如何在物流跟踪应用中部署最新的RFID进展

物流和供应链管理越来越多地转向射频识别（RFID）技术，以提供对材料和物品的位置和数量的实时可见性。使用RFID标签可以加快库存管理过程，减少人为错误的机会，并有助于减少库存收缩。RFID标签不一定需要可见才能被读取，并且可以在标签位于盒子或其他外壳内时读取。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标签电源架构和数据格式之间进行选择，并且他们需要紧凑而准确的RFID读取器。标签和阅读器可能还需要满足电子产品代码（EPC）UHF Gen2v2技术标准和RAIN RFID数据格式的要求。

本文回顾了RFID技术，包括有源和无源标签，以及通过添加能量收集来增强无源标签性能的可能性。它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，并通过介绍意法半导体、村田电子和美来芯科技的RFID标签和读卡器选择，以及评估平台，以加快RFID物流解决方案的设计。

RFID平台可以通过多种方式进行分类;通过工作频段、供电架构和数据通信格式。有三个主要工作频段，低频 （LF）、高频 （HF） 和超高频 （UHF）。低频频段覆盖30至300千赫兹（kHz），大多数低频标签的工作频率为125 kHz。与高频标签相比，LF标签的读取范围较短，约为10至30厘米（cm），读取速度较慢，但对电磁干扰（EMI）的敏感性相对较低。它们用于电缆识别、手术器械、医疗设备跟踪和维护工具库存。

近场通信（NFC）标签是HF RFID的一个子集。所有 NFC 标签都在高频频段内工作，但并非 HF 频段中的所有标签都使用 NFC 协议（图 1）。NFC标签通常限制在几厘米（cm）的传输距离，而其他HF标签设计可以传输高达30厘米。此外，NFC 标签仅指定在 13.56 兆赫 （MHz） 下运行。虽然所有RFID标签频率都用于物流应用，但UHF RFID标签有时被称为“供应链”标签，因为它们结合了更长的读取范围，更快的读取速率以及针对物流应用优化的数据格式的可用性。

图 1：NFC 标签是 LF RFID 技术的一个子集，通常工作频率为 125 kHz。（图片来源：意法半导体）

RFID标签可以根据其电源架构进行分类：

 

• 有源标签具有电池，可以定期传输，而无需轮询，并且可以具有长达100米的读取范围。
• 被动标记必须由读取器轮询。来自读卡器RF信号的能量打开并为标签供电，将信息反射回读卡器。
• 能量收集标签是无源标签的一种形式，可以捕获读卡器传输的RF能量，并使用收集的能量为其他系统组件供电。
• 半无源标签，也称为电池辅助标签，包括电池，但像无源标签一样工作，并且仅在由读取器轮询时传输数据。

 

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。有源标签要昂贵得多，通常用于跟踪建筑、运输和医疗保健行业的高价值资产。半无源标签，特别是那些使用NFC技术的标签，只能在手机等特定应用中找到。

ISO/IEC 14443 和 ISO/IEC 15693 标准可确保支持 NFC 的设备的互操作性。NFC 操作基于电感耦合，对天线方向敏感（图 2）。NFC设备可以是无源设计，由另一个NFC设备产生的RF场供电，也可以是带有电池电源的半无源设计。由于传输距离短，NFC标签本质上更安全。此外，NFC标签必须一次读取一个，而其他RFID技术（如UHF标签）支持同时读取大量标签。与其他LF RFID技术相比，NFC标签可以存储和传输更多的信息，增强了它们在物流应用中的实用性。动态NFC RFID标签是一种双接口，快速传输，能量收集标签，具有可配置的中断，RF管理和低功耗工作模式。

图 2：需要正确的天线方向才能实现 NFC 设备所需的电感耦合。（图片来源：意法半导体）

用于物流管理的 RAIN 和 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 协议的使用由 RAIN（射频识别）RFID 联盟推广。RAIN技术的开发目的是使用互联网将UHF RFID标签链接到云。RAIN的EPC gen 2v2是无源RFID标签的协议，通过验证标签和阅读器来支持安全性和隐私性。RAIN修改了ISO编号系统，以简化公司标识号的使用。

物理对象的EPC通用标识符标准由EPCglobal开发，EPCglobal是GS1 US（前身为Unidie Code Council，Inc.）和GS1（前身为EAN International）的合资企业。EPC已被采用为ISO 18000-6C标准。它标准化了读取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RF载波技术。

