RFID 系統測試和故障檢修

1. RFID系統測試和故障檢修 建國科技大學 資管系 饒瑞佶

2. RFID目前還不夠人性化 • RFID目前還不是ㄧ個隨插即用的科技 • 因此RFID業界會面臨到市場擴充速度緩慢的問題，因為它還不是非常的方便 • 希望硬體設備是複雜的，但是使用者只要購買、拆封與啟動就可以使用，可以大大提高使用者對於採用RFID設備的意願 • 讀取率與預期值是有一段差距的 ，導致很多使用者認為這項科技還不到成熟上市的地步

3. 改善不人性化的問題 • 在導入與使用RFID技術的過程中有經驗的人士來加以監督與幫忙，可以改善大部分問題 • 未來您要可以正確地評斷出效能差的原因並且加以改善 • 找出系統表現效能降低的因素 • 有能力解決一個實際RFID系統所面臨的問題

4. RFID系統效能表現的相關議題 • 思考哪裡可能會發生問題？我們的因應方式是什麼？ • 讀取器效能 • 天線的腳色與重要性 • 電子標籤的影響 • 中介軟體

5. 讀取器效能 • 讀取器決定了辨識區域效能的絕大部分表現，其中又以讀取功率的大小為最大的影響因子 • 大多數人在意的是讀取率與正確性，但是讀取器如何有效率的將資料傳送到目的地也是很重要的議題 • 大部分製造商的讀取器各個通訊埠的輸入功率非常不均勻，有些甚至會不能運作 • 讀取器的操作溫度，過高的溫度會使效能大降，溫度過低，效能又會比平均值略低

6. 天線的腳色與重要 • 天線是讀取器賴以完成與標籤間通訊的裝置 • 天線負責傳遞RF訊號的方式跟應用的場合有關 • 天線設計的好壞會直接影響到讀取器的讀取效能

7. RFID UHF天線 • UHF天線有線性（linear）與圓形（circularly）化兩種 • 線性天性的訊號集中，但需要有固定範圍的讀取方向，RF訊號就像是光線穿過百葉窗中間的空隙般，方向固定且垂直，所以標籤需要在這個窄的方向上才能被讀取到 • 不過線性天線的訊號較為集中，所以在讀取距離上可以比圓形化天線遠 • 圓形化天線將RF訊號採用漩渦狀方式放射，可能是順時鐘或是逆時鐘，訊號讀取涵蓋範圍較大，對於讀取方向的限制也較小

8. RFID HF天線 • HF天線是另ㄧ種常用的天線，標籤與天線間透過感應耦合方式來完成通訊 • 讀取距離近 • 製作與調校上也較為方便，因為天線主要是由一圈圈圍繞的線圈所構成，主要是要調校到公用的頻率13.56 MHz上 • 隨著不同的應用可以將天線形狀做成各式不同的形狀與外觀 • 大部分HF的天線都被設計成與主硬體架構分開 • 可能只要一個螺絲旋緊程度的變化，就足以造成頻率的移位

9. 電子標籤的影響 • 被動式標籤對於週遭物件事很敏感的，如果將標籤貼附在有金屬與液體等存在的物品上，將會大大影響電子標籤原本的運作效能 • 讀取器與天線都可以因為電子標籤被設計與調校成有最佳的讀取效能，但是如果當電子標籤損壞或無法讀取時，將會拖垮整個系統的表現 • 主動式還需要注意到電池壽命的問題，電池的使用壽命主要取決於訊號發射的強度與頻率

10. 中介軟體 • 中介軟體不會直接對於辨識區域的效能造成直接影響 • 但是它可以設定讀取器內的參數，所以可能會對花了數個小時才調校完成的讀取器造成間接的影響 • 在操作中介軟體之前，最好對於軟體功能與其跟讀取器間的溝通方式做個了解 • 部份的中介軟體只能針對讀取器內的ㄧ兩個參數，例如功率與讀取頻率進行調整，但是讀取器內可以進行微調的項目大多多於這個數目 • 從通訊的觀點，應該確切了解讀取器是固定傳送資訊給中介軟體還是當有事件發生時才會傳送。最後要決定要設置多少的過濾機制，好讓中介軟體不會隨便就產生動作

