廖星星1，2，金 鋼1，2，陳孝光3
（1.中國科學院上海技術物理研究所，上海200083）
（2.中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海200083）
（3.上海聯物信息科技有限公司，上海200080））
摘 要： 當前RFID的行業應用大量涌現，而不同的行業及不同的應用對應著不同的環境，不同環境會對整個RFID系統的性能有很大影響，很多RFID系統工作在較嚴苛的環境中，設計不當極有可能導致整個RFID系統無法有效運行。本文利用正交試驗設計方法對RFID系統性能進行測試，并應用多元線性回歸方法分析獲得最優的方案參數。
關鍵詞： RFID；系統測試；正交試驗；多元線性回歸
0 引言
RFID技術[1]是一項多學科融合的新興應用技術，其基本原理不僅涵蓋了微波技術與電磁學理論，同時還涉及通信原理以及半導體集成電路等技術。隨著物聯網這一概念的興起，RFID技術逐漸普及開來，廣泛應用在智能實驗室、智能制造、智慧社區、交通運輸控制管理等眾多領域。
RFID系統性能與眾多因素有關系，研究多個因素對其性能的影響，不僅要考慮由于大量金屬存在及不規則貼附導致的讀取效果衰減甚至阻斷RFID信息的采集傳遞，還要考慮由于多個物品堆積，導致標簽被漏讀或誤讀情況。如果采用多因素完全方案進行實驗，可以得出不同因素之間的不同效應，如：簡單效應、主效應和交互效應。然而，因素量和因素水平一旦非常多，試驗的次數將急劇增多，這給研究帶來了極大的工作量，多次實驗也容易造成大量原料的浪費，因此該方案在因素量多的情況下不可取。
正交試驗法將各試驗因素、各水平區間的組合均勻搭配，合理安排，實現了因素和水平的均勻分散性和整齊可比性，極大地減少了RFID測試試驗次數，并且試驗結果能夠提供給我們較多的有用信息，是一種高效、經濟的試驗方法[2]。
1 正交實驗設計原理
正交試驗設計法是一種安排和分析多因素試驗的科學試驗設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出一部分有參考意義的點進行試驗，這些有代表性的點具備“均勻分散，齊整可比”的特點[3]。其基本工作是三個參數的選擇，分別是：指標、因素和水平[4]。指標是指試驗要優化的目標，即根據試驗目的選定的用來評定或衡量試驗效果的特性值。因素是指直接影響試驗指標的不同原因或成分，如RFID系統測試時天線的發射功率、出入通道的間距。水平是指試驗所選因素在試驗中由于狀態或者條件變化所取的不同數值，如RFID測試中天線的高度、小車通過通道的速度。
正交試驗設計原理是根據正交表來進行設計，正交表的代號通常可以表示為Ln(qm),其中，L表示這個正交表，n表示試驗的次數，q表示實驗的因素水平數，m表示實驗的因素個數，在RFID性能測試中表示為影響其性能的相關參數，在正交表中表示其列數。圖1是一個全面試驗和正交試驗的試驗設計方案對比圖。由圖1可知，一個三因素三水平的試驗，若采用全面試驗方案需要進行試驗27次實驗，而采用正交試驗方案只需要九次[5]，大大減少了實驗的次數。
2 RFID系統測試設備
本次RFID系統測試內容包括如下二部分內容：
（1）出入通道讀取性能實驗；
（2）貨品實時在位讀取性能實驗。
之所以選擇這兩個實驗，是因為“通道讀取”和“在位讀取”是考察RFID系統讀取性能非常重要的二個方面，根據RFID系統性能測試內容，需要使用的硬件如下：
固定式RFID讀寫器（型號為：Impinj Speedway Revolution R220）：由于現場測試環境較為復雜，工況較為惡劣、金屬較多，且要求讀寫器連續開機不出現掉機、死機、漏讀、誤讀現象，以及監控過程對實時性和穩定性有極高的要求，因此選擇性能較優異的UHF讀寫器。
RFID標簽（型號為：Tag-LNPA-01GL）：標簽的選擇需要根據現場具體的環境來確定，試驗選擇紙質背膠標簽。
RFID天線及附件（天線型號為：Laird AS9028/R30NF），附件選擇萬能全向天線附件LA-1020，其選擇為遠場圓極化的天線。該天線適用于遠場金屬較多的環境。
所有硬件測試設備實際拍攝如圖2所示：
3 實驗過程
3.1 出入通道讀取性能測試
布置典型的RFID出入庫通道如圖3所示，將待測標簽安裝于包裝箱上，在手推車上堆碼3層共計24只紙箱從外面推車通過RFID出入庫通道進入倉庫，完成自動出入庫通道測試。設定RFID標簽應用組合測試的輸入輸出模型[6]，如圖4所示。測試系統的輸入為功率恒定的讀寫器QUERY信號。
考核因素：
A1：出入庫通道間距；
