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概论电池辅助的被动式RFID标签

作者:张锦萍 来源:台湾“经济部”RFID公领域应用推动办公室 2009-05-26 11:27:29

摘要:电池辅助的被动式(Battery-Assisted, Passive,简称BAP) RFID标签所以成为技术议题之一 ,在于其相较于一般被动式RFID标签而言,能在较困难的应用环境中改善标签读取的可靠度,更能符合客户的需求,例如航空零件、工业纸卷等;而相较于主动式RFID标签而言,BAP RFID标签的价格较为经济。

关键词:被动式RFID标签[0篇]  BAP[0篇]  RF应答器[0篇]  BAPRFID标签[0篇]  读取器[5篇]  

  电池辅助的被动式(Battery-Assisted, Passive,简称BAP) RFID标签所以成为技术议题之一 ,在于其相较于一般被动式RFID标签而言,能在较困难的应用环境中改善标签读取的可靠度,更能符合客户的需求,例如航空零件、工业纸卷等;而相较于主动式RFID标签而言,BAP RFID标签的价格较为经济。 

  运作原理 

  RF应答器(transponder)通常被为天线内部电力来源,一般被动式应答器内没有电池,而必须就无线射频所接收到的能量来启动应答器的电路系统(circuitry)与传输讯号给读取器;主动式应答器内含电池可启动应答器并汇集RF能量以应传输;而BAP RFID标签内应答器含电池,用以促使标签启动电路系统或感应器(Sensor)等,藉由读取器讯号所取得能量,来唤醒标签内的晶片(Chip)并提供反向散射(backscatter)讯号。 

  根据BAP RFID标签业者指出,该标签能汇集反向散射能量,借以降低应答器在反向散射所耗能量,而一般被动式RFID标签在这点只能利用到10%-15%。所以,前者得透过设计以延长电池寿命与扩大通讯范围,标签读取率也就更可靠。 

  基于这样的原理,BAP RFID标签在应用上有更多的可能:  

  ‧可搭配应用环境在读取距离、读取器可靠度、记忆体空间与感应器等,有更弹性的组合,应用厂商的受限也可以比较少。 
  ‧讯号框架(Single infrastructure)上可应用在不同材质(包括金属、高含水、盒子等)的产品组合,也可以应用于完成品、制造资材、人员。 
  ‧连结于感应网路、强化标签对标签通信、定位等新应用。 

  技术议题 

  BAP RFID标签的主要元件有天线、chip与(微)电池、感应器等。 

  天线设计 

  BAP RFID标签在接收器的天线设计要能兼顾敏感度与反向散射能量,才能让标签的接收器有最佳的耦合效果。 下图为厂商Intellflex在其BAP RFID标签天线内demodulator与decoder中设计扩大所接收讯号与接收敏感度,借此以取得更好反向散射效果。  



图1、厂商Intellflex之BAP RFID标签天线图解 

  标签与读取器间的空中介面管理 

  另外,为确保可靠的读取率,标签与读取器间的空中介面管理也是相当重要,特别是在多个读取器存在的应用环境下。在封闭的应用系统中固然可以以切割频道(spilt band)来降低读取器彼此在空中介面上的干扰,但在一般应用环境下,则有赖调整电力等级(power leveing)或限制读取器的传输(特别就向前传输forward transmissions)上。这些都将影响BAP RFID标签在天线类型或空间介面沟通上的沟通设定。

  电池寿命 

  BAP RFID标签在设计上要节省电池耗电,需搭配唤醒(Wake-up)机制、运算、感应器上支援等技术配合。在某些BAP RFID标签设计,即将应答器的省电模组预设时点来控制应答器的运作Mode,借此来节省标签内(微)电池的耗电。 

  另外,现在很多国家都有要求电池的回收措施,这也是需要予以考虑的。 

  印刷性电池(Printed batteries) 

  印刷性电池、充电电池( Rechargable batteries,如Infinite Power、Cymbet..等等)的研发,与利用RF讯号、太阳能或动作(motion)来储存电能等,也为电池的未来增添更多技术上可行性。 

  某些应答器的电池应用软性(printed)电子技术,既轻薄又有弹性,相较于一般的IC与天线制程,该应答器在制程中内嵌电池,这种RFID应答器包括一个以上的电池、一个以上的天线与一个IC来储存资讯。这些应答器厚度小于1 mm,以本刊上期介绍的PowerR标签即具有这样的特色。 



 图2、厂商PowerID之PowerR标签厚度只有1 mm   

  连结感应器时的标签控制 

  在一些特定应用情境下,BAP RFID标签在IC内嵌一个以上的感应器,包括感应于动作、温度、震动、湿度、辐射、气味或气体、重量、药品等,要能有效撷取与利用这些感应资料在控制上要能有RF modem与足够的记忆体空间以写入或写出系统。 

  整个RFID系统中,搭配应用所需,还可设定Time-dependent警示,例如由IC在当地温度超过预设温度范围时即送出警示讯号给读取器,如图3厂商Alien与3PL Solution曾在冷链管理专案中,提供这样的机制。 



图3、厂商Alien与3PL Solution在冷链管理专案中,温度超过预设范围时即送出警示

  这份由IC送出的警示讯号还可附上时间戳记(stamp),这些感应侦测所得纪录还可被存在记忆体中,那么即便标签不在读取器通讯范围中,这些纪录还是可被事( Event)后追踪,这些纪录特别是在生鲜食品包装、药品供应时,是相当重要的。 

  与读取器搭配 

  为了达到更好反向散射效果,某些应答器利用IC来模组化要传输给读取器的资讯,利用IC模组化应答器天线的雷达截面积(radar cross-section,简称RCS),如此一来能做反向散射的询答射频能量可最大化,应答器的通讯范围也可最大化。 

  另外,相关业者也正思索如何让一般市面读取器来读取,最好能让既有读取器直接载入一软体(firmware)即可直接读取,以达到更经济配套。 

  其他 

  搭配特定应用所需,也可能就应答器中设有控制模组,需要接收到由读取器送出特定命令指令来启动或关闭,甚至在装置外观上搭配LED (light- emitting diode)或LCD ( liquid crystal display LCD),如此可便于现场人员查觉;例如当产品过期或现场温度不符时,LCD等可透过颜色的改变,让现场人员得以目视察觉,当场即可现场调整。 

 

图4、发表于日本BAP网站的BAP试作机搭配LCD 

  未来可期 

  BAP RFID标签在一些特殊应用情境,如资产或资材定位、有害废弃物的追踪、冷冻链(Cold chain)的温控…等,能克服一般被动式RFID标签所不及之处。以近日波音公司Dreamline 787航机系列维修零件看来,BAP RFID标签似乎可以扩大未来RFID于航机维修零件追踪之应用,未来成长可期。 

  兹就相关文献所载已知BAP UHF RFID应答器相关专利汇整如下,仅供参考。

  表1、已知主要BAP UHF RFID应答器相关专利

  (文/ EPCglobal Taiwan‧张锦萍)
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