4.分析测试数据1510.2.4 RFID系统测试的步骤1510.3 RFID系统测试的流程、规范及其方法10.3.1测试流程及方法1610.3 RFID系统测试的流程、规范及其方法10.3.1测 根据总体结构图，设计流程及方法具体如下：首先针对托盘级识别（Pallet Level）、包装箱级识别（Case Level）、单品级识别（Item Level）分别进行逐级测试。在逐级测试中，再展开不同阅读模式下的测试。在实际情况中，端口阅读模式是物流管理中最为有效和普遍的一种阅读模式，所以在测试中对端口阅读模式进行了较为细致的划分。端口阅读模式首先可分为动态和静态的阅读测试，而动态阅读中又可以分为步行速度下和速度可调的传送带两种不同情况。17 根据总体结构图，设计流程及方法具体如下：171.1.托盘级识别托盘级识别 在每个托盘上贴上具有唯一编码的射频标在每个托盘上贴上具有唯一编码的射频标签，用阅读器识别各个托盘。签，用阅读器识别各个托盘。181.托盘级识别182.包装箱级识别 （1）单个包装箱识别。包装箱贴上具有唯一编码的射频标签，放置于托盘上面，用阅读器识别包装箱。三种阅读模式均与托盘级识别相同。（2）多个包装箱识别。每个包装箱贴上具有唯一编码的射频标签，将多个包装箱同时放置于托盘上面，用阅读器识别各个包装箱。192.包装箱级识别19标签同向排列标签两向排列标签相邻20标签同向排列标签两向排列标签相邻203.单品级识别托盘上有均匀的货品排列、复合的货品排列、异质的货品排列三种货品排列形式。这三种货品排列形式互补而又呈现复杂度上的递增，比较它们在下述各种测试情况下阅读器的性能，如图10-13所示。213.单品级识别2110.3.2测试规范 测试中需要对标签测试、读写器测试、空中接一致性测试、协议一致性测试、中间件测试等进行规范。利于标准符合性测试，测试待测目标是否符合某项国内或国际标准（如ISO18000标准）定义的空中接口协议，具体内容包括读写器功能测试（读写器调制方式测试、读写器解调方式和返回时间测试、读写器指令测试）和标签功能测试（包括标签解调方式和返回时间测试、标签反应时间测试、标签反向散射测试、标签返回位准确率测试、标签返回速率测试等）。2210.3.2测试规范22 对于可互操作性测试，测试待测设备与其他设备的协同工作能力。测试又可分为单读写器对单标签，单读写器对多标签，多读写器对单标签，多读写器对多标签等不同的环境。对于性能测试具体内容有RFID标签测试、RFID读写器测试和RFID系统测试。RFID标签测试包括工作距离测试、标签天线方向性测试、标签最小工作场强测试、标签返回信号强度测试、抗噪声测试、频带宽度测试、各种环境下标签读取率测试、标签读取速度测试等；RFID读写器测试包括灵敏度测试、发射频谱测试等；RFID系统测试包括电子标签和读写器，测试不同参数（改变标签的移动速度、附着材质、数量、环境、方向、操作数据小、以及多标签的空间组合方案等）的系统通信距离、系统通信速率。23 对于可互操作性测试，测试待测设备与其他设备的协同工作能10.4典型场景的测试 在实际测试中，包括各种典型测试，如门禁单元、货架单元、出入库单元、生产线单元等的测试。下面以基于RFID技术的仓库管理为例作简述。基于RFID技术的仓库管理首先要求实现对仓库平而、仓库货位、托盘的定位、对托盘的跟踪和对叉车的跟踪，其空间定位原理图如图10-14所示。其次，要求对现有仓库管理业务、供应链管理业务进行分析、业务流程再造（BPR）以及系统的开发，主要业务改造内容有收货业务、上架、业务、分拣业务、发货配送业务等。2410.4典型场景的测试24252510.4.1仓库出入库环境2610.4.1仓库出入库环境26 1.目的 建立读取托盘经过一个门口或入口时的情形及性能标准。2.测试内容（1）托盘中有各种不同货物以及不同摆放结构的情形，如图10-16所示。例如，全为纸或全为金属，或装在同一个托盘中的金属产品和盛有液体的产品之间又有其他物品，图中黑色标记为电子标签粘贴位置。（2）读取托盘中所装载的物品时达到使用者期望水平的读取率。（3）其他的可发出电波设备的干扰。（4）叉车通过的速度对性能的影响。27 1.目的272828 10.4.2仓储货架环境 1.目的 在给定的情况和性能标准下，能够测定堆放在仓库货架上货盘中货物的详细状况。2.测试内容 （1）在毗邻的货架中读写器的部署与其他设备的干扰。（2）在货架中各种类型的货物，如全为纸或全为金属，或金属物品之间有其他的物品情况下的读取效果。29 29 （3 3）区域内其他来源的无线电设备与射频干扰。）区域内其他来源的无线电设备与射频干扰。