B1：出入庫通道天線高度；
C1：紙箱標簽方位；
D1：手推車通過通道速度。
考核指標：
E1：讀取數量；
F1：讀取累計。
上述參數應用四因素三水平的正交試驗設計方法進行試驗設計，具體設計見表1。
RFID標簽應用組合測試系統部署完畢后，還需將正交表中的試驗號隨機重新排序，按照新的試驗號順序進行試驗，得到測試結果見表2所示。
3.2 貨品實時在位讀取性能實驗
布置典型的RFID倉儲貨架，將待測標簽安裝于包裝箱或其他工件上，在貨架上碼放三層每層8個共計24個工件，如圖5所示。利用可移動支架將天線放置到指定位置，開啟RFID系統進行RFID信息的靜態獲取，
完成實時在位性能測試。設定RFID標簽應用組合測試的輸入輸出模型，如圖6所示。測試系統的輸入為功率恒定的讀寫器QUERY信號。
考核因素：
A2：天線方位；
B2：天線與貨架水平間距；
C2：天線與貨架標高間高差；
D2：紙箱標簽方位。
考核指標：
E2：讀取個數；
F2：讀取累計。
上述參數應用于正交試驗設計方法進行試驗設計。具體設計如表3。
由正交試驗設計法則，設計正交試驗如表4。
4 實驗結果分析
4.1 出入通道讀取性能測試結果分析
由表2測試結果可知，標簽被讀取的數量均為24個，全部被掃描到。因此該測試中讀取數量為一個常數因變量，因而只需考核讀取累計和讀取速率兩個因變量與上述四個自變量因素之間的關系。
對表2數據進行分析讀取累計與各因素之間的關系如圖7所示。
圖7中的橫坐標1，2，3分別代表每個因素的第一個、第二個、第三個因素水平。由圖7可以得出，讀取累計跟標簽通過速度是負相關的，通過速度越大，讀取累計量越小。因此對出入RFID通道的貨物必須要設計合適的通過速度，同時盡量安排標簽位于貨物的頂部出入庫，因為在頂部標簽被識別的次數更多。天線的高度設置的過高或過低對讀取累計都有一定的影響,出入通道間距大時，讀取累計也表現出增多的趨勢。
根據表2的試驗結果進行方差分析[4]，在方差分析計算中，總離差平方和為：
其中，xi為正交試驗結果，n正交試驗的次數，因素離差平方和Q為：
其中，g為正交試驗的次數n與因素水平數q的比值，自由度=因素水平數-1；
設F1為讀取累計，A1為出入通道間距，B1為天線高度，C1為標簽方位，D1為通過速度。則可以得出本貨品實施在位讀取性能實驗相關參數的線性回歸方程為：
F1=1369.65+86.74A1+151.66B1-39.66C1-299.55D1
根據表2試驗結果計算可知，R2=0.96，接近于1，表明線性相關性較強；F=23.55>F0.05（4，3）=9.12，因而方程整體比較顯著。
4.2 貨品實時在位讀取性能測試結果分析
試驗2結果，可以得出讀取數量有尚無讀取完全的。因此該測試中讀取數量為一個致命因素，編號3/4/8為需要避免的RFID讀寫參數。需考核讀取速率和讀取累計量兩個因變量與上述四個自變量因素之間的關系。
對表4數據進行分析讀取累計與各因素之間的關系如圖8所示。
圖8中的橫坐標1，2，3分別代表每個因素的第一個，第二個，第三個因素水平。由分析圖表直觀得出，在實時在位讀取的時候，讀取累計跟天線方位、天線與貨架水平距離、天線與貨架標高間高差都是負相關的，其中天線正對的時候讀取效果最好，天線與貨架水平距離小的時候，其效果也更好。天線方位為正對標簽、天線與貨架水平距離1 m、天線與貨架標高間高差0.7 m、標簽方位全部置頂為最好的讀取累計配置。
設F2為讀取累計，A2為出入通道間距，B2為天線高度，C2為標簽方位，D2為通過速度。則可得出本貨品實施在位讀取性能實驗相關參數的線性回歸方程為：
F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2
由表4試驗數據計算可得R2=0.92，接近1，表明線性相關性較強，F=12.08>F0.05（4，3）=9.12因而方程整體顯著。
5 結束語
RFID系統性能測試試驗結果證明正交試驗設計是一種非常實用且相對簡單的解決多指標問題的工具，可以在多因素、多水平的情況下迅速制定測試方案。對試驗產生的多組數據，還可以通過回歸的方法進行分析，建立回歸方程，以便建立試驗的輸入輸出模型。借助該試驗方法進行RFID系統性能測試，大大降低了測試時間成本，提高了測試效率，且不影響測試的最終結果。
參考文獻
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[6]劉禹,朱智源.基于試驗設計的RFID應用組合測試優化研究[J].自動化學報.2010, 36(12):1674-1679.