射频识别(RFID)系统在全球某些规模应用领域逐渐得到广泛认可,其中工业领域的应用已经成熟完善,而零售业供应链应用中的产品流程优化、医药行业中整个流程的安全保障、认证及追踪则属新兴应用。工业应用需要使用RFID标签,跟踪生产设备的工作情况,并管理货盘、酒桶和气瓶等可重复使用的高价值资产。另一种常见的应用是在笔记本电脑的生产过程中,确保选用正确的元器件,严格按订单生产特定性能的产品。

    在零售业供应链应用中,企业通过监控在各配送中心和仓库里部署的RFID读卡器,尽可能提高库存利用率,将缺货的风险降至最低。2005年,全球最大的零售商沃尔玛宣布将在其供应链中集成RFID技术,RFID在供应链管理中的应用空前繁荣。

    2004年,美国联邦药物局(FDA)在报告中建议全球医药行业广泛采用RFID技术,RFID在医药界的应用也进展顺利。

    某种程度上,RFID的使用激发了许多新型应用,RFID技术必须为使用这一技术的公司最大限度地提高投资回报率,因此RFID也持续根据新标准的要求,随着技术与设计的进步而持续发展提高。但RFID还面临一些挑战,包括第二代高频标准HFGen 2、近场UHF技术,以及已经成熟并实现量产的硬件与传感器技术。

     RFID基础知识

     RFID技术大致可分为两类:一类是无源标签,它们无需电源,可从RFID读卡器中获取操作电源；另一类是有源标签,它们包含了电源,如标签自带了电池。电池电源可以扩大通信范围,即使没有读卡器也可记录传感器中相关的数据。

    RFID系统设计适用于各种频率范围,包括:

     1. 低频(LF)应用的频率范围从125kHz到134.2kHz,以及140kHz到148.5kHz,典型应用包括汽车的电子防盗系统、零售、动物识别以及食品供应链追踪。

     2. 高频(HF)应用的频率为13.56MHz,典型应用包括图书或制服等出租物品的跟踪、公交票务、药品管理以及其他物品级RFID电子标签。

    3. 超高频(UHF)应用的频率范围从860MHz到960MHz。典型应用包括固定资产跟踪、行李处理以及供应链应用。

     标准和规范机构

     目前尚无一个管理全球RFID频率的全球性机构,因此各个国家和地区都独立地选择RFID频段。幸运的是,LF和HF RFID标签可全球通用,因为全球的电源电压是可以互相转换的,所以可简化读卡器和标签的设计。但UHF频段的情况就没那么简单了,由于频率范围为860MHz到960MHz,所以开发统一的解决方案将面临不少挑战。不过,这个问题已部分得到解决,还存在的障碍是获得所有国家(例如中国)的许可,获得在UHF频段下使用RFID的许可。

     尽管RFID标准涉及到许多机构,但最重要的两家机构,一个是代表终端用户利益的产品电子代码(EPC)行业公司EPCGlobal,另一个是国际标准化组织(ISO)。ISO代表技术团体,旨在促进技术的标准化,确保终端用户在选择不同供应商的产品时在互操作性与兼容性方面可以高枕无忧。

     多种频率针对多种用途

     LF和HF技术已经投入使用并发展成熟,并在无源RFID系统中得到广泛采用。标准化的LF和HF技术早在1995年就已经可以投入使用,而UHF技术直到2001年才开始投入使用。

    LF系统非常适合工业应用,此类应用通常要求RFID在非常严苛的条件下运行。LF不受环境中电子噪音的干扰,并在IC设计中采用加密技术,通信距离最远可达到1.5米。LF技术也非常适用于液体、有机材料和金属应用。LF技术的主要市场包括动物识别、赌场筹码识别、门禁控制以及气瓶、酒桶等高价值产品的资产管理。

    HF系统适合于需要单品跟踪,读写范围最远达到1.5米的应用。加密算法可保护IC中的数据和EAS特性,使防盗成为可能。如今的典型应用包括图书馆藏书、CD、DVD及医药产品的防伪,此外还包括许多对读写要求非常精确的应用。

     UHF系统目前通常用于读取范围较大、距离达数米的应用,具体包括货盘和货箱识别,制造厂针对生产控制的汽车认证,以及公路收费解决方案。UHF是供应链和EAS中用于物品级标签的最年轻的RFID技术解决方案,相关解决方案仍在持续开发中。

    每个频率范围都有其优点,业界已经普遍了解并接受这一事实。任何新技术都会有众多的公司去努力延伸和改善其性能,RFID也不例外。随着新型IC设计的涌现和市场上读卡器的日益成熟,LF的读取范围、性能及成本也随之得到改善。在HF方面,目前采用的新加密算法使近场运行更加安全,同时还引入了速度更快的协议来提高读取和抗冲突速度。此外,新的规范允许使用更大的功率,以扩展HF解决方案的读写距离。

    而UHF直到最近也只有远场UHF技术可用,因此还无法识别液体和其它有机材料。目前,业界正采用NF UHF技术来识别有问题的材料或产品。NF UHF的读取距离可达到30cm左右,可应用于一些物品级标签。如上所述的LF、HF和UHF系统在关键领域的性能会有所不同(图1)。

