如何在物流跟蹤應用中部署最新的RFID進展

物流和供應鏈管理越來越多地轉向射頻識別（RFID）技術，以提供對材料和物品的位置和數(shù)量的實時可見性。使用RFID標簽可以加快庫存管理過程，減少人為錯誤的機會，并有助于減少庫存收縮。RFID標簽不一定需要可見才能被讀取，并且可以在標簽位于盒子或其他外殼內時讀取。此外，一個人可以從遠處一次讀取數(shù)百個RFID標簽。

設計人員需要在RFID標簽電源架構和數(shù)據(jù)格式之間進行選擇，并且他們需要緊湊而準確的RFID讀取器。標簽和閱讀器可能還需要滿足電子產(chǎn)品代碼（EPC）UHF Gen2v2技術標準和RAIN RFID數(shù)據(jù)格式的要求。

本文回顧了RFID技術，包括有源和無源標簽，以及通過添加能量收集來增強無源標簽性能的可能性。它總結了設計人員在部署基于RFID的物流跟蹤系統(tǒng)時需要注意的各種行業(yè)標準，并通過介紹意法半導體、村田電子和美來芯科技的RFID標簽和讀卡器選擇，以及評估平臺，以加快RFID物流解決方案的設計。

RFID平臺可以通過多種方式進行分類;通過工作頻段、供電架構和數(shù)據(jù)通信格式。有三個主要工作頻段，低頻 （LF）、高頻 （HF） 和超高頻 （UHF）。低頻頻段覆蓋30至300千赫茲（kHz），大多數(shù)低頻標簽的工作頻率為125 kHz。與高頻標簽相比，LF標簽的讀取范圍較短，約為10至30厘米（cm），讀取速度較慢，但對電磁干擾（EMI）的敏感性相對較低。它們用于電纜識別、手術器械、醫(yī)療設備跟蹤和維護工具庫存。

近場通信（NFC）標簽是HF RFID的一個子集。所有 NFC 標簽都在高頻頻段內工作，但并非 HF 頻段中的所有標簽都使用 NFC 協(xié)議（圖 1）。NFC標簽通常限制在幾厘米（cm）的傳輸距離，而其他HF標簽設計可以傳輸高達30厘米。此外，NFC 標簽僅指定在 13.56 兆赫 （MHz） 下運行。雖然所有RFID標簽頻率都用于物流應用，但UHF RFID標簽有時被稱為“供應鏈”標簽，因為它們結合了更長的讀取范圍，更快的讀取速率以及針對物流應用優(yōu)化的數(shù)據(jù)格式的可用性。

圖 1：NFC 標簽是 LF RFID 技術的一個子集，通常工作頻率為 125 kHz。（圖片來源：意法半導體）

RFID標簽可以根據(jù)其電源架構進行分類：

• 有源標簽具有電池，可以定期傳輸，而無需輪詢，并且可以具有長達100米的讀取范圍。
• 被動標記必須由讀取器輪詢。來自讀卡器RF信號的能量打開并為標簽供電，將信息反射回讀卡器。
• 能量收集標簽是無源標簽的一種形式，可以捕獲讀卡器傳輸?shù)腞F能量，并使用收集的能量為其他系統(tǒng)組件供電。
• 半無源標簽，也稱為電池輔助標簽，包括電池，但像無源標簽一樣工作，并且僅在由讀取器輪詢時傳輸數(shù)據(jù)。

無源標簽，包括UHF和NFC設計，是物流解決方案中最常見的RFID形式。有源標簽要昂貴得多，通常用于跟蹤建筑、運輸和醫(yī)療保健行業(yè)的高價值資產(chǎn)。半無源標簽，特別是那些使用NFC技術的標簽，只能在手機等特定應用中找到。

ISO/IEC 14443 和 ISO/IEC 15693 標準可確保支持 NFC 的設備的互操作性。NFC 操作基于電感耦合，對天線方向敏感（圖 2）。NFC設備可以是無源設計，由另一個NFC設備產(chǎn)生的RF場供電，也可以是帶有電池電源的半無源設計。由于傳輸距離短，NFC標簽本質上更安全。此外，NFC標簽必須一次讀取一個，而其他RFID技術（如UHF標簽）支持同時讀取大量標簽。與其他LF RFID技術相比，NFC標簽可以存儲和傳輸更多的信息，增強了它們在物流應用中的實用性。動態(tài)NFC RFID標簽是一種雙接口，快速傳輸，能量收集標簽，具有可配置的中斷，RF管理和低功耗工作模式。

圖 2：需要正確的天線方向才能實現(xiàn) NFC 設備所需的電感耦合。（圖片來源：意法半導體）

用于物流管理的 RAIN 和 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 協(xié)議的使用由 RAIN（射頻識別）RFID 聯(lián)盟推廣。RAIN技術的開發(fā)目的是使用互聯(lián)網(wǎng)將UHF RFID標簽鏈接到云。RAIN的EPC gen 2v2是無源RFID標簽的協(xié)議，通過驗證標簽和閱讀器來支持安全性和隱私性。RAIN修改了ISO編號系統(tǒng)，以簡化公司標識號的使用。

物理對象的EPC通用標識符標準由EPCglobal開發(fā)，EPCglobal是GS1 US（前身為Unidie Code Council，Inc.）和GS1（前身為EAN International）的合資企業(yè)。EPC已被采用為ISO 18000-6C標準。它標準化了讀取器和標簽的通信方式以及用戶之間共享 EPC 數(shù)據(jù)的方式。EPC是一種標識符和數(shù)據(jù)格式，而RFID是RF載波技術。

