• Pamela

如何使用Tagformance和ShieldSense™規劃RAIN (UHF) RFID讀寫器識讀區 (Reader Zone),以提高標籤讀取率及商品計數的可靠性

在2019 RFID&WIoT Tomorrow 會展上,來自Avery Dennison的Erik van Noort拜訪Voyantic的展位,他向我們介紹最近Avery Dennison推出的ShieldSense™射頻阻隔材料。射頻阻隔材料主要用在讀寫器識讀區,它能夠幫助系統集成商建置更好的RAIN RFID應用系統。


我們互相交流了一些想法之後,決定寫一篇文章來解釋有關讀寫器識讀區,以及如何使用Voyantic Tagformance來檢查讀寫器識讀區的標籤讀取效果。在這篇文章中,我將介紹ShieldSense™射頻阻隔材料以及Tagformance的測試結果。


甚麼是讀寫器識讀區? 在建構RAIN RFID系統時,讀寫器識讀區的讀取效能和正確與否往往是最大的挑戰之一。最常見狀況如下,你想讀取A區域的標籤,但是你不想讀取到B區域的標籤,舉個例子,在一個卸貨區,貨物必須通過指定的閘門運送到正確的卡車上,而不是將貨物運到另外(錯誤)一輛卡車上。


一般零售店家運作狀況

  • 一般零售店都備有倉庫儲存商品庫存

  • 庫存的商品日後都會被擺放在店面的架上

  • 有了RAIN RFID,商家可以快速的掃描店面架上以及庫存商品的數量

  • 經過掃描若發現倉庫已缺少特定商品,系統會自動提醒商家

  • 在架上及倉庫中的每一件商品資訊都必需正確無誤,如果無法正確的記錄商品資訊,商品在當季將無法售出,只能等到新的一季打折賣出甚至丟掉,這會造成商家的損失

讀寫器識讀區 – 在不使用ShieldSense™狀況下進行測試

傳統讀寫器識讀區架設方式:

  • 選擇適當的天線和天線架設角度

  • 規劃讀寫器的擺放位置

  • 調整讀寫器的輸出功率

  • 使用RSSI Filter來防止誤讀(stray reads)

  • 使用射頻遮蔽材料或是射頻阻隔材料

為了進行讀寫器識讀區的測試, 我在Voyantic公司裡布置一個簡單的測試環境,我在會議室(Front Room)裡放置了一個大紙箱,大紙箱裡有100個小紙盒且每個小紙盒上都貼有RAIN標籤,在隔壁的倉庫(Back Room)也同樣放了一個大紙箱內有100個小紙盒及標籤。

Photo: Test setup: 100 tags on the box in the Front Room, and another 100 tags in Back Rroom

我的目標是要讓識讀區只能讀取到會議室裡的100張標籤,但不要讀到倉庫裡任何一張標籤。在測試過程中,我在會議室將天線擺放在不同的位置並調整天線方向來模擬店員使用RFID手持機進行庫存盤點,並用Tagformance Population Analysis功能進行測試。

在沒有使用射頻阻隔材料下的測試結果 1. 不管天線如何擺設,都沒有辦法讀取到會議室裡的所有標籤,在一般情況下,只能夠讀取到85%~95%的標籤。有個明顯的挑戰,那就是會議室和倉庫之間的牆是不能阻擋射頻訊號的,我們藉由調整天線位置及方向,找到了可以讀取到會議室裡標籤的最佳位置,但同時也讀取到大量來自倉庫裡的標籤,甚至在會議室的某些位置,讀取到倉庫裡的標籤比會議室裡的標籤還多。

Figure 1: antenna position 1, tags scanned from the Front Room with different power levels
Figure 2: antenna position 1, tags scanned from the Back Room with different power levels
Figure 3: antenna position 11, tags scanned from the Front Room with different power levels
Figure 4: antenna position 11, tags scanned from the Back Room with different power levels

2. 雖然沒有一個特定天線位置擺設可以讀取到會議室裡全部的標籤,但只要將兩個不同天線位置測試結果組合在一起,就能讀取到會議室裡所有標籤 (在實際應用時,零售店家店員使用RF手持機來掃描商品,因為能夠自由調整手持機天線角度,所以能更輕易的讀取到全部的標籤),即使使用兩個不同天線位置可讀取到會議室裡所有的標籤,但同時也會讀取到來自倉庫裡90%以上的標籤。

