作者：Jeff Shepard

本文回顧了包括有源和無源標簽在內的 RFID 技術，以及通過增加能量采集功能來提高無源標簽性能的可能性。文章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，最后介紹了 STMicroelectronics、Murata Electronics 和 Melexis Technologies 的 RFID 標簽和閱讀器選型，以及用于加速 RFID 物流解決方案設計的評估平臺。

物流和供應鏈管理正越來越多地轉向射頻識別 (RFID) 技術，以實現對材料和貨品的位置、數量的實時可見性。使用 RFID 標簽可以加快庫存管理，減少人為錯誤，并有助于減少庫存縮減。RFID 標簽不必被看到才能被讀取，當標簽位于盒子或其他外殼內時也能被讀取。此外，一個人可以從遠處一次性讀取數百個 RFID 標簽。

設計人員需要在 RFID 標簽的電源架構和數據格式之間作出選擇，還需要緊湊、準確的 RFID 閱讀器。標簽和閱讀器可能還需要滿足電子產品編碼 (EPC) UHF Gen2v2 技術標準和 RAIN RFID 數據格式的要求。

RFID 平臺形式和標簽類型

RFID 平臺可以通過工作頻段、供電架構和數據通信格式分為幾種形式。有三個主要工作頻段，低頻 (LF)、高頻 (HF) 和超高頻(UHF)。低頻段為 30 - 300 kHz，大多數低頻標簽的工作頻率為 125 kHz。低頻標簽的讀取距離較短，約為 10 - 30 cm，讀取速度比高頻標簽慢，但對電磁干擾 (EMI) 的敏感度相對較低。這類標簽用于電纜識別、手術器械、醫療設備跟蹤和維護工具庫存。

近場通訊 (NFC) 標簽是高頻 RFID 的一個子集。所有 NFC 標簽都在高頻段工作，但并非所有高頻段的標簽都使用 NFC 協議（圖 1）。NFC 標簽的傳輸距離一般限定為幾厘米，而其他高頻標簽的設計可以傳輸 30 cm。此外，NFC 標簽的工作頻率規定為 13.56 MHz。雖然所有的 RFID 標簽頻率都用于物流應用，但超高頻 RFID 標簽有時被稱為“供應鏈”標簽，因為它們結合了更大的讀取范圍、更快的讀取速率，以及針對物流應用的優化數據格式。

圖 1：NFC 標簽是低頻 RFID 技術的一個子集，其工作頻率通常為 125 kHz。（圖片來源：STMicroelectronics）

RFID 標簽可根據其電源架構進行分類：

• 有源標簽包含電池，可以定期發射，無輪詢，其讀取距離可達 100 m。

• 無源標簽必須由閱讀器進行輪詢。由閱讀器發出的射頻信號的能量開啟并向標簽供電，將信息反射給閱讀器。

• 能量收集標簽是一種無源標簽，可以捕獲閱讀器發射的射頻能量，并利用采集的能量為其他系統組件供電。

• 半無源標簽（也被稱為電池輔助標簽）包括一個電池，但其操作與無源標簽一樣，只有在被閱讀器輪詢時才傳輸數據。

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。有源標簽成本較高，通常用于追蹤建筑、運輸和醫療行業的高價值資產。半無源標簽，特別是那些使用 NFC 技術的標簽，僅限用于如手機等特定應用。

ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693 標準確保了具有 NFC 功能的設備之間互操作性。NFC 的操作基于電感耦合，對天線方向很敏感（圖 2）。NFC 設備可以是一個由另一個 NFC 設備產生的射頻場供電的無源設計，也可以是一個含電池電源的半無源設計。由于其傳輸距離短，因此 NFC 標簽本身就更安全。此外，NFC 標簽必須每次只讀取一個標簽，而如超高頻標簽等其他 RFID 技術則支持同時讀取大量標簽。相比其他低頻 RFID 技術，NFC 標簽可以存儲和傳輸更多的信息，因其提高了在物流應用中的利用率。動態 NFC RFID 標簽是一種雙接口、快速傳輸、能量收集標簽，具有可配置中斷、射頻管理和低功率工作模式。

圖 2：為了實現 NFC 設備所需的電感耦合，需要將天線置于適當的方向上。（圖片來源：STMicroelectronics）

用于物流管理的 RAIN 和 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 協議是由 RAIN（RAdio 頻率識別）RFID聯盟推動使用的。RAIN 技術用于利用互聯網將超高頻 RFID標簽連接到云端。RAIN 的 EPC gen 2v2 是無源 RFID 標簽協議，通過認證標簽和閱讀器來實現安全和隱私。RAIN 修改了 ISO 的編號系統，以簡化公司識別編號的使用。

用于實物的 EPC 通用標識符標準由 EPCglobal 開發。EPCglobal 是 GS1 US（原Uniform Code Council, Inc.）和 GS1（原 EAN International）的合資公司。EPC 已被采納為 ISO 18000-6C 標準。EPC 規范了閱讀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 是射頻載波技術。

