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部署RFID技術(shù)的挑戰(zhàn)及最優(yōu)化解決方案
在零售業(yè)供應(yīng)鏈應(yīng)用中，企業(yè)通過(guò)監(jiān)控在各配送中心和倉(cāng)庫(kù)里部署的RFID讀卡器，盡可能提高庫(kù)存利用率，將缺貨的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。2005年，全球最大的零售商沃爾瑪宣布將在其供應(yīng)鏈中集成RFID技術(shù)，RFID在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用空前繁榮。
2004年，美國(guó)聯(lián)邦藥物局(FDA)在報(bào)告中建議全球醫(yī)藥行業(yè)廣泛采用RFID技術(shù)，RFID在醫(yī)藥界的應(yīng)用也進(jìn)展順利。
某種程度上，RFID的使用激發(fā)了許多新型應(yīng)用，RFID技術(shù)必須為使用這一技術(shù)的公司最大限度地提高投資回報(bào)率，因此RFID也不斷根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)的要求，隨著技術(shù)與設(shè)計(jì)的進(jìn)步而持續(xù)發(fā)展提高。但RFID還面臨一些挑戰(zhàn)，包括第二代高頻標(biāo)準(zhǔn)HFGen 2、近場(chǎng)UHF技術(shù)，以及已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的硬件與傳感器技術(shù)。
圖1：近場(chǎng)UHF技術(shù)需解決在金屬環(huán)境中應(yīng)用問(wèn)題、近場(chǎng)特性和標(biāo)簽結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
RFID基礎(chǔ)知識(shí)
RFID技術(shù)大致可分為兩類：一類是無(wú)源標(biāo)簽，它們無(wú)需電源，可從RFID讀卡器中獲取操作電源；另一類是有源標(biāo)簽，它們包含了電源，如標(biāo)簽自帶了電池。電池電源可以擴(kuò)大通信范圍，即使沒(méi)有讀卡器也可記錄傳感器中相關(guān)的數(shù)據(jù)。
RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于各種頻率范圍，包括：
1.低頻(LF)應(yīng)用的頻率范圍從125kHz到134.2kHz，以及140kHz到148.5kHz，典型應(yīng)用包括汽車的電子防盜系統(tǒng)、零售、動(dòng)物識(shí)別以及食品供應(yīng)鏈追蹤。
2.高頻(HF)應(yīng)用的頻率為13.56MHz，典型應(yīng)用包括圖書(shū)或制服等出租物品的跟蹤、公交票務(wù)、藥品管理以及其他物品級(jí)電子標(biāo)簽。
3.超高頻(UHF)應(yīng)用的頻率范圍從860MHz到960MHz。典型應(yīng)用包括固定資產(chǎn)跟蹤、行李處理以及供應(yīng)鏈應(yīng)用。
標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范機(jī)構(gòu)
目前尚無(wú)一個(gè)管理全球RFID頻率的全球性機(jī)構(gòu)，因此各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都獨(dú)立地選擇RFID頻段。幸運(yùn)的是，LF和HF RFID標(biāo)簽可全球通用，因?yàn)槿虻碾娫措妷菏强梢曰ハ噢D(zhuǎn)換的，所以可簡(jiǎn)化讀卡器和標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。但UHF頻段的情況就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了，由于頻率范圍為860MHz到960MHz，所以開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的解決方案將面臨不少挑戰(zhàn)。不過(guò)，這個(gè)問(wèn)題已部分得到解決，還存在的障礙是獲得所有國(guó)家(例如中國(guó))的許可，獲得在UHF頻段下使用RFID的許可。
