RFID技術(shù)應(yīng)用于集裝箱領(lǐng)域的解決方案分析

　　1 引 言

　　射頻識別技術(shù)(RFID)以識別速度快、精度高、無需接觸、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而受到集裝箱運(yùn)輸業(yè)的青睞，得到了快速發(fā)展。他逐漸被運(yùn)用到了交通運(yùn)輸，航空包裹的管理，后勤管理，生產(chǎn)線自動控制，門禁管理，物料處理，醫(yī)療等領(lǐng)域。RFID技術(shù)在對托盤、集裝箱、運(yùn)輸車輛等方面的管理，對商品的標(biāo)識以及供應(yīng)鏈整體的管理的應(yīng)用都促進(jìn)了物流業(yè)的發(fā)展。電子標(biāo)簽具有讀取距離遠(yuǎn)(一般在20 m以內(nèi))、適于惡劣環(huán)境、穿透性強(qiáng)、可識別運(yùn)動目標(biāo)等特點(diǎn)。

　　RFID技術(shù)在集裝箱領(lǐng)域的應(yīng)用使準(zhǔn)確控制、追蹤集裝箱的who，where，when信息成為了可能。集裝箱用電子標(biāo)簽多用超高頻(UHF)段。這個頻段的穿透能力強(qiáng)，并且在動態(tài)讀取時顯示出了優(yōu)越性[1]。相對于工業(yè)自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用，電子標(biāo)簽在集裝箱物流運(yùn)輸中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的特殊性。RFID標(biāo)簽隨集裝箱在海上、碼頭、堆場等場所流動，其工作環(huán)境具有溫差大，紫外線照射強(qiáng)度大，海水對標(biāo)簽有腐蝕性等特點(diǎn)，集裝箱用RFID標(biāo)簽的封裝必須考慮這些因素。同時集裝箱金屬表面對電磁波的反射作用，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憳O大。在金屬面的影響下，原來匹配的天線變得不匹配了，需要重新設(shè)計(jì)天線，重新進(jìn)行阻抗匹配。

　　2 RFID工作原理介紹

　　RFID是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。他的核心部件是一個電子標(biāo)簽，通過相距幾厘米到幾米甚至十幾米的距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的無線電波，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的儲存信息。無源RFID標(biāo)簽是將讀寫器發(fā)送的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為芯片電路供電的。圖1為標(biāo)簽與讀寫器通信的工作原理示意圖。

　　3 電子標(biāo)簽應(yīng)用于集裝箱領(lǐng)域出現(xiàn)的問題

　　3.1 集裝箱運(yùn)輸環(huán)境對電子標(biāo)簽應(yīng)用性能指標(biāo)的影響

　　相對于工業(yè)自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用，電子標(biāo)簽在集裝箱物流運(yùn)輸中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的特殊性。

　　(1)工作環(huán)境比較惡劣

　　電子標(biāo)簽隨集裝箱在海上、碼頭、堆場等場所流動，與普通的電子標(biāo)簽工作環(huán)境不同。標(biāo)簽在設(shè)計(jì)和封裝時必須考慮以下幾個因素：

　　溫度的特殊性 集裝箱工作環(huán)境溫度高、溫差大，而且作業(yè)是全天候的。

　　高濕度的工作環(huán)境 集裝箱運(yùn)輸過程中的大部分時間在海上(或者內(nèi)河中)完成，因此電子標(biāo)簽必須要能夠在濕度為35%～80%的環(huán)境下工作。

　　強(qiáng)烈的紫外線照射 長時間、高強(qiáng)度的紫外線照射加速了標(biāo)簽外殼塑料的老化。

　　酸堿腐蝕及振動沖擊 集裝箱大部分時間都工作在碼頭、海上，這種環(huán)境要求標(biāo)簽抗酸堿腐蝕，同時封裝結(jié)構(gòu)和材料要抗振動撞擊。

　　(2)標(biāo)簽動態(tài)讀取

　　由于集裝箱流通速度較快，集裝箱信息必須能夠遠(yuǎn)距離訪問，因此，要求電子標(biāo)簽識別速度高(移動速度>100 km/h)，距離遠(yuǎn)(>6 m)，準(zhǔn)確率高(>99%)等。