（4 4）不同的读写器部署形式引申的问题，如每个）不同的读写器部署形式引申的问题，如每个货架都安装读写器（可对货架商品流通信息详细记录，货架都安装读写器（可对货架商品流通信息详细记录，但需要较多的读写器）、移动式读写器（较简单且低成但需要较多的读写器）、移动式读写器（较简单且低成本实现，但需要设相应的行走机构）、仓库地板标签本实现，但需要设相应的行走机构）、仓库地板标签（存储地理信息并驱动升降臂）等。（存储地理信息并驱动升降臂）等。30 （3）区域内其他来源的无线电设备与射频干扰。3010.4.3 生产线传送带环境 1.目的 能够动态读取传送带上的货物信息。2.测试内容 （1）传送带装置参数的定义，如电机位置、传送带宽度、在传送带上方或侧面的读取范围、传送带的速度等。（2）在传送带上的物品的放置，如摆放一致、无间隔、方向不同、货物重叠等。（3）区域内其他来源的无线电设备与射频干扰。（4）电力设备的干扰和噪音，特别是传送带电机发出的噪声对射频信号的影响。3110.4.3 生产线传送带环境31323210.4.4 装配线环境1.目的在给定的情况和性能标准下，能可靠地辨别传送带上的货物并准确抓取。2.测试内容读写器读取范围和定位精度。装配线上有各种不同货物的情形，如全为纸或全为金属，或金属物品之间有其他的物品。装配线电力设备的干扰和噪音。标准货物大小和尺寸的确定。使用者期待达到的目标。3310.4.4 装配线环境33343410.4.5工业控制器1.目的控制工业现场的多台读写设备协同工作。2.测试内容（1）工业控制器的接口类型。（2）读写器的部署与其他设备的干扰。（3）区域内其他来源的无线电设备与射频干扰。（4）工业控制器的操作上限和控制范围。3510.4.5工业控制器3510.5测试数据分析RFID系统性能指标评价体系中系统性能指标包括确认范围（Identification Range）、确认率（Identification Rate）、读取范围（Read Range）、读取率（Read Rate）、写入范围（Write Range）、写入率（Write Rate）、标签数量（Tag Population）、每秒可读出标签的数目（Tags Per Second）。对于测试数据的分析，可以通过采用软件（如Matlab）进行绘制图表进行分析，找出杂乱数据中的规律性。3610.5测试数据分析3610.6 RFID应用系统测试 企业或RFID系统集成商在进行RFID系统现场实施之前，需要对所制定的RFID系统方案进行测试，校核方案的可行性，降低RFID项目的实施风险。国外一些公司，如IBM、HP等都斥巨资建立了规模庞大的应用测试环境，为形成优化的、可行的RFID解决方案做了大量工作。这种模式在国内不可能复制，如果每家公司都建立这样一个应用测试环境，会带来整个社会资源的极大浪费。为此，建立一个具有公共服务功能的RFID应用解决方案测试与生成中心，或将应用测试功能作为整个RFID测试平台的组成部分是十分重要的。3710.6 RFID应用系统测试3710.6.1 RFID应用系统测试的主要内容 RFID应用系统测试还处于初期的探索研究阶段，主要内容包括以下部分：1.RFID应用中不同材质对电磁信号的影响及其解决方法 2.RFID应用流程与解决方案的测试验证 3.RFID设备部署方案的测试验证技术 （1）RFID设备部署方案的测试验证。（2）RFID设备部署方案仿真测试平台开发。4.RFID系统架构的测试验证 （1）RFID系统架构的测试验证。（2）RFID系统架构仿真测试平台。3810.6.1 RFID应用系统测试的主要内容38 5.参数可控、可模拟现场物理应用的测试平台 6.RFID与无线网络技术10.6.2 RFID应用系统测试的一般方法 l.RFID应用中不同材质对电磁信号的影响度其解决方法 不同材质对RFID系统电磁信号的影响最直接的体现就是天线性能的下降，主要从以下4个方面进行测试分析：（1）阻抗匹配。（2）方向特性。（3）鲁棒性。（4）读取范围测试。39 5.参数可控、可模拟现场物理应用的测试平台392.RFID应用流程与解决方案的测试验证建模可以从设备实体和应用框架两个层次来进行，如从设备实体级来看，系统由标签、读写器、后端系统、标准、性能等实体所描述，而从应用框架级来看，可分为4个层次，如图10-21所示。（1）环境层。RFID应用环境构造，包括贴有电予标签的物品、天线、读写器、传感器、仪器仪表、计算机硬件、服务器、网络设备、终端设备等。（2）采集层。基于RFID的信息采集，通过读写器采集RFID电子标签的信息，进行简单的信息预处理（解码、防碰撞、多通道信息去重、信息过滤、分类）后将信息传送到集成层。402.RFID应用流程与解决方案的测试验证404141 （3）集成层。RFID应用支撑平台，支持RFID信息的输入、获得、传输、处理及协同，包括资源目录服务、RFID中间件、集成平台、信息系统及信息传输。（4）应用层。