如何在物流跟踪应用中部署最新的 RFID 技术

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

物流和供应链管理正越来越多地转向射频识别 (RFID) 技术，以实现对材料和货品的位置、数量的实时可见性。使用 RFID 标签可以加快库存管理，减少人为错误，并有助于减少库存缩减。RFID 标签不必被看到才能被读取，当标签位于盒子或其他外壳内时也能被读取。此外，一个人可以从远处一次性读取数百个 RFID 标签。

设计人员需要在 RFID 标签的电源架构和数据格式之间作出选择，还需要紧凑、准确的 RFID 阅读器。标签和阅读器可能还需要满足电子产品编码 (EPC) UHF Gen2v2 技术标准和 RAIN RFID 数据格式的要求。

本文回顾了包括有源和无源标签在内的 RFID 技术，以及通过增加能量采集功能来提高无源标签性能的可能性。本文总结了设计人员在部署基于 RFID 的物流跟踪系统时需要注意的各种行业标准，最后介绍了 STMicroelectronics、Murata Electronics 和 Melexis Technologies 的 RFID 标签和阅读器选型，以及用于加速 RFID 物流解决方案设计的评估平台。

RFID 平台可以通过工作频段、供电架构和数据通信格式分为几种形式。有三个主要工作频段，低频 (LF)、高频 (HF) 和超高频 (UHF)。低频段为 30 - 300 kHz，大多数低频标签的工作频率为 125 kHz。低频标签的读取距离较短，约为 10 - 30 cm，读取速度比高频标签慢，但对电磁干扰 (EMI) 的敏感度相对较低。这类标签用于电缆识别、手术器械、医疗设备跟踪和维护工具库存。

近场通讯 (NFC) 标签是高频 RFID 的一个子集。所有 NFC 标签都在高频段工作，但并非所有高频段的标签都使用 NFC 协议（图 1）。NFC 标签的传输距离一般限定为几厘米，而其他高频标签的设计可以传输 30 cm。此外，NFC 标签的工作频率规定为 13.56 MHz。虽然所有的 RFID 标签频率都用于物流应用，但超高频 RFID 标签有时被称为“供应链”标签，因为它们结合了更大的读取范围、更快的读取速率，以及针对物流应用的优化数据格式。


图 1：NFC 标签是低频 RFID 技术的一个子集，其工作频率通常为 125 kHz。（图片来源：STMicroelectronics）

RFID 标签可根据其电源架构进行分类：

· 有源标签包含电池，可以定期发射，无轮询，其读取距离可达 100 m。
· 无源标签必须由阅读器进行轮询。由阅读器发出的射频信号的能量开启并向标签供电，将信息反射给阅读器。
· 能量收集标签是一种无源标签，可以捕获阅读器发射的射频能量，并利用采集的能量为其他系统组件供电。
· 半无源标签（也被称为电池辅助标签）包括一个电池，但其操作与无源标签一样，只有在被阅读器轮询时才传输数据。

无源标签（包括 UHF 和 NFC 设计）是物流解决方案中最常见的 RFID 形式。有源标签成本较高，通常用于追踪建筑、运输和医疗行业的高价值资产。半无源标签，特别是那些使用 NFC 技术的标签，仅限用于如手机等特定应用。

ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693 标准确保了具有 NFC 功能的设备之间互操作性。NFC 的操作基于电感耦合，对天线方向很敏感（图 2）。NFC 设备可以是一个由另一个 NFC 设备产生的射频场供电的无源设计，也可以是一个含电池电源的半无源设计。由于其传输距离短，因此 NFC 标签本身就更安全。此外，NFC 标签必须每次只读取一个标签，而如超高频标签等其他 RFID 技术则支持同时读取大量标签。相比其他低频 RFID 技术，NFC 标签可以存储和传输更多的信息，因其提高了在物流应用中的利用率。动态 NFC RFID 标签是一种双接口、快速传输、能量收集标签，具有可配置中断、射频管理和低功率工作模式。


图 2：为了实现 NFC 设备所需的电感耦合，需要将天线置于适当的方向上。（图片来源：STMicroelectronics）

用于物流管理的 RAIN 和 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 协议是由 RAIN（RAdio 频率识别）RFID 联盟推动使用的。RAIN 技术用于利用互联网将超高频 RFID 标签连接到云端。RAIN 的 EPC gen 2v2 是无源 RFID 标签协议，通过认证标签和阅读器来实现安全和隐私。RAIN 修改了 ISO 的编号系统，以简化公司识别编号的使用。

用于实物的 EPC 通用标识符标准由 EPCglobal 开发。EPCglobal 是 GS1 US（原 Uniform Code Council, Inc.）和 GS1（原 EAN International）的合资公司。EPC 已被采纳为 ISO 18000-6C 标准。EPC 规范了阅读器和标签的通信方式以及用户之间共享 EPC 数据的方式。EPC 是一种标识符和数据格式，而 RFID 是射频载波技术。

