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在物流追踪应用中部署最新RFID进展
[作者 Rolf Horn]   2022年08月25日 星期四 浏览人次: [32747]

本文说明RFID技术,包括主动和被动标签,以及额外的能源撷取功能。总结设计人员在部署RFID架构物流追踪系统时,需要注意的各种产业标准,加上介绍 热门的RFID标签,以及用於加速RFID物流解决方案设计的评估平台。


越来越多物流和供应链管理转向使用非接触式射频识别(radio frequency identification;RFID)技术,以提供材料的即时可视性,掌握材料和产品的位置和数量。使用RFID标签可以加速库存管理流程,减少人为错误的机会,并有助於减低库存缩减。RFID标签不一定需要可见才能被读取,标签可位於盒内或其他外壳中。此外,一个人可以从远处一次读取数百个RFID标签。


设计人员需要在RFID标签电源架构和资料格式之间选择,并且需要紧凑且准确的RFID读取器。标签和读取器可能还需要满足电子产品代码(EPC)UHF Gen2v2技术标准和RAIN RFID资料格式的要求。


本文回顾RFID技术,包括主动和被动标签,以及额外的能源撷取功能以提高被动标签效能的可能性。本文总结设计人员在部署RFID架构物流追踪系统时,需要注意的各种产业标准,并在文末介绍 STMicroelectronics、Murata Electronics、Melexis Technologies 热门的RFID标签,以及用於加速RFID物流解决方案设计的评估平台。


RFID平台分类方式有很多种;包含工作频段、供电架构和资料通讯格式。共有三种主要工作频段,包含低频(LF)、高频(HF)和超高频(UHF)。LF频段覆盖30到300 kHz,大多数LF标签的工作频率为125 kHz。LF标签的读取范围较短,约10至30 cm,读取速度比高频标签更慢,但对电磁干扰(EMI)的敏感性相对较低。可於缆线识别、手术仪器、医疗设备追踪和维护工具库存。


近场通讯(Near-field communication;NFC)标签是HF RFID的子集。所有NFC标签都在HF频段运作,但并非所有HF频段的标签都使用NFC通讯协定(图1)。NFC标签通常被限制在几公分的传输距离内,而其他HF标签设计的传输距离可达30 cm。此外,NFC标签仅指定在13.56 MHz下运作。虽然所有RFID标签频率都用於物流应用,但UHF RFID标签有时被称为「供应链」标签,因为它们结合更长的读取范围、更快的读取速率以及针对物流应用最隹化的资料格式可用性。



图1 : NFC标签是LF RFID技术的子集,而且典型工作频率为125 kHz。(source:STMicroelectronics)
图1 : NFC标签是LF RFID技术的子集,而且典型工作频率为125 kHz。(source:STMicroelectronics)

RFID标签可以依据其电源架构进行分类:


· 主动标签有电池,可以定期传输,无需轮询,读取范围可达100 m。


· 被动标签必须由读取器进行轮询。读取器射频讯号的能量会开启,并为标签供电,将资讯反射回读取器。


· 能源撷取标签是一种被动标签,可以撷取读取器发射的射频能量,并使用撷取到的能量为其他系统组件供电。


· 半被动标签,也称为电池辅助标签,包括一个电池,但工作方式如同被动标签,且仅在读取器轮询时传输资料。


被动标签(包括UHF和NFC设计)是物流解决方案中最常见的RFID形式。主动标签价格较高,通常用於追踪建筑、运输和医疗保健产业的高价值资产。半被动标签,尤其是用於NFC技术的标签,仅在手机等特定应用中出现。


ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693标准确保NFC技术装置的互通性。NFC作业基於电感式耦合,且对天线方向敏感(图2)。NFC装置可以是由另一个NFC装置产生的射频场供电的被动设计,也可以是具有电池电源的半被动设计。NFC 标签由於传输距离短,因此本质上更安全。此外,NFC标签必须一次读取一个,而UHF标签等其他RFID技术支援同时读取大量标签。与其他LF RFID技术相比,NFC标签可以储存和传输更大量的资讯,增强其在物流应用中的实用性。动态NFC RFID标签是一种双介面、快速传输、能源撷取标签,具有可配置的中断、RF管理和低功耗操作模式。



图2 : 天线方向必须正确,才能实现NFC装置所需的电感式耦合。(source:STMicroelectronics)
图2 : 天线方向必须正确,才能实现NFC装置所需的电感式耦合。(source:STMicroelectronics)

用於物流管理的RAIN和EPC

无线射频辨识(RAIN)RFID联盟提倡使用ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2协定。RAIN技术系开发用於采用网际网路将 UHFRFID标签连接到云端。RAIN 的EPC gen 2v2是一种用於被动RFID标签的协定,藉由对标签和读取器进行身份验证来支援安全和隐私。RAIN修改了ISO编号系统,以简化公司识别号码。


针对实体物件的EPC通用识别码标准系由EPCglobal开发,该公司是GS1 US (原Uniform Code Council, Inc.)和GS1(原EAN International)的合资企业。EPC已被采纳为ISO 18000-6C标准。其标准化读取器和标签的通讯方式,以及 EPC资料在使用者之间的共享方式。EPC是一种识别码和资料格式,RFID则是无线射频载波技术。


