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基于RFID的图书查找器
作者：Karl F. Warnick,Lasse Toivanen,
Mikko Heino,Aapo Oksman,
Aapo Vienamo,Jari Holopainen,Ville Viikari
编者的话
在本期“IEEE天线和传播杂志”的“教育角”文章中，由阿尔托大学的Lasse Toivanen，Mikko Heino，Aapo Oksman，Aapo Vienamo，Jari Holopainen和Ville Viikari报告了一种基于射频识别的书本寻找系统，这是2014年IEEE天线和传播协会学生设计大赛的第二名获奖作品。祝贺这些学生在上面做的工作！他鼓励社会成员在未来考虑指导学生设计大赛小组。
快速准确地定位物品已成为我们现代社会和工业的重要组成部分。准确的定位不仅节省了时间和金钱，而且减少了浪费，因为产品不会随着供应链的流失而消失。通过射频识别（RFID）技术提供了一个有前景的室内跟踪方法。RFID技术的主要优点是能够同时快速地对项目进行清点，而不需要对着目标进行扫描。由于RFID标签附着在各种物体上并被用于不同的环境中，RFID工程师需要设计出可在不同环境和媒介材料中可靠运行的RFID标签。在本文中，介绍了阿尔托大学电气工程学院图书馆图书定位的RFID系统。在建议的方法中，放在主图书馆之外的书籍装备有超高频（UHF）RFID标签，可以使用手持RFID读写器设备（图1）定位。除了查找图书，系统还可以保持图书库存目录的更新。
图1手持式读写器（读卡时触摸屏进行操作）
主要的挑战之一是设计出任何书籍尺寸和纸张材料都能够可靠地操作的标签。标签附近的物体的电气特性显著影响其操作。在这种情况下，不同厚度和介电常数的书可能不同地加载天线，从而影响标签、天线和RFID芯片之间的谐振频率和阻抗匹配[1]。设计用于在一本书中操作的标签可能会在其他书籍中失效，因为没有足够的功率传送给芯片，从而停止响应。为此，将给标签设计合适的带宽(标签被设计为宽带)，以在不同的环境中实现稳健的操作。通过应用匹配技术实现了广泛的操作带宽，该技术利用了与蜿蜒偶极子结合使用的最大内循环[2]。该技术是为IEEE天线和传播学会（AP-S）学生设计比赛为设计RFID标签而开发的[3]。 Aalto ELEC团队参与了本文中介绍的系统的比赛。我们也参加了本文介绍的系统的比赛。当我们设计系统时，第二个挑战是从便宜的、现成的组件中实现和集成读写器，并为读写器设备设计合适的天线。
系统描述
读写器设备
这些书籍使用连接到托管用户界面的嵌入式计算设备（即，Raspberry Pi Model A）的RFID读写器模块（Skyetek，SM-MA-MH-1.H-00CET0，Westminster，CO）进行定位和编目[4]。该模块能够通过GS1 EPC标签数据标准读写RFID标签，大多数设置可以由软件定义。例如，读写器输出RF功率可以在10至30dBm之间调节，并且工作频带可以设置在860至960MHz的范围内。对于该项目，读写器输出功率设置为30dBm，并且U.S.UHF RFID频带的操作频率从902增加到928MHz。该模块在该频带内快速切换其工作频率[4]。当采用40-kb / s数据速率和30-dBm发射功率时，读写器灵敏度规定为-60 dBm [4]。读写器可以由电池或外部电源供电。书籍数据库可以存储在手持设备本身或者存储在远程服务器上，而用户界面使用触摸屏进行操作，用于选择要定位或编目的书籍，其中读写器盒使用三维（3-D）打印机制造。读写器和材料清单分别如图1和表1所示。
表1 材料清单
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元器件 |
价格 |
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树莓派模型A |
euro;25 |
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2.8寸TFT屏幕 |
euro;45 |
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RFID模块（SkyeTek SM-MA-MH.1H00CE-T0） |
euro;400 |
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附件 |
euro;20 |
