正交试验设计法在RFID系统性能测试中的运用

　　0 引言

　　RFID技术[1]是一项多学科融合的新兴应用技术，其基本原理不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，同时还涉及通信原理以及半导体集成电路等技术。随着物联网这一概念的兴起，RFID技术逐渐普及开来，广泛应用在智能实验室、智能制造、智慧社区、交通运输控制管理等众多领域。

　　RFID系统性能与众多因素有关系，研究多个因素对其性能的影响，不仅要考虑由于大量金属存在及不规则贴附导致的读取效果衰减甚至阻断RFID信息的采集传递，还要考虑由于多个物品堆积，导致标签被漏读或误读情况。如果采用多因素完全方案进行实验，可以得出不同因素之间的不同效应，如：简单效应、主效应和交互效应。然而，因素量和因素水平一旦非常多，试验的次数将急剧增多，这给研究带来了极大的工作量，多次实验也容易造成大量原料的浪费，因此该方案在因素量多的情况下不可取。

　　正交试验法将各试验因素、各水平区间的组合均匀搭配，合理安排，实现了因素和水平的均匀分散性和整齐可比性，极大地减少了RFID测试试验次数，并且试验结果能够提供给我们较多的有用信息，是一种高效、经济的试验方法[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方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出一部分有参考意义的点进行试验，这些有代表性的点具备“均匀分散，齐整可比”的特点[3]。其基本工作是三个参数的选择，分别是：指标、因素和水平[4]。指标是指试验要优化的目标，即根据试验目的选定的用来评定或衡量试验效果的特性值。因素是指直接影响试验指标的不同原因或成分，如RFID系统测试时天线的发射功率、出入通道的间距。水平是指试验所选因素在试验中由于状态或者条件变化所取的不同数值，如RFID测试中天线的高度、小车通过通道的速度。

　　正交试验设计原理是根据正交表来进行设计，正交表的代号通常可以表示为Ln(qm),其中，L表示这个正交表，n表示试验的次数，q表示实验的因素水平数，m表示实验的因素个数，在RFID性能测试中表示为影响其性能的相关参数，在正交表中表示其列数。图1是一个全面试验和正交试验的试验设计方案对比图。由图1可知，一个三因素三水平的试验，若采用全面试验方案需要进行试验27次实验，而采用正交试验方案只需要九次[5]，大大减少了实验的次数。

　　2 RFID系统测试设备

　　本次RFID系统测试内容包括如下二部分内容：

　　(1)出入通道读取性能实验;

　　(2)货品实时在位读取性能实验。

　　之所以选择这两个实验，是因为“通道读取”和“在位读取”是考察RFID系统读取性能非常重要的二个方面，根据RFID系统性能测试内容，需要使用的硬件如下：

　　固定式RFID读写器(型号为：Impinj Speedway Revolution R220)：由于现场测试环境较为复杂，工况较为恶劣、金属较多，且要求读写器连续开机不出现掉机、死机、漏读、误读现象，以及监控过程对实时性和稳定性有极高的要求，因此选择性能较优异的UHF读写器。

　　RFID标签(型号为：Tag-LNPA-01GL)：标签的选择需要根据现场具体的环境来确定，试验选择纸质背胶标签。

　　RFID天线及附件(天线型号为：Laird AS9028/R30NF)，附件选择万能全向天线附件LA-1020，其选择为远场圆极化的天线。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

　　布置典型的RFID出入库通道如图3所示，将待测标签安装于包装箱上，在手推车上堆码3层共计24只纸箱从外面推车通过RFID出入库通道进入仓库，完成自动出入库通道测试。设定RFID标签应用组合测试的输入输出模型[6]，如图4所示。测试系统的输入为功率恒定的读写器QUERY信号。

　　考核因素：

　　A1：出入库通道间距;

　　B1：出入库通道天线高度;

　　C1：纸箱标签方位;

　　D1：手推车通过通道速度。

　　考核指标：

　　E1：读取数量;

　　F1：读取累计。

　　上述参数应用四因素三水平的正交试验设计方法进行试验设计，具体设计见表1。

　　RFID标签应用组合测试系统部署完毕后，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方法进行试验设计。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。因此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第一个、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。因此对出入RFID通道的货物必须要设计合适的通过速度，同时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=23.55>F0.05(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。因此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第一个，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最好，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最好的读取累计配置。

　　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=12.08>F0.05(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，还可以通过回归的方法进行分析，建立回归方程，以便建立试验的输入输出模型。借助该试验方法进行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。