Статья:

Характеристика акустической RFID-метки в 3-х осевой зоне чтения

Конференция: L Студенческая международная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Юрчик А.А., Алексеев А.А. Характеристика акустической RFID-метки в 3-х осевой зоне чтения // Молодежный научный форум: электр. сб. ст. по мат. L междунар. студ. науч.-практ. конф. № 20(50). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_interdisciplinarity/20(50).pdf (дата обращения: 23.07.2019)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Характеристика акустической RFID-метки в 3-х осевой зоне чтения

Юрчик Александр Андреевич
студент, Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, РФ, г. Санкт-Петербург
Алексеев Алексей Александрович
студент, Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, РФ, г. Санкт-Петербург
Кононов Олег Александрович
научный руководитель, канд. техн. наук, доцент БГТУ "ВОЕНМЕХ", РФ, Санкт-Петербург

 

Аннотация - В этой статье мы представляем характеристику объемного чтения для акустических RFID-систем. Измерения S21 параметра проводились в реальной среде с фиксированной антенной и подвижной меткой внутри объема 30 × 30 × 30 см 3 , Полученным результатом является зона считывания для данной установки. Проведен качественный анализ, показывающий считываемость метки в трехмерном пространстве.

В этом исследовании мы показали, что наибольшая область считываемости составляет приблизительно 300 см 2 с вероятностью успеха чтения 40% внутри этой области.

 

ВВЕДЕНИЕ

Акустические RFID метки стали постоянно развивающейся темой для исследований, учитывая то, что они предлагают решение для автоматической идентификации, которое может конкурировать с традиционными системами штрих-кодов, позволяя считывать данные в режиме прямой видимости, сохраняя при этом низкую стоимость по сравнению с традиционными системами RFID. Аналогично вышеупомянутым системам идентификации, акустическая RFID-система состоит из: метки, содержащей определенную резонирующую структуру; считывателя, который отправляет сигнал запроса и принимает сигнал, отраженный меткой; и базы данных - которая декодирует полученную информацию и связывает ее с уникальным идентификатором [1]. Многие исследования посвящены увеличению способности кодирования меток и уменьшению их размеров, как можно видеть в [2], в целом, указывая их временные или частотные характеристики. В некоторых работах, в основном сфокусированных на считывателе, упоминается диапазон считывания системы для меток, расположенных прямо перед антенной, как видно на [3].

В этой работе мы сконцентрируемся на характеристике объема в пространстве, в котором акустическая RFID-метка правильно декодируется, и проанализируем результаты, полученные в ходе проведения исследований по локализации метки, расположенной в объеме 30 * 30 * 30 см3.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Используемая конфигурация установки показана на рис. 1. Установка была размещена в реальной среде, в окружении объектов, без использования какого-либо материала, абсорбирующего электромагнитное излучение.

Антенна расположена вверху на неподвижном кронштейне в моностатической конфигурации. Используемая антенна представляет собой широкополосный четырехполюсный передатчик с двойной поляризацией (SATIMO QH2000), который может работать в диапазоне 2–32 ГГц и имеет усиление в диапазоне от 6 до 11 дБи в одном направлении. Полоса пропускания от 2 до 10 ГГц. Эта антенна подключена к портативному микроволновому анализатору FieldFox (Keysight N9918A) с выходной мощностью 10 дБм. Порт 1 подключен к порту антенны вертикальной поляризации для передачи, а порт 2 подключен к антенне горизонтальной поляризации для приема. Поэтому параметр S21 обеспечивает ответ метки при кросс-поляризации(VH). Метка помещается вниз на конце механического подвижного рычага, который управляется программным обеспечением. Начальное положение метки - находится в центре перед антенной, на расстоянии 0,2 см, что соответствует начальному положению, заданному координатами . Рычаг может перемещаться внутри заданного объема, определенного   как , а также , что соответствует красному прямоугольнику, изображенному на рис. 1. Применяемый шаг смещения составляет 1 см по одному осевому направлению за раз. Всего было выполнено 29791 измерений, каждое для отдельного набора координат внутри описанного объема.

 

Рисунок 1. Настройка конфигурации в реальной среде

 

Для каждой позиции мы измеряем отклик метки и вычитаем «пустое» значение, которое было измерено ранее, только один раз, без присутствия метки. Это делается для устанвление прямой связи между антеннами и воздействием окружающей среды [3, 4]. Все измерения были сделаны без использования временных методов.

Для этого исследования все измерения были выполнены с использованием эполяризационной метки, представленной в [4], показанной в верхнем левом углу рисунка 1. Эта метка была реализована с 0,8 мм подложкой RO4003 (£r= 3,55, tanϭ = 0,0025). ) и заземляющей подложкой, которая имеет общую поверхность 8,5 * 5,3 мм2. Она содержит восемь независимых резонаторов, каждый из которых состоит из набора из пяти одинаковых закороченных полосковых диполей, ориентированных под углом 45°. Каждый из этих резонаторов связан с одной пиковой частотой, между 3 и 7 ГГц. Идентификатор метки определяется положением этих восьми резонансов, которые определяются длинами каждого набора диполей.

