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在实际应用环境中,需要尽量保证场区内工作范围稳定,场区范围内要求没有盲点,可以稳定的识别工作中的标签;并将不相关的标签放置在场区外,尽量不要产生误读和错读。许多仓库管理和物流的超高频RFID项目都是因为误读、漏读和错读的问题导致项目失败的。
(1)反射盲点问题
在6.1.1节中,介绍了由于电磁的反射,会在辐射区内的一些位置会出现盲点。这些盲点是由于直射和反射的信号强度相近,相位相差°引起的。盲点的问题一直困扰行业人士很多年,尤其是在封闭的箱体或柜体内,盲点的数量更多,为此业内人士进行了大量的尝试。早期的尝试都是通过改变天线或改变环境(增加或减少反射、增加吸收等),但效果都不是很好,经常遇到这样的情况,刚刚消除了一个盲点,在新的地方又出现了另外一个盲点。直到微波暗室发明后才完全解决了盲点的问题,但是微波暗室的成本很高,而应用现场也不可能贴满吸波材料,尤其是应用现场的地面不可能使用吸波材料。因此需要采用成本更低效率更高的解决方案。
由于盲点是与直射和反射信号的相位差相关的,而相位差与距离和波长相关,当阅读器的工作频率变化时,原来的盲点位置直射和反射的相位差就不再是°了,原来的盲点就消失了,此时有可能会在新的地方出现一个新的盲点。采用快速跳频的方式可以保证工作区内的所有盲点都消失。如表6-4所示,为美国频段超高频RFID的工作频率,其波长不同,传输同样距离时相位变化不同,从而解决盲点问题。实际应用中应尽量宽泛的使用跳频范围,且快速识别并跳转到下一个频率点。
表6-4美国频段超高频RFID波长对比表
在工业控制和生产自动化应用中,由于环境中的反射面特别多,很容易出现盲点现象。尤其是当距离较近且反射严重时,很容易出现无法摆脱的盲点问题,这是因为整个路径的长度仅有几个波长。在中国频段中最大波长为MHz的32.6cm,最小波长为MHz的32.4cm,两者相差0.2cm,假设入射为1个波长,反射为3.5个波长,频率从MHz切换到MHz后,相位差从之前的°变为现在的°,仍然存在盲点的可能性。此时需要通过增加反射或增加吸波材料的方法改变反射信号的强度,从而减少或消除盲点。
(2)辐射场图
阅读器天线辐射的电磁场可以覆盖的区域,称为辐射场图,此处的覆盖区域指的是标签在该区域内可以获得足够能量被激活的区域。辐射场图是为了项目中确定物品摆放位置和管理的重要依据。如图6-22所示为一个阅读器天线的辐射场图,该图为俯视图,辐射场图像一个小提琴。靠近天线处具有较宽的辐射角度,虽然旁瓣的辐射增益很小,但由于距离发射源很近,此处的信号强度足够激活标签。当距离增加时,旁瓣的信号强度不足,无法激活标签,因此相当于小提琴的“瘦腰”。距离继续增加后,其辐射场区主要由天线的主瓣覆盖,直到极限距离。在离开辐射场区之外的不远处,仍有不少的小区域可以识别到标签,这些小区域称之为不稳定读取区。不稳定读取区是由于反射叠加增强引起的,之所以不连续是因为只有在相位相加的情况下才能有足够的能量激活标签,而相位相抵消的区域则无法激活标签。
图6-22天线的辐射场图(俯视图)
许多读者在室外测试时发现标签的工作距离大于公式计算的结果,而在微波暗室中测试的结果与公式计算的几乎相同。这就是因为室外测试时一直找最远处可以识别的点,是不稳定读取区,而非辐射场区。若要准确的找到系统的工作距离,最好的方式是在天线的中轴方向慢慢远离天线,直到第一次出现阅读器无法识别,记录当前距离,此时的工作距离与计算值相近(该测试的前提是天线增益不能太大,也不能架设太高)。
在应用现场绘制一张辐射场图是非常关键的。因此本节将重点介绍辐射场图的绘制方法,绘制方法分为两种,分别是简易辐射场图的绘制方法和带有梯度的辐射场图绘制方法。
