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超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢分析

2008-03-08 00:00 性質(zhì):轉(zhuǎn)載 作者:RFID射頻快報 來源:RFID射頻快報
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隨著RFID技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用,對電子標(biāo)簽和讀寫器的要求逐步細(xì)化,從對電子標(biāo)簽讀寫距離的要求來說,大致可以分為二大類:第...

  隨著RFID技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用,對電子標(biāo)簽和讀寫器的要求逐步細(xì)化,從對電子標(biāo)簽讀寫距離的要求來說,大致可以分為二大類:
  第一類為近距離自動識別系統(tǒng)。RFID技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展,識別距離在數(shù)十厘米以內(nèi),頻率在13.56MHz或以下頻段的近距離RFID技術(shù)已相對成熟。一般都由人手持電子標(biāo)簽(卡)或讀寫器,讓二者直接靠近進(jìn)行讀寫。目前使用量很大,如我國的第二代智能身份證、公共汽車和地鐵的IC卡電子車票,辦公人員的門禁系統(tǒng)等等。
  第二類為遠(yuǎn)距離自動識別系統(tǒng),對電子標(biāo)簽讀寫距離在數(shù)米至十余米。如果要對行駛中的車輛、傳送帶上的行李,流水線上的工件等運動或移動物體進(jìn)行近距離識別,必須使這些物體停下來,這不僅會降低效率,對有些應(yīng)用甚至是不可能的。遠(yuǎn)距離RFID技術(shù)是物流、生產(chǎn)自動化、供應(yīng)鏈管理和交通管理等行業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集,建立網(wǎng)絡(luò)化管理信息平臺的必要手段,遠(yuǎn)距離RFID產(chǎn)品的應(yīng)用已成為不可阻擋的趨勢。
  遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)使用三個工作頻段:即840MHz~960MHz超高頻頻段(UHF)、2.45GHz頻段和5.8GHz頻段。早期由于RFID技術(shù)水平的限制,電子標(biāo)簽的電路必須靠電池供電。這就帶來電子標(biāo)簽價格貴、使用和維護(hù)不方便,壽命有限等問題,限制了射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。九十年代后期半導(dǎo)體集成電路在集成度和降低功耗方面達(dá)到了極高的水平,在UHF和2.45GHz頻段制造出了無源電子標(biāo)簽的單片集成電路。可以利用讀寫器天線幅射的電磁波能量,驅(qū)動標(biāo)簽電路工作。2.45GHz頻段的無源電子標(biāo)簽識別距離很近,而UHF頻段的識別距離可在10米以上,已成為遠(yuǎn)距離無源識別系統(tǒng)的主流。5.8GHz頻段由于技術(shù)相對復(fù)雜,難于制造出無源而作用距離又遠(yuǎn)的電子標(biāo)簽,它的電子標(biāo)簽的價格是無源標(biāo)簽的數(shù)十倍,在我國及歐洲日本等高速公路收費的系統(tǒng)仍在使用有源的5.8GHz系統(tǒng)。
  UHF RFID系統(tǒng)正進(jìn)入高速成長期
  超高頻遠(yuǎn)距離自動識別技術(shù)具有能一次性讀取多個標(biāo)簽、穿透性強(qiáng)、可多次讀寫、數(shù)據(jù)的記憶容量大,無源電子標(biāo)簽成本低,體積小,使用方便,可靠性和壽命高,可以在車輛或其它被標(biāo)識的物體高速運動的情況下工作、耐受戶外惡劣環(huán)境等特點,得到了世界各國的重視。近年來,由于受到以美國國防部和歐美大企業(yè)的推動,確立了自動識別國際標(biāo)準(zhǔn),加之超高頻電子標(biāo)簽的價格逐年下降,大大降低了RFID技術(shù)的應(yīng)用門檻。超高頻遠(yuǎn)距離自動識別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已逐步由涉車應(yīng)用,轉(zhuǎn)為現(xiàn)代物流、電子商務(wù)、交通管理、電子政務(wù)以及軍事管理等國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域,超高頻遠(yuǎn)距離自動識別已開始進(jìn)入高速成長期。
