rfid射频识别技术测试题（rfid通信过程及灵敏度测试）
如何设计正交试验正交试验设计 在RFID系统性能测试中的应用
廖1、2，靳刚1、2，陈3
(1)中国科学院上海技术物理研究所，上海200083
2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200083。
(3)上海联物信息技术有限公司，上海200080)
摘 要:目前，RFID有大量的行业应用，不同的行业和应用对应不同的环境。不同的环境会对整个RFID系统的性能产生很大的影响。许多RFID系统工作在恶劣的环境中，不当的设计将很可能导致整个RFID系统的无效运行。本文采用正交设计 对RFID系统的性能进行测试，通过多元线性回归分析得出更优方案参数。
0 引言
RFID技术[1]是一门多学科融合的新型应用技术。其基本原理不仅涵盖微波技术和电磁理论，还包括通信原理和半导体集成电路技术。随着物联网概念的兴起，RFID技术逐渐普及并广泛应用于智能实验室、智能制造、智能社区、交通控制管理等诸多领域。
RFID系统的性能与许多因素有关。研究多种因素对其性能的影响，不仅要考虑大量金属的存在和不规则附着导致读取效果衰减甚至阻断RFID信息的收集和传输，还要考虑多项积累导致标签漏读或误读的情况。如果采用多因素完全方案进行实验，可以得到不同因素之间的不同效应，如简单效应、主效应、交互效应等。一旦因素的数量和层次非常大，实验的数量就会急剧增加，给研究带来很大的工作量，很多实验很容易浪费大量的原材料。，在多种因素的条件下，这种方案是不可取的。
正交试验法是一种高效、经济的试验 ，它将试验因素和水平区间的组合均匀匹配并合理安排，实现了因素和水平的均匀分散和整齐可比，大大减少了RFID试验次数，试验结果可以为我们提供更多有用的信息[2]。
1 正交实验设计原理
正交试验设计法是一种安排和分析多因素试验的科学试验设计 。它根据正交性从综合实验中选取一些参考点，这些代表点具有 均匀分散、均匀性和可比性 [3].其基本工作是三个参数的选取，即指数、因子和水平[4]。指标是指测试中需要优化的目标，即根据测试目的选取的评价或衡量测试效果的特征值。因素是指直接影响测试指标的不同原因或成分，如RFID系统测试时天线的发射功率、接入通道之间的距离等。水平是指测试中所选因素因状态或条件的变化而取的不同值，如RFID测试中天线的高度、汽车通过通道的速度等。
正交实验的设计原理是基于正交表的，正交表的代码通常可以表示为Ln(qm)，其中L表示这个正交表，N表示实验的次数，Q表示实验中的因素个数，M表示实验中的因素个数，表示为RFID性能测试中影响其性能的相关参数，以及正交表中的列数。图1是综合试验和正交试验的试验设计方案对比图。从图1可以看出，一个三因素三水平的实验，如果采用综合实验方案，需要27次实验，而如果采用正交实验方案，只需要9次实验[5]，大大减少了实验次数。
2 RFID系统测试设备
该RFID系统测试包括以下两个部分
(1)访问通道读取性能实验；
(2)商品实时原位阅读性能实验。
选择这两个实验是因为 荣誉勋爵
固定式RFID阅读器(型号Impinj速途Revolution R220):由于现场测试环境复杂，工作条件恶劣，金属多，要求阅读器连续开机不停机、不死机、不漏读、不误读，监控过程对实时性和稳定性要求极高，所以选用了性能优异的UHF阅读器。
RFID标签(型号Tag-LNPA-01GL):标签的选择需要根据场地的具体环境来确定，实验选用纸质不干胶标签。
RFID天线及配件(天线型号Laird AS9028/R30NF)，配件为通用全向天线配件LA-1020，选用为远场圆极化天线。该天线适用于远场金属较多的环境。
所有硬件测试设备的实际拍摄如图2所示
3 实验过程
3.1 出入通道读取性能测试
典型的RFID访问通道如图3所示排列。待测标签安装在包装箱上，三层共24个纸箱堆放在台车上。台车从外部通过RFID出入通道进入仓库，完成自动出入通道测试。设置RFID标签应用组合测试的输入输出模型[6]，如图4所示。测试系统的输入是一个恒定功率的读写器查询信号。
评估因素
A1:通道之间的距离；
B1:接入信道的天线高度；
C1:纸盒标签的定位
D1:电车通过通道的速度。
评估指标
E1:阅读次数；
F1:读积累。
上述参数采用四因素三水平的正交试验设计 进行设计，具体设计见表1。
在部署RFID标签应用组合测试系统之后，
还需将正交表中的试验号随机重新排序，按照新的试验号顺序进行试验，得到测试结果见表2所示。3.2 货品实时在位读取性能实验