盡管RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及到許多機(jī)構(gòu)，但最重要的兩家機(jī)構(gòu)，一個(gè)是代表終端用戶利益的產(chǎn)品電子代碼(EPC)行業(yè)集團(tuán)EPCGlobal，另一個(gè)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)。ISO代表技術(shù)團(tuán)體，旨在促進(jìn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，確保終端用戶在選擇不同供應(yīng)商的產(chǎn)品時(shí)在互操作性與兼容性方面可以高枕無(wú)憂。
多種頻率針對(duì)多種用途
LF和HF技術(shù)已經(jīng)投入使用并發(fā)展成熟，并在無(wú)源RFID系統(tǒng)中得到廣泛采用。標(biāo)準(zhǔn)化的LF和HF技術(shù)早在1995年就已經(jīng)可以投入使用，而UHF技術(shù)直到2001年才開(kāi)始投入使用。
LF系統(tǒng)非常適合工業(yè)應(yīng)用，此類應(yīng)用通常要求RFID在非常嚴(yán)苛的條件下運(yùn)行。LF不受環(huán)境中電子噪音的干擾，并在IC設(shè)計(jì)中采用加密技術(shù)，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1.5米。LF技術(shù)也非常適用于液體、有機(jī)材料和金屬應(yīng)用。LF技術(shù)的主要市場(chǎng)包括動(dòng)物識(shí)別、賭場(chǎng)籌碼識(shí)別、門禁控制以及氣瓶、酒桶等高價(jià)值產(chǎn)品的資產(chǎn)管理。
HF系統(tǒng)適合于需要單品跟蹤，讀寫(xiě)范圍最遠(yuǎn)達(dá)到1.5米的應(yīng)用。加密算法可保護(hù)IC中的數(shù)據(jù)和EAS特性，使防盜成為可能。如今的典型應(yīng)用包括圖書(shū)館藏書(shū)、CD、DVD及醫(yī)藥產(chǎn)品的防偽，此外還包括許多對(duì)讀寫(xiě)要求非常精確的應(yīng)用。
UHF系統(tǒng)目前通常用于讀取范圍較大、距離達(dá)數(shù)米的應(yīng)用，具體包括貨盤和貨箱識(shí)別，制造廠針對(duì)生產(chǎn)控制的汽車認(rèn)證，以及公路收費(fèi)解決方案。UHF是供應(yīng)鏈和EAS中用于物品級(jí)標(biāo)簽的最年輕的RFID技術(shù)解決方案，相關(guān)解決方案仍在不斷開(kāi)發(fā)中。
每個(gè)頻率范圍都有其優(yōu)點(diǎn)，業(yè)界已經(jīng)普遍了解并接受這一事實(shí)。任何新技術(shù)都會(huì)有眾多的公司去努力延伸和改善其性能，RFID也不例外。隨著新型IC設(shè)計(jì)的涌現(xiàn)和市場(chǎng)上讀卡器的日益成熟，LF的讀取范圍、性能及成本也隨之得到改善。在HF方面，目前采用的新加密算法使近場(chǎng)運(yùn)行更加安全，同時(shí)還引入了速度更快的協(xié)議來(lái)提高讀取和抗沖突速度。此外，新的規(guī)范允許使用更大的功率，以擴(kuò)展HF解決方案的讀寫(xiě)距離。
而UHF直到最近也只有遠(yuǎn)場(chǎng)UHF技術(shù)可用，因此還無(wú)法識(shí)別液體和其它有機(jī)材料。目前，業(yè)界正采用NF UHF技術(shù)來(lái)識(shí)別有問(wèn)題的材料或產(chǎn)品。NF UHF的讀取距離可達(dá)到30cm左右，可應(yīng)用于一些物品級(jí)標(biāo)簽。如上所述的LF、HF和UHF系統(tǒng)在關(guān)鍵領(lǐng)域的性能會(huì)有所不同(圖1)。
下面將探討標(biāo)簽結(jié)構(gòu)(圖2)的問(wèn)題。HF和LF標(biāo)簽通常具有典型的線圈結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽大小與讀取范圍直接相關(guān)。標(biāo)簽對(duì)其附著的材料相對(duì)不太敏感，因而標(biāo)簽設(shè)計(jì)為通用型。