動態 NFC 標簽

對于能夠從動態 NFC 標簽獲益的物流解決方案，設計人員可以采用 STMicroelectronics的 ST25DVxxKC 系列。該系列器件提供 4 Kb、16 Kb 和 64 Kb 電可擦寫可編程存儲器 (EEPROM)。例如，ST25DV04KC 是一種 4Kb 器件。所有 ST25DVxxKC 器件都使用 ISO/IEC 15693 NFC 協議，提供兩個接口。I2C 串行鏈路可通過直流電源（如電池）供電。當接收到的載波的射頻能量為器件供電時，激活射頻鏈接。這些標簽還具有能量收集能力，可為外部元器件供電（圖 3）。這個模擬輸出 (V_EH) 在能量收集模式啟用且射頻場強度足夠大時提供有效模擬電壓 V_EH。能量收集的電壓輸出未經過調節。

圖 3：ST25DVxxKC 器件使用 ISO/IEC 15693 NFC 協議（中間塊）、I2C 接口（右下），具有能量收集能力（模擬前端和數字單元控制塊中）。（圖片來源：STMicroelectronics）

NFC閱讀器評估板

STMicroelectronics 的 X-NUCLEO-NFC03A1 是一款基于 ST25R95-VMD5T 的 NFC 讀卡器評估板，可以加速 RFID 解決方案的開發（圖 4）。ST25R95-VMD5T 管理如 NFC 等標準應用的幀編碼和幀解碼。X-NUCLEO-NFC03A1支持 ISO/IEC 14443 A 型和 B 型、ISO/IEC 18092 和ISO/IEC 15693（單或雙次載波）協議。它可以使用 NFC 論壇的 1、2、3 和 4 型標簽進行檢測、讀取和寫入。此外，該評估板與 ST Arduino™ UNO R3 連接器引腳分配相兼容。

圖 4：X-NUCLEO-NFC03A1 讀卡器評估板可實現 STM32 Nucleo 板對 NFC 的擴展，支持接近和鄰近標準。（圖片來源：STMicroelectronics）

金屬表面的 RFID

Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上 UHF RAIN RFID 標簽專為手術器械和工具而設計，利用金屬表面作為增強天線，將讀取范圍擴大到 150 cm。LXTBKZMCMG-010 在整個 UHF 頻段工作，大小僅為 6.0 x 2.0 x 2.3 mm，工作溫度范圍為 -40 至 +85℃。該標簽符合EPC global 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器械標識 (UDI)。與 EPC 一樣，UDI 法規旨在規范醫療設備的安全使用和存放。UDI 系統適用于許多種醫療設備，但對手術器械尤其重要，因為手術時器械準備不當會帶來很大風險。預計歐洲將來也會要求在手術工具上設置 UDI。除了與手術工具有關的物流挑戰外，手術工具的設置也很耗時，而且容易出錯，即使是有經驗的人也不例外。

圖 5：手術器械和工具的金屬表面被 Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上超高頻 RAIN RFID 標簽用作增強天線，以擴大讀取范圍。（圖片來源：Murata）

LF RFID 收發器 IC 和評估板

可以從 LF RFID 收發器中獲益的物流解決方案可采用 Melexis 的 MLX90109 單芯片 125 kHz RFID 收發器。MLX90109器件高度靈活，同時實現了最低的系統成本和功耗。閱讀器的載波頻率和振蕩器頻率由作為并聯諧振電路的外部線圈和電容來確定的，因此不需要外置振蕩器，從而防止完美天線調諧的零調制效應。非解碼應答器信號通過單線接口傳輸，從而實施簡單。我們可選擇的是，MLX90109 可以對應答器信號進行片上解碼，并通過 2 線接口與時鐘和數據共享解碼信號。MLKX90109 的特點包括：

• 高度集成的解決方案，采用 SO8 封裝
• 不需要外部石英基準；只有兩個電阻以及天線
• 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可實現 2 線制串行通信

Melexis 的 EVB90109 用于評估 MLX90109 IC 的性能（圖 6）。它還能加速開發外形緊湊、經濟實惠的 RFID 應用。MLX90109 評估板的所有引腳都位于雙排直插式 (DIL) 插座上，方便與外部微控制器連接。EVB90109 可用于從應答器中讀取數據，也可用于使用開/關式鍵控調制向應答器發送信息。在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 6：設計人員可以使用 EVB90109 評估板測量 MLX90109 集成電路的性能。（圖片來源：Melexis）

總結

RFID 標簽正越來越多地應用于物流跟蹤應用。目前，RFID標簽技術多種多樣，包括各種頻段、供電架構以及通信和數據協議，這意味著有許多標簽可滿足廣泛的物流跟蹤需求。利用一些 RFID 技術，可以遠程同時讀取數百個 RFID 標簽，從而加快庫存管理。就手術器械而言，使用 RFID 標簽可以消除人為錯誤來源，提高手術安全性。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 標簽可以支持只需極少外部元器件的低成本簡易設計。