发布时间：2022-11-22
RFID技术，是支持万物互联的物联网能够快速普及的支撑技术。RFID标签，通过存放被标识物体的信息，在各种物联网应用中实现了物与物的信息交流，是物联网中主要的信息获取方式。近年来，随着物联网技术的社会接受度越来越高，以RFID为代表的智能系统已经在零售，物流，制造，医疗，安防，汽车，航空，军事等诸多领域广泛应用，为提升人们的生活便利，实现智慧物联起到了关键作用。
随着中国人口老龄化的不断加剧以及人们对于优质医疗服务的要求日益增长，高价值医用耗材的用量也在呈现逐年上涨的趋势，高价值医用耗材的大量使用，给医院的耗材管理带来了挑战。不管是从提高医院运营效率的角度，还是控制成本损耗的角度，尤其是依据国家医保局要求的医保按疾病诊断相关分组（DRG）付费，药品、耗材的管理与控制成为医院运营的重要组成部分。打造智能化，标准化的医用耗材管理体系成为医院提升品质和服务患者必要的条件。而RFID智能医疗柜运用RFID射频技术，用电子标签对每个耗材进行编号，阅读器自动扫描识别耗材信息，与数据管理系统配合跟踪耗材的使用过程，从采购、验收、领取、分发、使用、报废等过程进行监控，整个涵盖了耗材的生命周期，提供了精准的数据支持。达到快速扫描、批量读取、盘点准且高效的功能。
RFID智能医疗柜的主要优势有：1、自动识别功能：智能医疗柜一般为医务人员提供了多种身份认证途径，包括刷卡，指纹，人脸识别等等。确保每次的领用与存放都有据可循。2、自动感知：电子标签记录耗材或药品的数据，基于RFID技术下可以实现自动感知耗材存储数据，并且不受耗材或药品的外形限制，快速扫描，批量读取，盘点准确高效，节约了管理人员的大量时间。3、数据智能化：耗材或药品从采购、验收、领取、分发、使用、报废等过程的数据都可以由电子标签、阅读器传送分析至数据管理系统，方便管理人员进行追溯，提高了监管的精确性。本文将重点介绍基于RFID智能医疗柜的设计原理和关键点，为相关的技术人员提供参考。
一般来说，智能医疗柜由金属结构箱体、系统控制器、门禁控制器、RFID系统、摄像头、语音系统和显示器等部分组成（如图一所示）。其中，RFID读写器、摄像头组成感知系统。语音系统和摄像头可用于用户身份验证，显示器用于提示用户操作步骤和显示医疗柜状态，读写器用于清点柜中标签。金属结构箱体可以有一个或多个舱体，每个舱体具有单独的门禁，舱体内可以存放粘贴有RFID标签的药品，医疗耗材等管控物品。RFID系统由读写器、读写器天线、RFID标签、上位机四部分组成。读写器由RFID模组、电源、通信板等构成。天线和RFID模组组成射频前端，通过射频前端实现读写器向标签传递能量。大部分RFID智能柜中，读写器和RFID标签之间的通信协议采用的是ISO/IEC 18000-6C空中接口协议（也称EPC Class1 Generation 2 / 简称Gen2协议）。在ISO/IEC 18000-6C 协议中，读写器和RFID标签之间的数据交互依据电磁反向散射原理。RFID标签吸收读写器天线发射的电磁波用于内部芯片供电和标签信息反向散射，以建立稳定的通讯链路。
图一：典型的智能医疗柜及其应用场景
影响智能医疗柜性能的因素很多（如表一所示），但是我们基本上可以把这些因素分为三部分：读写器、读写器天线和标签。
表一：引自于贾晓玲的《基于RFID技术的智能柜软件系统设计技术研究》
读写器、读写器天线和标签皆会对智能医疗柜中RFID系统的效率和性能产生较大的影响。详细的说明如下：
读写器发射功率小，读写器有效通信范围也会相应减少，导致性能不好的标签无法被激活，或者虽然标签被激活，但能量的损耗使得反射信号能量过小，读写器无法对其有效识别。读写器功率增大则有效通信范围相应增大，使得标签反向散射的能量增大，但是也会出现多标签之间信号干扰现象。
读写器天线是影响RFID系统识别范围和识别能力的主要因素，高性能的天线需要有良好的匹配特性。增益系数是天线平均功率流密度和天线输入的有效功率流密度之比，它可以全面测量天线能量转换效率和方向特性。同等条件下，增益系数越高，无线电波传播的距离就越远。当天线和馈线匹配度较高时，天线的输入阻抗等于传输线的特征阻抗，天线功率效率最高。智能医疗柜可以采取单天线工作模式、双天线工作模式或多天线工作模式。多天线模式可扩大电磁场覆盖范围，但是多天线产生的多径干扰会产生新的盲区，使用不当反而会减小目标区域识别率。
标签是影响RFID系统识别范围和识别能力的另一个重要因素。标签的性能受到功率、雷达截面和品质因素等因素的影响。对标签的部署而言，在密集的标签环境中，读写器发射的前向散射电磁波会被充分稀释，标签后向散射的电磁波干扰会加剧；在稀疏的标签环境中，标签可能会不在读写器的电磁场范围内。若标签天线磁场方向与读写器磁场方向平行，标签的反射信号非常微弱，无法正常反向散射通信，因此标签天线和读写器天线磁场方向应为正交关系。
为保证RFID智能医疗柜在标签数目不同情况下，可以清点准确，不出现漏读现象，读写器参数以及天线的设计就需要进行针对应用进行优化，但参数和设计组合的数目是庞大的。所以，目前RFID系统的应用参数都是测试人员凭借多年经验一点一点调试得出。这里我们针对智能医疗柜天线的优化设计做详细说明。
