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超高频RFID带来“武装到剪刀”的物联网

时间:2019-07-31 作者:刘于苇 阅读:
RFID为代表的物体标识技术,曾经是物联网的代名词。RFID主要用于识别、跟踪和管理物体,其本质上也具有无线通信功能,因此应用相当广泛。从频带上可以划分为LF、HF、UHF和微波四种,其中UHF RFID可以远距离一次性读取多个标签,在库存管理、检品工作中被广泛采用。如果你听过医生把手术刀忘在病人肚里的段子,就知道对医疗器械设备引入RFID追踪管理多么重要……

一把剪刀,能和物联网扯上什么关系?我们先来讲个笑话:uVREETC-电子工程专辑

手术后,病人对医生说:医生,你把手术刀留我肚子里了。
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医生:没关系,送给你做纪念好了,我还有很多把呢!uVREETC-电子工程专辑

被遗忘的“剪刀”虽然是个老掉牙的梗,但也折射出以前的医院在管理医疗器械设备时的无奈。往往是投入大量人力财力,但在需要准确定位,或在器械达到生命周期需要替换时,无法找到对应的器械。而更严重的情况,如上面的笑话所讲——如果没法记录器械的使用顺序,并且正确对比术前术后的器械数量,发生医疗事故将是人命关天的事。uVREETC-电子工程专辑

最好的办法就是利用射频识别技术(RFID,Radio Frequency Identification),追踪管理医疗资产。uVREETC-电子工程专辑

近日,《电子工程专辑》小编看到一款专门用在手术器械上的RFID方案,采用抗金属超高频(UHF) RAIN标签,利用物体金属表面作为天线的助推器,通过胶水、胶带或热收缩附着在手术器械上。uVREETC-电子工程专辑
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那个黑色小点就是RFID标签,尺寸约6.0*2.0mm,厚度2.3mm(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑

村田这款RFID方案采用impinj monza R6P芯片,符合ISO18000-63和EPC Global Gen2v2标准,频率在865-928MHz,超高频的特性令其在金属上的读距达2米(4W EIRP),即使表面沾有血污也能读取,并且支持同时读取大量器械设备。而如果是普通低频(LF)或高频(HF)等级的RFID,只能够在非常近的距离读取,还会受到金属和液体的干扰。uVREETC-电子工程专辑

RFID的引入实现了手术器械全流程管理,精准读取可以获取每支器械的使用情况,管理生命周期,改善医院库存;批量读取可优化术前器械准备,读写器还可通过调谐来避免不需要的标签读写。最重要的是,不会再出现把手术剪子、纱布等落在病人肚子里的情况。uVREETC-电子工程专辑

RFID从频带上分类

曾几何时,RFID为代表的物体标识技术是物联网的代名词,因为这是物联网实现的第一步。物联网主要有三方面关键技术组成:连接、标识和数据操作。RFID虽然主要用于识别和跟踪物体,实现管理,但其本质上也具有无线通信功能,主要通过双向无线收发机(也成为读写器,Interrogator/Reader),用电磁波向标签发送信号,并读取标签的反馈。uVREETC-电子工程专辑

实现物联网的技术多如牛毛,但是目前来看RFID对于物联网相当重要, 因为其应用范围非常广泛。根据村田官网介绍,RFID主要使用LF、HF、UHF和微波4个频带:uVREETC-电子工程专辑

・LF频带uVREETC-电子工程专辑
LF(Low Frequency)频带使用电磁诱导方式,与其他通信频带相比,被长期使用。LF频带用于诸如汽车的无钥匙进入系统等无线通信,尽管通信距离短,仅几十厘米,但由于需要大量的天线,因此难以实现薄型化、小型化。uVREETC-电子工程专辑

・HF频带uVREETC-电子工程专辑
HF(High Frequency)频带和LF频带一样,通过电磁诱导方式进行数据交换,但是与LF频带相比,天线卷数少,所以可实现薄型化、小型化。 因为它使用13.56MHz和短波段的频率,所以适合通信距离比较短,类似一对一识别认证人和物体的邻近区域。 安装在电子货币(如Osaifu-Keitai)和交通卡的NFC(Near Field Communication)也是HF频带RFID之一。uVREETC-电子工程专辑

・UHF频带uVREETC-电子工程专辑
UHF(Ultra High Frequency)频带是通过无线电波方式进行通信的构造。使用860~960MHz和极短波段的频率,适用于类似可整体进行一次性读取的,距离数米的用途。该频带多用于库存管理和自动检查产品等。uVREETC-电子工程专辑

・微波频带uVREETC-电子工程专辑
微波频带是属于UHF的频率,使用2.45GHz。因为使用在微波炉和无线LAN(Wi-Fi)上使用的ISM频带,所以存在无线电干扰的问题,有必要采取对策。此外,通信距离是2-3m,与860~960MHz频带相比,不能获得足够距离。uVREETC-电子工程专辑

