物流跟蹤 RFID標(biāo)簽選哪種最合用？

本文回顧了包括有源和無源標(biāo)簽在內(nèi)的 RFID 技術(shù)，以及通過增加能量采集功能來提高無源標(biāo)簽性能的可能性。文章總結(jié)了設(shè)計人員在部署基于 RFID 的物流跟蹤系統(tǒng)時需要注意的各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，最后介紹了 STMicroelectronics 、 Murata Electronics 和 Melexis Technologies 的 RFID 標(biāo)簽和閱讀器選型，以及用于加速 RFID 物流解決方案設(shè)計的評估平臺。

物流和供應(yīng)鏈管理正越來越多地轉(zhuǎn)向射頻識別 (RFID) 技術(shù)，以實現(xiàn)對材料和貨品的位置、數(shù)量的實時可見性。 使用 RFID 標(biāo)簽可以加快庫存管理，減少人為錯誤，并有助于減少庫存縮減。 RFID 標(biāo)簽不必被看到才能被讀取，當(dāng)標(biāo)簽位于盒子或其他外殼內(nèi)時也能被讀取。此外，一個人可以從遠(yuǎn)處一次性讀取數(shù)百個 RFID 標(biāo)簽。

設(shè)計人員需要在 RFID 標(biāo)簽的電源架構(gòu)和數(shù)據(jù)格式之間作出選擇，還需要緊湊、準(zhǔn)確的 RFID 閱讀器。標(biāo)簽和閱讀器可能還需要滿足電子產(chǎn)品編碼 (EPC) UHF Gen2v2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和 RAIN RFID 數(shù)據(jù)格式的要求。

RFID 平臺形式和標(biāo)簽類型

RFID 平臺 可以通過工作頻段、供電架構(gòu)和數(shù)據(jù)通信格式分為幾種形式。 有三個主要工作頻段，低頻 (LF)、高頻 (HF) 和超高頻(UHF)。低頻段為 30 - 300 kHz，大多數(shù)低頻標(biāo)簽的工作頻率為 125 kHz。低頻標(biāo)簽的讀取距離較短，約為 10 - 30 cm，讀取速度比高頻標(biāo)簽慢，但對電磁干擾 (EMI) 的敏感度相對較低。這類標(biāo)簽用于電纜識別、手術(shù)器械、醫(yī)療設(shè)備跟蹤和維護(hù)工具庫存。
近場通訊 (NFC) 標(biāo)簽是高頻 RFID 的一個子集。所有 NFC 標(biāo)簽都在高頻段工作，但并非所有高頻段的標(biāo)簽都使用 NFC 協(xié)議（圖 1）。NFC 標(biāo)簽的傳輸距離一般限定為幾厘米，而其他高頻標(biāo)簽的設(shè)計可以傳輸 30 cm。此外，NFC 標(biāo)簽的工作頻率規(guī)定為 13.56 MHz。雖然所有的 RFID 標(biāo)簽頻率都用于物流應(yīng)用，但超高頻 RFID 標(biāo)簽有時被稱為“供應(yīng)鏈”標(biāo)簽，因為它們結(jié)合了更大的讀取范圍、更快的讀取速率，以及針對物流應(yīng)用的優(yōu)化數(shù)據(jù)格式。

圖 1：NFC 標(biāo)簽是低頻 RFID 技術(shù)的一個子集，其工作頻率通常為 125 kHz。（圖片來源：STMicroelectronics）RFID 標(biāo)簽可根據(jù)其電源架構(gòu)進(jìn)行分類：

• 有源標(biāo)簽包含電池，可以定期發(fā)射，無輪詢，其讀取距離可達(dá) 100 m。

• 無源標(biāo)簽必須由閱讀器進(jìn)行輪詢。由閱讀器發(fā)出的射頻信號的能量開啟并向標(biāo)簽供電，將信息反射給閱讀器。

• 能量收集標(biāo)簽是一種無源標(biāo)簽，可以捕獲閱讀器發(fā)射的射頻能量，并利用采集的能量為其他系統(tǒng)組件供電。

• 半無源標(biāo)簽（也被稱為電池輔助標(biāo)簽）包括一個電池，但其操作與無源標(biāo)簽一樣，只有在被閱讀器輪詢時才傳輸數(shù)據(jù)。