动态 NFC 标签

对于受益于动态NFC标签的物流解决方案，设计人员可以参考意法半导体的ST25DVxxKC系列。该系列中的器件提供 4 千位 （Kbit）、16 Kbit 和 64 Kbit 的电可擦除可编程存储器 （EEPROM）。例如，ST25DV04KC 是一款 4 Kbit 器件。所有ST25DVxxKC器件均采用ISO/IEC 15693 NFC协议，并具有两个接口。I2C 串行链路可采用直流电源（如电池）供电。当接收到的载波的RF能量为设备供电时，RF链路激活。这些标签还包括为外部组件供电的能量收集功能（图 3）。该模拟输出（V_EH）提供当启用能量收集模式和RF场强足够时可用的模拟电压V_EH。能量收集电压输出不受调节。

图 3：ST25DVxxKC 器件采用 ISO/IEC 15693 NFC 协议（中心模块）、I2C 接口（右下角）和能量收集功能（在模拟前端和数字单元控制模块中）。（图片来源：意法半导体）

NFC读卡器评估板

意法半导体的X-NUCLEO-NFC03A1是一款基于ST25R95-VMD5T的NFC读卡器评估板，可加快RFID解决方案的开发（图4）。ST25R95-VMD5T可管理标准应用（如NFC）的帧编码和解码。X-NUCLEO-NFC03A1 支持 ISO/IEC 14443 A 型和 B 型、ISO/IEC 18092 和 ISO/IEC 15693（单子或双子载波）协议。它可以使用NFC论坛类型1，2，3和4标签进行检测，读取和写入。此外，该评估板与ST Arduino™ UNO R3连接器引脚分配兼容。

图 4：X-NUCLEO-NFC03A1 读卡器评估板支持扩展用于 NFC 的 STM32 Nucleo 板，支持邻近感应和邻近标准。（图片来源：意法半导体）

金属表面的无线射频识别

村田制作所的LXTBKZMCMG-010金属上UHF RAIN RFID标签设计用于手术器械和工具，使用金属表面作为增强天线，将读取范围增加到150厘米。LXTBKZMCMG-010 在整个 UHF 频段内工作，尺寸仅为 6.0 x 2.0 x 2.3 毫米 （mm），工作温度范围为 -40 至 +85 °C。 它符合EPC全球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设备标识符（UDI）。与EPC一样，UDI法规旨在支持医疗设备的安全使用和存储。UDI系统适用于许多类型的医疗设备，但对于手术器械尤其重要，因为手术器械存在为手术准备不正确器械的重大风险。预计欧洲未来也将要求手术工具上使用UDI。除了与手术工具相关的物流挑战外，手术工具的设置也非常耗时且容易出错，即使是经验丰富的个人也是如此。

 

低频 RFID 收发器 IC 和评估板

受益于 LF RFID 收发器的物流解决方案可以转向 Melexis 的 MLX90109 单芯片 125 kHz RFID 收发器。MLX90109 将最低的系统成本和功耗整合到一个高度灵活的设备中。读卡器的载波频率和振荡器频率由连接成并联谐振电路的外部线圈和电容器确定，无需外部振荡器，并通过完美的天线调谐防止零调制效应。非解码应答器信号可以在单线接口上传输，以实现最简单的实现。或者，MLX90109 可以在片上解码应答器信号，并通过与时钟和数据的双线接口共享解码后的信号。MLKX90109 的特性包括：

 

• 采用 SO8 封装的高度集成解决方案
• 无需外部石英基准;只有两个电阻器加天线
• 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支持 2 线串行通信

 

美来芯的 EVB90109 允许设计人员评估 MLX90109 IC 的性能。它还加快了紧凑且具有成本效益的RFID应用的开发。MLX90109 评估板的所有引脚均位于双列直插式 （DIL） 插座上，便于连接到外部微控制器。EVB90109 可用于从应答器读取数据，也可用于通过开/关键控调制将信息发送到应答器。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 5：设计人员可以使用 EVB90109 评估板评估 MLX90109 IC 的性能。（图片来源：Melexis）

总结

RFID标签越来越多地用于物流跟踪应用。各种可用的RFID标签技术，包括各种频段，供电架构以及通信和数据协议，意味着有可用的标签可以满足广泛的物流跟踪需求。使用一些RFID技术，一个人可以从远处一次读取数百个RFID标签，从而加快库存管理过程。在手术器械的情况下，使用RFID标签可以消除人为错误的一个来源，并使手术更安全。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标签可以支持低成本和简单的设计，只需最少的外部元件。

审核编辑 黄昊宇