动态 NFC 标签

对于能够从动态 NFC 标签获益的物流解决方案，设计人员可以采用 STMicroelectronics 的 ST25DVxxKC 系列。该系列器件提供 4 Kb、16 Kb 和 64 Kb 电可擦写可编程存储器 (EEPROM)。例如，ST25DV04KC 是一种 4Kb 器件。所有 ST25DVxxKC 器件都使用 ISO/IEC 15693 NFC 协议，提供两个接口。I2C 串行链路可通过直流电源（如电池）供电。当接收到的载波的射频能量为器件供电时，激活射频链接。这些标签还具有能量收集能力，可为外部元器件供电（图 3）。这个模拟输出 (V_EH) 在能量收集模式启用且射频场强度足够大时提供有效模拟电压 V_EH。能量收集的电压输出未经过调节。


图 3：ST25DVxxKC 器件使用 ISO/IEC 15693 NFC 协议（中间块）、I2C 接口（右下），具有能量收集能力（模拟前端和数字单元控制块中）。（图片来源：STMicroelectronics）

NFC 阅读器评估板

STMicroelectronics 的 X-NUCLEO-NFC03A1 是一款基于 ST25R95-VMD5T 的 NFC 读卡器评估板，可以加速 RFID 解决方案的开发（图 4）。ST25R95-VMD5T 管理如 NFC 等标准应用的帧编码和帧解码。X-NUCLEO-NFC03A1 支持 ISO/IEC 14443 A 型和 B 型、ISO/IEC 18092 和 ISO/IEC 15693（单或双次载波）协议。它可以使用 NFC 论坛的 1、2、3 和 4 型标签进行检测、读取和写入。此外，该评估板与 ST Arduino™ UNO R3 连接器引脚分配相兼容。


图 4：X-NUCLEO-NFC03A1 读卡器评估板可实现 STM32 Nucleo 板对 NFC 的扩展，支持接近和邻近标准。（图片来源：STMicroelectronics）

金属表面的 RFID

Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金属上 UHF RAIN RFID 标签专为手术器械和工具而设计，利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 频段工作，大小仅为 6.0 x 2.0 x 2.3 mm，工作温度范围为 -40 至 +85℃。该标签符合 EPC global Gen2 (v2) 和 RAIN RFID 协议。

美国法规要求在每个手术工具上放置一个唯一的器械标识 (UDI)。与 EPC 一样，UDI 法规旨在规范医疗设备的安全使用和存放。UDI 系统适用于许多种医疗设备，但对手术器械尤其重要，因为手术时器械准备不当会带来很大风险。预计欧洲将来也会要求在手术工具上设置 UDI。除了与手术工具有关的物流挑战外，手术工具的设置也很耗时，而且容易出错，即使是有经验的人也不例外。


图 5：手术器械和工具的金属表面被 Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金属上超高频 RAIN RFID 标签用作增强天线，以扩大读取范围。（图片来源：Murata）

LF RFID 收发器 IC 和评估板

可以从 LF RFID 收发器中获益的物流解决方案可采用 Melexis 的 MLX90109 单芯片 125 kHz RFID 收发器。MLX90109 器件高度灵活，同时实现了最低的系统成本和功耗。阅读器的载波频率和振荡器频率由作为并联谐振电路的外部线圈和电容来确定的，因此不需要外置振荡器，从而防止完美天线调谐的零调制效应。非解码应答器信号通过单线接口传输，从而实施简单。我们可选择的是，MLX90109 可以对应答器信号进行片上解码，并通过 2 线接口与时钟和数据共享解码信号。MLKX90109 的特点包括：

· 高度集成的解决方案，采用 SO8 封装
· 不需要外部石英基准；只有两个电阻以及天线
· 片上解码支持易用性和快速系统设计
· 时钟和开漏数据输出可实现 2 线制串行通信

Melexis 的 EVB90109 用于评估 MLX90109 IC 的性能（图 6）。它还能加速开发外形紧凑、经济实惠的 RFID 应用。MLX90109 评估板的所有引脚都位于双排直插式 (DIL) 插座上，方便与外部微控制器连接。EVB90109 可用于从应答器中读取数据，也可用于使用开/关式键控调制向应答器发送信息。在天线上并联的外部晶体管和二极管的“快速衰减”电路支持快速协议操作。


图 6：设计人员可以使用 EVB90109 评估板测量 MLX90109 集成电路的性能。（图片来源：Melexis）

总结

RFID 标签正越来越多地应用于物流跟踪应用。目前，RFID 标签技术多种多样，包括各种频段、供电架构以及通信和数据协议，这意味着有许多标签可满足广泛的物流跟踪需求。利用一些 RFID 技术，可以远程同时读取数百个 RFID 标签，从而加快库存管理。就手术器械而言，使用 RFID 标签可以消除人为错误来源，提高手术安全性。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 标签可以支持只需极少外部元器件的低成本简易设计。