德州仪器RFID白皮书——智能包装技术的实际性能预测

报告摘要
 
射频识别 (RFID) 技术的新手往往认为，在包装箱外贴上廉价的无源智能标签后，就能实现万无一失的商品统计了，而且只要贸易合作伙伴安装了读取器，包装箱上的标签就能在任何地方被自动读取。然而，在现实中，总会有些货盘上的周转箱在第一次通过货门时就发生部分标签不能被读取的情况，这时不了解情况的人往往就会感到非常失望，大发雷霆，甚至买家也开始后悔。
 
本文将介绍如何对零售供应链中的 UHF RFID 系统进行初步性能预测。首先，我们介绍读取率方面的实际情况以及如何根据目前时间与资金状况解决问题。随后，我们讨论如何选择适当的标签，并提供有效的参数及切实可行的测试方法。最后，本文将就如何合理地预测 RFID 系统性能给出建议。

性能预测
 
先在每个包装箱上贴上带无线电功能的无源标签，然后再设置调谐器（即读取器）的适当位置即可，这似乎是很简单的工作，但实际上这步工作往往会直接影响到智能标签的读取率。
 
导致标签不能读取的因素有很多，但归根到底，通常与电量不足有关。请记住，零售链应用中使用的无源智能标签与所有无源标签一样，都没有自己的电源，需要从读取器获得电能，因此这些非常微弱的信号有可能会受到各种因素的干扰，如环境 RF 干扰、贴标产品的物理特性乃至产品装卸过程造成的轻微损害等，这些都会造成智能标签难以读取。
 
有些类型的产品几乎能实现 100% 的读取率。一般说来，这些产品都是属于密度较低的非金属产品，且湿度极小或根本没有湿度。如果跟踪的产品是服装或谷类的话，那么读取率就比较高，但大部分产品都不太容易读取。
 
读取器读取货盘上的产品会更困难一些，因为标签不是贴在货盘上，而是贴在货盘内部的商品上。从 RF 技术本身而言，尽管遇到障碍仍能工作，但由于信号较弱，因此货盘外部的标签读取很容易，但内部商品的标签受到阻挡后就很难读到了。
 
实际性能与预测的性能
众多已经部署 RFID 系统的公司都清楚地认识到，要想在所有读取点都实现 100%的标签读取率，就当前技术的成熟度而言，这是不现实的。不过，我们可以进行合理的估算，标签总会在系统中某个位置被读取到，因为通常来说供应链中都会设有几处不同的读取点，例如：
 
• 制造商的工厂生产线
• 制造商的装运码头
• 分销商的收货和发货码头
• 零售商的 DC
• 零售商店的收货码头
• 零售商店的储藏室出口
• 零售商的开箱设备
 
有的产品特别难以通过 RF 技术读取到，在某个读取点上的读取率仅达到 50%，不过从概率论来看，假设一个系统只设 5 个读取点的话，那么即便这种难以读取的产品在整个系统中被读取的概率也能达 97%（也就是说每 33 件产品中会漏读 1 件产品）。下表显示了读取点数量与不断提高的标签读取率之间的对应关系。如果我们能将标签读取率从 50% 提高到 60%，那么就设有 5 个读取点的系统而言，其整体读取率就能达到 99%（100 件产品中漏读 1 件产品）。如果读取率提高到 90%，那么我们就能实现所谓“五个九”的近似完美的读取率（即设有 5 个读取点的系统读取率高达 99.999%，每 10 万件产品仅漏读 1 件）。

我们要解决的首要问题就是如何提高整体系统性能。可选方法很多，其中包括：提高标签的敏感度；用更敏感的天线来升级探询区 (interrogations zones)；也可增设探询区以便在其他地点进行读取等。我们的可选方案数不胜数，我们要做的就是根据每个公司的个体情况与目标找到最合适的解决方案。 
 
我们要记住，对进出口商品而言，可能会涉及探询器采用不同频率的问题。举例来说，欧洲采用的频率约为 860MHz，而北美的频率为 915MHz，日本的频率为960MHz。如果可能的话，我们应就不同频率范围来检测标签的性能。基于德州仪器 (TI) Gen 2 裸片或封装带的全球适用型标签采用全球优化的参考设计，可解决进出口商品所面临的相关问题。
 
如果我们希望节约金钱和时间的话，那么最快捷的办法就是购买更优质的标签。如果时间不是问题，而只关注投资成本的话，那么我们可考虑除标签本身之外的办法来提高优化性能，比如升级天线以提高读取率，甚或提高企业软件的智能化程度等。说到底，我们要根据最终用户的不同目标来做出最佳决定。
初始性能基准
 
如果某公司升级到 Gen 2 技术或转用其他新型标签，那么我们不妨假定该公司已具备系统基础，重要的是要了解当前系统运行情况，因此首先要做的就是建立性能基准。
 
第一步，我们要选择当前业务流程中几个重要参数，比如执行任务所需的时间、读取率、探询区效率、所需人工干预等。下一步，我们应在一定时间内对上述参数进行测量，以全面了解有业务流程。一旦测得上述有关参数，那么我们在完善业务流程时就有了可比较的基准，从而能显示改进到底有多大，还能对可能出现的问题提出修改建议。

新标签的性能分析
 
建立性能基准之后，下一步就是检测新安装系统的性能，看看新系统与原始基准以及我们的预测相比有何差别？
 
我们应围绕新系统的性能找到体现趋势化特点的可测量参数，这是较好的做法。我们将上述参数与原系统相比较，看看它们对系统性能有什么重大影响。如果系统是全新安装的，那么我们就应根据上述基准所介绍的步骤测量相关参数，看看业务流程的改进情况如何。
 
