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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)通過監(jiān)控在各配送中心和倉庫里部署的RFID讀卡器，盡可能提高庫存利用率，將缺貨的風(fēng)險降至最低。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，美國聯(lián)邦藥物局(FDA)在報告中建議全球醫(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)計的進步而持續(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UHF技術(shù)，以及已經(jīng)成熟并實現(xiàn)量產(chǎn)的硬件與傳感器技術(shù)。
圖1：近場UHF技術(shù)需解決在金屬環(huán)境中應(yīng)用問題、近場特性和標(biāo)簽結(jié)構(gòu)問題。
RFID基礎(chǔ)知識
RFID技術(shù)大致可分為兩類：一類是無源標(biāo)簽，它們無需電源，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。電池電源可以擴大通信范圍，即使沒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、動物識別以及食品供應(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)范機構(gòu)
目前尚無一個管理全球RFID頻率的全球性機構(gòu)，因此各個國家和地區(qū)都獨立地選擇RFID頻段。幸運的是，LF和HF RFID標(biāo)簽可全球通用，因為全球的電源電壓是可以互相轉(zhuǎn)換的，所以可簡化讀卡器和標(biāo)簽的設(shè)計。但UHF頻段的情況就沒那么簡單了，由于頻率范圍為860MHz到960MHz，所以開發(fā)統(tǒng)一的解決方案將面臨不少挑戰(zhàn)。不過，這個問題已部分得到解決，還存在的障礙是獲得所有國家(例如中國)的許可，獲得在UHF頻段下使用RFID的許可。
盡管RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及到許多機構(gòu)，但最重要的兩家機構(gòu)，一個是代表終端用戶利益的產(chǎn)品電子代碼(EPC)行業(yè)集團EPCGlobal，另一個是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)。ISO代表技術(shù)團體，旨在促進技術(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)品時在互操作性與兼容性方面可以高枕無憂。
多種頻率針對多種用途
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)苛的條件下運行。LF不受環(huán)境中電子噪音的干擾，并在IC設(shè)計中采用加密技術(shù)，通信距離最遠可達到1.5米。LF技術(shù)也非常適用于液體、有機材料和金屬應(yīng)用。LF技術(shù)的主要市場包括動物識別、賭場籌碼識別、門禁控制以及氣瓶、酒桶等高價值產(chǎn)品的資產(chǎn)管理。
HF系統(tǒng)適合于需要單品跟蹤，讀寫范圍最遠達到1.5米的應(yīng)用。加密算法可保護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)用包括圖書館藏書、CD、DVD及醫(yī)藥產(chǎn)品的防偽，此外還包括許多對讀寫要求非常精確的應(yīng)用。
UHF系統(tǒng)目前通常用于讀取范圍較大、距離達數(shù)米的應(yīng)用，具體包括貨盤和貨箱識別，制造廠針對生產(chǎn)控制的汽車認(rèn)證，以及公路收費解決方案。UHF是供應(yīng)鏈和EAS中用于物品級標(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發(fā)中。
每個頻率范圍都有其優(yōu)點，業(yè)界已經(jīng)普遍了解并接受這一事實。任何新技術(shù)都會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)計的涌現(xiàn)和市場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運行更加安全，同時還引入了速度更快的協(xié)議來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，以擴展HF解決方案的讀寫距離。
而UHF直到最近也只有遠場UHF技術(shù)可用，因此還無法識別液體和其它有機材料。目前，業(yè)界正采用NF UHF技術(shù)來識別有問題的材料或產(chǎn)品。NF UHF的讀取距離可達到30cm左右，可應(yīng)用于一些物品級標(biāo)簽。如上所述的LF、HF和UHF系統(tǒng)在關(guān)鍵領(lǐng)域的性能會有所不同(圖1)。
下面將探討標(biāo)簽結(jié)構(gòu)(圖2)的問題。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)簽對其附著的材料相對不太敏感，因而標(biāo)簽設(shè)計為通用型。