动态NFC标签

设计人员可以选用STMicroelectronics的ST25DVxxKC系列,采用动态NFC标签於物流解决方案。该系列元件提供4 Kbit、16 Kbit和64 Kbit电子抹除式可复写唯读记忆体(EEPROM)。例如,ST25DV04KC 是一款4 Kbit元件。所有 ST25DVxxKC元件都使用ISO/IEC 15693NFC协定并具有两个介面。I2C序列链路可以由电池等直流电源供电。当接收到载波的无线射频能量为装置供电时,无线射频链路便会启用。这些标签还包括为外部组件供电的能源撷取功能(图 3)。此类比输出(V_EH)在启用能源撷取模式之下,且无线射频场强度足够时,提供可用的类比电压V_EH。能源撷取电压输出未经调节。



图3 : ST25DVxxKC元件使用ISO/IEC 15693NFC协定(中心方块)、I2C 介面(右下角)和能源撷取功能(在类比前端和数位单元控制模组中)。(source:STMicroelectronics)
图3 : ST25DVxxKC元件使用ISO/IEC 15693NFC协定(中心方块)、I2C 介面(右下角)和能源撷取功能(在类比前端和数位单元控制模组中)。(source:STMicroelectronics)

NFC读取器评估板

STMicroelectronics的 X-NUCLEO-NFC03A1 是基於 ST25R95-VMD5T 的NFC读卡器评估板,可加速RFID解决方案的开发(图4)。ST25R95-VMD5T管理标准应用的帧编码和解码,例如NFC。X-NUCLEO-NFC03A1支援ISO/IEC 14443 Type A和B、ISO/IEC 18092和ISO/IEC 15693(单或双子载波)协定。可使用NFCForum Type 1、2、3、4标签侦测、读取和写入。此外,该评估板与ST Arduino UNO R3连接器引脚配置相容。



图4 : X-NUCLEO-NFC03A1读卡器评估板可扩展STM32 Nucleo板,可用於NFC,支援接近和邻近标准。(source:STMicroelectronics)
图4 : X-NUCLEO-NFC03A1读卡器评估板可扩展STM32 Nucleo板,可用於NFC,支援接近和邻近标准。(source:STMicroelectronics)

金属表面上的RFID

Murata的 LXTBKZMCMG-010 金属上 UHF RAINRFID标签设计用於手术仪器和工具,使用金属表面作为增强天线,将读取范围扩大到150 cm。LXTBKZMCMG-010在整个UHF频段上工作,尺寸仅为6.0 x 2.0 x 2.3 mm,工作温度范围为-40 至+85。C。符合EPC全球Gen2(v2)和RAIN RFID协定。


美国法规要求在每个手术工具上放置一个唯一装置标识(UDI)。与EPC一样,UDI法规旨在支援医疗设备的安全使用和储存。UDI系统虽然适用於多种类型的医疗设备,但对於手术仪器尤其重要,因为若未能准备正确的仪器进行手术,则可能会带来重大风险。预计欧洲未来也将要求在手术工具上使用UDI。除了与手术工具相关的物流具有挑战外,手术工具的设置既费时又容易出错,即使是有经验的人也是如此。



图5 : Murata的LXTBKZMCMG-010金属上UHF RAINRFID标签使用手术仪器和工具的金属表面作为增强天线,以增加读取范围。(source:Murata)
图5 : Murata的LXTBKZMCMG-010金属上UHF RAINRFID标签使用手术仪器和工具的金属表面作为增强天线,以增加读取范围。(source:Murata)

LF RFID收发器IC和评估板

可选用Melexis的 MLX90109 单晶片125 kHz RFID收发器,运用於LF RFID收发器物流解决方案。MLX90109是高度灵活的元件,结合最低系统成本和功耗。此读取器的载波频率和振荡器频率由连接为平行谐振电路的外部线圈和电容决定,因此无需外部振荡器,并具备完美的天线调谐,可防止零调变效应。可在单线介面上传输未解码的转发器讯号,达到最简单的实作。此外,MLX90109 可以对晶片上的转发器讯号进行解码,并透过2-wire介面与时脉和资料共享解码後的讯号。


MLKX90109的特性,包括:


· 采用SO8封装的高度整合解决方案


· 不需要外部石英叁考;只有两个电阻加天线


· 晶片上解码支援易用性和快速系统设计


· 时脉和开汲极资料输出,支援2-wire序列通讯


Melexis的 EVB90109 能让设计人员评估MLX90109 IC的效能(图6)。还可加速紧凑且具有成本效益的RFID应用的开发。MLX90109评估板的所有引脚,都可用於双列直??(DIL)??槽,以便轻松连接到外部微控制器。EVB90109可用於从转发器读取资料,也可用於使用开/关键调变向转发器发送资讯。天线上并联的外部电晶体和二极体的「快速衰减」电路支援快速协定作业。



图6 : 设计人员可以使用EVB90109评估板来衡量MLX90109 IC的效能。(source:Melexis)
图6 : 设计人员可以使用EVB90109评估板来衡量MLX90109 IC的效能。(source:Melexis)

结论

越来越多RFID标签用於物流追踪应用。各种可用的RFID标签技术,包括各种频段、供电架构以及通讯和资料协定,代表具备可用的标签能满足广泛的物流追踪需求。部分RFID技术可让一个人从远处一次读取数百个RFID标签,进而加速库存管理过程。


至於手术仪器,使用RFID标签可以消除一项人为错误因素,让手术更安全。UHF和NFC RFID标签是物流解决方案中最常见的RFID形式,但LF 125 kHz标签可以用最少的外部组件支援低成本和简单的设计。


(本文作者Rolf Horn为Digi-Key Electronics应用工程师)


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