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第34章 物流信息技术(3)

根据功能的不同,射频标签可以分为只读标签、可重写标签、带微处理器的标签和具有传感器的标签四种。只读标签一旦写入识别数据,就终生不能更改。可重写标签可以通过读写器修改或重写储存的表示信息。带微处理器的标签可以实施对识别数据进行加密等智能处理,带传感器的标签可以将传感器获得的数据发送给读写器。

按调试方式分,射频标签还可以分为主动式和被动式两种,主动式标签用自身的射频能量主动地发送识别信息。被动式标签采用调制散射方式发送数据,它必须利用读写器的电磁波载波的方式来调制自己的信号。

读写器是负责读取或写入标签信息的设备,读写器的基本功能是提供与射频标签进行数据传输的中间设备,有时还可以提供额外的信号状态控制、奇偶错误校验、数据加密等功能。典型的读写器包括控制模块、射频模块、结构模块和天线等。此外,很多读写器还有RS232、以太网等数据接口,以便将获得的数据传输给计算机应用系统。

一旦到达读写器的信息被正确接收并解码后,读写器经过校验来判断数据的完整性,如果数据出现错误,则重新发送信号,如果数据接受正确,则指示发射器停止发送数据,这就是命令响应协议。通过命令响应协议,读写器可以在很短的时间内识别多个标签的信息,提高系统的性能。

无论是射频标签还是读写器的正常工作,都离不开天线或耦合线圈。对于射频标签和读写器来说,天线是标签和读写器的空间接口。发生在读写器和电子标签之间的射频型号的耦合类型主要有两种:一是电感耦合,电感耦合类似于变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电感耦合定律,一般适用于低频和近距离的射频识别系统,其工作频率有125千赫兹、225千赫兹和13.56兆赫兹,一般识别距离小于1米;二是电磁反向散射耦合,类似于雷达模型,利用电磁波散射来传递信息,依据的是电磁波的空间传播规律,一般适用于高频、远距离的射频识别系统,其工作频率有433兆赫兹、915兆赫兹、2.45吉赫兹和5.8吉赫兹,识别作用大于1米,最远可以达到几十米。

对于射频标签中的天线来说,需要具备以下要求:体积要足够小,能够嵌入到射频标签里;要有全向或半球覆盖的方向性,让货物任意旋转都能够被顺利识别;要能够提供最大可能的信号给射频标签的芯片,有时还要给芯片提供电能;无论处于什么方向,天线的极化都要能与读写器的询问信号相匹配;天线的价格要低廉,从而降低整个射频芯片的成本。

对于读写器的天线来说,要求天线的线圈电流要比较大,用于产生较大的磁通量;功率要求匹配,能够最大限度地利用磁通量;足够的带宽,从而能够保证识别数据的传输,并能够满足在短时间内识别较多标签的要求等。

2.射频识别系统的性能指标和技术标准

射频识别系统主要有以下几个性能指标:标签储存量、工作方式、数据传输速率、读写距离、多个标签识别能力、射频载波频率、系统连通性、数据载体、状态模式和能量供应等。

(1)标签储存量

标签储存量对于射频识别的应用扩展具有很大的意义,很多应用领域需要射频标签能够提供很大的信息储存容量。一般来说,只读标签的储存容量一般仅有20字节,相当于一般的条码数据量,有源读写标签的储存量最多可以达到64千字节之多,不但可以储存物品信息,还可以储存操作记录、使用说明、物品清单等,可以在许多领域得到广泛的应用。

(2)工作方式

射频识别系统的工作方式可以分为全双工、半双工和时序系统三种。全双工表示射频标签和读写器之间可以同时相互传送信息,半双工指射频标签和读写器之间可以双向传输数据,但不能同时进行,同一时刻只能在一个方向传输数据。在全双工和半双工系统中,射频标签的响应是在读写器发出电磁场或电磁波的情况下发送出去的,一般采用负载反射调制技术将射频标签发射的数据加载到反射回波上。而时序方式则与之不同,由读写器辐射产生的电磁场周期性地短时间断开。这些间隔被射频标签识别出来,并被用于从射频标签到读写器的数据传输。

