ABSTRACT

To study the effects of different distances, offset and rotation angle on the RFID read rates, the paper set the tag reading distance (M) 5 treatments (1 m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m), the offset angle (A) 5 treatments (0˚, 15˚, 30˚, 45˚, 60˚) and the rotation angle (R) 4 treatments (0˚, 90˚, 180˚, 270˚). No-load plants and different potted plants were studied. The result show the effective tag reading range and the offset angle in the no-load condition: when the distance is 1 m, the valid range of the offset angle is 0˚ - 60˚ and the reading rate is more than 98.0%; when the distance is 2 to 5 m, the valid range of the offset angle is 0˚ - 45˚ and the reading rate is more than 97.4%. When the potted plants are poinsettias and Jatropha, the effective range of tag read distance, the offset angle and the rotation angle is: The farthest distance is 5 m; when the distance is 1 m, the offset angle range is 0˚ - 60˚; when the distance is 2 m - 3 m, the offset angle range is 0˚ - 45˚; when the distance is 4 m, the offset angle range is 0˚ - 15˚; when the distance is 5 m, the offset angle range is 0˚; when the distance is 0 - 3 m, the effective range of its rotational angle is 0˚ - 270˚. In this reading range, RFID read rate reaches more than 93.06%. When the distance is 4 m and the offset angle is 0˚ - 15˚, the valid range of its rotation angle is 0˚ - 90˚ and RFID reading rate reaches 82.7%. When measurement condition is same, Jatropha reading rate is higher than poinsettia.

Keywords:RFID, Read Rate, Distance, Offset Angle, Rotation Angle

不同距离、偏移和旋转角度 对RFID读取率的影响

王亓剑^1,2，雷龙海³，赵馀⁴，王卫华²，杨启良^2*

¹广西科技大学鹿山学院，广西 柳州

²昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明

³毕节市水土保持办公室，贵州 毕节

⁴湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙

收稿日期：2017年1月20日；录用日期：2017年2月3日；发布日期：2017年2月10日

摘 要

为研究不同距离、偏移和旋转角度对RFID读取率的影响，本文设定标签读取距离(M)5个处理(1 m、2 m、3 m、4 m、5 m)、偏移角度(A) 5个处理(0˚、15˚、30˚、45˚、60˚)、旋转角度(R)4个处理(0˚、90˚、180˚、270˚)，针对空载和不同盆栽植物分别进行试验。结果表明：空载条件时标签读取距离、偏移角度的有效范围：当距离为1 m时，偏移角度的有效范围为0˚~60˚，读取率达到98.0%以上；距离为2~5 m时，偏移角度的有效范围为0˚~45˚，读取率达到97.4%以上。当盆栽植物为一品红、小桐子时，标签读取距离、偏移角度和旋转角度的有效范围：距离最远5 m；当距离为1 m时，偏移角度范围为0˚~60˚；距离为2 m~3 m时，偏移角度范围为0˚~45˚；距离为4 m时，偏移角度范围为0˚~15˚；距离为5 m时，偏移角度范围为0˚；当距离为0~3 m时，其旋转角度的有效范围均为0˚~270˚，在此读取范围内其RFID的读取率均达到93.06%以上；当距离为4 m，偏移角度为0˚~15˚时，其旋转角度的有效范围为0˚~90˚，其RFID的读取率均达到82.7%。测定条件相同时，小桐子的读取率高于一品红的读取率。