11. 中介軟體 vs. 韌體 • 不要把韌體與中介軟體給搞混淆了 • 韌體是出廠時就內建在讀取器內，除非是要升級讀取不同形式的電子標籤這種狀況時才需要更新

12. 系統問題可能發生原因的判定 • 天線可能會在運送過程中因為投遞人員的拋擲而損壞 • 連接線可能會因為打結糾纏而損壞 • 讀取器放置的位置可能會產生過熱現象等 • 兩點在故障排除上很重要的檢查過程： • 檢查週遭環境 • 檢查RFID系統本身

13. RFID故障排除 • FID系統可能會面臨到電子標籤、讀取器與天線等問題，檢查與診斷時還是有些邏輯步驟可以採用 • 週遭環境，這個在第一次進行系統安裝設定時尤其重要，雖然後續環境的狀態可能會發生變化

14. 讀取器故障排除 • 將讀取器重新開機 • 確定讀取器內有最新的韌體 • 確定讀取器可以跟外界進行正常溝通 • 目視連接線是否連接正常 • 確定天線的設定是正確的

15. RFID連接線 I • 電纜線在RFID系統中是一定需要的，但卻也是在系統設計上被了解最少的 • 可以說即使三大單元都使用最好的產品，但是如果RF訊號的傳送介質不適當，仍然是會對系統的穩定度等造成影響 • 所以選擇正確的電纜線與安裝方式，將有助於改善整體RFID系統的效率

16. RFID連接線 II

17. RFID連接線 III • 同軸電纜內有兩種傳輸介質，共用同ㄧ個軸線，最核心的傳輸介質是導線，可能全部是硬線或是可彎曲線，外部的傳輸介質是經過編織的蔽護物或金屬薄片。 • RF訊號就是在核心傳輸介質與外圍的庇護物間進行傳遞 • 電纜線的特性可以用阻抗與纜線損耗來評估 • 纜線的阻抗主要是由傳輸介質的大小、距離與中間的電介質來決定。ㄧ般常用的電纜線阻抗約為50-75歐姆，RFID系統主要使用的是50歐姆的電纜線

18. 電阻 vs. 阻抗 • 阻抗與電阻不是完全一致的東西 • 簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗 • 周延一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質都有電阻，只是電阻值的大小差異而已 • 電阻小的物質稱作良導體，電阻很大的物質稱作非導體，而最近在高科技領域中稱的超導體，則是一種電阻值幾近於零的東西

19. 電阻 vs. 阻抗 • 但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用 • 電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗 • 它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關係，頻率愈高則容抗愈小、感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小 • 此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關係式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和

20. 電阻 vs. 阻抗 • 由於阻抗的單位仍是歐姆，也同樣適用歐姆定律 • 一言以蔽之，在相同電壓下，阻抗愈高將流過愈少的電流，阻抗愈低會流過愈多的電流

21. 現場實地狀況 • 當完成所有的讀取器設定與安裝後，現場的實際配置與商業動作流程可能會造成讀取的誤動作 • 例如一個堆高機的司機可能正在運送一個貼有標籤的物品，堆高機械的金屬可能就會對標籤的讀取造成一定程度的影響 • 這些需要透過對於現場人員的再教育及流程動線重規劃來解決

22. 放大規模後的系統 • 在RFID系統中，數量是個很關鍵的議題 • 讀取器 dense mode設定 • 如果要針對規模逐漸放大的系統進行最佳化，可以先檢視區塊的設定是否都符合要求，然後收集線上運作的資料來加以分析，看看各種不同狀況下效能表現的差異 • 如果您有30-40個讀取器需要設定，而每個都是只有少許的設定變化，那就更須要有儲存與比較的工具。這些資料與設定也可以最為未來最佳化與加入新設備時的比較設定基準。

23. 故障排除的標準作業模式 • 重新開機、檢查韌體版本或是檢查連接線等動作 • 需要針對不同的問題、硬體、頻率與環境來定義所有可能的變數，然後需要定義如何ㄧ次針對一個變數進行測試的方法與步驟 • RFID系統中最大的問題是要確定哪些元件是正常的，哪些又是損壞的？ • 如果每次有問題都是替換到整套系統，那你永遠也學不會怎麼去確定與找出問題發生的原因，因此也就無法再避免發生同樣的問題，珍惜每ㄧ次難得的除錯的機會，將可以學習到更多 • 真的無法解決問題時千萬不要猶豫，就直接撥電話給相關的廠商尋求協助

