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在物流追蹤應用中部署最新RFID進展
[作者 Rolf Horn]   2022年08月25日 星期四 瀏覽人次: [33193]

本文說明RFID技術,包括主動和被動標籤,以及額外的能源擷取功能。總結設計人員在部署RFID架構物流追蹤系統時,需要注意的各種產業標準,加上介紹熱門的RFID標籤,以及用於加速RFID物流解決方案設計的評估平台。


越來越多物流和供應鏈管理轉向使用非接觸式射頻識別(radio frequency identification;RFID)技術,以提供材料的即時可視性,掌握材料和產品的位置和數量。使用RFID標籤可以加速庫存管理流程,減少人為錯誤的機會,並有助於減低庫存縮減。RFID標籤不一定需要可見才能被讀取,標籤可位於盒內或其他外殼中。此外,一個人可以從遠處一次讀取數百個RFID標籤。


設計人員需要在RFID標籤電源架構和資料格式之間選擇,並且需要緊湊且準確的RFID讀取器。標籤和讀取器可能還需要滿足電子產品代碼(EPC)UHF Gen2v2技術標準和RAIN RFID資料格式的要求。


本文回顧RFID技術,包括主動和被動標籤,以及額外的能源擷取功能以提高被動標籤效能的可能性。本文總結設計人員在部署RFID架構物流追蹤系統時,需要注意的各種產業標準,並在文末介紹 STMicroelectronics、Murata Electronics、Melexis Technologies 熱門的RFID標籤,以及用於加速RFID物流解決方案設計的評估平台。


RFID平台分類方式有很多種;包含工作頻段、供電架構和資料通訊格式。共有三種主要工作頻段,包含低頻(LF)、高頻(HF)和超高頻(UHF)。LF頻段覆蓋30到300 kHz,大多數LF標籤的工作頻率為125 kHz。LF標籤的讀取範圍較短,約10至30 cm,讀取速度比高頻標籤更慢,但對電磁干擾(EMI)的敏感性相對較低。可於纜線識別、手術儀器、醫療設備追蹤和維護工具庫存。


近場通訊(Near-field communication;NFC)標籤是HF RFID的子集。所有NFC標籤都在HF頻段運作,但並非所有HF頻段的標籤都使用NFC通訊協定(圖1)。NFC標籤通常被限制在幾公分的傳輸距離內,而其他HF標籤設計的傳輸距離可達30 cm。此外,NFC標籤僅指定在13.56 MHz下運作。雖然所有RFID標籤頻率都用於物流應用,但UHF RFID標籤有時被稱為「供應鏈」標籤,因為它們結合更長的讀取範圍、更快的讀取速率以及針對物流應用最佳化的資料格式可用性。



圖1 : NFC標籤是LF RFID技術的子集,而且典型工作頻率為125 kHz。(source:STMicroelectronics)
圖1 : NFC標籤是LF RFID技術的子集,而且典型工作頻率為125 kHz。(source:STMicroelectronics)

RFID標籤可以依據其電源架構進行分類:


‧ 主動標籤有電池,可以定期傳輸,無需輪詢,讀取範圍可達100 m。


‧ 被動標籤必須由讀取器進行輪詢。讀取器射頻訊號的能量會開啟,並為標籤供電,將資訊反射回讀取器。


‧ 能源擷取標籤是一種被動標籤,可以擷取讀取器發射的射頻能量,並使用擷取到的能量為其他系統組件供電。


‧ 半被動標籤,也稱為電池輔助標籤,包括一個電池,但工作方式如同被動標籤,且僅在讀取器輪詢時傳輸資料。


被動標籤(包括UHF和NFC設計)是物流解決方案中最常見的RFID形式。主動標籤價格較高,通常用於追蹤建築、運輸和醫療保健產業的高價值資產。半被動標籤,尤其是用於NFC技術的標籤,僅在手機等特定應用中出現。


ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693標準確保NFC技術裝置的互通性。NFC作業基於電感式耦合,且對天線方向敏感(圖2)。NFC裝置可以是由另一個NFC裝置產生的射頻場供電的被動設計,也可以是具有電池電源的半被動設計。NFC 標籤由於傳輸距離短,因此本質上更安全。此外,NFC標籤必須一次讀取一個,而UHF標籤等其他RFID技術支援同時讀取大量標籤。與其他LF RFID技術相比,NFC標籤可以儲存和傳輸更大量的資訊,增強其在物流應用中的實用性。動態NFC RFID標籤是一種雙介面、快速傳輸、能源擷取標籤,具有可配置的中斷、RF管理和低功耗操作模式。



圖2 : 天線方向必須正確,才能實現NFC裝置所需的電感式耦合。(source:STMicroelectronics)
圖2 : 天線方向必須正確,才能實現NFC裝置所需的電感式耦合。(source:STMicroelectronics)

用於物流管理的RAIN和EPC

無線射頻辨識(RAIN)RFID聯盟提倡使用ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2協定。RAIN技術係開發用於採用網際網路將 UHFRFID標籤連接到雲端。RAIN 的EPC gen 2v2是一種用於被動RFID標籤的協定,藉由對標籤和讀取器進行身份驗證來支援安全和隱私。RAIN修改了ISO編號系統,以簡化公司識別號碼。


針對實體物件的EPC通用識別碼標準係由EPCglobal開發,該公司是GS1 US (原Uniform Code Council, Inc.)和GS1(原EAN International)的合資企業。EPC已被採納為ISO 18000-6C標準。其標準化讀取器和標籤的通訊方式,以及 EPC資料在使用者之間的共享方式。EPC是一種識別碼和資料格式,RFID則是無線射頻載波技術。


動態NFC標籤

設計人員可以選用STMicroelectronics的ST25DVxxKC系列,採用動態NFC標籤於物流解決方案。該系列元件提供4 Kbit、16 Kbit和64 Kbit電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)。例如,ST25DV04KC 是一款4 Kbit元件。所有 ST25DVxxKC元件都使用ISO/IEC 15693NFC協定並具有兩個介面。I2C序列鏈路可以由電池等直流電源供電。當接收到載波的無線射頻能量為裝置供電時,無線射頻鏈路便會啟用。這些標籤還包括為外部組件供電的能源擷取功能(圖 3)。此類比輸出(V_EH)在啟用能源擷取模式之下,且無線射頻場強度足夠時,提供可用的類比電壓V_EH。能源擷取電壓輸出未經調節。



圖3 : ST25DVxxKC元件使用ISO/IEC 15693NFC協定(中心方塊)、I2C 介面(右下角)和能源擷取功能(在類比前端和數位單元控制模組中)。(source:STMicroelectronics)
圖3 : ST25DVxxKC元件使用ISO/IEC 15693NFC協定(中心方塊)、I2C 介面(右下角)和能源擷取功能(在類比前端和數位單元控制模組中)。(source:STMicroelectronics)

NFC讀取器評估板

STMicroelectronics的 X-NUCLEO-NFC03A1 是基於 ST25R95-VMD5T 的NFC讀卡器評估板,可加速RFID解決方案的開發(圖4)。ST25R95-VMD5T管理標準應用的幀編碼和解碼,例如NFC。X-NUCLEO-NFC03A1支援ISO/IEC 14443 Type A和B、ISO/IEC 18092和ISO/IEC 15693(單或雙子載波)協定。可使用NFCForum Type 1、2、3、4標籤偵測、讀取和寫入。此外,該評估板與ST Arduino UNO R3連接器引腳配置相容。



圖4 : X-NUCLEO-NFC03A1讀卡器評估板可擴展STM32 Nucleo板,可用於NFC,支援接近和鄰近標準。(source:STMicroelectronics)
圖4 : X-NUCLEO-NFC03A1讀卡器評估板可擴展STM32 Nucleo板,可用於NFC,支援接近和鄰近標準。(source:STMicroelectronics)