关键词 :RFID，读取率，距离，偏移角度，旋转角度

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1. 引言

无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)是一项利用射频信号进行空间耦合，实现非接触信息传递的自动识别技术 [1] 。典型的RFID系统包括三部分：标签、读写器和应用系统；具有可快速扫描、体型小型化、可重复写入读取、实用、精准和安全等特点 [2] [3] [4] [5] 。因此，RFID技术可以用于植物的单株标识，而RFID读取率和读取范围是单株标识的关键。目前，国内外对RFID读取率的研究主要方法：一是基于Friis能量传输模型基础建立了一些复杂的读取操作范围模型，二是读取率试验方法 [6] [7] 。国外Hodges等提出一种结合机械手自动化采集数据来优化RFID标签在应用对象上的安装位置的衰减阈值新方法，可确定无源UHF型RFID系统的有效读取范围 [8] 。国内钱建平等人针对单株果树标识进行试验，并获得RFID标签不同悬挂方式时对读取率的影响；结果表明，在2.0 m范围内读取效果较好，在3、3.5 m时，读取率显著下降，读取率不到50% [9] 。而综合考虑不同距离、偏移和旋转角度对RFID读取率的影响研究还尚未见报道。因此本研究首先在空载条件下测定出能够读取时标签与RFID读写器之间的最大距离、偏移和旋转角度，再通过盆栽一品红和小桐子进行试验，测定出RFID系统的读取率和有效读取范围，该研究将为今后RFID系统在农业中的应用提供技术参考。试验采用选盆栽一品红和小桐子均为旺盛生长阶段；其中小桐子取自云南省元谋干热河谷地区，一品红极具观赏价值。小桐子和一品红均属于被子植物门、双子叶植物纲、大戟目，但两者之间的形态差异较大。具有研究价值。

2. 试验装置与方法

2.1. 试验目的

RFID技术在农业中应用时，读取率为评价其应用效果的重要指标之一。影响其读取率的因素较多，包括试验对象、标签与RFID读写器之间的距离(M)、偏移角度(A)和标签的旋转位置(R)等。本文首先在空载条件下测定出标签与RFID读写器之间的最大距离、偏移和旋转角度，然后通过对盆栽一品红和小桐子进行试验，确定RFID的读取率与读取距离、偏移角度、标签的旋转位置之间的变化关系，最后获得试验对象影响下RFID的有效读取范围。

2.2. 试验装置

2014年11月-2015年1月本试验在昆明理工大学现代农业工程学院智能温室大棚中进行，所选盆栽一品红和小桐子均为旺盛生长阶段，一品红冠幅50 cm，最高生长点到盆表面高度78 cm；小桐子冠幅24 cm，最高点到盆表面高度56 cm。RFID读写器为国产UHFREADER18型，该读写器采用18000-6B、EPC双协议行业标准，工作频率为902~928 MHz，圆极化天线，采用光谱跳频发射方式进行工作，输出功率最大30 dBm，典型读取距离5 m，功耗低，采用交流供电，具有快速读写、一次识别多个标签、抗干扰能力强等特点。整个测试装置固定在简易平台上，读写器和笔记本电脑通过RS232接口进行连接。

2.3. 试验方法

基于RFID设备提供的API控制函数，通过C#语言开发一套上位机控制软件。该软件包括：通信端口、读写EPC码、用户操作界面、读取间隔等。

利用上位机控制软件，通过设定读取时间周期T = 100 ms，每个实验条件测试1 min，理论读取次数为600次/min，测出成功读取次数n，读取率p为成功读取次数n与600之间的比值，即：

P = (n ÷ 600) × 100%。

RFID技术在实际应用时，标签与RFID读写器之间的距离(M)、偏移角度(A)和标签的旋转位置(R)均对RFID读取率p有影响。为确定距离(M)、偏移角度(A)和旋转位置(R)的有效范围，设定距离(M)5个处理：1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，偏移角度(A)5处理个：0˚、15˚、30˚、45˚、60˚，旋转角度(R)4个处理：0˚、90˚、180˚、270˚。其中距离(M)和偏移角度(A)的布设为：以RFID读写器中央位置为原点，与读写器垂直的位置为纵轴，水平的位置为横轴；以横轴为基准，偏移量为15˚画射线；以原点为圆心分别画半径为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m的半圆，具体如图1。当测量盆栽植物时，以标签与读写器之间空间距离最短为位置1，旋转步长角度90˚，逆时针进行旋转，旋转位置如图2 (位置1：0˚，位置2：90˚，位置3：180˚，位置4：270˚)。

采用Microsoft Excel 2003软件处理数据并制图，用SAS统计软件的ANOVA和Duncan(P = 0.05)对数据进行多重比较和方差分析。

2.4. 测试条件

2.4.1. 空载条件

空载条件，即标签与RFID读写器之间无障碍。方法如下：空载测定时，标签位于射线与半圆交点处，如图一中标签位置，标签与读写器处在同一水平线上。测定出不同距离(M)、偏移角度(A)条件下的