 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ

В этом разделе сначала описывается метод декодирования для используемой метки, а затем описание и оценка объема чтения. На рис. 2 (а) и (б) показаны два примера измерения S21 для ранее описанной метки. Для декодирования этой метки общая ширина полосы делится на 8 полос по 400 МГц, которые, в свою очередь, делятся на 4 подполосы по 100 МГц. Положение пика в каждой полосе определяет 2 бита результирующего кода, за исключением восьмого резонатора, который имеет только две возможные полосы и может кодировать один бит (определяется из-за низкой добротности контура). Следовательно, общая емкость этой метки составляет 15 бит. На рис. 2 (а) представлено правильное считывание метки для положения (0, 0, 13) см, где каждый пик расположен в правильном поддиапазоне для кодирования всех нулей (обозначенных зеленым прямоугольником). Рис. 2 (b) показывает неправильное считывание метки для позиции (1, -6, 13) см, где четвертый пик неправильно декодирован как «11».

 

Рисунок 2. Измерение S21: (a) Пример правильного считывания акустической RFID-метки при положении (0,0,13) см; (б) неправильное чтение метки с положением (1, -6, 13) см

 

На рис. 3 (а) мы видим объем, в котором метка может быть правильно прочитана. Синие маркеры соответствуют правильному чтению метки, а отсутствие маркера указывает на позиции, где метка не была прочитана. Мы можем видеть, то что когда метка находится в непосредственной близости от антенны (например, z = 1 см), область, в которой она считывается, мала и центрируется непосредственно перед антенной, так как z увеличивается, и метка находится дальше от антенны, соответствующая область чтения также увеличивается. Обратите внимание, что метка может быть правильно прочитана в ближней зоне. Однако для качественного сравнения мы также представляем измеренную диаграмму направленности SATIMO QH2000, рис. 3 (б). Мы можем видеть, что объем чтения связан с диаграммой направленности антенны. Несмотря на то, что область считывания увеличивается с расстоянием, при z> 20 см мы замечаем, что даже в области с центром перед антенной метка может быть неправильно декодирована, это связано с меньшей принимаемой мощностью на этих расстояниях.

Следовательно, существует компромисс между областью чтения и способностью правильно читать метку. Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, мы определяем область считывания в виде прямоугольника, который включает в себя все правильные показания, выполненные в этой плоскости, а показатель успешности считывания определяется числом правильных показаний по количеству позиций внутри этой области. Результаты представлены на рис. 4 для разных плоскостей и суммированы в таблице 1. Мы видим, что область считывания достигает более 300 см2 для z ≥15 см. Показатель успешности чтения начинает уменьшаться при z ≥ 25см.

 

Рисунок 3. Трехмерная характеристика: (а) представление объема, в котором метка читается правильно; (b) Диаграмма направленности, измеренная для вертикального расположения антенны, при 5,5 ГГц

 

Рисунок 4. Положения, где метка был успешно прочитана (красным) для разных плоскостей xy

 

Таблица 1. 

Область чтения и уровень успешности для различных состояний

z (cm)

5

10

15

20

25

30

Область(cm2)

13×13

17×14

18×18

18×19

18×18

9×18

Уровень считываемости

40.8%

39.0%

40.0%

29.5%

11.0%

14.2%

 

ВЫВОДЫ И БУДУЩАЯ РАБОТА

В этой статье мы охарактеризовали трехмерную зону считывания для акустической RFID-системы, определили максимальное расстояние считывания, зоны считывания и соответствующие показатели успешности для разных расстояний, мы увидели, что эти результаты связаны с диаграммой направленности антенны и имеют компромисс между этими факторами. Мы также увидели, что считывание можно проводить в ближней зоне, точнее в тех областях, где плотность электромагнитной энергии высока.

Дальнейшая работа может принять во внимание различия, наблюдаемые в объеме чтения для меток и без заземления; сравнить производительность различных методов декодирования; включить более обширное исследование, включающее ориентацию метки относительно антенны считывателя; провести аналогичное исследование для системы, состоящей из метки и недорогого RFID-считывателя [3].

 

Список литературы:
1. E. Perret, “Radio Frequency Identification and Sensors: From RFID to Chipless RFID,”. John Wiley & Sons, 2014. 
2. I. Aminul, N. C. Karmakar. "A novel compact printable dual-polarized chipless  RFID  system." IEEE Trans. Microw. Theory  Techn.,  vol. 60, no. 7, pp. 2142-2151, 2012. 
3. M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa. “Chipless RFID Reader Design for Ultra-Wideband Technology: Design, Realization and Characterization”. ISTE - Elsevier, 2018. 
4. A. Vena, E. Perret and S. Tedjni, "A Depolarizing Chipless RFID Tag for Robust Detection and Its FCC Compliant UWB Reading System," in IEEE  Transactions  on Microwave  Theory  and  Techniques,  vol.  61, no. 8, pp. 2982-2994, Aug. 2013.