3. 降低讀寫器的輸出功率仍然沒辦法改善以上問題,任何輸出功率都還是會讀取到來自倉庫的標籤。


4. 會議室和倉庫裡標籤的反向散射訊號強度是一樣的,在這情形下就無法透過調整RSSI Filter來篩選會議室和倉庫的標籤。


經過上述測試後,我發現調整天線擺設位置、讀寫器輸出功率、RSSI Filter或者使用兩個天線位置組合都沒有辦法區分會議室和倉庫裡的標籤。

讀寫器識讀區 – 使用ShieldSense™進行測試

我在會議室的牆壁貼上Avery Dennison ShieldSense™阻隔材料,同樣的,我將天線擺放在各種不同的位置,試圖找出最佳的識讀區設置。在此測試中,我還使用了Voyantic High-Power Kit將輻射功率提高到正常輸出功率以上 達到 39 dBm ERP輻射功率(含測試天線 增益約為 8 dB)。

Photo: Test setup without and with temporarily mounted ShieldSense™ (and not the prettiest wallpapering) with test equipment
使用射頻阻隔材料的測試結果

1. 我們發現使用ShieldSense™產生了極大的作用,會議室裡大部分天線擺設位置都不會讀到倉庫裡的標籤。

2. 還有一點值得注意的是,在原本的測試中,因為有一些標籤與牆壁的距離非常近,在使用ShieldSense™阻隔材料之後,導致那些標籤無法被讀取到 (因為ShieldSense™阻隔材料基本上就是金屬材質,它會影響標籤的讀取)。

Figure 5: antenna position 1, tags scanned from the Front Room with different power levels, ShieldSense™ in use. Some tags leaning against the wall
Figure 6: antenna position 1, tags scanned from the Front Room with different power levels, ShieldSense™ in use. any tag 10cm from the wall.
Figure 7: antenna position 1, tags scanned from Back Room with different power levels, ShieldSense™ in use

3. 但當Tagformance(讀寫器)的輸出功率調得更高時,在某些角度仍然可以讀到倉庫裡的標籤,這是因為訊號反射的關係,在本測試中,會議室牆上的射頻阻隔材料只阻擋一面牆,Tagformace(讀寫器)的訊號可能透過反射的關係間接啟動了在倉庫裡的標籤。

Figure 8: antenna position 6, tags scanned from Back Room with different power levels, ShieldSense™ in use

​4. 當我們仔細分析輸出功率和標籤反向散射強度後,就可找出讀寫器識讀區重要參數。譬如,RFID手持機的輻射功率是30dBm並將RSSI filter設定在-65dBm:

  • 在讀取率降至100%以下之前,將提供約5dB的安全值。在Figure 6圖中,雖Tagformance送出17dBm時只有約10%的標籤可被讀到(antenna position 1), 但如將天線擺設在多個不同位置時,我們發現100%的標籤都可被讀到。Tagformance所連接的天線增益是8dB,因此總輸出輻射功率為25dBm (17+8),所以如使用輻射功率為30dBm的RFID手持機,將裕留5dB的安全值。

  • 在讀取到倉庫內標籤前,提供約5dB的安全值。在Figure 8圖中,當Tagformance送出27.5dBm時,會讀取到第一張在倉庫內的標籤。如上所述,Tagformance所連接的天線增益是8dB,總輸出輻射功率是35.5dBm,所以如使用輻射功率為30dBm的RFID手持機,將裕留約5dB的安全值。

  • RSSI約有10dB的餘量。在Figure 8圖中(右邊),當Tagformance送出27.5dBm時,會讀取到第一張在倉庫內的標籤,其標籤反向散射強度約-67dBm,因Tagformance連接的天線增益是8dB,所以RSSI在RFID手持機上的強度會是約-75dBm,因此在這位置上(antenna position 6),RSSI約有10dB的餘量 (RSSI filter: -65dBm 或是讀寫器的接收靈敏度是-65dBm)。

從長遠來看,上述的安全餘量基本上可以確保整體RFID系統穩定可靠的運作。

5. 我相信如果能將ShieldSense™阻隔材料的覆蓋範圍擴大,而不是只覆蓋一面牆,並永久將ShieldSense™阻隔材料貼好(而不是暫時覆蓋在牆面上),安全餘量將增加幾個dB。

使用ShieldSense™阻隔材料,適當調整讀寫器輸出功率和RSSI Filter數值,就可以輕易的區分會議室和倉庫裡的標籤和避免誤讀,並預估系統安全餘量以確保穩定的標籤識讀。如您想進一步了解Tagformance,請和我司在亞太地區業務負責人連繫。



Source: Optimizing Counting Reliability With Well-Designed Reader Zoning

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