圖2：UHF標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示例
UHF標(biāo)簽則需根據(jù)標(biāo)簽附著的材料進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而采用許多不同的配置。這主要是因?yàn)榕cHF或LF相比，UHF信號(hào)更容易與附有標(biāo)簽的物件或鄰近材料互相作用。在遠(yuǎn)場(chǎng)模式和近場(chǎng)模式下使用UHF，也會(huì)存在設(shè)計(jì)差異。
如今業(yè)界對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)UHF已經(jīng)非常了解，目前的主要任務(wù)是優(yōu)化硬件和軟件以滿足特定的應(yīng)用要求，如提高貨箱標(biāo)簽的讀取速度，優(yōu)化讀卡器工作環(huán)境，以及協(xié)調(diào)各種規(guī)范以便在全球范圍內(nèi)普及UHF。過(guò)去一年來(lái)，業(yè)界已著手開(kāi)始對(duì)近場(chǎng)UHF進(jìn)行研究，分析如何使用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)物品級(jí)標(biāo)簽，并與遠(yuǎn)場(chǎng)UHF技術(shù)結(jié)合使用。
行業(yè)研究
鑒于上述情況，2006年初，Deutsche Post World Net發(fā)起DHL創(chuàng)新計(jì)劃，研究時(shí)裝、醫(yī)藥和電子等行業(yè)的RFID使用情況。組織的其他成員包括IBM、英特爾、恩智浦半導(dǎo)體(當(dāng)時(shí)為飛利浦半導(dǎo)體)及SAP。該計(jì)劃的測(cè)試和評(píng)估目標(biāo)同時(shí)包括HF和UHF系統(tǒng)，旨在研究出目標(biāo)行業(yè)中各種應(yīng)用場(chǎng)景下的最佳RFID解決方案。
在典型物流環(huán)境中會(huì)應(yīng)用到種類眾多、特性各異的各種材料時(shí)，需要重點(diǎn)考慮RFID標(biāo)簽在不同應(yīng)用條件下的可讀性和可寫(xiě)性。由于似乎不存在某一特定頻率可以優(yōu)化所有應(yīng)用中的RFID解決方案的性能，因此業(yè)界決定針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)分別展開(kāi)研究，以確定各項(xiàng)應(yīng)用最適用的頻率。還有其他許多公司也在進(jìn)行類似的測(cè)試，例如德國(guó)的麥德龍和Kaufhof以及沃爾瑪和Target等公司。
RFID系統(tǒng)部署的注意事項(xiàng)
部署RFID系統(tǒng)需要從隱私和安全兩個(gè)方面加以考慮。隱私問(wèn)題主要關(guān)注可以讀寫(xiě)RF信號(hào)的范圍和安全增強(qiáng)技術(shù)方面，如密碼保護(hù)和加密，并在必要時(shí)滅活標(biāo)簽。
加密技術(shù)經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證是切實(shí)有效的，并廣泛用于HF和某些LF解決方案，但尚沒(méi)有加密技術(shù)用于UHF解決方案。至于讀取范圍，由于HF RFID信號(hào)的功率從讀寫(xiě)器天線發(fā)出后迅速衰減，所以與典型UHF RFID芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)操作相比，它具有天然的優(yōu)勢(shì)。也可以通過(guò)在讀寫(xiě)器天線和標(biāo)簽之間使用近場(chǎng)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)UHF場(chǎng)，上述近場(chǎng)UHF就使用了該項(xiàng)技術(shù)。
HF和近場(chǎng)UHF系統(tǒng)實(shí)例表明：在聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)針對(duì)醫(yī)藥應(yīng)用所要求的讀取距離范圍內(nèi)，HF系統(tǒng)更易于激發(fā)標(biāo)簽。對(duì)于銷售終端(POS)應(yīng)用，HF系統(tǒng)具有更好的近場(chǎng)限制性能，因此不易出現(xiàn)在近場(chǎng)附近錯(cuò)誤讀取其他標(biāo)簽的現(xiàn)象。
