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百個RFID標簽。

設計人員需要在RFID標簽電源架構和數據格式之間進行選擇，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品代碼（EPC）UHF Gen2v2技術標準和RAIN RFID數據格式的要求。

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的物流跟蹤系統時需要注意的各種行業標準，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、供電架構和數據通信格式。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化的數據格式的可用性。

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的RF能量，并使用收集的能量為其他系統組件供電。
• 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據。

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、運輸和醫療保健行業的高價值資產。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 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 協議的使用由 RAIN（射頻識別）RFID 聯盟推廣。RAIN技術的開發目的是使用互聯網將UHF RFID標簽鏈接到云。RAIN的EPC gen 2v2是無源RFID標簽的協議，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，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，EPCglobal是GS1 US（前身為Unidie Code Council，Inc.）和GS1（前身為EAN International）的合資企業。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 數據的方式。EPC是一種標識符和數據格式，而RFID是RF載波技術。

動態 NFC 標簽

對于受益于動態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。

圖 3：ST25DVxxKC 器件采用 ISO/IEC 15693 NFC 協議（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（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協議。

美國法規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法規旨在支持醫療設備的安全使用和存儲。UDI系統適用于許多類型的醫療設備，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外，手術工具的設置也非常耗時且容易出錯，即使是經驗豐富的個人也是如此。

低頻 RFID 收發器 IC 和評估板

受益于 LF RFID 收發器的物流解決方案可以轉向 Melexis 的 MLX90109 單芯片 125 kHz RFID 收發器。MLX90109 將最低的系統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，以實現最簡單的實現?；蛘?，MLX90109 可以在片上解碼應答器信號，并通過與時鐘和數據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設計
• 時鐘和開漏數據輸出支持 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。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據，也可用于通過開/關鍵控調制將信息發送到應答器。天線上并聯的外部晶體管和二極管的“快速衰減”電路支持快速協議操作。

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據協議，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