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王東教授:RFID應用系統(tǒng)設計的幾個關(guān)鍵問題

2013-08-22 16:43 物聯(lián)網(wǎng)世界網(wǎng)

導讀:8月15日,2013第六屆國際物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展高峰論壇與“2013第五屆中國(深圳)國際物聯(lián)網(wǎng)博覽會”同期舉辦。會上,上海電子標簽與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)學研聯(lián)盟秘書長王東教授作了“RFID應用系統(tǒng)設計的幾個關(guān)鍵問題”的主題報告。

  8月15日,2013第六屆國際物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展高峰論壇與“2013第五屆中國(深圳)國際物聯(lián)網(wǎng)博覽會”同期舉辦。會上,上海電子標簽與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)學研聯(lián)盟秘書長王東教授作了“RFID應用系統(tǒng)設計的幾個關(guān)鍵問題”的主題報告。

上海電子標簽與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)學研聯(lián)盟秘書長王東教授

  王東:我已經(jīng)連續(xù)若干年都到這里來演講。剛才中午我到展會現(xiàn)場看了一下,很多企業(yè)以前在的企業(yè)都沒了,但是有一批新的企業(yè)起來了,當然還有一些企業(yè)一直都在這個行業(yè)里。原來很早就說這個行業(yè)要井噴發(fā)展了,但一直沒有出現(xiàn),我也一直想不清楚,我們這個行業(yè)出現(xiàn)殺手級的應用在哪?殺手級的應用有兩個特征,第一個是剛性需求,不是柔性需求,不是它可有可無,而是必須有RFID才能完成的事情;第二量要大,這兩個特征組成為殺手級的應用。我認為像服裝業(yè)就是殺手級的應用,但是觀察來看,這個服裝行業(yè)到現(xiàn)在為止都是國外推動的,國內(nèi)服裝行業(yè)RFID還是沒有起來。

  昨天還在跟一個老朋友交流,他說服裝業(yè)在干三件事情,第一件事應付電子商務對它巨大沖擊;第二件事在搞企業(yè)上ERP,上新一個層次(第二個像李寧、美邦等等,他們的庫存都幾十億,最近三年都在消化庫存,于是用RFID這兩三年不太可能,還有一些企業(yè)我就不點名了。)比如他知道服裝業(yè)行業(yè)是RFID的一個殺手級應用,于是他把我們RFID企業(yè)一家家請過去做測試,然后幫助他們?nèi)ツ酶黜椪椖?,拿完之后,把政府的錢一騙到手就不做了,搞得RFID行業(yè)做得很辛苦。

  另外還需要有幾個推動力,我想會慢慢好起來。今天物聯(lián)傳媒告訴我說今年的展會有250家,其中有100多家是做了特裝,這說明這個產(chǎn)業(yè)慢慢起來了。怎么起來了?第一、物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的推動;第二、智慧城市的帶動,1月29日和8月5日,一年之內(nèi)住建部一下搞了190個智慧城市試點。城市智慧了各個行當都要智慧,于是RFID說不定能找到比較大的市場。第三、大數(shù)據(jù)時代來臨了,現(xiàn)在馬云都開始搞大數(shù)據(jù)了,光靠過去投實體店等等做一些實際的東西不一定能賺錢,未來可能要通過各種的手段,以RFID為代表的數(shù)據(jù)采集手段采集大量的數(shù)據(jù),基于這些數(shù)據(jù)進行分析挖掘,然后做一系列的決策,或者搭建一個平臺為客戶提供服務。這個大數(shù)據(jù)時代的來臨也可能會給我們這個產(chǎn)業(yè)帶來推動力。通過這三方面的推動,說不定RFID的日子會好過一點。

    RFID是什么?就是三個東西,第一個應用標簽;第二讀寫器,當然還有中間件,我本人就是做中間件的,到現(xiàn)在為止沒有哪家企業(yè)來找我做中間件,于是我今天把這個中間件省略掉了;第三是應用解決方案,有了標簽,有了讀寫器,拿這個標簽和讀寫器怎么去解決企業(yè)應用的問題,最后再講講人才培養(yǎng)的問題。

  先看標簽應用工程,主要三個方面。第一個標簽的天線設計,標簽這個芯片沒幾家能做的,世界上能同時提供高頻、超高頻的芯片比如TI,我們國內(nèi)可能有幾家能提供這樣的芯片,但是這個標簽太多了,他們差別在哪里呢?

