如何在物流追蹤應用中部署最先進的 RFID

越來越多物流和供應鏈管理轉向使用無線射頻識別 (RFID) 技術，以提供材料的即時可視性，掌握材料和產品的位置和數量。使用 RFID 標籤可以加速庫存管理流程，減少人為錯誤的機會，並有助於減低庫存縮減。RFID 標籤不一定需要可見才能被讀取，標籤可位於盒內或其他外殼中。此外，一個人可以從遠處一次讀取數百個 RFID 標籤。

設計人員需要在 RFID 標籤電源架構和資料格式之間選擇，並且需要緊湊且準確的 RFID 讀取器。標籤和讀取器可能還需要滿足電子產品代碼 (EPC) UHF Gen2v2 技術標準和 RAIN RFID 資料格式的要求。

本文回顧 RFID 技術，包括主動和被動標籤，以及額外的能源採集功能以提高被動標籤效能的可能性。本文總結設計人員在部署 RFID 架構物流追蹤系統時，需要注意的各種產業標準，並在文末介紹 STMicroelectronics、Murata Electronics、Melexis Technologies 熱門的 RFID 標籤，以及用於加速 RFID 物流解決方案設計的評估平台。

RFID 平台分類方式有很多種；包含工作頻段、供電架構和資料通訊格式。共有三種主要工作頻段，包含低頻 (LF)、高頻 (HF) 和超高頻 (UHF)。LF 頻段覆蓋 30 到 300 kHz，大多數 LF 標籤的工作頻率為 125 kHz。LF 標籤的讀取範圍較短，約 10 至 30 cm，讀取速度比高頻標籤更慢，但對電磁干擾 (EMI) 的敏感性相對較低。可於纜線識別、手術儀器、醫療設備追蹤和維護工具庫存。

近場通訊 (NFC) 標籤是 HF RFID 的子集。所有 NFC 標籤都在 HF 頻段運作，但並非所有 HF 頻段的標籤都使用 NFC 通訊協定 (圖 1)。NFC 標籤通常被限制在幾公分的傳輸距離內，而其他 HF 標籤設計的傳輸距離可達 30 cm。此外，NFC 標籤僅指定在 13.56 MHz 下運作。雖然所有 RFID 標籤頻率都用於物流應用，但 UHF RFID 標籤有時被稱為「供應鏈」標籤，因為它們結合更長的讀取範圍、更快的讀取速率以及針對物流應用最佳化的資料格式可用性。

圖 1：NFC 標籤是 LF RFID 技術的子集，且典型工作頻率為 125 kHz。(圖片來源：STMicroelectronics)

RFID 標籤可以依據其電源架構進行分類：

• 主動標籤有電池，可以定期傳輸，無需輪詢，讀取範圍可達 100 m。
• 被動標籤必須由讀取器進行輪詢。讀取器射頻訊號的能量會開啟並為標籤供電，將資訊反射回讀取器。
• 能源採集標籤是一種被動標籤，可以擷取讀取器發射的射頻能量，並使用採集到的能量為其他系統組件供電。
• 半被動標籤，也稱為電池輔助標籤，包括一個電池，但工作方式如同被動標籤，且僅在讀取器輪詢時傳輸資料。

被動標籤 (包括 UHF 和 NFC 設計) 是物流解決方案中最常見的 RFID 形式。主動標籤價格較高，通常用於追蹤建築、運輸和醫療保健產業的高價值資產。半被動標籤，尤其是用於 NFC 技術的標籤，僅在手機等特定應用中出現。

ISO/IEC 14443 和 ISO/IEC 15693 標準確保 NFC 技術裝置的互通性。NFC 作業基於電感式耦合，且對天線方向敏感 (圖 2)。NFC 裝置可以是由另一個 NFC 裝置產生的射頻場供電的被動設計，也可以是具有電池電源的半被動設計。NFC 標籤由於傳輸距離短，因此本質上更安全。此外，NFC 標籤必須一次讀取一個，而 UHF 標籤等其他 RFID 技術支援同時讀取大量標籤。與其他 LF RFID 技術相比，NFC 標籤可以儲存和傳輸更大量的資訊，增強其在物流應用中的實用性。動態 NFC RFID 標籤是一種雙介面、快速傳輸、能源採集標籤，具有可配置的中斷、RF 管理和低功耗操作模式。

圖 2：天線方向必須正確才能實現 NFC 裝置所需的電感式耦合。(圖片來源：STMicroelectronics)

用於物流管理的 RAIN 和 EPC

無線射頻辨識 (RAIN) RFID 聯盟提倡使用 ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 協定。RAIN 技術係開發用於採用網際網路將 UHF RFID 標籤連接到雲端。RAIN 的 EPC gen 2v2 是一種用於被動 RFID 標籤的協定，藉由對標籤和讀取器進行身份驗證來支援安全和隱私。RAIN 修改了 ISO 編號系統，以簡化公司識別號碼。

針對實體物件的 EPC 通用識別碼標準係由 EPCglobal 開發，該公司是 GS1 US (原 Uniform Code Council, Inc.) 和 GS1 (原 EAN International) 的合資企業。EPC 已被採納為 ISO 18000-6C 標準。其標準化讀取器和標籤的通訊方式，以及 EPC 資料在使用者之間的共享方式。EPC 是一種識別碼和資料格式，RFID 則是無線射頻載波技術。

