RFID技術(shù)應用于集裝箱領(lǐng)域的解決方案分析

　　1 引 言

　　射頻識別技術(shù)(RFID)以識別速度快、精度高、無(wú)需接觸、環(huán)境適應性強等特點(diǎn)而受到集裝箱運輸業(yè)的青睞，得到了快速發(fā)展。他逐漸被運用到了交通運輸，航空包裹的管理，后勤管理，生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)控制，門(mén)禁管理，物料處理，醫療等領(lǐng)域。RFID技術(shù)在對托盤(pán)、集裝箱、運輸車(chē)輛等方面的管理，對商品的標識以及供應鏈整體的管理的應用都促進(jìn)了物流業(yè)的發(fā)展。電子標簽具有讀取距離遠(一般在20 m以?xún)?、適于惡劣環(huán)境、穿透性強、可識別運動(dòng)目標等特點(diǎn)。

　　RFID技術(shù)在集裝箱領(lǐng)域的應用使準確控制、追蹤集裝箱的who，where，when信息成為了可能。集裝箱用電子標簽多用超高頻(UHF)段。這個(gè)頻段的穿透能力強，并且在動(dòng)態(tài)讀取時(shí)顯示出了優(yōu)越性[1]。相對于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應用，電子標簽在集裝箱物流運輸中的應用具有很強的特殊性。RFID標簽隨集裝箱在海上、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(xiàn)照射強度大，海水對標簽有腐蝕性等特點(diǎn)，集裝箱用RFID標簽的封裝必須考慮這些因素。同時(shí)集裝箱金屬表面對電磁波的反射作用，對數據傳輸的影響極大。在金屬面的影響下，原來(lái)匹配的天線(xiàn)變得不匹配了，需要重新設計天線(xiàn)，重新進(jìn)行阻抗匹配。

　　2 RFID工作原理介紹

　　RFID是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。他的核心部件是一個(gè)電子標簽，通過(guò)相距幾厘米到幾米甚至十幾米的距離內讀寫(xiě)器發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電波，讀取電子標簽內的儲存信息。無(wú)源RFID標簽是將讀寫(xiě)器發(fā)送的射頻能量轉化為直流電源為芯片電路供電的。圖1為標簽與讀寫(xiě)器通信的工作原理示意圖。

　　3 電子標簽應用于集裝箱領(lǐng)域出現的問(wèn)題

　　3.1 集裝箱運輸環(huán)境對電子標簽應用性能指標的影響

　　相對于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應用，電子標簽在集裝箱物流運輸中的應用具有很強的特殊性。

　　(1)工作環(huán)境比較惡劣

　　電子標簽隨集裝箱在海上、碼頭、堆場(chǎng)等場(chǎng)所流動(dòng)，與普通的電子標簽工作環(huán)境不同。標簽在設計和封裝時(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 集裝箱運輸過(guò)程中的大部分時(shí)間在海上(或者內河中)完成，因此電子標簽必須要能夠在濕度為35%～80%的環(huán)境下工作。

　　強烈的紫外線(xiàn)照射 長(cháng)時(shí)間、高強度的紫外線(xiàn)照射加速了標簽外殼塑料的老化。

　　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)境要求標簽抗酸堿腐蝕，同時(shí)封裝結構和材料要抗振動(dòng)撞擊。

　　(2)標簽動(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距離訪(fǎng)問(wèn)，因此，要求電子標簽識別速度高(移動(dòng)速度>100 km/h)，距離遠(>6 m)，準確率高(>99%)等。

　　3.2 集裝箱用電子標簽受金屬面的影響分析

　　普通RFID標簽直接貼附于金屬表面上，由于金屬表面對入射電磁波的反射作用，將會(huì )有較強的反方向電磁波也穿過(guò)電子標簽。入射波與反射波相位疊加后將會(huì )抵消一部分，強度也會(huì )大大削弱，嚴重影響讀寫(xiě)器對RFID標簽的讀取距離，甚至無(wú)法讀取和RFID標簽上的數據，如圖2所示。同時(shí)，讀寫(xiě)器與RFID標簽間產(chǎn)生的磁通量會(huì )在金屬表面感應渦流，根據楞次定律，渦流對讀寫(xiě)器的磁場(chǎng)起反作用，致使金屬表面上的磁場(chǎng)被強烈地衰減了。