图1. 标签位置

图2. 标签在盆栽旋转时的具体位置

读取次数并算出读取率p。

2.4.2. 盆栽条件

在空载条件下测定的有效距离和偏移角度基础上进行盆栽一品红和小桐子试验；标签贴在最外侧的叶片上，标签与读写器之间处于同一水平。带有标签的盆栽植物放置于射线与半圆交点处，如图1中标签(盆栽)位置。测定出不同距离(M)、偏移角度(A)条件下的读取次数并算出读取率p。当标签与读写器距离、偏移角度一定时，标签与读写器之间空间距离最短为位置1，并以90˚为旋转步长角度在同一水平面进行逆时针旋转，测定盆栽植物在不同旋转位置时的读取次数并算出读取率p；标签在盆栽旋转时的具体位置如图2所示。

3. 结果分析与讨论

3.1. 空载条件时试验结果

表1为空载条件时距离(M) (M1：1 m、M2：2 m、M3：3 m、M4：4 m、M5：5 m)和偏移角度(A) (A0：0˚、A1：15˚、A2：30˚、A3：45˚、A4：60˚)对读取率(p)的影响。由表1可知，RFID的p值与M和A成反比，A值相同时，p值随着M的增大而减小；M值相同时，p值随着A的增大而减小。

显著性分析可知，A的范围为0˚~60˚时，距离M1~M5之间对读取率无显著影响。M的范围为1~5 m时，60˚处的p值均显著低于0˚~45˚，但0˚~45˚之间的p值并无显著差异。当M为2~5 m时，60˚处的p值均显著低于0˚~45˚；但0˚~45˚之间的p值无显著性差异。

数据分析表明，在0˚~45˚时，M为5 m时的p值均高于97.4%，最远读取距离为5 m。与M1A0相比，M1A5的p值显著降低44.2%，即当M为1 m时，其有效可读取的最大A为60˚。与M2A0、M3A0、

M4A0、M5A0相比，M2A4、M3A4、M4A4和M5A4的p值分别显著降低38.7%、42.1%、32.2%和34.2%；即当M为2~5 m时，其有效可读取的最大A为45˚。

3.2. 盆栽一品红试验结果

图3为盆栽一品红时距离(M1：1 m、M2：2 m、M3：3 m、M4：4 m、M5：5 m)和偏移角度(A0：0˚、A1：15˚、A2：30˚、A3：45˚、A4：60˚)对读取率(p)的影响。由图3可知，盆栽一品红p值与M和 A成反比，即p值随着M和 A的增大而降低(M5A0处理除外)。

根据空载时测试出的距离(M) 的最佳范围为1~5 m (M1~M5)，偏移角度(A) 的最佳范围为0˚~60˚ (A0~A4)，通过对盆栽一品红进行相关试验发现。当M为1 m时，A对盆栽一品红p值无显著影响；当M为2~3 m时，60˚处的读取率显著低于0˚~45˚处的p值，且0˚~45˚之间的p值无显著影响；当M为4~5 m时，A对p值有显著影响(M4A1处理除外)。

数据分析表明，当M为1 m时，盆栽一品红p值随着A的增加而降低(A0~A4)；p值均大于96.79%，其最小p值在60˚处取得；即当M为1 m时，其有效可读取的最大A为60˚。当M为2~3 m时，p值最小值在M3A4处理取得，其值为75.7%，此时，其有效可读取的最大A为45˚。与M4A0相比，M4A2和M4A3的p值分别显著降低26.2%和39.0%，即当M为4 m时，其有效可读取的最大A为15˚；与M5A0相比，M5A1和M5A2的p值分别显著降低31.2%和56.7%，即当M为5m时，其有效可读取的最大A为0˚。

表2为盆栽一品红时其距离(M) (M1：1 m、M2：2 m、M3：3 m、M4：4 m、M5：5 m)、偏移角度

表1. 距离和偏移角度对读取率的影响

注：表中大写字母为纵向之间显著性差异、小写字母为横向之间显著性差异，字母不同时表示处理之间有显著性差异(<0.05)。

图3. 距离和偏移角度对一品红读取率的影响

表2. 不同处理下标签在不同旋转角度(R)位置时的读取率/% (一品红)