 
图1 近场UHF技术需解决在金属环境中应用问题、近场特性和标签结构问题

     下面将探讨标签结构(图2)的问题。HF和LF标签通常具有典型的线圈结构,标签大小与读取范围直接相关。标签对其附着的材料相对不太敏感,因而标签设计为通用型。

图2 UHF标签结构示例

    UHF标签则需根据标签附着的材料进行优化,进而采用许多不同的配置。这主要是因为与HF或LF相比,UHF信号更容易与附有标签的物件或邻近材料互相作用。在远场模式和近场模式下使用UHF,也会存在设计差异。

     如今业界对远场UHF已经非常了解,目前的主要任务是优化硬件和软件以满足特定的应用要求,如提高货箱标签的读取速度,优化读卡器工作环境,以及协调各种规范以便在全球范围内普及UHF。过去一年来,业界已着手开始对近场UHF进行研究,分析如何使用该技术来实现物品级标签,并与远场UHF技术结合使用。

    行业研究

    鉴于上述情况,2006年初,Deutsche Post World Net发起DHL创新计划,研究时装、医药和电子等行业的RFID使用情况。组织的其他成员包括IBM、英特尔、恩智浦半导体(当时为飞利浦半导体)及SAP。该计划的测试和评估目标同时包括HF和UHF系统,旨在研究出目标行业中各种应用场景下的最佳RFID解决方案。

    在典型物流环境中会应用到种类众多、特性各异的各种材料时,需要重点考虑RFID标签在不同应用条件下的可读性和可写性。由于似乎不存在某一特定频率可以优化所有应用中的RFID解决方案的性能,因此业界决定针对各项技术分别展开研究,以确定各项应用最适用的频率。还有其他许多公司也在进行类似的测试,例如德国的麦德龙和Kaufhof以及沃尔玛和Target等公司。

    RFID系统部署的注意事项

    部署RFID系统需要从隐私和安全两个方面加以考虑。隐私问题主要关注可以读写RF信号的范围和安全增强技术方面,如密码保护和加密,并在必要时灭活标签。

     加密技术经实际验证是切实有效的,并广泛用于HF和某些LF解决方案,但尚没有加密技术用于UHF解决方案。至于读取范围,由于HF RFID信号的功率从读写器天线发出后迅速衰减,所以与典型UHF RFID芯片的远场操作相比,它具有天然的优势。也可以通过在读写器天线和标签之间使用近场耦合来实现UHF场,上述近场UHF就使用了该项技术。

    HF和近场UHF系统实例表明:在联邦通信委员会(FCC)针对医药应用所要求的读取距离范围内,HF系统更易于激发标签。对于销售终端(POS)应用,HF系统具有更好的近场限制性能,因此不易出现在近场附近错误读取其他标签的现象。

    图3显示在300mm的范围内,HF(虚线中的Wvz)比UHF(实线中的Wv)的功率密度更高,因此FCC规则规定的通信区域内的信号更强。信号越强则读取越快、越准。

图3 满足FCC规范的医药应用中的无功功率密度与距离的关系

    另一方面,当读取范围大于300mm时,近场UHF拥有比HF更高的功率密度,但与保密有关的风险也更高。由于HF信号衰减更快,所以更不易出现在近场附近错误读取其他标签或未经授权就读写标签的现象。

    健康问题仍然是全球监管机构密切关注的问题,每个地区都对辐射强度有所限制(不仅针对RF,而且还包括几乎所有电磁场)。允许的辐射强度以功率密度来表示,对于已知传输功率和频率的特定系统,这意味着可以计算出最短的辐射范围。

    规范机构还区分了允许的工作辐射强度和允许的公共场所辐射。由于在公共场所的应用或多或少都不会连续遭受辐射,因此这些应用的最短距离大于工业辐射的最短距离。由于近场UFH在RFID应用领域中属于较新的技术,目前尚未明确该如何解决健康问题。

    总结

    尽管在以往部署的RFID系统中一直使用LF或HF频率来实现物品级标签,使用UHF来实现货盘和货柜标签,但随着近场UHF的开发,现在则可以采用近场UHF来实现物品级标签。

    业界针对这一情况启动了测试方案,针对不同的应用来确定能够获得最佳性能且最具经济效益的频率。这里所指的性能不仅包括技术效能,而且还包括要符合通常在各规范中都包括的隐私、健康和安全要求。

     业界也已开始协调统一第二代HF标准,目的类似于已获EPCGlobal和ISO批准的UHF Gen 2标准。

     但许多观察家最终分析认为不会存在一个完全通用型RFID解决方案。在可以使用HF和UHF频率的国家,由于标签的可重复利用性、隐私性、可靠性、可扩展性和成本等问题,可能倾向于二中选一。如果两种频率均可用,系统集成商可自由选择最适合的解决方案并进行部署。

    扩大UHF和HF频率的使用范围将会加快行业采用RFID技术的步伐,因为这样很多公司都可以在其供应链中更加轻松地利用RFID的优势。

    尽管依然存在需要改进的方面,但实践证明,RFID的确是一项成本经济、使用可靠的技术。技术障碍正在被逐一克服,未来将会取得许多新的进展,以进一步增强和完善该技术的性能。