王東教授：RFID應用系統(tǒng)設計的幾個關(guān)鍵問題

　　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：已經(jīng)連續(xù)若干年都到這里來演講。剛才中午我到底下看了一下，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。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，然后幫助他去拿各項政府項目，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。

　　有幾個推動力，我想會慢慢跑起來，今天物聯(lián)傳媒說今年的展會有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，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，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)進行分析商業(yè)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、讀寫器怎么去解決企業(yè)應用問題，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，有的客戶是想用的，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，不太了解以后到客戶現(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。你要通過電子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。這就是它的仿真模型，建立了它的仿真模型，我可以分析從10兆-20兆掃頻，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。

　　對超高頻天線一樣，這個天線的形狀，這個標簽種類繁多，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，這是一個。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，比如我下面，我把中間的阻抗匹配圖的線寬加寬，這一加寬你會發(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，我打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貼標簽，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。

　　前面我跟大家講了一下標簽方面我們應該注意什么問題，第二個讀寫器，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，這個讀寫器你可以甚至參數(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，這個叉車叉這個貨物出來，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，我怎么樣根據(jù)外界的環(huán)境應用情境，我通過一系列的研究，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，你了解這個關(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，這樣一個門最經(jīng)典的RFID利用場景，在這樣一個門上，一般我的讀寫器都是接一個天線、兩個天線、三個天線、四個天線，我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，我按照規(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，我們這個行業(yè)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，我雖然小，但是我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，高的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，我收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，他說我到學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。于是叫我們交大前同，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指委物聯(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月份要簽約了，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)家能合作的地方。

　　這就是我的演講，謝謝。