  我給大家剖析一下,為什么我們這個行業(yè)碰到很多問題。有的客戶是想用,但是因為我們的系統(tǒng)集成商和客戶對RFID一些基本的東西不太了解,到客戶現(xiàn)場的時候,他可能拿了幾款標簽就去試了,也沒有根據(jù)客戶的需求,是不是標準化的商品和標簽。

  我們需要針對客戶需求進行特殊設計,今天我把這方面的東西跟大家分享一下。高頻標簽這是最基本的,高頻標簽可以等效為這樣一個電路,芯片可以等效為一個電容,天線可以等效為一個電阻和電感。你要通過電磁感應工作讓它性能最佳,一定要讓它和阻抗相互匹配。

  怎么匹配?首先,這個芯片,我們在座的自己都不會設計芯片,都買芯片,我們買他的芯片可以看它的芯片標簽參數(shù)。比如這個電容,我這里寫的NXP的電容是23.5pf,第二步根據(jù)這樣一個公式,我如果知道他的工作頻率,知道他的電容值,就可以倒推出來這個天線的電感值是怎么樣的,根據(jù)這個電感值可以推算我這個天線應該才能什么形式的天線,而這個電感值,你看這里方的、圓的天線,我有一個公式,也就是說這樣一個電感與天線的幾何尺寸、形狀是相關(guān)的,然后根據(jù)這樣一個形式,我們就可以總結(jié)對高頻標簽來說,影響這個電感的參數(shù)就是天線的形狀,包括這是是矩形的,還是圓形的,還有線圈匝寬、線圈之間的間距,如果是雙邊天線的話,還要考慮他們之間的介質(zhì)和距離。我舉一款線圈,匝數(shù)有5匝,線寬及線間距均為0.8mm,總體尺寸40×40mm的天線。這是它的仿真模型,建立了它的仿真模型,我可以分析從10兆M-20M掃頻,可以看到在什么頻率下它仿真出來這款天線的形狀,它的線圈電感是多少,這個電感和和你選擇芯片需要的電感能不能匹配。第二這個線圈的尺寸能不能滿足客戶應用的,可以貼合這個標簽面積的需要,于是可以做更多的仿真結(jié)合。我們可以把這個標簽幾何尺寸不斷變化,最后我們就來進行設定,這是高頻。

  我舉個例子,這是某個廠家實際商品化的標簽,現(xiàn)在已經(jīng)幾百萬了。這個左上角是實際的標簽,右下角是我們建立的仿真模型,通過這個仿真模型仿真下來發(fā)現(xiàn)在它在13.56赫茲高頻的時候,它的電感大概5.36微分,比我們根據(jù)剛才那個計算的理論值芯片和評估的頻率,我們可以計算它的理論值好像放大,這一大正好可以得出一個結(jié)論,因為電感值偏大,導致它最佳的頻點往前偏移,不是在13.56赫茲最佳了。通過這樣的東西,如果系統(tǒng)集成商和客戶都了解這樣一個基本的知識,可能我們以后解決實際能力問題就會提高。

    對于超高頻天線也一樣,天線的形狀,標簽種類繁多,每種天線幾何尺寸都有它最適合應用的場合,為什么會出現(xiàn)這種情況?比如簡單的半波長偶極子天線的總長度,理論計算如果在860-960MHz的話,你要理論計算的話,這個超高頻標簽的天線長度應該是16公分,這160mm公分貼在礦泉水瓶也不行,貼在酒瓶上也不可以。那怎么辦呢?于是要小型化,一小型化,我們右下角這個圖就要更小型化,我無非就是做更多的彎折,這一彎折天線的面積就小了,但是它的性能也會變化。第二阻抗匹配,電感要和芯片電容相互匹配,這個方法有很多,橫條加載、感性耦合、容性耦合等等各種各樣的方法。舉個例子,你看下面是一個超高頻的偶極子天線,上面我加一條橫條,調(diào)節(jié)這個橫條和下面偶極子天線之間的間距,我就可以調(diào)節(jié)這樣一個標簽它的阻抗,這樣我就可以讓天線的阻抗和芯片的阻抗相互匹配,這個性能是最佳的。

    通過做這樣一系列的事情,如果涉及應用金屬、液體環(huán)境上的標簽,還有涉及圓極化對方向不敏感的標簽都要做各種設計。最大的設計就是改變天線的形狀,這個形狀一改變之后會對超高頻芯片它的頻率特性、讀寫特性都會產(chǎn)生影響。這個影響我們怎么分?它的幾何參數(shù)以這些來做參考,包括中心回路,這個矩形就是做這個阻抗匹配的,這個矩形的長寬是什么,它的線條粗細如何,焊接芯片處形狀如何?第二有線形輻射面和面狀的輻射面,這個輻射面我也有一系列的幾何尺寸,根據(jù)這個東西我就拿一個經(jīng)典的標簽,這是應用在商標上的,是酒的商標或煙商標,左上角是開了一個實際標簽,這是我建立的一個仿真模型,你看它有參數(shù),一個參數(shù)中間的阻抗頻率有長度和寬度,旁邊有四五個彎折,那是一個線形的輻射面,然后兩邊有面狀輻射面。根據(jù)剛才的理論,現(xiàn)在第一步調(diào)整參數(shù),首先我可以分析一下,通過仿真或者通過實際測試我可以知道UHF天線的方向圖,和我們的理論上應該是一樣的。比如我把中間的阻抗匹配圖的線寬加寬,你會發(fā)現(xiàn)它是影響阻抗的,但是它對中心頻點不會產(chǎn)生影響。第二,我可以把外面面狀輻射面,原來是這么寬的我把它加寬了,這一加寬,你一分析發(fā)現(xiàn),原來外面輻射面的長度是影響標簽的頻段和都會發(fā)生變化,通過這種的方式你對超高頻就認識比較深刻了,以后你就會根據(jù)應用的需求來選擇適合的標簽,這是第一個標簽天線的設計。