(3)数据传输速率

数据传输速率是射频识别系统的重要性能指标,数据传输速率越快,读写器就可以在尽短时间内完成读取一个标签过程,这个一方面可以提高系统读取的成功率,增加系统的可操作性,另一方面可以让读写器在较短时间内读取多个标签的数据。数据传输速率可以分为只读速率、无源读写速率和有源读写速率三种。射频识别系统的数据读取速率一般取决于信息代码长度、射频工作频率、读写距离、调制技术等。

(4)读写距离

读写距离也是射频系统的重要指标之一。目前射频识别系统的读写距离在1厘米到几十米之间,读写距离越远,则系统的易用性越强,但一般实现远距离读写需要相对精密的技术和昂贵的成本,目前一般常用的工作于13.56兆赫兹的射频识别系统的识别距离在2~3米左右。射频识别系统的读写距离主要取决于工作频率、天线形式和工作方式等。

(5)工作频率

射频识别系统的另一个重要指标是工作频率,一般我们把工作频率在30~300千赫兹之间的射频识别系统称为低频系统,把3~30兆赫兹之间的系统称为高频系统,把300兆~3吉赫兹之间的系统称为超高频系统,把2.45吉赫兹以上的成为微波系统。

(6)多个标签识别能力

目前很多物流信息系统的应用要求在短时间内识别多个射频标签。比如,如果使用射频识别系统来统计货车出库时车上的出库货物清单,就需要在车辆开过读写器附近的几秒钟时间内识别出车上所有货物的标签信息。一般的射频识别系统都具备在一秒钟内识别数百个标签的能力。

(7)系统连通性

连通性是指射频识别系统集成到计算机系统中的能力,比如射频识别系统除了能够直接与个人计算机相连外,还应该能够与工业控制系统的常用控制器(比如可编程控制器或现场总线)相集成。

(8)数据载体

数据载体是指射频标签内储存识别数据的芯片的类型,目前常用的数据载体主要有EEPROM、FRAM、SRAM等。EEPROM的技术比较成熟,使用寿命可以达到写入10万次,但写入数据的功耗很高,FRAM的写入功耗比较低,但目前技术还不成熟。SRAM读写速度快,但需要电池持续供电,如果一旦失去电能,就会失去储存的数据。

目前射频识别技术的发展日新月异,在全球得到广泛的应用。为了统一射频识别系统关于产品、过程和服务的相关问题,提供可共同遵守的工作程序,以利于技术合作和防止贸易壁垒,射频识别技术标准化的问题日趋重要。由于目前还没有射频识别技术的统一国际标准,全球目前的射频标准比较混乱,在电气特性、通信频率、数据格式和元数据等方面协调和制定统一的标准,是射频识别产业走向标准化和规范化的重要步骤。

射频识别技术的标准体系可以归纳为以下四个主要内容:技术标准、应用标准、数据内容标准和性能标准。

技术标准主要规定和定义了不同频段的空中接口及相关参数,包括基本术语、物流参数、通信协议和相关设备等。应用标准主要涉及特定应用领域或环境中射频识别信息的构建规则,比如射频识别信息在不同应用领域的应用标准和使用规范等。数据内容标准主要定义了相关的数据协议、数据编码规则、编码格式、语法、数据符号、数据对象、数据结构和数据安全等。性能标准定义主要涉及射频识别的设备性能、一致性测试方法等,主要包括印制质量、设计工艺、测试规范和测试流程等。

目前国际上流行的射频识别标准五花八门,比较主流的有ISO标准体系、EPCglobal标准体系和UID标准体系,我们称之为射频识别的三大标准体系。

ISO标准体系是由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)主导的,由国际电信联盟(ITU)等一些其他国际标准组织参与的射频识别标准体系。目前已经出台的射频识别技术标准主要关注基本的模块构建、空中接口、数据结构及系统实施等问题。目前ISO体系的射频识别标准主要有技术标准(ISO/IEC18000空中接口参数、ISO/IEC10536密耦合非接触集成电路卡等)、数据结构标准(ISO/IEC15424数据载体/特征标识符、ISO/IEC15418应用标识符等)、性能标准(ISO/IEC18046射频识别设备性能测试方法、ISO/IEC18047射频识别设备一致性测试方法等)、应用标准(ISO11784动物射频识别代码结构、ISO14813运输信息与控制系统等)等几十项标准。