圖3顯示在300mm的范圍內(nèi)，HF(虛線中的Wvz)比UHF(實(shí)線中的Wv?)的功率密度更高，因此FCC規(guī)則規(guī)定的通信區(qū)域內(nèi)的信號(hào)更強(qiáng)。信號(hào)越強(qiáng)則讀取越快、越準(zhǔn)。
圖3：滿足FCC規(guī)范的醫(yī)藥應(yīng)用中的無(wú)功功率密度與距離的關(guān)系。
另一方面，當(dāng)讀取范圍大于300mm時(shí)，近場(chǎng)UHF擁有比HF更高的功率密度，但與保密有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)也更高。由于HF信號(hào)衰減更快，所以更不易出現(xiàn)在近場(chǎng)附近錯(cuò)誤讀取其他標(biāo)簽或未經(jīng)授權(quán)就讀寫(xiě)標(biāo)簽的現(xiàn)象。
健康問(wèn)題仍然是全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)密切關(guān)注的問(wèn)題，每個(gè)地區(qū)都對(duì)輻射強(qiáng)度有所限制(不僅針對(duì)RF，而且還包括幾乎所有電磁場(chǎng))。允許的輻射強(qiáng)度以功率密度來(lái)表示，對(duì)于已知傳輸功率和頻率的特定系統(tǒng)，這意味著可以計(jì)算出最短的輻射范圍。
規(guī)范機(jī)構(gòu)還區(qū)分了允許的工作輻射強(qiáng)度和允許的公共場(chǎng)所輻射。由于在公共場(chǎng)所的應(yīng)用或多或少都不會(huì)連續(xù)遭受輻射，因此這些應(yīng)用的最短距離大于工業(yè)輻射的最短距離。由于近場(chǎng)UFH在RFID應(yīng)用領(lǐng)域中屬于較新的技術(shù)，目前尚未明確該如何解決健康問(wèn)題。
本文小結(jié)
盡管在以往部署的RFID系統(tǒng)中一直使用LF或HF頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)物品級(jí)標(biāo)簽，使用UHF來(lái)實(shí)現(xiàn)貨盤和貨柜標(biāo)簽，但隨著近場(chǎng)UHF的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在則可以采用近場(chǎng)UHF來(lái)實(shí)現(xiàn)物品級(jí)標(biāo)簽。
業(yè)界針對(duì)這一情況啟動(dòng)了測(cè)試方案，針對(duì)不同的應(yīng)用來(lái)確定能夠獲得最佳性能且最具經(jīng)濟(jì)效益的頻率。這里所指的性能不僅包括技術(shù)效能，而且還包括要符合通常在各規(guī)范中都包括的隱私、健康和安全要求。
業(yè)界也已開(kāi)始協(xié)調(diào)統(tǒng)一第二代HF標(biāo)準(zhǔn)，目的類似于已獲EPCGlobal和ISO批準(zhǔn)的UHF Gen 2標(biāo)準(zhǔn)。
但許多觀察家最終分析認(rèn)為不會(huì)存在一個(gè)完全通用型RFID解決方案。在可以使用HF和UHF頻率的國(guó)家，由于標(biāo)簽的可重復(fù)利用性、隱私性、可靠性、可擴(kuò)展性和成本等問(wèn)題，可能傾向于二中選一。如果兩種頻率均可用，系統(tǒng)集成商可自由選擇最適合的解決方案并進(jìn)行部署。
擴(kuò)大UHF和HF頻率的使用范圍將會(huì)加快行業(yè)采用RFID技術(shù)的步伐，因?yàn)檫@樣很多公司都可以在其供應(yīng)鏈中更加輕松地利用RFID的優(yōu)勢(shì)。
盡管依然存在需要改進(jìn)的方面，但實(shí)踐證明，RFID的確是一項(xiàng)成本經(jīng)濟(jì)、使用可靠的技術(shù)。技術(shù)障礙正在被逐一克服，未來(lái)將會(huì)取得許多新的進(jìn)展，以進(jìn)一步增強(qiáng)和完善該技術(shù)的性能。
恩智浦作為開(kāi)發(fā)RFID技術(shù)的先行者，將繼續(xù)在技術(shù)開(kāi)發(fā)中扮演領(lǐng)導(dǎo)角色，幫助價(jià)值鏈中的客戶和合作伙伴找到適合其應(yīng)用的最佳解決方案。