無源標(biāo)簽（包括 UHF 和 NFC 設(shè)計）是物流解決方案中最常見的 RFID 形式。有源標(biāo)簽成本較高，通常用于追蹤建筑、運輸和醫(yī)療行業(yè)的高價值資產(chǎn)。半無源標(biāo)簽，特別是那些使用 NFC 技術(shù)的標(biāo)簽，僅限用于如手機等特定應(yīng)用。ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693 標(biāo)準(zhǔn)確保了具有 NFC 功能的設(shè)備之間互操作性。NFC 的操作基于電感耦合，對天線方向很敏感（圖 2）。 NFC 設(shè)備可以是一個由另一個 NFC 設(shè)備產(chǎn)生的射頻場供電的無源設(shè)計，也可以是一個含電池電源的半無源設(shè)計。 由于其傳輸距離短，因此 NFC 標(biāo)簽本身就更安全。此外，NFC 標(biāo)簽必須每次只讀取一個標(biāo)簽，而如超高頻標(biāo)簽等其他 RFID 技術(shù)則支持同時讀取大量標(biāo)簽。相比其他低頻 RFID 技術(shù)，NFC 標(biāo)簽可以存儲和傳輸更多的信息，因其提高了在物流應(yīng)用中的利用率。動態(tài) NFC RFID 標(biāo)簽是一種雙接口、快速傳輸、能量收集標(biāo)簽，具有可配置中斷、射頻管理和低功率工作模式。

圖 2：為了實現(xiàn) NFC 設(shè)備所需的電感耦合，需要將天線置于適當(dāng)?shù)姆较蛏?。（圖片來源：STMicroelectronics）

用于物流管理的 RAIN 和 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 協(xié)議是由 RAIN（RAdio 頻率識別）RFID聯(lián)盟推動使用的。RAIN 技術(shù)用于利用互聯(lián)網(wǎng)將超高頻 RFID標(biāo)簽連接到云端。 RAIN 的 EPC gen 2v2 是無源 RFID 標(biāo)簽協(xié)議，通過認(rèn)證標(biāo)簽和閱讀器來實現(xiàn)安全和隱私。 RAIN 修改了 ISO 的編號系統(tǒng)，以簡化公司識別編號的使用。用于實物的 EPC 通用標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)由 EPCglobal 開發(fā)。EPCglobal 是 GS1 US（原Uniform Code Council, Inc.）和 GS1（原 EAN International）的合資公司。EPC 已被采納為 ISO 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)。EPC 規(guī)范了閱讀器和標(biāo)簽的通信方式以及用戶之間共享 EPC 數(shù)據(jù)的方式。EPC 是一種標(biāo)識符和數(shù)據(jù)格式，而 RFID 是射頻載波技術(shù)。

動態(tài) NFC 標(biāo)簽

對于能夠從動態(tài) NFC 標(biāo)簽獲益的物流解決方案，設(shè)計人員可以采用 STMicroelectronics的 ST25DVxxKC 系列。 該系列器件提供 4 Kb、16 Kb 和 64 Kb 電可擦寫可編程存儲器 (EEPROM)。例如， ST25DV04KC 是一種 4Kb 器件。所有 ST25DVxxKC 器件都使用 ISO/IEC 15693 NFC 協(xié)議，提供兩個接口。I2C 串行鏈路可通過直流電源（如電池）供電。當(dāng)接收到的載波的射頻能量為器件供電時，激活射頻鏈接。 這些標(biāo)簽還具有能量收集能力 ，可為外部元器件供電（圖 3）。這個模擬輸出 (V_EH) 在能量收集模式啟用且射頻場強度足夠大時提供有效模擬電壓 V_EH。能量收集的電壓輸出未經(jīng)過調(diào)節(jié)。

圖 3：ST25DVxxKC 器件使用 ISO/IEC 15693 NFC 協(xié)議（中間塊）、I2C 接口（右下），具有能量收集能力（模擬前端和數(shù)字單元控制塊中）。（圖片來源：STMicroelectronics）

NFC閱讀器評估板

STMicroelectronics 的 X-NUCLEO-NFC03A1 是一款基于 ST25R95-VMD5T 的 NFC 讀卡器評估板，可以加速 RFID 解決方案的開發(fā)（圖 4）。 ST25R95-VMD5T 管理如 NFC 等標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的幀編碼和幀解碼。 X-NUCLEO-NFC03A1支持 ISO/IEC 14443 A 型和 B 型、ISO/IEC 18092 和ISO/IEC 15693（單或雙次載波）協(xié)議。它可以使用 NFC 論壇的 1、2、3 和 4 型標(biāo)簽進(jìn)行檢測、讀取和寫入。此外，該評估板與 ST Arduino ? UNO R3 連接器引腳分配相兼容。