金屬表面上的RFID

Murata的 LXTBKZMCMG-010 金屬上 UHF RAINRFID標籤設計用於手術儀器和工具,使用金屬表面作為增強天線,將讀取範圍擴大到150 cm。LXTBKZMCMG-010在整個UHF頻段上工作,尺寸僅為6.0 x 2.0 x 2.3 mm,工作溫度範圍為-40 至+85°C。符合EPC全球Gen2(v2)和RAIN RFID協定。


美國法規要求在每個手術工具上放置一個唯一裝置標識(UDI)。與EPC一樣,UDI法規旨在支援醫療設備的安全使用和儲存。UDI系統雖然適用於多種類型的醫療設備,但對於手術儀器尤其重要,因為若未能準備正確的儀器進行手術,則可能會帶來重大風險。預計歐洲未來也將要求在手術工具上使用UDI。除了與手術工具相關的物流具有挑戰外,手術工具的設置既費時又容易出錯,即使是有經驗的人也是如此。



圖5 : Murata的LXTBKZMCMG-010金屬上UHF RAINRFID標籤使用手術儀器和工具的金屬表面作為增強天線,以增加讀取範圍。(source:Murata)
圖5 : Murata的LXTBKZMCMG-010金屬上UHF RAINRFID標籤使用手術儀器和工具的金屬表面作為增強天線,以增加讀取範圍。(source:Murata)

LF RFID收發器IC和評估板

可選用Melexis的 MLX90109 單晶片125 kHz RFID收發器,運用於LF RFID收發器物流解決方案。MLX90109是高度靈活的元件,結合最低系統成本和功耗。此讀取器的載波頻率和振盪器頻率由連接為平行諧振電路的外部線圈和電容決定,因此無需外部振盪器,並具備完美的天線調諧,可防止零調變效應。可在單線介面上傳輸未解碼的轉發器訊號,達到最簡單的實作。此外,MLX90109 可以對晶片上的轉發器訊號進行解碼,並透過2-wire介面與時脈和資料共享解碼後的訊號。


MLKX90109的特性,包括:


‧ 採用SO8封裝的高度整合解決方案


‧ 不需要外部石英參考;只有兩個電阻加天線


‧ 晶片上解碼支援易用性和快速系統設計


‧ 時脈和開汲極資料輸出,支援2-wire序列通訊


Melexis的 EVB90109 能讓設計人員評估MLX90109 IC的效能(圖6)。還可加速緊湊且具有成本效益的RFID應用的開發。MLX90109評估板的所有引腳,都可用於雙列直插(DIL)插槽,以便輕鬆連接到外部微控制器。EVB90109可用於從轉發器讀取資料,也可用於使用開/關鍵調變向轉發器發送資訊。天線上並聯的外部電晶體和二極體的「快速衰減」電路支援快速協定作業。



圖6 : 設計人員可以使用EVB90109評估板來衡量MLX90109 IC的效能。(source:Melexis)
圖6 : 設計人員可以使用EVB90109評估板來衡量MLX90109 IC的效能。(source:Melexis)

結論

越來越多RFID標籤用於物流追蹤應用。各種可用的RFID標籤技術,包括各種頻段、供電架構以及通訊和資料協定,代表具備可用的標籤能滿足廣泛的物流追蹤需求。部分RFID技術可讓一個人從遠處一次讀取數百個RFID標籤,進而加速庫存管理過程。


至於手術儀器,使用RFID標籤可以消除一項人為錯誤因素,讓手術更安全。UHF和NFC RFID標籤是物流解決方案中最常見的RFID形式,但LF 125 kHz標籤可以用最少的外部組件支援低成本和簡單的設計。


(本文作者Rolf Horn為Digi-Key Electronics應用工程師)


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