    第二個標簽的連接,這個以前我講過,這一箱里放的是鐵罐的王老吉,另外是塑料瓶子的農(nóng)夫山泉瓶,移速電磁波打到它這個側(cè)面,電磁信號是不一樣的。我們做了一個工具,大家卡右上角這個圖,我把這個標簽沿著這樣一個側(cè)面一變之后,這個軟件工具就會告訴你畫出這樣一個熱點圖,這個熱點圖告訴你綠色的是最適合貼標簽的地方,它是射頻信號好的地方,你貼在這個位置讀取率會比較好一點,你貼在紅色的地方,可能就難以讀取,這就是標簽的空間部署。

    第三傳感標簽,大家看這款它的基材是用石蠟,石蠟隨著溫度的不斷升高,它從固態(tài)變成液態(tài),這樣一變化不要緊,天線的幾何形狀、空間形態(tài)就會變化,這一變化阻抗就會發(fā)生變化,根據(jù)外面溫度變化、阻抗變化和頻率變化之間的關(guān)系,我可以把這樣一個標簽做成溫度傳感標簽,也就是我不需要外加傳感器,而我這個標簽本身就是一個傳感器,通過我這個射頻識別,短記錄通訊,我可以把這個數(shù)據(jù)發(fā)射出來。第二個這是設計的一款標簽,這個標簽就像區(qū)別人一樣,但是如果我兩邊把它用力一拉,一拉以后它的形狀發(fā)生變化,形狀發(fā)生變化,它的阻抗率發(fā)生變化,我一樣可以看外面的重力和標簽幾何之間的關(guān)系,我可以做成一個力學上的研究,這是傳感標簽。

    前面我跟大家講了標簽方面我們應該注意什么問題,下面我跟大家講一下讀寫器。讀寫器在實際應用過程中,我們很多制造業(yè)是很想利用RFID技術(shù),但是經(jīng)常碰到問題。比如這是一個汽車制造廠,它的叉車像周轉(zhuǎn)箱,帶著一系列的汽車沖壓電要出庫了,但是你讀這個籠子的時候,它旁邊還有很多固定的籠,你不一定把叉車叉出來的標簽讀到了,有可能把旁邊很多不該讀的也讀到了,這時候廠商就束手無策了。我們的Alien讀寫器有很強的功能,有些讀寫器可以靜止的標簽不讀,它只讀運動的標簽。就是這個讀寫器,這個讀寫器你可以設置參數(shù),它只把運動的標簽讀取,把靜止的標簽全都給過濾掉了。通過這個方式,就區(qū)分這個標簽是要讀的,那些靜止放在旁邊的就可以不讀,當然由于多靜效應會產(chǎn)生一些影響,于是第二步還可以干什么?這個叉車叉的貨物出來,正對門叉車叉的籠子,它在門閘天線的正中,這個時候收到的信號強度最強。于是你可以做一個試驗,當信號強度強到什么時候這個標簽就是我應該閱讀的標簽,低到什么程度我就直接把它扔掉,這是第二。第三讀取次數(shù),這個標簽一過來不是讀一次,可能讀兩次、讀幾次,但是正是在這個信號讀寫器天線正中位置的時候,這個標簽讀取的次數(shù)會最多,在旁邊讀取的次數(shù)會最少。這樣一做試驗,最后我們可以得到采用一個復合的,什么事都不用干,在座的只要對讀寫器讀他多個參數(shù)的值,就可以提高倉庫門的讀取率。