圖2：UHF標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示例
UHF標(biāo)簽則需根據(jù)標(biāo)簽附著的材料進行優(yōu)化，進而采用許多不同的配置。這主要是因為與HF或LF相比，UHF信號更容易與附有標(biāo)簽的物件或鄰近材料互相作用。在遠場模式和近場模式下使用UHF，也會存在設(shè)計差異。
如今業(yè)界對遠場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。過去一年來，業(yè)界已著手開始對近場UHF進行研究，分析如何使用該技術(shù)來實現(xiàn)物品級標(biāo)簽，并與遠場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)新計劃，研究時裝、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)時為飛利浦半導(dǎo)體)及SAP。該計劃的測試和評估目標(biāo)同時包括HF和UHF系統(tǒng)，旨在研究出目標(biāo)行業(yè)中各種應(yīng)用場景下的最佳RFID解決方案。
在典型物流環(huán)境中會應(yīng)用到種類眾多、特性各異的各種材料時，需要重點考慮RFID標(biāo)簽在不同應(yīng)用條件下的可讀性和可寫性。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)界決定針對各項技術(shù)分別展開研究，以確定各項應(yīng)用最適用的頻率。還有其他許多公司也在進行類似的測試，例如德國的麥德龍和Kaufhof以及沃爾瑪和Target等公司。
RFID系統(tǒng)部署的注意事項
部署RFID系統(tǒng)需要從隱私和安全兩個方面加以考慮。隱私問題主要關(guān)注可以讀寫RF信號的范圍和安全增強技術(shù)方面，如密碼保護和加密，并在必要時滅活標(biāo)簽。
加密技術(shù)經(jīng)實際驗證是切實有效的，并廣泛用于HF和某些LF解決方案，但尚沒有加密技術(shù)用于UHF解決方案。至于讀取范圍，由于HF RFID信號的功率從讀寫器天線發(fā)出后迅速衰減，所以與典型UHF RFID芯片的遠場操作相比，它具有天然的優(yōu)勢。也可以通過在讀寫器天線和標(biāo)簽之間使用近場耦合來實現(xiàn)UHF場，上述近場UHF就使用了該項技術(shù)。
HF和近場UHF系統(tǒng)實例表明：在聯(lián)邦通信委員會(FCC)針對醫(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。對于銷售終端(POS)應(yīng)用，HF系統(tǒng)具有更好的近場限制性能，因此不易出現(xiàn)在近場附近錯誤讀取其他標(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)的信號更強。信號越強則讀取越快、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，近場UHF擁有比HF更高的功率密度，但與保密有關(guān)的風(fēng)險也更高。由于HF信號衰減更快，所以更不易出現(xiàn)在近場附近錯誤讀取其他標(biāo)簽或未經(jīng)授權(quán)就讀寫標(biāo)簽的現(xiàn)象。
健康問題仍然是全球監(jiān)管機構(gòu)密切關(guān)注的問題，每個地區(qū)都對輻射強度有所限制(不僅針對RF，而且還包括幾乎所有電磁場)。允許的輻射強度以功率密度來表示，對于已知傳輸功率和頻率的特定系統(tǒng)，這意味著可以計算出最短的輻射范圍。
規(guī)范機構(gòu)還區(qū)分了允許的工作輻射強度和允許的公共場所輻射。由于在公共場所的應(yīng)用或多或少都不會連續(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頻率來實現(xiàn)物品級標(biāo)簽，使用UHF來實現(xiàn)貨盤和貨柜標(biāo)簽，但隨著近場UHF的開發(fā)，現(xiàn)在則可以采用近場UHF來實現(xiàn)物品級標(biāo)簽。
業(yè)界針對這一情況啟動了測試方案，針對不同的應(yīng)用來確定能夠獲得最佳性能且最具經(jīng)濟效益的頻率。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)為不會存在一個完全通用型RFID解決方案。在可以使用HF和UHF頻率的國家，由于標(biāo)簽的可重復(fù)利用性、隱私性、可靠性、可擴展性和成本等問題，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行部署。
擴大UHF和HF頻率的使用范圍將會加快行業(yè)采用RFID技術(shù)的步伐，因為這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。
盡管依然存在需要改進的方面，但實踐證明，RFID的確是一項成本經(jīng)濟、使用可靠的技術(shù)。技術(shù)障礙正在被逐一克服，未來將會取得許多新的進展，以進一步增強和完善該技術(shù)的性能。
恩智浦作為開發(fā)RFID技術(shù)的先行者，將繼續(xù)在技術(shù)開發(fā)中扮演領(lǐng)導(dǎo)角色，幫助價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。