  我國在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,全社會運用信息技術(shù)提高效益和質(zhì)量的形勢的推動下,2006年科技部等十五部委聯(lián)合發(fā)表了中國射頻識別(RFID)技術(shù)政策白皮書,為RFID技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展提供了系統(tǒng)性指南。中國自動識別產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模,RFID產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。遠(yuǎn)距離無源電了標(biāo)簽和讀寫器的應(yīng)用和開發(fā)方面,在90年代中期深圳市遠(yuǎn)望谷科技有限公司等單位,開發(fā)了鐵路車輛車號自動識別系統(tǒng)。以四川省新源現(xiàn)代為代表,從1997年起在深圳海關(guān)建設(shè)了“自動車輛識別管理系統(tǒng)”,對過境車輛進(jìn)行管理。并從2001年起,將原來的有源卡系統(tǒng)改為超高頻無源卡系統(tǒng)。
  2001年秋,深圳市人一投資發(fā)展有限公司在全國率先開發(fā)出了符合ISO/IEC18000-6B標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器和系統(tǒng),成功地用于深圳海關(guān)電子轉(zhuǎn)關(guān)通道管理等項目。此后南京三寶集團(tuán)瑞??萍脊竞蜕钲谑邢仁┛萍加邢薰镜榷枷嗬^投入力量,進(jìn)行了有自主知識產(chǎn)權(quán)的遠(yuǎn)距離識別電子標(biāo)簽和讀寫器系統(tǒng)的開發(fā),形成了初步的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,不僅為國內(nèi)提供了大量電子標(biāo)簽和讀寫器,也出口到美國、加拿大、墨西哥、巴西和中東許多國家,成為國際遠(yuǎn)距離無源識別系統(tǒng)大家庭的重要成員。
  無源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離自動識別技術(shù)比較復(fù)雜,目前各公司的生產(chǎn)規(guī)模不大,生產(chǎn)成本高。在全國的眾多RFID企業(yè)中,各種代理或外企分支機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)集成與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)占到近90%,真正從事RFID的核心技術(shù)開發(fā),具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品企業(yè)不到10%,是中國RFID產(chǎn)業(yè)最薄弱環(huán)節(jié)。針對此技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀,我國科技部把“射頻識別(RFID)技術(shù)與應(yīng)用”列為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)的重大項目,組織攻克一批RFID共性基礎(chǔ)及前瞻性、產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),建立起我國RFID技術(shù)自主創(chuàng)新體系、公共應(yīng)用服務(wù)體系和RFID標(biāo)準(zhǔn)體系,構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈,降低電子標(biāo)簽和讀寫器這些關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)成本,加速應(yīng)用軟件的開發(fā),增大推廣使用的力度,滿足物流業(yè)、交通運輸業(yè)、生產(chǎn)管理和國家安全等各方面的迫切需要。在國內(nèi)外遠(yuǎn)距離自動識別技術(shù)應(yīng)用加速發(fā)展的前提下,有下列值得重視的發(fā)展趨勢:
  一、ISO/IEC18000-6C可能成為事實上的UHF RFID空間接口標(biāo)準(zhǔn)