EPCglobal是一个中立的非盈利性标准化组织,其前身是美国麻省理工大学的Auto‐ID中心,后由国际物品编码协会(EAN/UCC)接管了其在全球的推广应用工作,负责管理和实施全球的射频识别标准推广工作,并在很多国家建立了负责技术支持和培训的组织。目前,EPCglobal的射频识别技术标准在中北美地区占主导地位,具有开放的结构体系、独立的平台、高度的互动性、灵活的可持续发展的体系等特点。EPCglobal制定了一系列与EPC物理对象交换、EPC基础设施和EPC数据交换相关的技术标准,在射频协议、编码体系、射频标签、EPC系统、通信接口规范、用户认证等方面制定了一系列规范和体系。

UID规范是由日本泛在识别中心制定的射频识别技术标准,该体系由泛在识别码(ucode)、信息系统服务器、泛在通信器和ucode解析服务器四部分构成。ucode是赋予现实世界中任何物理对象的唯一识别码,它具有128位的充裕容量,并能够进一步扩展到256位、384位或512位。它的最大优势是能包容现有编码体系的元编码设计,可以兼容多种编码,信息系统服务器储存并提供与ucode相关的各种信息,ucode解析服务器确定与ucode相关的信息存放在哪个信息系统服务器上。泛在通信器主要由IC标签、标签读写器和无线广域通信设备等部分构成,用来把读到的ucode送至ucode服务器,并从信息系统服务器获得有关信息。相比较而言,EPCglobal将应用领域主要限定在物流领域,而UID标准致力于人们生活的各个领域。

3.射频识别技术的应用

射频识别技术是无线电技术和雷达技术的结合,真正投入商业应用是在20世纪60年代,首先是用于商店的电子防盗系统,贵重商品被贴上一个信息容量仅为1比特的标签,并在商店门口设立一个探测器,当顾客携带商品未经付款即走出商店时,经过探测器时,探测器即自动报警。1990年以后,以射频识别技术为核心的公路自动收费系统在美国得到了广泛应用,装有射频标签的汽车在通过收费站时,无需停车收费,而是由装在收费站的读写识别装置识别车辆后自动从车主账户上扣除,减少了因停车缴费造成的交通堵塞。进入21世纪以后,射频识别技术开始广泛地运用于物流运作的各个环节。比如2003年世界零售业巨头沃尔玛公司宣布,它将在几乎所有的零售环节全面使用射频识别设备,并要求其最大的100家供应商从2005年1月起将所有发送给沃尔玛的货盘和外包装箱上贴上射频标签。

(1)射频识别技术的优势

射频识别技术和传统的其他识别技术(如条码)相比,具有自己独特的优势。

1)射频识别技术的扫描速度快

普通的条码扫描仪一次只能扫描一条信息,而且扫描的速度对设备和环境有一定的要求。而射频识别系统由于是以非接触式的方式获取数据,在识别时对读写器和货品的位置没有严格的要求,而且射频识别设备可以同时识别几十件,甚至上百件货品,大大提高了运作效率。

2)体积小,易封装,抗污染,能耐久

射频标签一般体积都非常微小,而且可以制作成卡型、纽扣型、条形、带型等,可以装置在各种物品或包装上,不像条码需要一定的印刷面积。而且射频标签非接触式读取的特性使其不怕灰尘、泥浆、油漆、水汽等污染,使用更加便利。由于读写时没有机械磨损,射频标签的使用寿命可以达到10年以上,读写次数可以达到10万次以上。

3)可以快速修改标签状态

普通的识别技术(比如条码)一般不能在使用过程中修改所携带信息的状态,比如,如果在仓库里的条码在出库时需要在条码信息上附加“已出库”状态信息,则需要花费大量的时间重新制作、打印、核对和粘贴新条码,而射频识别系统能够通过读写器即时修改射频标签所储存的信息,使得在很多物流作业环节能极大地简化流程,提高作业效率。

4)可重复使用

条码使用后一般即被丢弃,而射频标签由于储存的是可以改写的电子数据,可以回收后重复使用。比如被动式射频标签,不需要电池就可以重复使用,没有维护保养的必要。

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