注：表中大写字母为纵向之间显著性分析、小写字母为横向之间显著性分析结果，字母不同时表示处理之间有显著性差异(<0.05)。

(A) (A0：0˚、A1：15˚、A2：30˚、A3：45˚、A4：60˚)和旋转角度(R) (R0：0˚、R1：90˚、R2：180˚、R3：270˚)对读取率(p)的影响。

研究发现，M、A和R对盆栽一品红的p值的影响均有所不同。当距离为1~3 m时，A和R对盆栽一品红的p值无显著影响(A4处理除外)；当距离为4~5 m时，A和R对盆栽一品红的p值均有显著影响(A0处理除外)。

数据分析表明，当M和R相同时，p值随着A的增大而降低；当M 和A相同时，与R1、R2、R3相比，R0的p值最大，最大p值在M1A0R0处取得，其值为98.12%，最小p值在M5A0R0处取得，其值为93.48%；当距离为1~2 m时，A值相同时，R0处理下的p值最大，R2的p值最小(M1A4R2除外)，最小p值在M2A4R2处理取得，其值为81.34%；而当处理为M1A4时，影响p值的主要因素是R，即与R0、R2和R3相比，R1处理下的标签距RFID读写器磁场中心最远，导致M1A4R1处理时的p值最低，其值为96.41%；当M为3~5 m时，A0处理下，R0的p值最大，最大p值在M3A0R0处理取得，其值为97.72%，R1的p值最小(M3A0除外)，最小p值在M5A0R1取得，其值为92.86%；p值随着R的增大而增大，M5A4R1处理取得最小p值为5.36%。

3.3. 盆栽小桐子试验结果

图4为盆栽小桐子时距离(M1：1 m、M2：2 m、M3：3 m、M4：4 m、M5：5 m)和偏移角度(A0：0˚、A1：15˚、A2：30˚、A3：45˚、A4：60˚)对读取率(p)的影响。由图4可知，盆栽小桐子的p值与距离(M)和偏移角度(A)成反比，即p值随着M和 A的增大而降低(M5A0除外)。

根据空载时测试出的距离(M)的最佳范围为1~5 m (M1~M5)，偏移角度(A)的最佳范围为0˚~60˚ (A0~A4)，通过对盆栽小桐子进行相关试验发现，当M为1 m时，A对盆栽小桐子p值无显著影响；当M为2~3 m时，偏移角度为60˚时的p值显著低于0˚~45˚，且0˚~45˚之间的p值无显著影响；当M为4~5 m时，A对p有显著影响(M4A2除外)。

数据分析表明，当M为1 m时，盆栽小桐子的p值随着A的增加而降低(0˚~60˚)，其p值最小值为98.69%；即有效可读取的最大A为60˚。当M为2~3 m时，p的最小值在M3A4处理取得，其值为76.82%，即有效可读取的最大A为45˚；当M为4 m时，与M4A0相比，M4A2和M4A3的p值分别显著降低26.2%和39.1%，即有效可读取的最大A为15˚；当M为5 m时，与M5A0相比，M5A1和M5A2的p值分别显著降低32.2%和59.1%，即有效可读取的最大偏移角度为0˚。

表3为盆栽小桐子时距离(M) (M1：1 m、M2：2 m、M3：3 m、M4：4 m、M5：5 m)、偏移角度(A) (A0：0˚、A1：15˚、A2：30˚、A3：45˚、A4：60˚)和旋转角度(R) (R0：0˚、R1：90˚、R2：180˚、R3：270˚)对读取率(p)的影响。

研究发现，M、A和R对盆栽小桐子的p值均有不同的影响。距离为1~3 m时，A和R对盆栽小桐子的p值无显著影响(A4除外)；当M为4~5 m时，A和R对盆栽小桐子的p值均有显著影响(A0除外)。