　　消除集裝箱金屬面影響的解決方法是提高天線(xiàn)和金屬面的相對高度。隨著(zhù)相對高度的增加，合成場(chǎng)信號矢量將逐漸增強，到相對高度達到波長(cháng)的1/4時(shí)，合成場(chǎng)信號矢量達到最大，并可獲得3 dB增益。而RFID標簽貼附于集裝箱金屬面上時(shí)，標簽和金屬面之間的距離很小，可抬高的空間有限，達不到要求。例如：900 MHz射頻的1/4波長(cháng)近似為8 cm，而集裝箱外表面凹槽實(shí)際深度只有2 cm。需要在普通電子標簽與金屬表面間插入一種隔離

　　介質(zhì)，根據電磁波在介質(zhì)中的波長(cháng)公式：

　　其中：λ0為自由空間波長(cháng)，μ，ε分別為介質(zhì)導磁率和介電系?br>

　　通常的做法是把隔離介質(zhì)與電子標簽封裝成一體，從而形成防金屬電子標簽。需要做的研究包括介質(zhì)的研究(介質(zhì)的選擇、試驗與工藝過(guò)程確定等)，特定介質(zhì)參數的數據分析(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電子標簽天線(xiàn)進(jìn)行設計

　　標簽天線(xiàn)特性受所標識物體的形狀及物理特性、標簽到貼標簽物體的距離、貼標簽物體的介電常數、金屬表面的反射及隔離介質(zhì)參數等的影響。因此將普通的標簽貼附于集裝箱金屬面時(shí)，原來(lái)匹配的天線(xiàn)變得不再匹配了，需要對天線(xiàn)重新進(jìn)行設計，確定天線(xiàn)幾何形狀與尺寸。超高頻RFID標簽的天線(xiàn)一般是長(cháng)條和標簽狀，而天線(xiàn)有線(xiàn)性和圓極化兩種設計[2]，滿(mǎn)足不同應用的需求。

　　普通的電子標簽天線(xiàn)尺寸極小，但是集裝箱體的大面積空間放寬了電子標簽天線(xiàn)尺寸的要求。同時(shí)天線(xiàn)的設計必須考慮前面提到的隔離介質(zhì)的影響。天線(xiàn)設計的目標是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，天線(xiàn)匹配程度越高，天線(xiàn)的輻射性能越好。這需要仔細地設計天線(xiàn)和自由空間以及芯片電路的匹配。UHF波頻段的電子標簽天線(xiàn)一般采用微帶天線(xiàn)形式。在傳統的微帶天線(xiàn)設計中，我們可以通過(guò)控制天線(xiàn)尺寸和結構，或者使用阻抗匹配轉換器使其輸入阻抗與饋線(xiàn)相匹配。而電子標簽芯片阻抗一般呈現強感弱阻的特性，而且很難測量芯片工作狀態(tài)下的準確阻抗特性數據。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(xiàn)性能的同時(shí)使天線(xiàn)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簽天線(xiàn)設計的一個(gè)主要難點(diǎn)。在以前的研究中，一般認為可以通過(guò)使用寬頻帶天線(xiàn)實(shí)現天線(xiàn)與芯片間的匹配[3]。

　　5 適用于集裝箱的RFID標簽的封裝形式研究

　　5.1 電子標簽封裝工藝介紹

　　(1)因RFID標簽芯片微小超薄，采用的方法是倒裝芯片(Flip Chip)技術(shù)，自動(dòng)化的流水線(xiàn)均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式，工藝過(guò)程包括基板進(jìn)料、上膠、芯片翻轉貼裝、熱壓固化、測試、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)。但是工藝設備昂貴，一般需要借助國外廠(chǎng)商的設備才能進(jìn)行。

　　(2)另一種封裝方式是先將芯片與天線(xiàn)基板的鍵合封裝分為兩個(gè)模塊完成。其中一具體做法(中國專(zhuān)利)是：大尺寸的天線(xiàn)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(xiàn)基板通過(guò)大焊盤(pán)的粘連完成電路導通。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉移設備將芯片置于載帶構成芯片模塊，再將芯片模塊轉移至天線(xiàn)基板上，其優(yōu)點(diǎn)是兩次轉移可獨立并行執行。