  隨著全球物流行業(yè)RFID大規(guī)模應(yīng)用的開始,RFID標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。EPC Global是由北美UCC產(chǎn)品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)合成立,在全球擁有數(shù)百家成員,得到了零售巨頭沃爾瑪,制造業(yè)巨頭強(qiáng)生、寶潔等跨國公司的支持,由于綜合了美國和歐洲廠商,實力相對占上風(fēng)。2006年EPC Gen2已納入國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工組織(IEC)聯(lián)合的ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn),稱為ISO/IEC18000-6C。在超高頻(UHF)頻段,空間通訊接口標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6的A、B和C三類中,由于歷史原因,B類多數(shù)用于交通領(lǐng)域,而C類主要用于物流、生產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域。但是C類標(biāo)簽的速度比B類高,價格低,生產(chǎn)和銷售的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過B類,有逐步完全替代B類的趨勢,有可能成為事實上的UHF遠(yuǎn)距離的無源自動識別系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn),不僅在物流、生產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域大量應(yīng)用,也會在交通管理領(lǐng)域使用。
  符合ISO/IEC18000-6的A、B和C的電子標(biāo)簽芯片在Philips、TI等許多集成電路大公司都已大量生產(chǎn),我國復(fù)旦微電子也宣布研制成功。下面表格列出了Philips(現(xiàn)稱NXP)公司的幾種UHF頻段的電子標(biāo)簽集成電路產(chǎn)品的規(guī)格:
  二、面向行業(yè)需要開發(fā)多種多樣的電子標(biāo)簽
  在一個RFID系統(tǒng)中,電子標(biāo)簽一般占總投資的60%至70%。讀寫器和計算機(jī)系統(tǒng)的投資是一次性的,但電子標(biāo)簽的數(shù)量且隨著時間的推移和應(yīng)用的擴(kuò)大,逐年會增加。據(jù)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)研究報告稱,到2008年,全球每年將使用200億個RFID標(biāo)簽,2010年全球RFID市場將達(dá)3000億美元。未來幾年射頻識別標(biāo)簽應(yīng)用最多的市場是包裝/供應(yīng)鏈?zhǔn)袌?。?008年,約需153億個的貨箱與托盤標(biāo)簽,68億個面向藥物、行李、動物、書籍和票據(jù)的RFID標(biāo)簽。
  要使UHF的自動識別系統(tǒng)識別距離遠(yuǎn),必須同時改進(jìn)電子標(biāo)簽和讀寫器的性能,而電子標(biāo)簽是關(guān)鍵的一環(huán)。電子標(biāo)簽由外殼或面層、天線、天線所在的基片、集成電路、集成電路與天線連接電路五部分組成,性能取決于電子標(biāo)簽的天線、電子標(biāo)簽的集成電路和他們的封裝。超高頻電子標(biāo)簽最困難之點是:電子標(biāo)簽要嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上,標(biāo)簽所附的物體表面也是電子標(biāo)簽天線的一部分,會影響標(biāo)簽天線的電參數(shù)。標(biāo)簽的使用環(huán)境的多樣性和不確定性,加之標(biāo)簽的形狀和大小受應(yīng)用的要求限制,使標(biāo)簽天線的設(shè)計特別困難,在很多場合只能用實驗的方法確定。
由于電子標(biāo)簽的應(yīng)用場合不同,有著不同的要求。如作為汽車標(biāo)識,要求電子標(biāo)簽安裝于汽車上以后,就成為該車的電子身份證,成為管理意義上的“電子標(biāo)簽”,必須不能拆動,與該車建立唯一的對應(yīng)關(guān)系。物流和行李包裹用的一次性電子標(biāo)簽,使用量大,要求成本低。生產(chǎn)過程管理使用的電子標(biāo)簽,常常需要能夠循環(huán)使用。有些要求能貼在金屬表面使用,有的要求能耐受高溫、低溫、高濕、機(jī)械沖擊等惡劣的環(huán)境。應(yīng)用要求的多樣性帶來電子標(biāo)簽形式的多樣性。下面表格列出了常見的各種電子標(biāo)簽類型,需要針對這些不同的要求,開發(fā)出系列化的產(chǎn)品,滿足各方面的需求。
  三、遠(yuǎn)距離無源識別讀寫器進(jìn)一步集成化和模塊化
  隨著遠(yuǎn)距離無源識別系統(tǒng)應(yīng)用面的擴(kuò)大,全球遠(yuǎn)距離無源讀寫器的市場也在迅速成長。全球RFID讀寫器市場將以年增長率在30%左右速度不斷增長。到2008年 EPC讀取器市場規(guī)模將達(dá)11.4億美元,同年其他近距離讀取器市場規(guī)模將達(dá)7.5億美元。
