正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法在RFID系統(tǒng)性能測試中的運(yùn)用

　　0 引言

　　RFID技術(shù)[1]是一項(xiàng)多學(xué)科融合的新興應(yīng)用技術(shù)，其基本原理不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學(xué)理論，同時(shí)還涉及通信原理以及半導(dǎo)體集成電路等技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)這一概念的興起，RFID技術(shù)逐漸普及開來，廣泛應(yīng)用在智能實(shí)驗(yàn)室、智能制造、智慧社區(qū)、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

　　RFID系統(tǒng)性能與眾多因素有關(guān)系，研究多個(gè)因素對其性能的影響，不僅要考慮由于大量金屬存在及不規(guī)則貼附導(dǎo)致的讀取效果衰減甚至阻斷RFID信息的采集傳遞，還要考慮由于多個(gè)物品堆積，導(dǎo)致標(biāo)簽被漏讀或誤讀情況。如果采用多因素完全方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得出不同因素之間的不同效應(yīng)，如：簡單效應(yīng)、主效應(yīng)和交互效應(yīng)。然而，因素量和因素水平一旦非常多，試驗(yàn)的次數(shù)將急劇增多，這給研究帶來了極大的工作量，多次實(shí)驗(yàn)也容易造成大量原料的浪費(fèi)，因此該方案在因素量多的情況下不可取。

　　正交試驗(yàn)法將各試驗(yàn)因素、各水平區(qū)間的組合均勻搭配，合理安排，實(shí)現(xiàn)了因素和水平的均勻分散性和整齊可比性，極大地減少了RFID測試試驗(yàn)次數(shù)，并且試驗(yàn)結(jié)果能夠提供給我們較多的有用信息，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)方法[2]。

　　1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是一種安排和分析多因素試驗(yàn)的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出一部分有參考意義的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)[3]。其基本工作是三個(gè)參數(shù)的選擇，分別是：指標(biāo)、因素和水平[4]。指標(biāo)是指試驗(yàn)要優(yōu)化的目標(biāo)，即根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x定的用來評定或衡量試驗(yàn)效果的特性值。因素是指直接影響試驗(yàn)指標(biāo)的不同原因或成分，如RFID系統(tǒng)測試時(shí)天線的發(fā)射功率、出入通道的間距。水平是指試驗(yàn)所選因素在試驗(yàn)中由于狀態(tài)或者條件變化所取的不同數(shù)值，如RFID測試中天線的高度、小車通過通道的速度。

　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理是根據(jù)正交表來進(jìn)行設(shè)計(jì)，正交表的代號通常可以表示為Ln(qm),其中，L表示這個(gè)正交表，n表示試驗(yàn)的次數(shù)，q表示實(shí)驗(yàn)的因素水平數(shù)，m表示實(shí)驗(yàn)的因素個(gè)數(shù)，在RFID性能測試中表示為影響其性能的相關(guān)參數(shù)，在正交表中表示其列數(shù)。圖1是一個(gè)全面試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對比圖。由圖1可知，一個(gè)三因素三水平的試驗(yàn)，若采用全面試驗(yàn)方案需要進(jìn)行試驗(yàn)27次實(shí)驗(yàn)，而采用正交試驗(yàn)方案只需要九次[5]，大大減少了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。

　　2 RFID系統(tǒng)測試設(shè)備

　　本次RFID系統(tǒng)測試內(nèi)容包括如下二部分內(nèi)容：

　　(1)出入通道讀取性能實(shí)驗(yàn);

　　(2)貨品實(shí)時(shí)在位讀取性能實(shí)驗(yàn)。

　　之所以選擇這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)椤巴ǖ雷x取”和“在位讀取”是考察RFID系統(tǒng)讀取性能非常重要的二個(gè)方面，根據(jù)RFID系統(tǒng)性能測試內(nèi)容，需要使用的硬件如下：

