RFID技術(shù)應(yīng)用于集裝箱領(lǐng)域的解決方案分析

  1 引 言

       射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)以識(shí)別速度快、精度高、無需接觸、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而受到集裝箱運(yùn)輸業(yè)的青睞，得到了快速發(fā)展。他逐漸被運(yùn)用到了交通運(yùn)輸，航空包裹的管理，后勤管理，生產(chǎn)線自動(dòng)控制，門禁管理，物料處理，醫(yī)療等領(lǐng)域。RFID技術(shù)在對(duì)托盤、集裝箱、運(yùn)輸車輛等方面的管理，對(duì)商品的標(biāo)識(shí)以及供應(yīng)鏈整體的管理的應(yīng)用都促進(jìn)了物流業(yè)的發(fā)展。電子標(biāo)簽具有讀取距離遠(yuǎn)(一般在20 m以內(nèi))、適于惡劣環(huán)境、穿透性強(qiáng)、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等特點(diǎn)。

       RFID技術(shù)在集裝箱領(lǐng)域的應(yīng)用使準(zhǔn)確控制、追蹤集裝箱的who，where，when信息成為了可能。集裝箱用電子標(biāo)簽多用超高頻(UHF)段。這個(gè)頻段的穿透能力強(qiáng)，并且在動(dòng)態(tài)讀取時(shí)顯示出了優(yōu)越性[1]。相對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用，電子標(biāo)簽在集裝箱物流運(yùn)輸中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的特殊性。RFID標(biāo)簽隨集裝箱在海上、碼頭、堆場(chǎng)等場(chǎng)所流動(dòng)，其工作環(huán)境具有溫差  
大，紫外線照射強(qiáng)度大，海水對(duì)標(biāo)簽有腐蝕性等特點(diǎn)，集裝箱用RFID標(biāo)簽的封裝必須考慮這些因素。同時(shí)集裝箱金屬表面對(duì)電磁波的反射作用，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憳O大。在金屬面的影響下，原來匹配的天線變得不匹配了，需要重新設(shè)計(jì)天線，重新進(jìn)行阻抗匹配。

       2 RFID工作原理介紹

       RFID是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。他的核心部件是一個(gè)電子標(biāo)簽，通過相距幾厘米到幾米甚至十幾米的距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的無線電波，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的儲(chǔ)存信息。無源RFID標(biāo)簽是將讀寫器發(fā)送的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為芯片電路供電的。圖1為標(biāo)簽與讀寫器通信的工作原理示意圖。



       3 電子標(biāo)簽應(yīng)用于集裝箱領(lǐng)域出現(xiàn)的問題

       3．1 集裝箱運(yùn)輸環(huán)境對(duì)電子標(biāo)簽應(yīng)用性能指標(biāo)的影響

       相對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用，電子標(biāo)簽在集裝箱物流運(yùn)輸中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的特殊性。

       (1)工作環(huán)境比較惡劣

       電子標(biāo)簽隨集裝箱在海上、碼頭、堆場(chǎng)等場(chǎng)所流動(dòng)，與普通的電子標(biāo)簽工作環(huán)境不同。標(biāo)簽在設(shè)計(jì)和封裝時(shí)必須考慮以下幾個(gè)因素：

       溫度的特殊性 集裝箱工作環(huán)境溫度高、溫差大，而且作業(yè)是全天候的。

       高濕度的工作環(huán)境 集裝箱運(yùn)輸過程中的大部分時(shí)間在海上(或者內(nèi)河中)完成，因此電子標(biāo)簽必須要能夠在濕度為35％～80％的環(huán)境下工作。

       強(qiáng)烈的紫外線照射 長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的紫外線照射加速了標(biāo)簽外殼塑料的老化。

       酸堿腐蝕及振動(dòng)沖擊 集裝箱大部分時(shí)間都工作在碼頭、海上，這種環(huán)境要求標(biāo)簽抗酸堿腐蝕，同時(shí)封裝結(jié)構(gòu)和材料要抗振動(dòng)撞擊。

       (2)標(biāo)簽動(dòng)態(tài)讀取

       由于集裝箱流通速度較快，集裝箱信息必須能夠遠(yuǎn)距離訪問，因此，要求電子標(biāo)簽識(shí)別速度高(移動(dòng)速度>100 km/h)，距離遠(yuǎn)(>6 m)，準(zhǔn)確率高(>99％)等。
 3．2 集裝箱用電子標(biāo)簽受金屬面的影響分析