  但在我國目前遠(yuǎn)距離無源識別系統(tǒng)設(shè)備的價格遠(yuǎn)比近距離系統(tǒng)高,其主要原因是生產(chǎn)規(guī)模小,隨著應(yīng)用面的擴(kuò)大,開發(fā)和生產(chǎn)成本會大大降低。遠(yuǎn)距離無源系統(tǒng)涉及微波技術(shù),設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試測試的難度大。隨著應(yīng)用的深入,讀寫器的要求會有千差萬別,例如天線形式、天線數(shù)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通訊方式、狀態(tài)顯示、環(huán)境條件和電源供給等等不同的要求。如果針對這些不同的要求,從電路設(shè)計開始,研制五花八門的讀寫器,而每種生產(chǎn)量都不大,這樣會很不經(jīng)濟(jì),成本將難于降低。為了降低設(shè)計復(fù)雜度、生產(chǎn)和調(diào)試的成本,一個重要的工作是提高讀寫器電路的集成度,并使通用部件模塊化?,F(xiàn)在的趨勢是將讀寫器的核心電路模塊化,然后用讀寫器電路模塊組合成符合各種需要的讀寫器。如美國Sirit公司開發(fā)了INfinity 210和SM9311多協(xié)議讀寫模塊,最近深圳市先施公司利用Intel R1000的EPC協(xié)議專用集成電路開發(fā)了僅40毫米寬60毫米長的讀寫器模塊。
  四、UHF RFID讀寫器由“涉車”應(yīng)用為主轉(zhuǎn)向以“涉物”應(yīng)用為主
  電子標(biāo)簽的價格只有降至標(biāo)識物成本的1%以內(nèi),才有可能大量推廣。在前階段,由于超高頻電子標(biāo)簽的價格在數(shù)至數(shù)十美元,應(yīng)用主要集中在汽車、鐵路機(jī)車等高值物品的標(biāo)識,應(yīng)用于高速公路不停車收費、停車場管理、機(jī)關(guān)和社區(qū)車輛門禁管理、公共汽車調(diào)度、車輛過境監(jiān)管等與車輛相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)在EPC電子標(biāo)簽的降格已降至20美分左右,一次性標(biāo)簽對一般貨品可用于托板和卡通箱一級標(biāo)識,貴重貨品可在單品一級標(biāo)識。復(fù)用標(biāo)簽可用于生產(chǎn)和流通過程的單品標(biāo)識。這樣就大大擴(kuò)展了超高頻遠(yuǎn)距離自動識別系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,進(jìn)入物流業(yè)、運輸業(yè)、生產(chǎn)管理、醫(yī)療衛(wèi)生和國家安全等國民經(jīng)濟(jì)各個廣闊的領(lǐng)域,將呈雪崩式的增長的態(tài)勢。涉車應(yīng)用的UHF RFID讀寫器的技術(shù)要求是與“涉物”應(yīng)用完全不同的。涉車應(yīng)用讀寫器的要求讀寫距離遠(yuǎn),保證在車輛高速行駛的條件下能正確識別,要求能與道路通行控制設(shè)備和計算機(jī)直接連接?!吧嫖铩睉?yīng)用的UHF RFID讀寫器因物品的對象不同、標(biāo)簽安裝位置不同、物流的控制點設(shè)置位置的不同而與涉車應(yīng)用讀寫器有很大的差別。
  “涉物”應(yīng)用UHF RFID讀寫器的要求有這樣幾個特點:
  1. 能適應(yīng)電子標(biāo)簽位置和朝向的隨意的條件
  物品在交接、傳遞和運輸?shù)倪^程中,物品放置的位置和朝向都有可能變化,不可能象汽車那樣,電子標(biāo)簽貼在車窗玻璃上永遠(yuǎn)朝著前進(jìn)方向。所以物流應(yīng)用UHF RFID讀寫器必須適應(yīng)電子標(biāo)簽位置和朝向的隨意性,能作到從各個不同的方向讀。比較好的辦法是設(shè)計門框式或隧道式多天線讀寫器。為了避免不同天線發(fā)出的電磁波互相干擾,這些天線應(yīng)采用時分制方式工作,相當(dāng)于電磁波波束圍著一個環(huán)向中心進(jìn)行電掃描,這樣就可以讀到貼在不同面上的標(biāo)簽。
電子標(biāo)簽通常是線極化的,為了保證能讀到各種不同極化朝向的標(biāo)簽,物流讀寫器的天線應(yīng)采用園極化天線。

  2. 有高效的多標(biāo)簽仲裁能力
  汽車的物理尺寸大,在UHF RFID讀寫器的有效覆蓋范圍內(nèi),出現(xiàn)多個標(biāo)簽的機(jī)會不多,即使有,數(shù)量也不會很多。然而在物流應(yīng)用中,在UHF RFID讀寫器視場內(nèi)出現(xiàn)幾十電子標(biāo)簽是極其平常的事,因此物流UHF RFID讀寫器必須有極強(qiáng)的多標(biāo)簽仲裁能力,有高的速度和準(zhǔn)確性。ISO18000-6C電子標(biāo)簽的通訊速率能高達(dá)640Kbits/S,為高速仲裁創(chuàng)造了條件,所以針對物流應(yīng)用ISO18000-6C電子標(biāo)簽有明顯的優(yōu)勢。
  3.高讀寫器密度環(huán)境下的工作能力