　　3.2 集裝箱用電子標(biāo)簽受金屬面的影響分析

　　普通RFID標(biāo)簽直接貼附于金屬表面上，由于金屬表面對入射電磁波的反射作用，將會有較強(qiáng)的反方向電磁波也穿過電子標(biāo)簽。入射波與反射波相位疊加后將會抵消一部分，強(qiáng)度也會大大削弱，嚴(yán)重影響讀寫器對RFID標(biāo)簽的讀取距離，甚至無法讀取和RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，如圖2所示。同時，讀寫器與RFID標(biāo)簽間產(chǎn)生的磁通量會在金屬表面感應(yīng)渦流，根據(jù)楞次定律，渦流對讀寫器的磁場起反作用，致使金屬表面上的磁場被強(qiáng)烈地衰減了。

　　消除集裝箱金屬面影響的解決方法是提高天線和金屬面的相對高度。隨著相對高度的增加，合成場信號矢量將逐漸增強(qiáng)，到相對高度達(dá)到波長的1/4時，合成場信號矢量達(dá)到最大，并可獲得3 dB增益。而RFID標(biāo)簽貼附于集裝箱金屬面上時，標(biāo)簽和金屬面之間的距離很小，可抬高的空間有限，達(dá)不到要求。例如：900 MHz射頻的1/4波長近似為8 cm，而集裝箱外表面凹槽實(shí)際深度只有2 cm。需要在普通電子標(biāo)簽與金屬表面間插入一種隔離

　　介質(zhì)，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的波長公式：

　　其中：λ0為自由空間波長，μ，ε分別為介質(zhì)導(dǎo)磁率和介電系?br>

　　通常的做法是把隔離介質(zhì)與電子標(biāo)簽封裝成一體，從而形成防金屬電子標(biāo)簽。需要做的研究包括介質(zhì)的研究(介質(zhì)的選擇、試驗(yàn)與工藝過程確定等)，特定介質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析(μ，ε等)，以及封裝形式的選擇。

　　4 考慮金屬面影響的情況下對電子標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　標(biāo)簽天線特性受所標(biāo)識物體的形狀及物理特性、標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離、貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的反射及隔離介質(zhì)參數(shù)等的影響。因此將普通的標(biāo)簽貼附于集裝箱金屬面時，原來匹配的天線變得不再匹配了，需要對天線重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定天線幾何形狀與尺寸。超高頻RFID標(biāo)簽的天線一般是長條和標(biāo)簽狀，而天線有線性和圓極化兩種設(shè)計(jì)[2]，滿足不同應(yīng)用的需求。

　　普通的電子標(biāo)簽天線尺寸極小，但是集裝箱體的大面積空間放寬了電子標(biāo)簽天線尺寸的要求。同時天線的設(shè)計(jì)必須考慮前面提到的隔離介質(zhì)的影響。天線設(shè)計(jì)的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，天線匹配程度越高，天線的輻射性能越好。這需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)天線和自由空間以及芯片電路的匹配。UHF波頻段的電子標(biāo)簽天線一般采用微帶天線形式。在傳統(tǒng)的微帶天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，或者使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。而電子標(biāo)簽芯片阻抗一般呈現(xiàn)強(qiáng)感弱阻的特性，而且很難測量芯片工作狀態(tài)下的準(zhǔn)確阻抗特性數(shù)據(jù)。其輸入阻抗、方向圖等特性容易受到加工精度、介質(zhì)板純度的影響。在保持天線性能的同時使天線與芯片相匹配，兼顧集裝箱金屬面的影響，這是集裝箱用電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的一個主要難點(diǎn)。在以前的研究中，一般認(rèn)為可以通過使用寬頻帶天線實(shí)現(xiàn)天線與芯片間的匹配[3]。

　　5 適用于集裝箱的RFID標(biāo)簽的封裝形式研究

　　5.1 電子標(biāo)簽封裝工藝介紹

　　(1)因RFID標(biāo)簽芯片微小超薄，采用的方法是倒裝芯片(Flip Chip)技術(shù)，自動化的流水線均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式，工藝過程包括基板進(jìn)料、上膠、芯片翻轉(zhuǎn)貼裝、熱壓固化、測試、基板收料等流程。他具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點(diǎn)。但是工藝設(shè)備昂貴，一般需要借助國外廠商的設(shè)備才能進(jìn)行。

　　(2)另一種封裝方式是先將芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊完成。其中一具體做法(中國專利)是：大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導(dǎo)通。該方法由獨(dú)立的可精密定位的芯片轉(zhuǎn)移設(shè)備將芯片置于載帶構(gòu)成芯片模塊，再將芯片模塊轉(zhuǎn)移至天線基板上，其優(yōu)點(diǎn)是兩次轉(zhuǎn)移可獨(dú)立并行執(zhí)行。