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杂项（电缆，连接器，布线等） |
euro;50 |
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用于读写器和标签的印刷电路板（PCB）材料 |
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天线 |
euro;50 |
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希格斯4 RFID芯片 |
euro;0（free samples） |
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总计 |
euro;590 |
设计比赛规则规定，读写器的最大等效各向同性辐射功率（EIRP）应不大于4 W。结合读写器发射功率为1 W，读写器天线增益可以达到最大6 dB至允许的最大EIRP以下。由于增益限制，选择圆偏振贴片天线作为读写器天线[5]。所选择的天线足够小以方便地装入读写器外壳的后盖。天线的圆极化使得读写器在任何方向都能够检测标签，而不依赖于极化对准。天线是在1.5毫米厚的Rogers RO4003C（罗杰斯，CT）基板上设计和制造的，其在915 MHz时具有5.5 dBi的模拟增益。贴片天线的一个好处是主瓣的大约100°3-dB的波束宽度，当定位单个标签时可以进一步利用它。在主光束之外，标签不太可能接收到足够的功率为芯片供所需的电，因此不响应。今后可以使用可见的激光指示器显示3-dB边缘，帮助读者找到某本书。
有的的用户界面被设计为得直观又简单，如图2所示。读写器打开后，触摸屏上将显示一个两段窗口。这个初始菜单屏幕包括两个按钮：“扫描”和“库”。“扫描”用于编制读写器天线范围内的所有书籍的清单，而“库”用于在搜索特定书籍时查看总的书籍数据库，。一旦“扫描”被切换，读写器将开始列出其范围内的所有书籍。在扫描模式下，读写器不断发送查询命令，并在US UHF RFID频段内切换其操作频率。图2中的图书名称旁边的百分比表示读者已经收到关于总查询的响应的次数。通过用户从中选择的一本书和点击“过滤器”，“库”列出了整个相关书籍的数据库。定位是基于搜索到的书籍与读写器的邻近度。当读写器检测到书本时，很可能在读取器天线的主波束的方向上。用户界面在基于Debian的Raspbian操作系统上运行，并使用Python编程。它利用Python库Tkinter创建用户界面，并使用pySerial与RFID模块进行串行端口通信。
图2读者用户界面的三个主要部分
（“扫描”用于搜索所有附近的书籍，
而“过滤器”可用于从图书数据库中查找单个图书。
“库”用于查看整本书籍数据库。）
天线设计考虑
无源UHF RFID标签由天线和微处理器芯片组成。 芯片存储标签的所有信息，并且依据GS1 EPC标签数据标准，通过编程来响应某些命令。一旦芯片拦截了一个有效的命令，它会调制对读写器提供的连续波（CW）的响应，此响应传播回读写器进行检测。为了获得功率，芯片需要一个天线，有效地接收传入的无线电波。天线应与芯片结合匹配，以确保最大功率传输和读取范围[1]。
RFID芯片通常是高度电容性的并且需要感应天线。由于RFID标签中几乎全向的辐射模式，RFID标签中最常用的天线元件是改良的半波长偶极子，这确保了可靠地读出随机取向的标签。短于lambda; / 2，偶极子固有地是电容性的，因此它们需要额外的电感元件来消除它们自身以及芯片的电容。通常通过在结构中添加环路元件来消除电容[6]。当环形天线的圆周与波长相比较小时，环路的辐射电阻与感抗相比较低[8]。RFID标签中的环的周长通常明显小于波长，因此它们主要有助于标签的电抗。实现自由空间中的共轭匹配是相对直接的，因为复杂的环境因素不影响阻抗。在自由空间中，标签性能的轻微降低可能是由以下因素引起，例如芯片的功率依赖阻抗，附近其他标签之间的相互耦合以及来自环境的电磁干扰（EMI）[1]。
标签的性能受到附近物体和不同介质材料的显著影响。标签的近场反应性通常被认为延伸到lambda; / 2pi; 的范围，并且该范围内的所有对象都会影响标签天线的阻抗[7]。具有不同介电常数和尺寸的对象能够不同地分离标签天线。在设计标签天线时，可以考虑这些可能的变化。宽带标签通常对变化的环境条件更为宽容。然而，通常可获得的带宽与所需的匹配度是折中的，并且低的匹配度可能阻碍标签接收足够的功率来唤醒芯片。芯片供电故障通常被称为正向链路故障。反向链路故障又是由读写器接收机的灵敏度决定的。当询问标签时，都需要正向和反向链接。因此，前进和后退范围中的较小者定义了总读取范围[1]。