動態 NFC 標籤

設計人員可以選用 STMicroelectronics 的 ST25DVxxKC 系列，採用動態 NFC 標籤於物流解決方案。該系列元件提供 4 Kbit、16 Kbit 和 64 Kbit 電子抹除式可複寫唯讀記憶體 (EEPROM)。例如，ST25DV04KC 是一款 4 Kbit 元件。所有 ST25DVxxKC 元件都使用 ISO/IEC 15693 NFC 協定並具有兩個介面。I2C 序列鏈路可以由電池等直流電源供電。當接收到載波的無線射頻能量為裝置供電時，無線射頻鏈路便會啟用。這些標籤還包括為外部組件供電的能源採集功能 (圖 3)。此類比輸出 (V_EH) 在啟用能源採集模式之下，且無線射頻場強度足夠時，提供可用的類比電壓 V_EH。能源採集電壓輸出未經調節。

圖 3：ST25DVxxKC 元件使用 ISO/IEC 15693 NFC 協定 (中心方塊)、I2C 介面 (右下角) 和能源採集功能 (在類比前端和數位單元控制模塊中)。(圖片來源：STMicroelectronics)

NFC 讀取器評估板

STMicroelectronics 的 X-NUCLEO-NFC03A1 是基於 ST25R95-VMD5T 的 NFC 讀卡器評估板，可加速 RFID 解決方案的開發 (圖 4)。ST25R95-VMD5T 管理標準應用的幀編碼和解碼，例如 NFC。X-NUCLEO-NFC03A1 支援 ISO/IEC 14443 Type A 和 B、ISO/IEC 18092 和 ISO/IEC 15693 (單或雙子載波) 協定。可使用 NFC Forum Type 1、2、3、4 標籤偵測、讀取和寫入。此外，該評估板與 ST Arduino™ UNO R3 連接器引腳配置相容。

圖 4：X-NUCLEO-NFC03A1 讀卡器評估板可擴展 STM32 Nucleo 板，可用於 NFC，支援接近和鄰近標準。(圖片來源：STMicroelectronics)

金屬表面上的 RFID

Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上 UHF RAIN RFID 標籤設計用於手術儀器和工具，使用金屬表面作為增強天線，將讀取範圍擴大到 150 cm。LXTBKZMCMG-010 在整個 UHF 頻段上工作，尺寸僅為 6.0 x 2.0 x 2.3 mm，工作溫度範圍為 -40 至 +85°C。符合 EPC 全球 Gen2 (v2) 和 RAIN RFID 協定。

美國法規要求在每個手術工具上放置一個唯一裝置標識 (UDI)。與 EPC 一樣，UDI 法規旨在支援醫療設備的安全使用和儲存。UDI 系統雖然適用於多種類型的醫療設備，但對於手術儀器尤其重要，因為若未能準備正確的儀器進行手術，則可能會帶來重大風險。預計歐洲未來也將要求在手術工具上使用 UDI。除了與手術工具相關的物流具有挑戰外，手術工具的設置既費時又容易出錯，即使是有經驗的人也是如此。

圖 5：Murata 的 LXTBKZMCMG-010 金屬上 UHF RAIN RFID 標籤使用手術儀器和工具的金屬表面作為增強天線，以增加讀取範圍。(圖片來源：Murata)

LF RFID 收發器 IC 和評估板

可選用 Melexis 的 MLX90109 單晶片 125 kHz RFID 收發器，運用於 LF RFID 收發器物流解決方案。MLX90109 是高度靈活的元件，結合最低系統成本和功耗。此讀取器的載波頻率和振盪器頻率由連接為平行諧振電路的外部線圈和電容決定，因此無需外部振盪器，並具備完美的天線調諧，可防止零調變效應。可在單線介面上傳輸未解碼的轉發器訊號，達到最簡單的實作。此外，MLX90109 可以對晶片上的轉發器訊號進行解碼，並透過 2-wire 介面與時脈和資料共享解碼後的訊號。MLKX90109 的特性包括：

• 採用 SO8 封裝的高度整合解決方案
• 不需要外部石英參考；只有兩個電阻加天線
• 晶片上解碼支援易用性和快速系統設計
• 時脈和開汲極資料輸出，支援 2-wire 序列通訊

Melexis 的 EVB90109 能讓設計人員評估 MLX90109 IC 的效能 (圖 6)。還可加速緊湊且具有成本效益的 RFID 應用的開發。MLX90109 評估板的所有引腳都可用於雙列直插 (DIL) 插槽，以便輕鬆連接到外部微控制器。EVB90109 可用於從轉發器讀取資料，也可用於使用開／關鍵調變向轉發器發送資訊。天線上並聯的外部電晶體和二極體的「快速衰減」電路支援快速協定作業。

圖 6：設計人員可以使用 EVB90109 評估板來衡量 MLX90109 IC 的效能。(圖片來源：Melexis)

結論

越來越多 RFID 標籤用於物流追蹤應用。各種可用的 RFID 標籤技術，包括各種頻段、供電架構以及通訊和資料協定，代表具備可用的標籤能滿足廣泛的物流追蹤需求。部分 RFID 技術可讓一個人從遠處一次讀取數百個 RFID 標籤，進而加速庫存管理過程。至於手術儀器，使用 RFID 標籤可以消除一項人為錯誤因素，讓手術更安全。UHF 和 NFC RFID 標籤是物流解決方案中最常見的 RFID 形式，但 LF 125 kHz 標籤可以用最少的外部組件支援低成本和簡單的設計。