电磁屏蔽在RFID系统自动分拣集中识别中的应用研究
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摘 要 在自动分拣集中识别中，由于RFID系统的阅读区范围过大而且有效阅读边界模糊，会出现多个电子标签同时被读取，而导致分拣出错。本文通过研究电磁屏蔽原理以及屏蔽材料，提出利用电磁屏蔽解决RFID系统的天线阅读区边缘识读率不稳定现象，并设计出了一种简单的屏蔽箱，对其效果进行测试，实验结果证实了此理论。
关键词 集中识别；RFID；电磁屏蔽
引言
RFID可以在非接触、运动状态下多目标自动识别，这一优势在物流行业相当适用[1]。尤其是物流仓库中的入库、自动分拣等运动状态下的物流信息采集过程，货物需要在运动状态下被识别，RFID技术能够达到此目的，因此RFID的性能直接影响了物流各个环节的信息采集的准确性。
通过查阅文献发现国外的物流行业已较早地使用了RFID，但国内仍在起步阶段。1996年许胜余总结分析物流行业的自动分拣技术，经历了人工分拣、机械分拣和自动分拣的三个过程[2]。2008年肖筠、张小强结合RFID技术，设计了快递物流配送系统，在分拣系统的入库传送带的始端设置一个阅读器[3]。2013年孙勇军的基于RFID技术的邮区中心局总包生产作业流程设计中，由于还是处于理论阶段，并没有利用RFID进行信函分拣，分拣过程中，安置于格口内的RFID接收器扫描放入的信件是否为本格口信息，不是则报警，提醒分拣人员剔出[4]。
可靠的RFID识读率是RFID技术应用于自动分拣系统成功的关键。经研究发现在自动分拣集中识别中，由于RFID系统的阅读区范围过大而且有效阅读边界模糊，会出现多个电子标签同时被读取，而导致分拣出错。调整天线方向和改变阅读器的发射功率虽能够改变天线有效阅读区的大小，但是有效阅读区的边缘识读率不稳定。不稳定的识读区过大，会导致标签读取顺序和位置不一致，即先进入阅读区的有可能被后读取，这会使分拣信息出错[5]。
本文根据电磁屏蔽原理，设计出了一种简单的屏蔽箱，利用屏蔽箱改变RFID系统阅读区的形状，进而解决了阅读区边缘识读率不稳定现象，保证阅读器一次只能读取一个标签，为RFID技术在自动分拣集中识别中的应用提供了技术支持。
1 电磁屏蔽原理
RFID是依靠电磁波通讯的电子通信技术，在复杂的应用环境下，会受到一定的电磁场干扰[6]。
电磁屏蔽原理和光入射玻璃发生的反射和折射而损耗的原理很相似。电磁屏蔽是利用屏蔽体的发射、衰减等使得电磁辐射场源所产生的电磁能流不进入被屏蔽区域[7]。屏蔽材料屏蔽电磁传播，通常用三种不同的原理使电磁波衰减：①未被反射部分，进入屏蔽体被吸收损耗；②在入射表面的发射损耗；③在屏蔽体内部发生多重反射而损耗。
2 屏蔽测试实验
2.1 测试平台
搭建RFID系统的测试环境，建立RFID测试平台，为RFID的性能测试提供了必要的保障。为了实验屏蔽材料对天线阅读区的影响，装备屏蔽箱体，通过吸收、反射和多重反射电磁波，而将阅读区的边界变得明确。
RFID测试环境主要包括三个方面：①硬件设备：固定式阅读器、阅读器天线、电子标签（含纸质标签、抗金属标签）、胶带输送机、纸箱；②测试软件：RFID系统测试软件。③屏蔽材料：本实验的屏蔽箱体采用304不锈钢作为屏蔽材料，304不锈钢是一种韧性高、加工性能好的常用工业材质。因含有18%的铬以及8%以上的镍，具有高达1.37的电导率和较低的磁导率，所有较高的反射损耗，304不锈钢的屏蔽效能优良，大于80dB。
屏蔽箱体是一个多处开了口的长方体箱体，底部完全开口，货物运行的方向两侧开口大小完全相同，能满足实验货物通过，箱体頂部正中开口，大小刚好能容纳RFID天线，为了保证一定的物理强度，以及良好的屏蔽效果，屏蔽箱体厚度为1mm。
2.2 屏蔽测试内容
为测试屏蔽设备对实验效果的影响，进行以下几组实验：
（1）在不装备屏蔽箱体的情况下，固定传送带速度为1m/s和阅读器的发射功率15dBm，分别测试两种标签间距在10cm、15cm和20cm时的动态识读率。
（2）在安装屏蔽箱体的情况下，固定传送带速度为1m/s和阅读器的发射功率15dBm，分别测试两种标签间距在10cm、15cm和20cm时的动态识读率。