  在物流管理和其它應(yīng)用中,有可能出現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)有多個頻率范圍相同的讀寫器,出現(xiàn)微波電磁場互相覆蓋而形成互相干擾的現(xiàn)象,解決此問題的方法,主要是采取讓讀寫器的工作時間或工作頻率范圍或天線幅射范圍作科學(xué)的分割。例如讀寫器的LBT功能(Listen Before Talk),互相避讓。EPC Class1/Gen2(ISO18000-6C)包括了支持“密集詢問器信道化信令”(dense-interrogator channelized signaling)。密集詢問器信道化信令有時名為“密集閱讀器模式”(dense reader mode),通過減小閱讀器信號“淹沒”標(biāo)簽響應(yīng)信號的可能性,減少EPC閱讀器之間的干擾。
  4.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工作能力
  現(xiàn)代物流的管理實現(xiàn)物流全過程的智能化“無縫隙”的管理,這種管理是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的。遠(yuǎn)距離自動識別系統(tǒng)是在此網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息采集點的組合,進(jìn)行物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換。與計算機(jī)及通訊技術(shù)結(jié)合可形成跨地區(qū)跨行業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對原料、半成品、成品、運輸、倉儲、配送、上架、最終銷售,甚至退貨處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)控,物品的識別跟蹤范圍可從一個小區(qū)域擴(kuò)展到全國甚至全世界,提高了物流過程的自動化程度,實現(xiàn)國際大流通。為此讀寫器必須帶網(wǎng)絡(luò)接口,有能力直接聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)通訊的數(shù)據(jù)格式必須遵從國際標(biāo)準(zhǔn)和中間件的要求。
  五、可移動UHF RFID系統(tǒng)成為發(fā)展的新熱點
  可移動超高頻RFID讀寫器是RFID讀寫器中的重要的一類,在物流和供應(yīng)鏈管理中有著大量的需求??梢苿覷HF RFID系統(tǒng)包括手持式讀寫器,車載讀寫器,叉車讀寫器、手推車式讀寫器。
不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要不同規(guī)格的可移動讀寫器,此類讀寫器技術(shù)要求需針對行業(yè)應(yīng)用需要進(jìn)行細(xì)化。對可移動UHF RFID系統(tǒng)來說,要輸出四個數(shù)據(jù):標(biāo)簽的ID、標(biāo)簽的DATA、識別時的即時位置和識別時間。固定讀寫器的位置是確定的,但可移動設(shè)備的位置是變化的,系統(tǒng)的定位是一個重要的要求??梢苿覷HF RFID系統(tǒng)可以用一般的常用技術(shù),如GPS技術(shù),這對于交通運輸監(jiān)控用的車載可移動UHF RFID系統(tǒng)是適用的。但是技術(shù)對于室內(nèi)應(yīng)用的可移動UHF RFID系統(tǒng)不一定合適,如倉庫內(nèi)根本收不到要解決GPS信號,加之定位的精度不一定能滿足精確到貨位的管理要求。在貨場或倉庫內(nèi)定位比較好的辦法是用地面和貨架的定位標(biāo)簽。這種方法成本低,位置精確,可利用移動設(shè)備本身原有讀寫器定位。
  其次,可移動UHF RFID系統(tǒng)的是天線要同時滿足電氣特性、機(jī)械安裝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的要求不是一件容易的事,對于象叉車讀寫器這樣一類位置限制嚴(yán)格,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高的設(shè)備,很多選擇強(qiáng)度大、厚度小、容易安裝的微帶天線。
  可移動UHF RFID系統(tǒng)第三個問題是系統(tǒng)供電,特別是手持式RFID讀寫器,要求體積小、重量輕、攜帶和使用方便、電池功率消耗少,待機(jī)和工作時間長。在電路設(shè)計時特別要注意減少待機(jī)時的電源消耗,關(guān)閉所有不必要的電路,學(xué)習(xí)手機(jī)的電源控制和管理技術(shù)。
  可移動UHF RFID系統(tǒng)第四個關(guān)鍵要求是在移動條件下的數(shù)據(jù)通訊,在這方面有許多現(xiàn)成的解決方案,可以選用就成熟的通訊模塊組合到讀寫器中去。

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