24. RFID系統測試 • 讀取距離測試 • 輸出功率分析 • 感度測試 • 抗干擾性測試 • 標籤的抓取速度

25. 讀取距離測試 I • 這是使用者行之有年的測試方式，將兩台不同的讀取器架設在同一個地點上，逐漸將標籤遠離讀取器，看看哪個讀取器的讀取距離較遠，來初步判定讀取器的效能。 • 但是這樣的測試效益有限，因為沒有考慮到讀取器間的互相干擾問題 • 但是這樣的測試仍可以讓我們比較出目前的讀取器與過去之好壞

26. 讀取距離測試 II • 測試時是將20個標籤置放在距離天線3, 5, 10與15英呎遠的格點上 • 標籤是放置在有縐褶的基板上，紀錄每個距離讀取到的標籤個數及30秒內每個標籤被讀取的次數 • 測試時需要確定附近沒有其他讀取器存在，同時不同讀取器的測試的比較應是個相對參考值，而不是絕對比較值，因為不同讀取器供應商各自提供的讀取速率紀錄軟體是不同的

27. 輸出功率分析 I • 這個簡單但是重要的測試往往都被RFID系統整合業者所忽略，因為都傾向於相信製造商所公佈的數據 • 測試讀取器輸出功率應該是在整合發布RFID系統前需要先進行的 • 設置輸出功率分析的目的就是希望讓不符合FCC規範的產品不能上市 • 您需要一個即時反應的頻譜分析儀（real-time spectrum analyzer, RTSA）來進行這種測試，RTSA可以進行精確的量測

28. 輸出功率分析 II • RTSA置放在距離讀取器天線5英尺遠的地方開始進行量測 • 首先量測由讀取器發出的最大輸出功率值，FCC要求此時的最大功率不得超過30dBm • 但是由於可能會有線路傳遞的損失造成，所以ㄧ般出場時都將輸出功率設定超過30dBm，所以實務上FCC最終關心的是以不超過36dBm為主

29. dBm dBm 的 m 是指 mWdBm 數 = 10 * log(瓦特數 / 1毫瓦) 1W = 1000mWlog(1000) = 33*10 = 30 dBm3W = 3000mWlog(3000) = 3.477..3.477.. * 10 = 34.77dBm

30. 接收感度測試 I • 標籤與讀取器對於信號的接收感度也是衡量一個RFID系統效能的重要因子 • 每一家讀取器的設計公司都面臨到一個難題，那就是同時使用1 w的能量去驅動標籤工作，但又要同時接收只有百萬分之ㄧ瓦的標籤回應，解決方法就是有效的過濾訊號，讓驅動與回應的訊號不至於互相干擾而分不清

31. 接收感度測試 II • 高感度代表著好處但也可能是壞處，高感度代表著讀取器可以在最佳狀態下辨識出一個標籤 • 但是當有多組讀取器與標籤存在時，訊號如何能被過濾區分就是一個問題，但總體來說，感度越高代表效能越高

32. 抗干擾測試 I • 當系統內有多個辨識區域時，這樣的環境通常稱為大量讀取器模式（dense reader mode, DRM） • 當我們把新的辨識區塊加入到現有RFID系統時，系統將面臨到訊號互相干擾的壓力，很多的使用者在導入RFID系統前都會問的問題就是，目前導入的架構是否足夠未來2-5年的擴充？

33. 抗干擾測試 II • Gen 2的標準已經放入支援DRM運作的架構，就是為了可以應付未來同一個環境中讀取器與標籤的不斷擴充 • DRM模式對於Gen 2規格的讀取器是很重要的一項規格，尤其是零售業，因為通常店面內就有40-60個讀取器同時運作，如果是在物流集散地更可能超過100個

34. 讀取標籤速度測試 • 很多應用場合要求要可以快速的辨識大量的標籤 • 許多設計EPC系統的人都知道有個理論值，那就是每秒鐘可以讀取1600個標籤，但是以現今科技而言，根本做不到 • 所有企業都是儘可能尋求有盡量接近理想值的可能