　　固定式RFID讀寫器(型號為：Impinj Speedway Revolution R220)：由于現(xiàn)場測試環(huán)境較為復(fù)雜，工況較為惡劣、金屬較多，且要求讀寫器連續(xù)開機(jī)不出現(xiàn)掉機(jī)、死機(jī)、漏讀、誤讀現(xiàn)象，以及監(jiān)控過程對實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性有極高的要求，因此選擇性能較優(yōu)異的UHF讀寫器。

　　RFID標(biāo)簽(型號為：Tag-LNPA-01GL)：標(biāo)簽的選擇需要根據(jù)現(xiàn)場具體的環(huán)境來確定，試驗(yàn)選擇紙質(zhì)背膠標(biāo)簽。

　　RFID天線及附件(天線型號為：Laird AS9028/R30NF)，附件選擇萬能全向天線附件LA-1020，其選擇為遠(yuǎn)場圓極化的天線。該天線適用于遠(yuǎn)場金屬較多的環(huán)境。

　　所有硬件測試設(shè)備實(shí)際拍攝如圖2所示：

　　3 實(shí)驗(yàn)過程

　　3.1 出入通道讀取性能測試

　　布置典型的RFID出入庫通道如圖3所示，將待測標(biāo)簽安裝于包裝箱上，在手推車上堆碼3層共計(jì)24只紙箱從外面推車通過RFID出入庫通道進(jìn)入倉庫，完成自動出入庫通道測試。設(shè)定RFID標(biāo)簽應(yīng)用組合測試的輸入輸出模型[6]，如圖4所示。測試系統(tǒng)的輸入為功率恒定的讀寫器QUERY信號。

　　考核因素：

　　A1：出入庫通道間距;

　　B1：出入庫通道天線高度;

　　C1：紙箱標(biāo)簽方位;

　　D1：手推車通過通道速度。

　　考核指標(biāo)：

　　E1：讀取數(shù)量;

　　F1：讀取累計(jì)。

　　上述參數(shù)應(yīng)用四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)見表1。

　　RFID標(biāo)簽應(yīng)用組合測試系統(tǒng)部署完畢后，還需將正交表中的試驗(yàn)號隨機(jī)重新排序，按照新的試驗(yàn)號順序進(jìn)行試驗(yàn)，得到測試結(jié)果見表2所示。

　　3.2 貨品實(shí)時(shí)在位讀取性能實(shí)驗(yàn)

　　布置典型的RFID倉儲貨架，將待測標(biāo)簽安裝于包裝箱或其他工件上，在貨架上碼放三層每層8個(gè)共計(jì)24個(gè)工件，如圖5所示。利用可移動支架將天線放置到指定位置，開啟RFID系統(tǒng)進(jìn)行RFID信息的靜態(tài)獲取，

　　完成實(shí)時(shí)在位性能測試。設(shè)定RFID標(biāo)簽應(yīng)用組合測試的輸入輸出模型，如圖6所示。測試系統(tǒng)的輸入為功率恒定的讀寫器QUERY信號。

　　考核因素：

　　A2：天線方位;

　　B2：天線與貨架水平間距;

　　C2：天線與貨架標(biāo)高間高差;

　　D2：紙箱標(biāo)簽方位。

　　考核指標(biāo)：

　　E2：讀取個(gè)數(shù);

　　F2：讀取累計(jì)。

　　上述參數(shù)應(yīng)用于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如表3。

　　由正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法則，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)如表4。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　4.1 出入通道讀取性能測試結(jié)果分析

　　由表2測試結(jié)果可知，標(biāo)簽被讀取的數(shù)量均為24個(gè)，全部被掃描到。因此該測試中讀取數(shù)量為一個(gè)常數(shù)因變量，因而只需考核讀取累計(jì)和讀取速率兩個(gè)因變量與上述四個(gè)自變量因素之間的關(guān)系。

　　對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析讀取累計(jì)與各因素之間的關(guān)系如圖7所示。