2.3 测试实验
实验一：将标签粘贴在尺寸大小一致的纸箱上，并保证标签在纸箱上的相对位置一致。不装备屏蔽箱体，固定发射功率15dBm，在传输带1m/s的速度下，测试标签不同间距下识读情况，当先进入识读区的标签被先读到，后进入识读区的标签后被阅读则视为成功的阅读，否则称为失败。贴有标签的纸盒从远处，随着传送带进入阅读区，设置标签间距为10cm、15cm、20cm三组情况，每组测试100次，测试标签间距对RFID连续识读的影响，两种标签的连续识读成功率和间距关系。
实验二：在上述的测试平台的基础上增设一个屏蔽罩，其他条件不变，测试三组数据。
通过数据分析，在15dBm的发射功率下，不同间距下的识读成功率不同，间距越大集中识读的成功率越高，间距越小集中识读的成功率越低，其中抗金属标签比纸质标签测试时的整体成功率高。在没有安装屏蔽箱时，识读区边缘的不稳定区域很大，当相邻标签间距大于不稳定区范围时，集中识读才具有较高的成功率。
对比两个实验，在安装屏蔽箱后，集中识读的成功率整体得到了提高，当标签间距在10cm时，成功率最低的纸质标签已经达到了83%；当标签间距在15cm时，抗金属标签的成功率达到了100%，而纸质标签的成功率也达到98%；当标签间距在20cm时，纸质标签和抗金属标签的连续识读成功率都达到了100%。
在自动分拣系统中，货物的间距是影响分拣效率的一项重要指标。当今的大部分自动分拣系统中，货物之间的间距在15cm左右。从测试结果可知，通过增设屏蔽设备有达到成功率100%连续识读的可能。 3 结论与展望
本论文对RFID技术在自动分拣集中识别中的应用进行了测试研究，通过测试分析，确定了增加屏蔽设备可以解决RFID在自动分拣集中识别中的天线有效阅读区的边界问题。不但对RFID在自动分拣集中识别中的应用具有指导意义，对RFID技术的应用推广也具有示范借鉴意义。
本论文通过增加屏蔽箱体，提高了集中识别的成功率，改善了天线的阅读区。屏蔽测试结果显示：安装屏蔽箱体后测，当标签间距10cm时，纸质标签识读成功率提高了28%，抗金属标签的识读成功率提高了32%；当标签间距15cm时，纸质标签识读成功率提高了40%，抗金属标签识读成功率提高了36%；当标签间距20cm时，纸质标签识读成功率提高了30%，抗金属标签识读成功率提高了20%。
虽然本论文为模拟自动分拣集中识别做了相关研究，取得了一些进展，但是所做的工作仅仅是一个初步的探索，由于研究水平和条件限制，本文的研究工作也存在一些亟待改进解决的问题，如在研究屏蔽设备对RFID阅读区的影响时，只做了简单的测试研究，并没有从原理上定量的分析屏蔽后的电磁场的分布情况。今后还需要在该方面做深入的研究。
参考文献
[1] 孙光付.RFID及其在物流配送中的应用[D].武汉：华中科技大学，2005.
[2] 许胜余.自动分拣系统及其应用[J].物流技术与应用，2002，（03）：33-39.
[3] 肖筠，张小强.基于RFID的快递物流配送系统设计[J].经营管理者，2008，（1）：17-20.
[4] 孙勇军.基于RFID技术的邮区中心局总包生产作业流程设計[J].邮政研究，2013，（02）：14-16.
[5] A.Lehto，J.Nummela，L.Ukkonen，L.Syd?nheimo，and M.Kivikoski.Passive UHF RFID in paper industry：Challenges，benefits and the application environment [J].IEEE Trans. Autom.Sci.Eng，2009，（1）：66-79.
[6] 焦重庆，牛帅.开孔矩形腔体的近场电磁屏蔽效能研究[J].物理学报，2013，（11）：234-242.
[7] 赵灵智，胡社军，何琴玉，等.电磁屏蔽材料的屏蔽原理与研究现状[J].包装工程，2006，（02）：1-4.
作者简介
胡琛（1990-），男，天津市人；毕业院校：天津科技大学，专业：物流工程，学历：硕士研究生，现就职单位：天津科技大学，研究方向：物流工程。
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