布置典型的RFID仓储货架，将待测标签安装于包装箱或其他工件上，在货架上码放三层每层8个共计24个工件，如图5所示。利用可移动支架将天线放置到指定位置，开启RFID系统进行RFID信息的静态获取，
完成实时在位性能测试。设定RFID标签应用组合测试的输入输出模型，如图6所示。测试系统的输入为功率恒定的读写器QUERY信号。
考核因素
A2天线方位；
B2天线与货架水平间距；
C2天线与货架标高间高差；
D2纸箱标签方位。
考核指标
E2读取个数；
F2读取累计。
上述参数应用于正交试验设计 进行试验设计。具体设计如表3。
由正交试验设计法则，设计正交试验如表4。
4 实验结果分析
4.1 出入通道读取性能测试结果分析
由表2测试结果可知，标签被读取的数量均为24个，全部被扫描到。该测试中读取数量为一个常数因变量，因而只需考核读取累计和读取速率两个因变量与上述四个自变量因素之间的关系。
对表2数据进行分析读取累计与各因素之间的关系如图7所示。
图7中的横坐标1，2，3分别代表每个因素的之一个、第二个、第三个因素水平。由图7可以得出，读取累计跟标签通过速度是负相关的，通过速度越大，读取累计量越小。对出入RFID通道的货物必须要设计合适的通过速度，尽量安排标签位于货物的顶部出入库，因为在顶部标签被识别的次数更多。天线的高度设置的过高或过低对读取累计都有一定的影响,出入通道间距大时，读取累计也表现出增多的趋势。
根据表2的试验结果进行方差分析[4]，在方差分析计算中，总离差平方和为
其中，xi为正交试验结果，n正交试验的次数，因素离差平方和Q为
其中，g为正交试验的次数n与因素水平数q的比值，自由度=因素水平数-1；
设F1为读取累计，A1为出入通道间距，B1为天线高度，C1为标签方位，D1为通过速度。则可以得出本货品实施在位读取性能实验相关参数的线性回归方程为
F1=1369.65+86.74A1+151.66B1-39.66C1-299.55D1
根据表2试验结果计算可知，R2=0.96，接近于1，表明线性相关性较强；F=23.55gtF0.05（4，3）=9.12，因而方程整体比较显著。
4.2 货品实时在位读取性能测试结果分析
试验2结果，可以得出读取数量有尚无读取完全的。该测试中读取数量为一个致命因素，编号3/4/8为需要避免的RFID读写参数。需考核读取速率和读取累计量两个因变量与上述四个自变量因素之间的关系。
对表4数据进行分析读取累计与各因素之间的关系如图8所示。
图8中的横坐标1，2，3分别代表每个因素的之一个，第二个，第三个因素水平。由分析图表直观得出，在实时在位读取的时候，读取累计跟天线方位、天线与货架水平距离、天线与货架标高间高差都是负相关的，其中天线正对的时候读取效果更好，天线与货架水平距离小的时候，其效果也更好。天线方位为正对标签、天线与货架水平距离1 m、天线与货架标高间高差0.7 m、标签方位全部置顶为更好的读取累计配置。
设F2为读取累计，A2为出入通道间距，B2为天线高度，C2为标签方位，D2为通过速度。则可得出本货品实施在位读取性能实验相关参数的线性回归方程为
F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2
由表4试验数据计算可得R2=0.92，接近1，表明线性相关性较强，F=12.08gtF0.05（4，3）=9.12因而方程整体显著。
5 结束语
RFID系统性能测试试验结果证明正交试验设计是一种非常实用且相对简单的解决多指标问题的工具，可以在多因素、多水平的情况下迅速制定测试方案。对试验产生的多组数据，还可以通过回归的 进行分析，建立回归方程，以便建立试验的输入输出模型。借助该试验 进行RFID系统性能测试，大大降低了测试时间成本，提高了测试效率，且不影响测试的最终结果。
参考文献
[1]FUHRER P, GUINARD D, LIECHTI O. RFID:from concepts to concrete implementation[C].Proc of IPSI,2006.
[2]刘瑞江,张亚旺.正交试验设计和分析 研究[J].实验技术与管理.2010, 27(9):52-55.
[3]喻为民,胡晶晶,李俊.正交实验设计及其在铁氧体配方选择上的应用.2013,18:10-11
[4]石志超.超声气化蒸汽驱动的排尿助力系统试验研究与正交试验设计[D].广州:广东工业大学，2014.
[5]董如何,肖必华等.正交试验设计的理论分析 及其应用[J].安徽建筑工业学院学报.2014,12(6):103-106.
[6]刘禹,朱智源.基于试验设计的RFID应用组合测试优化研究[J].自动化学报.2010, 36(12):1674-1679.
rfid通信过程及灵敏度测试 rfid系统测试的具体做法