　　圖7中的橫坐標(biāo)1，2，3分別代表每個(gè)因素的第一個(gè)、第二個(gè)、第三個(gè)因素水平。由圖7可以得出，讀取累計(jì)跟標(biāo)簽通過速度是負(fù)相關(guān)的，通過速度越大，讀取累計(jì)量越小。因此對出入RFID通道的貨物必須要設(shè)計(jì)合適的通過速度，同時(shí)盡量安排標(biāo)簽位于貨物的頂部出入庫，因?yàn)樵陧敳繕?biāo)簽被識別的次數(shù)更多。天線的高度設(shè)置的過高或過低對讀取累計(jì)都有一定的影響,出入通道間距大時(shí)，讀取累計(jì)也表現(xiàn)出增多的趨勢。

　　根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析[4]，在方差分析計(jì)算中，總離差平方和為：

　　其中，xi為正交試驗(yàn)結(jié)果，n正交試驗(yàn)的次數(shù)，因素離差平方和Q為：

　　其中，g為正交試驗(yàn)的次數(shù)n與因素水平數(shù)q的比值，自由度=因素水平數(shù)-1;

　　設(shè)F1為讀取累計(jì)，A1為出入通道間距，B1為天線高度，C1為標(biāo)簽方位，D1為通過速度。則可以得出本貨品實(shí)施在位讀取性能實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的線性回歸方程為：

　　F1=1369.65+86.74A1+151.66B1-39.66C1-299.55D1

　　根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，R2=0.96，接近于1，表明線性相關(guān)性較強(qiáng);F=23.55>F0.05(4，3)=9.12，因而方程整體比較顯著。

　　4.2 貨品實(shí)時(shí)在位讀取性能測試結(jié)果分析

　　試驗(yàn)2結(jié)果，可以得出讀取數(shù)量有尚無讀取完全的。因此該測試中讀取數(shù)量為一個(gè)致命因素，編號3/4/8為需要避免的RFID讀寫參數(shù)。需考核讀取速率和讀取累計(jì)量兩個(gè)因變量與上述四個(gè)自變量因素之間的關(guān)系。

　　對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析讀取累計(jì)與各因素之間的關(guān)系如圖8所示。

　　圖8中的橫坐標(biāo)1，2，3分別代表每個(gè)因素的第一個(gè)，第二個(gè)，第三個(gè)因素水平。由分析圖表直觀得出，在實(shí)時(shí)在位讀取的時(shí)候，讀取累計(jì)跟天線方位、天線與貨架水平距離、天線與貨架標(biāo)高間高差都是負(fù)相關(guān)的，其中天線正對的時(shí)候讀取效果最好，天線與貨架水平距離小的時(shí)候，其效果也更好。天線方位為正對標(biāo)簽、天線與貨架水平距離1 m、天線與貨架標(biāo)高間高差0.7 m、標(biāo)簽方位全部置頂為最好的讀取累計(jì)配置。

　　設(shè)F2為讀取累計(jì)，A2為出入通道間距，B2為天線高度，C2為標(biāo)簽方位，D2為通過速度。則可得出本貨品實(shí)施在位讀取性能實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的線性回歸方程為：

　　F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2

　　由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得R2=0.92，接近1，表明線性相關(guān)性較強(qiáng)，F(xiàn)=12.08>F0.05(4，3)=9.12因而方程整體顯著。

　　5 結(jié)束語

　　RFID系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)結(jié)果證明正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種非常實(shí)用且相對簡單的解決多指標(biāo)問題的工具，可以在多因素、多水平的情況下迅速制定測試方案。對試驗(yàn)產(chǎn)生的多組數(shù)據(jù)，還可以通過回歸的方法進(jìn)行分析，建立回歸方程，以便建立試驗(yàn)的輸入輸出模型。借助該試驗(yàn)方法進(jìn)行RFID系統(tǒng)性能測試，大大降低了測試時(shí)間成本，提高了測試效率，且不影響測試的最終結(jié)果。