       普通RFID標(biāo)簽直接貼附于金屬表面上，由于金屬表面對(duì)入射電磁波的反射作用，將會(huì)有較強(qiáng)的反方向電磁波也穿過電子標(biāo)簽。入射波與反射波相位疊加后將會(huì)抵消一部分，強(qiáng)度也會(huì)大大削弱，嚴(yán)重影響讀寫器對(duì)RFID標(biāo)簽的讀取距離，甚至無法讀取和RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，如圖2所示。同時(shí)，讀寫器與RFID標(biāo)簽間產(chǎn)生的磁通量會(huì)在金屬表面感應(yīng)渦流，根據(jù)楞次定律，渦流對(duì)讀寫器的磁場(chǎng)起反作用，致使金屬表面上的磁場(chǎng)被強(qiáng)烈地衰減了。





       消除集裝箱金屬面影響的解決方法是提高天線和金屬面的相對(duì)高度。隨著相對(duì)高度的增加，合成場(chǎng)信號(hào)矢量將逐漸增強(qiáng)，到相對(duì)高度達(dá)到波長(zhǎng)的1/4時(shí)，合成場(chǎng)信號(hào)矢量達(dá)到最大，并可獲得3 dB增益。而RFID標(biāo)簽貼附于集裝箱金屬面上時(shí)，標(biāo)簽和金屬面之間的距離很小，可抬高的空間有限，達(dá)不到要求。例如：900 MHz射頻的1/4波長(zhǎng)近似為8 cm，而集裝箱外表面凹槽實(shí)際深度只有2 cm。需要在普通電子標(biāo)簽與金屬表面間插入一種隔離介質(zhì)，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)公式：其中：λ0為自由空間波長(zhǎng)，μ，ε分別為介質(zhì)導(dǎo)磁率和介電系數(shù)。

       通常的做法是把隔離介質(zhì)與電子標(biāo)簽封裝成一體，從而形成防金屬電子標(biāo)簽。需要做的研究包括介質(zhì)的研究(介質(zhì)的選擇、試驗(yàn)與工藝過程確定等)，特定介質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析(μ，ε等)，以及封裝形式的選擇。

       4 考慮金屬面影響的情況下對(duì)電子標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)

       標(biāo)簽天線特性受所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性、標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離、貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的反射及隔離介質(zhì)參數(shù)等的影響。因此將普通的標(biāo)簽貼附于集裝箱金屬面時(shí)，原來匹配的天線變得不再匹配了，需要對(duì)天線重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定天線幾何形狀與尺寸。超高頻RFID標(biāo)簽的天線一般是長(zhǎng)條和標(biāo)簽狀，而天線有線性和圓極化兩種設(shè)計(jì)[2]，滿足不同應(yīng)用的需求。

       普通的電子標(biāo)簽天線尺寸極小，但是集裝箱體的大面積空間放寬了電子標(biāo)簽天線尺寸的要求。同時(shí)天線的設(shè)計(jì)必須考慮前面提到的隔離介質(zhì)的影響。天線設(shè)計(jì)的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，天線匹配程度越高，天線的輻射性能越好。這需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)天線和自由空間以及芯片電路的匹配。UHF波頻段的電子標(biāo)簽天線一般采用微帶天線形式。在傳統(tǒng)的微帶天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，或者使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。而電子標(biāo)簽芯片阻抗一般呈現(xiàn)強(qiáng)感弱阻的特性，而且很難測(cè)量芯片工作狀態(tài)下的準(zhǔn)確阻抗特性數(shù)據(jù)。其輸入阻抗、方向圖等特性容易受到加工精度、介質(zhì)板純度的影響。在保持天線性能的同時(shí)使天線與芯片相匹配，兼顧集裝箱金屬面的影響，這是集裝箱用電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的一個(gè)主要難點(diǎn)。在以前的研究中，一般認(rèn)為可以通過使用寬頻帶天線實(shí)現(xiàn)天線與芯片間的匹配[3]。

       5 適用于集裝箱的RFID標(biāo)簽的封裝形式研究

       5．1 電子標(biāo)簽封裝工藝介紹

       (1)因RFID標(biāo)簽芯片微小超薄，采用的方法是倒裝芯片(Flip Chip)技術(shù)，自動(dòng)化的流水線均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式，工藝過程包括基板進(jìn)料、上膠、芯片翻轉(zhuǎn)貼裝、熱壓固化、測(cè)試、基板收料等流程。他具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點(diǎn)。但是工藝設(shè)備昂貴，一般需要借助國(guó)外廠商的設(shè)備才能進(jìn)行。

       (2)另一種封裝方式是先將芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個(gè)模塊完成。其中一具體做法(中國(guó)專利)是：大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導(dǎo)通。該方法由獨(dú)立的可精密定位的芯片轉(zhuǎn)移設(shè)備將芯片置于載帶構(gòu)成芯片模塊，再將芯片模塊轉(zhuǎn)移至天線基板上，其優(yōu)點(diǎn)是兩次轉(zhuǎn)移可獨(dú)立并行執(zhí)行。