内部循环方法的鲁棒标签设计
标签采用SOT323封装中的Alien Technology Higgs 4芯片和PCB上图案化的天线实现[10]。根据AP-S学生设计大赛的规定，标签必须在902-928 MHz的美国UHF RFID频段工作，其尺寸限制在50 mmtimes;50 mmtimes;5 mm[3]。在这个项目中，更薄的标签是为了便于在书中使用。由于实际原因，标签是在没有接地平面的刚性1.5mm厚的单层FR4基板上实现的。该基板可方便地提供给我们的学生团队，天线图案可以在室内进行刻蚀，并用CST Microwave Studio进行模拟。该书被模拟为235mmtimes;170mmtimes;16mm的电介质箱，初始相对介电常数为干纸(Ԑr= 2.31), 标签模型被放置在书的中心,天线被模拟为35mu;m厚的退火铜迹线。
选择蜿蜒的偶极天线作为初始天线结构，因为它能够实现几乎全向的辐射模式，便于搜索随机方向的书籍。偶极子进一步加载感应回路以获得与高电容性芯片（18 - j181.2Omega;在915 MHz）的共轭匹配，用于最大功率传输[10]。该设计最初是基于[2]中引入的方法。 在模拟中，芯片被建模为由并联的1.8kOmega;电阻和0.95 pF电容组成的等效电路[10]。
设计开始于创建芯片馈送端口，并添加宽度为w和高度h的最外面的环路跨越整个设计区域。四个蜿蜒的偶极臂被放置在环的角落，因为注意到提供比两个臂更大的带宽。这可能是因为它们能更有效地利用天线体积[11]。曲线数和曲折长度L2被调整以使谐振频率达到[2]中描述的915MHz的美国RFID UHF频带的中心。 选择弯曲臂L1的宽度和线宽t，使得臂几乎填充所有可用空间。为了简单起见，所有不同部分的线宽保持不变。线宽也随着改变曲折臂的有效长度而稍微影响共振频率。
最初通过改变环路高度h来调整天线的阻抗以消除c的容抗。如[2]所示，电抗和电阻可以通过增加或减小环路尺寸来调整或调低。然而，虽然具有匹配的电抗，但是该设计在中心频率处表现出过高的电阻，因此必须将其调谐到更接近所需的18.4Omega;以实现与芯片的良好匹配。 通过添加如图3所示的多个环路并调整它们的间隔domega;，可以调整电抗和电阻之间的比率以改善阻抗匹配。匹配的带宽也可以用domega;调节，如[2]所示。具有三个环路，domega; = 3.6mm，h = 20mm，对于尽可能大的带宽，获得相对于芯片阻抗的-10dB反射系数。
两个内环实现了正确的阻抗水平。环路的数量高于[2]，因为注意到，随着更多的环路被添加到设计中，电阻相对于电抗减小更多。最终的天线结构，相关尺寸和制造的原型标签如图3所示。通过这些特定尺寸和基板材料，标签可靠地在书内运行。在自由空间中，共轭匹配丢失，标签最有可能停止工作。相同的标签设计可以通过改变曲折长度和循环尺寸，轻松调整其他介质材料的操作。
(a) (b)
图3 设计的RFID标签天线（书的相对介电常数ε= 2.31的优化尺寸为g = 0.7mm，L1 = 21.4mm，L2 = 18.7mm，t = 1.6mm，h = 20mm，w = 46.4mm，dw = 3.6mm）
图4显示了在史密斯圆图上与RFID芯片匹配的天线。模拟描述了模型显示双重共振，可以清楚地看出史密斯圆图上的循环。谐振回路仔细调整到图表的中心，以最大化阻抗带宽。当Ԑr = 2.31时，标签天线的最终仿真电阻和电抗如图5所示。图6示出了天线相对于芯片阻抗的反射系数。当书籍介电常数变化时，谐振回路在史密斯圆图上旋转，如图4所示。书厚度或纸张的数量以类似的方式旋转双重共振。书中标签的模拟-10dB阻抗带宽从872到962 MHz大约为90 MHz，两个谐振峰出现在886和948MHz，如图6所示。当电阻曲线穿过所需的18.4时，实现了临界匹配Omega;。中心频率匹配的缺口来自天线阻抗中的电阻峰值。
图4在三种不同的书本介电常数值下与RFID芯片匹配的标签天线
图5具有不同书本相对介电常数值的标签天线的电阻和电抗
图6相对于具有不同书相对介电常数值的芯片阻抗的模拟反射系数
图4-6还介绍了本书相对介电常数的变化如何影响匹配。谐振频率与相对介电常数成反比。这是由于与周围材料的相对介电常数的平方根成比例的天线尺寸的电长度变化引起的[7]。此外，当谐振频率偏移时，匹配电平
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