圖 4：X-NUCLEO-NFC03A1 讀卡器評估板可實現(xiàn) STM32 Nucleo 板對 NFC 的擴展，支持接近和鄰近標(biāo)準(zhǔn)。（圖片來源：STMicroelectronics）

金屬表面的 RFID

Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上 UHF RAIN RFID 標(biāo)簽 專為手術(shù)器械和工具而設(shè)計，利用金屬表面作為增強天線，將讀取范圍擴大到 150 cm。LXTBKZMCMG-010 在整個 UHF 頻段工作，大小僅為 6.0 x 2.0 x 2.3 mm，工作溫度范圍為 -40 至 +85℃。該標(biāo)簽符合EPC global Gen2 (v2) 和 RAIN RFID 協(xié)議。美國法規(guī)要求在每個手術(shù)工具上放置一個唯一的器械標(biāo)識 (UDI)。與 EPC 一樣，UDI 法規(guī)旨在規(guī)范醫(yī)療設(shè)備的安全使用和存放。UDI 系統(tǒng)適用于許多種醫(yī)療設(shè)備，但對手術(shù)器械尤其重要，因為手術(shù)時器械準(zhǔn)備不當(dāng)會帶來很大風(fēng)險。預(yù)計歐洲將來也會要求在手術(shù)工具上設(shè)置 UDI。除了與手術(shù)工具有關(guān)的物流挑戰(zhàn)外，手術(shù)工具的設(shè)置也很耗時，而且容易出錯，即使是有經(jīng)驗的人也不例外。

圖 5：手術(shù)器械和工具的金屬表面被 Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上超高頻 RAIN RFID 標(biāo)簽用作增強天線，以擴大讀取范圍。（圖片來源：Murata）

LF RFID 收發(fā)器 IC 和評估板

可以從 LF RFID 收發(fā)器中獲益的物流解決方案可采用 Melexis 的 MLX90109 單芯片 125 kHz RFID 收發(fā)器 。 MLX90109器件高度靈活，同時實現(xiàn)了最低的系統(tǒng)成本和功耗。閱讀器的載波頻率和振蕩器頻率由作為并聯(lián)諧振電路的外部線圈和電容來確定的，因此不需要外置振蕩器，從而防止完美天線調(diào)諧的零調(diào)制效應(yīng)。非解碼應(yīng)答器信號通過單線接口傳輸，從而實施簡單。我們可選擇的是，MLX90109 可以對應(yīng)答器信號進(jìn)行片上解碼，并通過 2 線接口與時鐘和數(shù)據(jù)共享解碼信號。MLKX90109 的特點包括：

• 高度集成的解決方案，采用 SO8 封裝

• 不需要外部石英基準(zhǔn)；只有兩個電阻以及天線

• 片上解碼支持易用性和快速系統(tǒng)設(shè)計

• 時鐘和開漏數(shù)據(jù)輸出可實現(xiàn) 2 線制串行通信

Melexis 的 EVB90109 用于評估 MLX90109 IC 的性能（圖 6）。它還能加速開發(fā)外形緊湊、經(jīng)濟實惠的 RFID 應(yīng)用。MLX90109 評估板的所有引腳都位于雙排直插式 (DIL) 插座上，方便與外部微控制器連接。EVB90109 可用于從應(yīng)答器中讀取數(shù)據(jù)，也可用于使用開/關(guān)式鍵控調(diào)制向應(yīng)答器發(fā)送信息。在天線上并聯(lián)的外部晶體管和二極管的“快速衰減”電路支持快速協(xié)議操作。

圖 6 ：設(shè)計人員可以使用 EVB90109 評估板測量 MLX90109 集成電路的性能。（圖片來源： Melexis ）

 總結(jié)

RFID 標(biāo)簽正越來越多地應(yīng)用于物流跟蹤應(yīng)用。目前，RFID標(biāo)簽技術(shù)多種多樣，包括各種頻段、供電架構(gòu)以及通信和數(shù)據(jù)協(xié)議，這意味著有許多標(biāo)簽可滿足廣泛的物流跟蹤需求。利用一些 RFID 技術(shù)，可以遠(yuǎn)程同時讀取數(shù)百個 RFID 標(biāo)簽，從而加快庫存管理。就手術(shù)器械而言，使用 RFID 標(biāo)簽可以消除人為錯誤來源，提高手術(shù)安全性。UHF 和 NFC RFID 標(biāo)簽是物流解決方案中最常見的 RFID 形式，但 LF 125 kHz 標(biāo)簽可以支持只需極少外部元器件的低成本簡易設(shè)計。