数据分析表明，当M和R相同时，p值随着A的增大而降低；当M和A相同时，与R1、R2和R3相比，R0处理下的p值最大，最大p值在M1A0R0处理取得，其值为99.18%，最小p值在M5A0R0处理取得，其值为96.32%；当M为1~2 m时，A相同时，R2处理下的p值最小，最小p值在M2A4R1处理取得，其值为57.86%；当处理为M1A4时，影响读取率的主要因素是旋转位置R，即与R0、R2和R3相比，R1处理下的标签距离RFID读写器磁场中心最远，导致M2A4R1处理时的p值最低，其值为57.86%。当M为3~5 m时，A0处理下，R0的p值最大，最大p值在M3A0R0处理取得，其值为99.01%，最小

图4. 距离和偏移角度对小桐子读取率的影响

表3. 不同处理下标签在不同旋转角度(R)位置时的读取率/% (小桐子)

注：表中大写字母为纵向之间显著性分析、小写字母为横向之间显著性分析结果，字母不同时表示处理之间有显著性差异(<0.05)。

p值在M5A4R1取得，其值为5.45%。偏移角度相同时，p值随着R的增大而增大。

4. 讨论

4.1. 不同距离、偏移角度和旋转角度对盆栽植物读取率的影响

通过盆栽一品红和小桐子试验可知，当距离(M)为1~3 m时，读取率随着偏移角度(A)的增大而降低。M4和M5处理时，读取率随着偏移角度的增大而显著降低(M4A2除外)。可能原因是当距离为4 m时，A0和A1均距离天线中心线越近，磁场分布越密，读取率越高。是当距离为5 m时，只有A0处理时的读取率高于92.86%。A0处于RFID天线中心线上，磁力分布密，读取率高。随着偏移角度增加磁场分布越稀疏，导致读取率显著降低。当偏移角度相同时，读取率随着距离的增大而降低。当盆栽植物位于读写器天线磁场中央时，旋转角度对读取率无显著影响，随着偏移角度和距离的增大，旋转角度对读取率的影响有显著影响，可能原因在于，随着偏移角度和距离的增大，磁场分布越低，旋转角度对标签接收信号的影响越明显。

4.2. 不同盆栽对读取率的影响

通过盆栽一品红和小桐子试验可知，在相同处理条件下，小桐子的读取率高于一品红；在M5A0处理下差值最大为2.84%。而盆栽一品红和小桐子的读取率均低于空载时的读取率。可能原因在于，空载时，RFID标签与读写器之间无障碍；而一品红和小桐子由于植物的冠层对RFID发射的信号有一定的阻碍，导致RFID的读取率有所降低；而一品红的冠幅大于小桐子的冠幅，导致一品红的读取率低于小桐子的读取率。

5. 结论

本研究发现，相同条件下，冠幅较小的盆栽小桐子的读取率高于冠幅较大的一品红，可见冠幅是引起读取率变化的主要原因。

本试验条件下得出：RFID的最远读取距离为5 m。距离为1 m时，偏移角度范围为0˚~60˚；距离为2~3 m时，偏移角度范围为0˚~45˚；距离为4 m时，偏移角度范围为0˚~15˚；距离为5 m时，偏移角度为0˚。

通过旋转角度的试验可知，当距离为1~2 m时，RFID磁场分布均匀，读取率随着偏移角度的增大而降低，最小值为盆栽一品红在距离为2 m偏移角度45˚旋转角度180˚处理时96.26%。当距离为3~5 m时，相同偏移角度A处理下(除A0处理外)，读取率在旋转角度R1位置处最小，最小值为盆栽一品红在距离为4 m偏移角度15˚旋转角度90˚处理时82.68%。

基金项目

国家自然科学基金(项目编号：51379004，51009073，51109102)；云南省应用基础研究面上项目(项目编号：2013FB024)。

文章引用

王亓剑,雷龙海,赵 馀,王卫华,杨启良. 不同距离、偏移和旋转角度对RFID读取率的影响
Effect of Different Distance, Offset and Rotation Angle on Read Rate of RFID[J]. 农业科学, 2017, 07(01): 1-10. http://dx.doi.org/10.12677/HJAS.2017.71001

参考文献 (References)