       目前，倒裝技術(shù)是比較成熟標(biāo)簽封裝的技術(shù)。這種封裝技術(shù)具有封裝程序簡(jiǎn)單、工藝成熟、造價(jià)低廉，封裝出的標(biāo)簽體積小、超薄、易于粘貼的優(yōu)點(diǎn)。市面上常見的標(biāo)簽也多足采用這種工藝。但是這種設(shè)備昂貴，目前在國(guó)內(nèi)能進(jìn)行倒裝的廠家微乎其微。多是采用第二種，將芯片與天線進(jìn)行精密焊接已到達(dá)連接的目的。相對(duì)于第一種，這種技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求底了很多，但是封裝過程耗時(shí)長(zhǎng)。

 5．2 適用于集裝箱用電子標(biāo)簽的封裝工藝探討

       實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)標(biāo)簽的封裝尺寸和形式受所貼標(biāo)簽物體的限制，一般情況下標(biāo)簽要做的小而薄，可以二次封裝成卡片。而集裝箱的箱體表面積非常大，放寬了對(duì)標(biāo)簽表面積和體積的要求。這對(duì)標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)是非常有利的。因?yàn)楹芏嗲闆r下受被標(biāo)識(shí)物體體積的限制，要求標(biāo)簽的體積要很小，其感應(yīng)天線必然也較小，在相同的場(chǎng)強(qiáng)中，小天線感應(yīng)到的電能比大天線要弱的多。集裝箱用電子標(biāo)簽動(dòng)態(tài)讀取要求的讀取距離比較遠(yuǎn)(大約10 m)，因此對(duì)天線尺寸的要求更高，因?yàn)槌叽巛^小的天線在距離讀寫器很近時(shí)呈現(xiàn)出較高的場(chǎng)強(qiáng)，而較大的天線在較遠(yuǎn)的距離處的場(chǎng)強(qiáng)還比較高[4]。因此集裝箱用電子標(biāo)簽可做得大一些，最后封裝成盒狀，固定在集裝箱表面。無需制成柔性、紙制、可黏貼性的。

       根據(jù)電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)集裝箱的實(shí)際需要，倒裝工藝制成的紙制標(biāo)簽不能滿足集裝箱工作環(huán)境的抗振動(dòng)、抗腐蝕等方面的要求，而且也無需將標(biāo)簽封裝的體積很薄，鑒于國(guó)內(nèi)的封裝技術(shù)水平，可在芯片與天線焊接之前先對(duì)芯片進(jìn)行TSSOP封裝，并引出所需引腳。以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用中國(guó)專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片和天線的互連，這個(gè)過程中芯片封裝和天線基板的鍵合封裝分為兩個(gè)模塊完成。再進(jìn)行介質(zhì)填充、外殼密封，最終做成集裝箱電子標(biāo)簽成品，并進(jìn)行高溫老化、測(cè)試、包裝。在這個(gè)過程中，考  
慮了使用環(huán)境對(duì)金屬面反射、防水、防潮、防霧、防雷擊等指標(biāo)要求。

       對(duì)芯片進(jìn)行TSSOP封裝后，將其引腳與天線鍵合，解決了倒封裝設(shè)備價(jià)格昂貴，依賴于國(guó)外技術(shù)的問題。并且與前面兩種封裝形式的標(biāo)簽相比，TSSOP封裝材料具有抗壓、抗高溫等特點(diǎn)，能滿足集裝箱工作環(huán)境的較高要求，提高了標(biāo)簽的可靠性和穩(wěn)定性。整個(gè)標(biāo)簽的封裝與柔性封裝相比，因其有了介質(zhì)填充，解決了集裝箱金屬面對(duì)標(biāo)簽影響的問題。而密封的外殼可以滿足溫差大、濕度大、酸堿和鹽霧腐蝕性強(qiáng)、振動(dòng)沖擊大等各方面的要求。

       6 結(jié) 語(yǔ)

       目前我國(guó)的射頻識(shí)別技術(shù)還處于一個(gè)起步階段，將RFID技術(shù)運(yùn)用到集裝箱行業(yè)具有非常樂觀的前景，然而電子標(biāo)簽在集裝箱行業(yè)上的應(yīng)用具有很大的特殊性。本文通過研究，闡述了在金屬表面干擾情況下，天線設(shè)計(jì)和阻抗匹配應(yīng)該考慮的諸多問題，指出了他的設(shè)計(jì)方向，說明了電子標(biāo)簽的封裝可以突破傳統(tǒng)電子標(biāo)簽的封裝形式，選擇一種適合集裝箱應(yīng)用環(huán)境的封裝，通過填充介質(zhì)材料來解決金屬面干擾的問題。隨著電子標(biāo)簽技術(shù)的成熟，他的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大，不久以后行駛著的集裝箱車輛可以告訴交通管理系統(tǒng)自己的具體位置，一列滿載的貨物列車通過時(shí)，路旁的感應(yīng)器會(huì)顯示出車內(nèi)裝載貨物的種類、數(shù)量等等[5]。