　　目前，倒裝技術(shù)是比較成熟標簽封裝的技術(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，封裝出的標簽體積小、超薄、易于粘貼的優(yōu)點(diǎn)。市面上常見(jiàn)的標簽也多足采用這種工藝。但是這種設備昂貴，目前在國內能進(jìn)行倒裝的廠(chǎng)家微乎其微。多是采用第二種，將芯片與天線(xiàn)進(jìn)行精密焊接已到達連接的目的。相對于第一種，這種技術(shù)對設備的要求底了很多，但是封裝過(guò)程耗時(shí)長(cháng)。

　　5.2 適用于集裝箱用電子標簽的封裝工藝探討

　　實(shí)際應用中多數標簽的封裝尺寸和形式受所貼標簽物體的限制，一般情況下標簽要做的小而薄，可以二次封裝成卡片。而集裝箱的箱體表面積非常大，放寬了對標簽表面積和體積的要求。這對標簽天線(xiàn)的設計是非常有利的。因為很多情況下受被標識物體體積的限制，要求標簽的體積要很小，其感應天線(xiàn)必然也較小，在相同的場(chǎng)強中，小天線(xiàn)感應到的電能比大天線(xiàn)要弱的多。集裝箱用電子標簽動(dòng)態(tài)讀取要求的讀取距離比較遠(大約10 m)，因此對天線(xiàn)尺寸的要求更高，因為尺寸較小的天線(xiàn)在距離讀寫(xiě)器很近時(shí)呈現出較高的場(chǎng)強，而較大的天線(xiàn)在較遠的距離處的場(chǎng)強還比較高[4]。因此集裝箱用電子標簽可做得大一些，最后封裝成盒狀，固定在集裝箱表面。無(wú)需制成柔性、紙制、可黏貼性的。

　　根據電子標簽標識集裝箱的實(shí)際需要，倒裝工藝制成的紙制標簽不能滿(mǎn)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(wú)需將標簽封裝的體積很薄，鑒于國內的封裝技術(shù)水平，可在芯片與天線(xiàn)焊接之前先對芯片進(jìn)行TSSOP封裝，并引出所需引腳。以此為基礎，運用中國專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現芯片和天線(xiàn)的互連，這個(gè)過(guò)程中芯片封裝和天線(xiàn)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簽成品，并進(jìn)行高溫老化、測試、包裝。在這個(gè)過(guò)程中，考慮了使用環(huán)境對金屬面反射、防水、防潮、防霧、防雷擊等指標要求。

　　對芯片進(jìn)行TSSOP封裝后，將其引腳與天線(xiàn)鍵合，解決了倒封裝設備價(jià)格昂貴，依賴(lài)于國外技術(shù)的問(wèn)題。并且與前面兩種封裝形式的標簽相比，TSSOP封裝材料具有抗壓、抗高溫等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足集裝箱工作環(huán)境的較高要求，提高了標簽的可靠性和穩定性。整個(gè)標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標簽影響的問(wèn)題。而密封的外殼可以滿(mǎn)足溫差大、濕度大、酸堿和鹽霧腐蝕性強、振動(dòng)沖擊大等各方面的要求。

　　6 結 語(yǔ)

　　目前我國的射頻識別技術(shù)還處于一個(gè)起步階段，將RFID技術(shù)運用到集裝箱行業(yè)具有非常樂(lè )觀(guān)的前景，然而電子標簽在集裝箱行業(yè)上的應用具有很大的特殊性。本文通過(guò)研究，闡述了在金屬表面干擾情況下，天線(xiàn)設計和阻抗匹配應該考慮的諸多問(wèn)題，指出了他的設計方向，說(shuō)明了電子標簽的封裝可以突破傳統電子標簽的封裝形式，選擇一種適合集裝箱應用環(huán)境的封裝，通過(guò)填充介質(zhì)材料來(lái)解決金屬面干擾的問(wèn)題。隨著(zhù)電子標簽技術(shù)的成熟，他的應用領(lǐng)域將會(huì )不斷擴大，不久以后行駛著(zhù)的集裝箱車(chē)輛可以告訴交通管理系統自己的具體位置，一列滿(mǎn)載的貨物列車(chē)通過(guò)時(shí)，路旁的感應器會(huì )顯示出車(chē)內裝載貨物的種類(lèi)、數量等等[5]。