现场测试绘图前首先需要准备绘制场区图的工具,如图6-23所示,阅读器天线固定高度为40英寸(约1米),天线的中心为直角坐标系的原点,其天线面的俯视投影为X轴,一侧为X正另外一侧为X负,天线辐射轴向方向定义为Y轴正方向。使用三个相同的标签固定在一根长杆上,其中标签A的高度为60英寸(约1.5米),标签B的高度为40英寸(约1米),标签C的高度为20英寸(约0.5米)。阅读器天线可以采用三种形式,分别是圆极化天线、垂直线极化天线和水平线极化天线。标签的固定方式有两种选择,分别是水平放置和垂直放置。阅读器天线和标签的选型应按照应用项目的需求选择。
图6-23现场测试工具及准备
在应用场地上用粉笔画沿着X轴和Y轴标识出刻度,假定刻度为1英尺(约0.3米),并沿着刻度做X轴和Y轴的平行线,从而交织成一个网格,如图6-24所示,我们称之为天线场区的地图格。与此同时在做图纸上也应画下相同的地图格,并标识出天线的位置。
图6-24绘制场区图
此时启动阅读器,手持标签长杆,从(X,Y)=(0,0)开始,逐渐增加Y的值,直到第一个无法读取的点停下,在图纸上标计下来(图中是五角星)。此时再从(X,Y)=(1,0)开始,逐渐增加Y的值,直到第一个无法读取的点停下,在图纸上标计下来,如此反复,如图6-24所示,最终形成了一张简易的辐射场区图。由于标签长杆上有三个标签,每个标签对应的辐射场区图是不同的,同样采用不同极化的阅读器天线也会有所不同。如图6-25(a)所示为采用圆极化天线,水平标签的三个不同高度标签的简易辐射场图,图6-25(b)为采用水平极化天线,水平标签的三个不同高度标签的简易辐射场图。相同增益的线极化天线会有更远的工作距离。
(a)圆极化天线、水平标签(b)水平极化天线,水平标签
图6-25三个不同高度标签的简易辐射场图
采用简易辐射场图的绘制方法存在的问题是无法体现每个区域的信号强度,也无法体现区域内存在的盲点。因此可以采用梯度的辐射场图绘制方法,其要点为统计每个测试点的识别率。将阅读器设置连续寻卡次(每次寻卡后跳频),统计每个测试点读取标签的次数,再将读取的次数进行量化,转化为不同颜色展示在图纸上,如图6-26所示为梯度辐射场绘图法示意图。其中图6-26(a)展示了读取次数的梯度与位置关系,图6-26(b)为采用颜色展示的俯视平面图,该图可以使用excel绘制。
(a)3D视图(b)俯视图
图6-26梯度辐射场绘图法示意图
天线固定在距离地面40英寸,测试区域大小为30英尺#;40英尺的环境中,系统采用圆极化天线、水平标签时的俯视图如图6-27所示。其中三个不同高度的标签辐射场图的中间部分(13英尺处)都存在无法识别的区域,当距离增大时,反而出现一大片可以识别的区域。根据计算,理论工作距离为首次无法识别区域之内的最远识别距离。第二个出现的识别区域是由地面反射叠加增强引起的。
图6-27圆极化天线、水平标签梯度辐射场绘图
如图6-28所示,为系统采用圆极化天线、垂直标签时的梯度辐射场俯视图。
图6-28圆极化天线、垂直标签梯度辐射场绘图
如图6-29所示,为系统采用线极化天线、水平标签时的梯度辐射场俯视图。
图6-29线极化天线、水平标签梯度辐射场绘图
如图6-30所示,系统采用线极化天线、垂直标签时的梯度辐射场俯视图。
图6-30线极化天线、垂直标签梯度辐射场绘图
在实际应用中很难有如此空旷的场地,不过同样可以采用该辐射场区的绘制方法,尤其是屋顶较低且反射面较多的场景,且出现盲点区域的概率非常大,采用该方法可以有效的避免应用中不必要的漏读和误读。当天线正面距离反射墙面很近时,会引起辐射场区图很不理想,可以略微调节天线辐射轴与水平的仰角,有效规避反射抵消的问题。