通信频带 LF HF/NFC UHF 微波频带
频率 ~135KHz 13.56MHz 860~960MHz 2.45GHz
通信方式 电磁诱导 电磁诱导 电波 电波
通信范围 ~10cm ~10cm ~数m ~3m
指向性
金属的影响
水的影响
用途例 无钥匙进入系统 公共系统IC卡、安全管理 服饰和零售店的库存管理  

(图表内容:村田制作所)uVREETC-电子工程专辑

RFID通信原理

另外,RFID还可以分为有源RFID与无源RFID,无源RFID一般是指不带电池,完全依赖于接收电磁波来驱动电路工作的RFID,标签的可识别距离不会变化。有源RFID系统的可识别距离,则会随着供电量的减少而降低。uVREETC-电子工程专辑

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RFID通信原理。一般来说RFID是不需要电池的被动标签,通过反射由读写器传输的载波进行通信。(图自:村田制作所)uVREETC-电子工程专辑

通信过程一般是:uVREETC-电子工程专辑

1)读写器发出电波uVREETC-电子工程专辑
2)IC标签内的天线接收读写器发出的电波uVREETC-电子工程专辑
3)IC标签内通过电流,将芯片内的信息信号化uVREETC-电子工程专辑
4)从IC标签侧的电极印刷的天线发出信号uVREETC-电子工程专辑
5)读写器的天线接收反馈的信号uVREETC-电子工程专辑
6)通过读写器的控制器,进行PC等的数据处理uVREETC-电子工程专辑

RFID应用案例展示

上述手术器械上的RFID就可归为无源类,无源RFID方案最大的优势在于部署成本低廉,在对成本几乎无影响的情况下,引进RFID来改善内部制造和物流流程的同时,其附带的防伪功能还能加强品牌保护。下面展示的是村田RFID在数据中心线缆管理上的应用案例。uVREETC-电子工程专辑
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图中红色圈内的就是RFID标签,左边的尺寸是3.2*3.2mm,厚0.7mm;右边的仅为1.25*1.25mm,厚0.55mm,不是工程师指出来,我都没看到。(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑

你如果见过机房里成千上万条的网线,一定会觉得如何识别每一条网线的信息是件令人头大的事,但利用RFID标签,就能实现简单的光纤识别,可以消除连接错误的同时,降低成本以及节约时间。uVREETC-电子工程专辑
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现场的演示,当插入2号光纤时,位于接口下方的读取器直接读出接口了上标签的数据,并显示在终端,以便IT工程师及时确认。(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑
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可穿戴设备内部空间有限,RFID标签可以贴在机身外面,黄色的小贴纸就是(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑

而在小物品追溯上,更是RFID的强项。无论是集成在产品内部,还是以标签形式贴在产品上,均可达到目的,而且不单在电子和奢侈品等RFID的常用行业,现在不少高端食材、水果上的贴纸都具备了追溯来源功能。uVREETC-电子工程专辑

除了无源和有源,RFID还有一个“变种”型的技术——实时定位系统(RTLS),它依赖于Wi-Fi等无线网络系统支持,提供高精度定位。不过这种定位技术需要部署边缘节点(Edge Gateway),融合位置、时间和传感器数据等多元信息进行实时的矢量定位(测量出目标的位置、方向和速度),所以一般只面向专业领域,如工厂、医院等。据村田透露,他们已经在自己的工厂内部测试这项技术,见识过他们无人工厂的小编表示不惊讶,他们很多创新发明都是在提高工厂效率时“不小心”做出来的……uVREETC-电子工程专辑

从田间,到房间

说到我村,就一定要说一下物联网在智慧农业中的应用。除了可以用传统二氧化碳(CO2)传感器检测、调节植物园、大棚内的二氧化碳浓度,促进光合作用外,下面这款13cm的土壤水环境传感器中,其实包括了可溶性盐浓度(EC)、温度和水分三种传感器。其中高精度EC传感器通过9个电机的多模式测量,排除各种不确定性,并且能够测量孔隙水的离子浓度。uVREETC-电子工程专辑
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(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑

这个白色的主体平时埋在土壤中,尾部的线缆从土中伸出连接到收发器,通过天线传输到云端。一般来说这种智慧农业方案的无线传输系统都要求低功耗、长距离,这样一个单元采用3节5号电池,可以持续使用超过一年。uVREETC-电子工程专辑

NB-IoT、LoRa都是物联网产品可选的低功耗、长距离网络标准(LPWA),霍尼韦尔推出的一款独立式感烟探测器就采用了村田的LoRa模组。村田工程师对《电子工程专辑》小编表示,在网络标准的选择上霍尼韦尔本次以市场和客户为导向选择了LoRa,是因为用户对于隐私数据越来越重视,不希望其房间内信息被运营商采集。相较于依赖运营商网络的NB-IoT,可以自组网的LoRa在隐私保护上更加可控。虽然LoRa模组比NB-IoT模组价格略贵,但长远看来,省下了交给运营商的费用。uVREETC-电子工程专辑
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村田的LPWA模块,据说体积全球最小(图:EETimes China摄)uVREETC-电子工程专辑

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本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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