動態(tài) NFC 標簽

對于受益于動態(tài)NFC標簽的物流解決方案，設計人員可以參考意法半導體的ST25DVxxKC系列。該系列中的器件提供 4 千位 （Kbit）、16 Kbit 和 64 Kbit 的電可擦除可編程存儲器 （EEPROM）。例如，ST25DV04KC 是一款 4 Kbit 器件。所有ST25DVxxKC器件均采用ISO/IEC 15693 NFC協(xié)議，并具有兩個接口。I2C 串行鏈路可采用直流電源（如電池）供電。當接收到的載波的RF能量為設備供電時，RF鏈路激活。這些標簽還包括為外部組件供電的能量收集功能（圖 3）。該模擬輸出（V_EH）提供當啟用能量收集模式和RF場強足夠時可用的模擬電壓V_EH。能量收集電壓輸出不受調節(jié)。

圖 3：ST25DVxxKC 器件采用 ISO/IEC 15693 NFC 協(xié)議（中心模塊）、I2C 接口（右下角）和能量收集功能（在模擬前端和數(shù)字單元控制模塊中）。（圖片來源：意法半導體）

NFC讀卡器評估板

意法半導體的X-NUCLEO-NFC03A1是一款基于ST25R95-VMD5T的NFC讀卡器評估板，可加快RFID解決方案的開發(fā)（圖4）。ST25R95-VMD5T可管理標準應用（如NFC）的幀編碼和解碼。X-NUCLEO-NFC03A1 支持 ISO/IEC 14443 A 型和 B 型、ISO/IEC 18092 和 ISO/IEC 15693（單子或雙子載波）協(xié)議。它可以使用NFC論壇類型1，2，3和4標簽進行檢測，讀取和寫入。此外，該評估板與ST Arduino? UNO R3連接器引腳分配兼容。

圖 4：X-NUCLEO-NFC03A1 讀卡器評估板支持擴展用于 NFC 的 STM32 Nucleo 板，支持鄰近感應和鄰近標準。（圖片來源：意法半導體）

金屬表面的無線射頻識別

村田制作所的LXTBKZMCMG-010金屬上UHF RAIN RFID標簽設計用于手術器械和工具，使用金屬表面作為增強天線，將讀取范圍增加到150厘米。LXTBKZMCMG-010 在整個 UHF 頻段內工作，尺寸僅為 6.0 x 2.0 x 2.3 毫米 （mm），工作溫度范圍為 -40 至 +85 °C。 它符合EPC全球Gen2（v2）和RAIN RFID協(xié)議。

美國法規(guī)要求在每個手術工具上放置一個唯一的設備標識符（UDI）。與EPC一樣，UDI法規(guī)旨在支持醫(yī)療設備的安全使用和存儲。UDI系統(tǒng)適用于許多類型的醫(yī)療設備，但對于手術器械尤其重要，因為手術器械存在為手術準備不正確器械的重大風險。預計歐洲未來也將要求手術工具上使用UDI。除了與手術工具相關的物流挑戰(zhàn)外，手術工具的設置也非常耗時且容易出錯，即使是經(jīng)驗豐富的個人也是如此。

低頻 RFID 收發(fā)器 IC 和評估板

受益于 LF RFID 收發(fā)器的物流解決方案可以轉向 Melexis 的 MLX90109 單芯片 125 kHz RFID 收發(fā)器。MLX90109 將最低的系統(tǒng)成本和功耗整合到一個高度靈活的設備中。讀卡器的載波頻率和振蕩器頻率由連接成并聯(lián)諧振電路的外部線圈和電容器確定，無需外部振蕩器，并通過完美的天線調諧防止零調制效應。非解碼應答器信號可以在單線接口上傳輸，以實現(xiàn)最簡單的實現(xiàn)。或者，MLX90109 可以在片上解碼應答器信號，并通過與時鐘和數(shù)據(jù)的雙線接口共享解碼后的信號。MLKX90109 的特性包括：

• 采用 SO8 封裝的高度集成解決方案
• 無需外部石英基準;只有兩個電阻器加天線
• 片上解碼支持易用性和快速系統(tǒng)設計
• 時鐘和開漏數(shù)據(jù)輸出支持 2 線串行通信

美來芯的 EVB90109 允許設計人員評估 MLX90109 IC 的性能。它還加快了緊湊且具有成本效益的RFID應用的開發(fā)。MLX90109 評估板的所有引腳均位于雙列直插式 （DIL） 插座上，便于連接到外部微控制器。EVB90109 可用于從應答器讀取數(shù)據(jù)，也可用于通過開/關鍵控調制將信息發(fā)送到應答器。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 5：設計人員可以使用 EVB90109 評估板評估 MLX90109 IC 的性能。（圖片來源：Melexis）

總結

RFID標簽越來越多地用于物流跟蹤應用。各種可用的RFID標簽技術，包括各種頻段，供電架構以及通信和數(shù)據(jù)協(xié)議，意味著有可用的標簽可以滿足廣泛的物流跟蹤需求。使用一些RFID技術，一個人可以從遠處一次讀取數(shù)百個RFID標簽，從而加快庫存管理過程。在手術器械的情況下，使用RFID標簽可以消除人為錯誤的一個來源，并使手術更安全。UHF和NFC RFID標簽是物流解決方案中最常見的RFID形式，但LF 125 kHz標簽可以支持低成本和簡單的設計，只需最少的外部元件。

審核編輯 黃昊宇