在RFID智能医疗柜实际应用中，单个天线往往无法满足增益以及均匀读写场的要求，会出现柜体中部分空间没有足够的电磁信号覆盖，造成空间的盲点。读写器天线导致的读写场波动较大，就容易导致对智能柜里的标签误读和漏读。尤其是目前智能柜使用的箱体通常为金属箱体，在金属机柜中设计天线难度较大，从而使读写器天线在金属柜中获得均匀的读写场则更加困难。合适的读写器天线设计对于RFID系统非常重要。为了有效部署超高频RFID系统来实现智能柜的应用落地，针对这种柜体应用开发的UHF阵列天线可以解决电磁信号覆盖不均匀的问题。阵列天线由多个天线单元组成，在增益以及波束方向性等性能方面要远远高于单个天线，所以目前阵列天线正在越来越多的领域得到广泛应用。
阵列天线的设计必须考虑相邻金属柜的影响，这对传统的阵列天线设计方法是一个很大的挑战。举个实际的金属智能医疗柜的例子，我们需要在尺寸为30 cm×85cm×30cm的金属柜中设计读写场均匀的天线阵列，除了前侧的一面，柜子的其余五个面被设置为金属。我们可以使用8个相同的单元形成一个八单元阵列天线。该阵列由两个基板组成，顶部阵列天线和底部馈电网络共用同一接地面。为了减少金属柜对馈电网络的影响，馈电网络底部和金属柜之间有5mm的间隔距离。阵列天线分布如图二所示：
图二：阵列天线的空间分布图（上）和侧视图（下）
引自夏志坚的《复杂环境中赋形天线的研究与设计》
在金属柜环境中，通过专门设计的阵列天线可以实现目标识别区域内的电场波动小于3dB，从而在目标区域的电场能量分布更加均匀，实现了良好的均匀场分布的效果，避免造成射频标签的误读和漏读。上述阵列天线的实物图和仿真图如图三所示.
图三：阵列天线的实物图（上）和仿真电场三维分布图（下）
引自夏志坚的《复杂环境中赋形天线的研究与设计》
在根据要求设计阵列天线，使其电磁场分布符合要求，需要具体展开以下几方面的工作：
1.根据实际应用场景和天线的工作频率计算出合适的单元尺寸，利用Ansys HFSS软件对天线单元进行仿真优化使其符合天线单元的设计要求；
2.根据具体的应用环境设计阵列天线的排列方式，以满足要求得到相应的赋形电场分布图；
3.组成阵列天线后，在阵列天线近场区设置一定数量的测试天线，得到一个发射天线和接收天线组成的传输系统；
4.采用数值方法计算所建立的天线系统的散射参数矩阵，天线单元作为能量端口，计算能量传输网络的最佳传输效率，再通过改变加权系数矩阵对所获得的近场赋形效果图进行控制，最终可以获得发射阵列天线的最优激励分布；
5.通过设计相应的馈电网络实现该最优的激励分布；
6.根据仿真软件中的天线尺寸和馈电点位置制作天线实物，并测量其回波损耗与目标区域内相应高度处的电场值。
除了对智能医疗柜天线需要进行优化设计，读卡器功率的精确控制也是实现智能医疗柜成功应用的关键。因为我们希望智能医疗柜只读取指定区域的标签，非指定区域或者外界随机出现的标签不能被错读。智能医疗柜中最常用的无源UHF 超高频 RFID标签是通过电磁反向散射耦合的方式获取能量和传输信息，其标签读取距离由弗林斯传输方程决定：
从方程可知，UHF标签最大可读距离R由四个因素决定： Pr为标签的接收功率（最低开启功率）； Pt为阅读器天线发射功率； Gt为阅读器
发送天线增益； Gr为标签接收天线增益； 这四个因素决定了UHF标签最大可读距离R。在标签的接受功率Pr 和标签接收天线增益Gr无法改变的情况下，就需要精准的控制读卡器发射功率Pt 和设计合适的读卡器发送天线增益Gt。读卡器天线发射功率的调节是最有效的精准调节UHF标签可读距离R的手段。而其关键就在于读卡器中UHF 超高频 RFID 模组的选择，Jadak 公司的ThingMagic 品牌的UHF（超高频）模组系列，独立的读取和写入功率控制，可在 -5 dBm 至 +30 dBm (1W) 范围内以 0.5 dB 的步进进行调节。尺寸最小的Nano 模组甚至可以以步长为 0.01 dB的步进进行调节，这就为精准控制读卡器天线发射功率提供了坚实的基础，为确保UHF 超高频 RFID标签电子数据的读取、写入的准确率和可靠性提供了可能。
最新上市的M7e-PICO模组继承了ThingMagic模组的一贯的优良特性，包括：
1） 支持宽范围的射频传输功率（读取和写入功率可独立设置）
2） 射频传输功率精度高（在不同的频率不同的温度情况下精度保持稳定）
3） 射频传输功率调节步长小（可以满足精细调节）
4） 经过优化的标签读取和写入算法，使得读写速度达到协议的最高速度；
5） 支持全球的大部分地区的频率范围；
6） 拥有大多数国家和地区的无线射频认证，可以协助客户获取指定地区的认证。
7） 支持定制化标签（例如温度标签，湿度标签等）存储扩展区域的读取和写入；
8） 不同模组使用统一的API（应用程序接口）可以大大方便客户的持续研发。
JADAK在亚太区域有当地的技术支持团队，能及时响应当地客户的需求。
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