    第二個讀寫器和應用環(huán)境的匹配,在設頻信號不友好的環(huán)境中,如果不是一次過一個,而是一次過幾十個甚至上百個,而且這個標簽還比較密集,還有旁邊有一家企業(yè)它是48個門,每個門都要叉車叉?zhèn)€貨物上來,每個叉車里有60只標簽,這時候多臺讀寫器同時工作,這時候你要分析它的話,它給你提出了一個密集讀寫器的模式DRM的工作模式,如果你在射頻友好的情況下,可以用高速的模式。于是,我們應該根據(jù)外界的環(huán)境應用情境,通過一系列的研究,看外面,比如它的標簽密度,這個標簽運動速度和這個協(xié)議參數(shù)數(shù)字之間的關(guān)系,了解這個關(guān)系之后就可以更好的利用這個讀寫器。

    再往下讀寫器空間部署優(yōu)化,這樣一個門是最經(jīng)典的RFID利用場景,在這樣一個門上,一般讀寫器都是接一個天線、兩個天線、三個天線、四個天線。我們應該在這個門上左邊這個地方放一個天線還是兩個天線,右邊這個地方放一個天線還是兩個天線?這個天線是用一個天線好還是兩個天線?這個天線在門上該怎么部署?我們做了一套工具,按照規(guī)則做一系列試驗之后,它直接會給你一個結(jié)論,左邊的地方應該放兩支天線,每個天線應該放在高度30公分的,60公分的,這個天線的角度應該是什么角度,通過這個方式也可以提高讀取率。

    剛才我把我在實際實施RFID項目過程中一些總結(jié)跟大家匯報一下,當然在座各位都可以總結(jié),這樣總結(jié)出來之后,我們在面對客戶的時候,我們就有取之不盡,用之不竭的武器和百寶箱,我就可以把客戶搞定了,于是這個行業(yè)就可以發(fā)展起來。

    最后應用解決方案,這是茅臺酒廠的現(xiàn)場,一個集成商在那里折騰三個月,一天到晚在那里試,茅臺就開始懷疑你了,我之前都很成熟,為什么你到我這里來,今天解決這個問題,明天那個問題?我們可以在一個試驗環(huán)境中,在上海和無錫都建立了一個小型的環(huán)型線,這個環(huán)型線和酒廠的環(huán)型線,雖然小,但是完全可以模擬這個線。在這個線上我們的系統(tǒng)集成商和一些用戶不耽誤客戶的正常生產(chǎn),在這條線上我們做這樣一個試驗,我們這個標簽該怎么改進?讀取方式該怎么改進?最后才能解決現(xiàn)場的問題,這種試驗是非常重要的。為此我們建了這樣一個實驗室,現(xiàn)在在無錫建立了一個實驗室,這個現(xiàn)在接近免費,這個實驗室有RSSI,很多公司來應用,你來應用的話平均1000塊錢,低的500塊錢一小時,高的1500一小時,平均要1000塊錢小時,有一個著名的廠商在我那里做了一個多月的時間,每天在那里做七八個小時,我叫RSSI去收,一天收八千塊,我們企業(yè)項目還沒有拿到,企業(yè)又比較小,這就是我們搞公共服務的難處,現(xiàn)在只能接近免費了,成本都收不上來了,為大家提供服務。你想這個產(chǎn)業(yè)紅火了,上海所有的RSSI全都排滿了,它一天到晚做手機的彎曲、扭轉(zhuǎn)、跌打、擠壓、靜電試驗等等,做這個實驗,他的任務已經(jīng)接不過來了,現(xiàn)在的RFID我們最容易感覺RFID到底行還是不行,我這個沒人來找我,找我都說王老師“你看我到你這里來測試”,說了半天就是不用付錢或者付很少的錢來做,現(xiàn)在這個行業(yè)達到這個程度,但我們還是全力支持這個行業(yè)的發(fā)展,所以我們這個試驗無論在上海,還是在無錫,我們都愿意以低成本或者免費,一看你這個項目可以,我免費為你提供服務。

    最后一個,全國都行動起來,溫總理一提出物聯(lián)網(wǎng)以后,教育部也開始行動了,分成四批,每年批一批,現(xiàn)在全國經(jīng)過教育部正式批準的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學校有266所,這些學校都不知道這個專業(yè)應該教什么課,做什么試驗,怎么樣培養(yǎng)學生,今天早上我還看到華中的院長帶著它整個物聯(lián)網(wǎng)工程學院的所有學生在展覽中心門口會合,他說我?guī)W生來看一下這個展覽,讓學生有一個感性的認識,大家都是摸著石頭過河,不知道干什么。于是我們交大成立一個物聯(lián)網(wǎng)教學研究專家組,這個專家組出了兩個規(guī)范,應該上什么課、做什么試驗,但是現(xiàn)在我們還在做一個事,我們要建立教育部計算機教職委物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)產(chǎn)學研合作基地。在無錫馬上我們要在10月份簽約了,在別的地方我們可以集體簽約,也可以單獨簽約,我想這是和在座企業(yè)家有能合作的地方。

    這就是我的演講,謝謝。