　　目前，倒裝技術(shù)是比較成熟標(biāo)簽封裝的技術(shù)。這種封裝技術(shù)具有封裝程序簡單、工藝成熟、造價低廉，封裝出的標(biāo)簽體積小、超薄、易于粘貼的優(yōu)點(diǎn)。市面上常見的標(biāo)簽也多足采用這種工藝。但是這種設(shè)備昂貴，目前在國內(nèi)能進(jìn)行倒裝的廠家微乎其微。多是采用第二種，將芯片與天線進(jìn)行精密焊接已到達(dá)連接的目的。相對于第一種，這種技術(shù)對設(shè)備的要求底了很多，但是封裝過程耗時長。

　　5.2 適用于集裝箱用電子標(biāo)簽的封裝工藝探討

　　實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)標(biāo)簽的封裝尺寸和形式受所貼標(biāo)簽物體的限制，一般情況下標(biāo)簽要做的小而薄，可以二次封裝成卡片。而集裝箱的箱體表面積非常大，放寬了對標(biāo)簽表面積和體積的要求。這對標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)是非常有利的。因?yàn)楹芏嗲闆r下受被標(biāo)識物體體積的限制，要求標(biāo)簽的體積要很小，其感應(yīng)天線必然也較小，在相同的場強(qiáng)中，小天線感應(yīng)到的電能比大天線要弱的多。集裝箱用電子標(biāo)簽動態(tài)讀取要求的讀取距離比較遠(yuǎn)(大約10 m)，因此對天線尺寸的要求更高，因?yàn)槌叽巛^小的天線在距離讀寫器很近時呈現(xiàn)出較高的場強(qiáng)，而較大的天線在較遠(yuǎn)的距離處的場強(qiáng)還比較高[4]。因此集裝箱用電子標(biāo)簽可做得大一些，最后封裝成盒狀，固定在集裝箱表面。無需制成柔性、紙制、可黏貼性的。

　　根據(jù)電子標(biāo)簽標(biāo)識集裝箱的實(shí)際需要，倒裝工藝制成的紙制標(biāo)簽不能滿足集裝箱工作環(huán)境的抗振動、抗腐蝕等方面的要求，而且也無需將標(biāo)簽封裝的體積很薄，鑒于國內(nèi)的封裝技術(shù)水平，可在芯片與天線焊接之前先對芯片進(jìn)行TSSOP封裝，并引出所需引腳。以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用中國專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片和天線的互連，這個過程中芯片封裝和天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊完成。再進(jìn)行介質(zhì)填充、外殼密封，最終做成集裝箱電子標(biāo)簽成品，并進(jìn)行高溫老化、測試、包裝。在這個過程中，考慮了使用環(huán)境對金屬面反射、防水、防潮、防霧、防雷擊等指標(biāo)要求。

　　對芯片進(jìn)行TSSOP封裝后，將其引腳與天線鍵合，解決了倒封裝設(shè)備價格昂貴，依賴于國外技術(shù)的問題。并且與前面兩種封裝形式的標(biāo)簽相比，TSSOP封裝材料具有抗壓、抗高溫等特點(diǎn)，能滿足集裝箱工作環(huán)境的較高要求，提高了標(biāo)簽的可靠性和穩(wěn)定性。整個標(biāo)簽的封裝與柔性封裝相比，因其有了介質(zhì)填充，解決了集裝箱金屬面對標(biāo)簽影響的問題。而密封的外殼可以滿足溫差大、濕度大、酸堿和鹽霧腐蝕性強(qiáng)、振動沖擊大等各方面的要求。

　　6 結(jié) 語

　　目前我國的射頻識別技術(shù)還處于一個起步階段，將RFID技術(shù)運(yùn)用到集裝箱行業(yè)具有非常樂觀的前景，然而電子標(biāo)簽在集裝箱行業(yè)上的應(yīng)用具有很大的特殊性。本文通過研究，闡述了在金屬表面干擾情況下，天線設(shè)計(jì)和阻抗匹配應(yīng)該考慮的諸多問題，指出了他的設(shè)計(jì)方向，說明了電子標(biāo)簽的封裝可以突破傳統(tǒng)電子標(biāo)簽的封裝形式，選擇一種適合集裝箱應(yīng)用環(huán)境的封裝，通過填充介質(zhì)材料來解決金屬面干擾的問題。隨著電子標(biāo)簽技術(shù)的成熟，他的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U(kuò)大，不久以后行駛著的集裝箱車輛可以告訴交通管理系統(tǒng)自己的具體位置，一列滿載的貨物列車通過時，路旁的感應(yīng)器會顯示出車內(nèi)裝載貨物的種類、數(shù)量等等[5]。