RFID后端软件系统及应用系统界面，形成可定制的应用系统，包括企业信息管理软件，分析统计及报表生成；专用领域应用软件，满足行业应用的个性业务需求；网站平台，方便供应链节点信息的注册、查询及交互等信息服务；协同工作平台，实现应用中RFID与其他系统的协同工作。42 （3）集成层。RFID应用支撑平台，支持RFID信息10.7 RFID设备部署方案与系统架构的仿真 随着RFID系统的深入应用，对于RFID设备部署方案和系统架构的测试验证己成为重要需求。RFID系统一般由两级网络组成，由标签、读写器组成的无线通信网络，连接后端应用的信息通信网络。前端设备网络的部署设计无线网络组网和协调技术，而RFID系统复杂的硬件体系架构和数据的海量性都对系统测试提出了新的挑战。为此，采用虚拟测试与关键实物测试相结合的方法。4310.7 RFID设备部署方案与系统架构的仿真43 首先，通过对RFID设备部署方案和系统架构的分析，确定部署方案和系统架构的主要性能指标和约束，如无线覆盖约束、信号干扰约束、RFID性能指标等；然后，对RFID设备和网络实体进行抽象，建立其面向对象的组件模型，进而构建RFID设备部署和系统架构仿真测试平台。仿真测试平台内容包括RFID读写器、天线、标签及网络节点的仿真模型，图形化设备部署组态界面的开发，虚拟RFID环境的开发，RFID协议仿真的开发，RFID与传感网络、无线网络的仿真开发。44 首先，通过对RFID设备部署方案和系统架构的分10.8参数可控、可重构现场物理应用的测试环境 客观性、可控性、可重构、灵活性是建设可模拟现场物理应用的测试环境的关键需求，配置先进的测试仪器、辅助设备可在一定程度上保证测试结果的客观性。通过为实验室配置温、湿度控制器可实现对温度、湿度的控制。通过配置速度可调的传送带，可实现物体移动速度对读取率的影响。通过配置各种信号发生器、无线设备，可产生可控电磁干扰信号和检查无线网络和RFID设备协同工作的有效性。测试实验室由多个测试单元组成，测试单元可灵活组合，动态地实现多种测试场景。4510.8参数可控、可重构现场物理应用的测试环境45实验环境的基本单元包括：（1）门禁单元。门禁单元由RFID读写器、可调整天线位置的门架等组成，可模拟物流的进库、出库、人员进出控制等场景。（2）传送带综合测试单元。传送带综合测试单元由可调速传送带、传送带附属天线架、天线架屏蔽罩、配套控制软件系统等组成，可模拟生产领域的流水线，邮政的邮包分拣等所有涉及传送带的应用场景。（3）机械手测试单元。机械手测试单元主要由四自由度机械手组成，在机械手上粘贴电子标签可模拟各种标签在一定空间范围内的移动。46实验环境的基本单元包括：46 （4）高速测试单元。高速测试单元主要由高速滑车组成，用于测试高速运动标签的读取性能，可模拟高速公路上的不停车收费等应用。（5）复杂网络测试单元。复杂网络测试单元主要由服务器、路由器、无线AP等网络设备组成。通过在这些设备的不同组合和设置，可模拟多种网络环境，以验证实际网络是否可以承受RFD的海量数据。（6）智能货架测试单元。智能货架测试单元主要由货架、RFID设备、智能终端等组成，可测试仓库中货物的定位技术，零售业商品的自动补货、智能导购系统。47 （4）高速测试单元。高速测试单元主要由高速滑车组 （7）集装箱货柜测试单元。集装箱货柜测试单元由温湿度可调的集装箱、传感器、GPRS、智能终端等组成，用于测试供应链可视化系统，模拟监测陆运，海运过程中运用RFID技术对集装箱内货物的监控。在基本的供应链场景下，运用门禁测试单元、传送带综合测试单元、复杂网络单元、机械手单元组合成个完整的测试场景，如图10-22所示。48 （7）集装箱货柜测试单元。集装箱货柜测试单元由温湿度可494910.9一种典型RFID应用系统测试场景10.9.1 RFID应用解决方案测试 设计若干个典型的接近实际运营环境的场景，进行不同目的的测试，下面是实际案例，主要内容为：RFID应用于传输带的性能测试，如图10-23所示，用于测试输送速度、天线距离与布置方式、天线信号强度对RFID标签识读率的影响。5010.9一种典型RFID应用系统测试场景505151 测试RFID标签在具体应用时的粘贴位置、粘贴方式对RFID标签识读率的影响，可以不同颜色区域代表不同的信号强度等级，图10-24和图10-25所示的天线设计和粘贴方式可以使货箱三个面都可以感知信号，提高标签识读率。52 测试RFID标签在具体应用时的粘贴位置、粘贴方式对RFI10.9.2 RFID应用解决方案的生成 在进行应用测试的过程中，以及在企业现场实施RFID的过程中，不断积累RFID系统实施经验，形成一套包括系统需求分析、详细设计、产品选型、应用测试、现场实施、成本效益分析等在内的中国企业实施RFID系统的方法论，将在应用实施过程中形成的一些成功的案例进行标准化和规范化，制作成对企业或行业实施RFID系统有指导和示范意义的解决方案，教育和引导企业进行RFID应用。5310.9.2 RFID应用解决方案的生成53