检测系统的改进是否成功，其最佳途径就是了解系统中的新组件（如新的标签、天线、系统等）对整体系统有何影响。
 
根据工作需要选择适当的工具（标签）
 
零售供应商应负责确保标签的可读性。如果我们仅依靠一般性的测试来比较标签在露天情况下和消声室中的性能差别的话，那么对那些难以被 RF 技术读取到的产品而言，我们就很难解决读取率一致性的问题。事实上，我们应根据不同情况进行专门测试。每家供应商的产品组合和业务流程都有着独特的标签技术要求。以下我们给出要考虑的一些变量：
 
• 产品材料与密度
• 一次包装材料
• 二次包装材料
• 自动化设备可能会对标签所贴位置提出要求
• 货盘尺寸与集装箱数量

显然，大多数用户不希望就所有产品检测各种智能标签的所有性能，这种全面性的检测太耗费时间了，也太昂贵了，所以根本不可行。我们可以根据一些自然因素来缩小检测范围：
• 首选厂商
• 现有的标签尺寸或形状

确认标签的性能参数

性能到底达到什么样的水平才算足够好呢？只有获得确切的数据，而且各大零售商进行了详细的业务分析之后，我们才能回答这个问题。目前，我们应当了解如何检测系统性能？哪些参数最重要？在明确了这些检测因素后，我们就能根据统计数据和概率论来满足最基本的要求。
 
大多数性能数据和比较测试都以标签的读取为重点。如果购买标签时标签不是预编程的，那么我们还要对标签进行写入工作。对自动化的高速生产线而言，写入速度也非常重要。如果标签的写入速度不够快，达不到 Gen 2 写入技术即一次 16 位（块写入）的要求，那么我们就需要支持可选块写入与擦写特性的标签，这样一次操作中可以写入多块信息。这种方法比标准方法效率更高。
 
我们应对相当数量的标签和产品进行测试，确保统计学上准确性，这一点非常重要。如果测试数量有限的话，那么就难以提供足够的信息来确定生产过程中的性能如何。为了确保统计学上的准确性，到底要对多少标签进行测试呢？这一问题颇有争论。不过经验告诉我们，我们不妨先检测 20 至 30 个标签。如果时间和资源允许的话，我们可以检测数百个标签，这更能准确地检测出一致性和性能。我们还可在制造过程中不同的时间段检测标签，以确保一致性。就比较复杂的检测而言，我们还应测试试验方法的设计是否得当，不过这不在本文的讨论范围之列。
 
测试过程中我们还要考虑这样一个实际问题，即要在实际环境中进行测试。第三方在消声室中进行的比较检测对初步性能估计、明确初选入围对象来说是有用的，但智能标签不是用于实验室中，而是要在实际环境中进行测试以便收集数据，要在仓库和零售环境中使用，要受到多种 RF 干扰，如金属建筑和独特的建筑结构等。如果我们不可能在实际的生产或运输地点进行测试，那么应尽力在现实的仓库环境中设置实验室，模拟受干扰的情况。
 
静态测试
 
静态测试是最容易复制也最具比较性的测试方法。简而言之，在静态测试中，标签贴在不发生 RF 干扰的材料上或实际的产品上，我们用读取器和自由空气中静止的单根天线进行测试。通常说来，这种测试的目的是明确标签在产品上的最佳位置或某种标签和产品组合情况下的读取距离及敏感度。
 
有的制造商和独立实验室测试声称某种标签能在 30 英尺以外被读取。尽管这听起来极具吸引力，但我们应更谨慎地考虑问题。通常，如传送带速度为每小时 4 英里，检测门读取区的宽度在 10 英尺之内（距离读取点 5 英尺），如传送带速度为每分钟 600 英尺，那么读取门的宽度则在 3 英尺之内（距读取点 1.5 英尺）。如果读取点彼此相邻，或者标签读取的距离太长，都会导致系统误读。因此，我们必须谨慎地根据所用的读取区进行适当选择。

静态测试方法：

动态测试
 
进行动态测试时须移动粘贴标签的产品，这会给测试增加的难度。不过，这也是一种有效的测试方式，因为其可为用户提供一组有效的参数，以说明有关产品在实际环境中的性能如何。同时，这也是用户针对特定应用而选定最佳标签的最准确方法。

动态测试方法：

* 读取成功率是指通过次数中至少有一次记录到的读取。
 
动态测试要求更昂贵的测试设备，通常需要较大的安放区域。我们通常通过独立测试机构来提供有关设备和相关专业技术。

标签安全规则

标签生产环节中操作失误会造成系统中的许多问题。标签和任何电子元件一样，都应谨慎对待。在装卸过程中，如果员工对装有标签的箱子乱扔乱放，那么可能会损坏 10% 乃至更多可用的标签。标签在粘贴到产品上之前是最脆弱的，这时员工在操作中尤其要注意。保护标签完整性的最佳方法就是确保所有操作人员都经过良好的培训，知道如何小心地完成工作。
 
还有一个好办法，就是检查装卸设备的材料，以确保进行适当的维护。许多固定箱子的设备（如箱子夹或应用夹）都带有橡胶缓冲器，但橡胶缓冲器总会老化，导致产品因受到挤压而损坏标签。我们要确保固定箱子的设备提供足够的压力，但又要防止压力过大导致箱子损坏。产品受到的压力越大，产品损坏以及标签损坏的几率就越高。
 
尤其重要的是，我们要确保货物承运人遵守有关运输规则。如果他们对产品处置不当，造成挤压、刮擦，或者使货物受潮，那么就会损坏标签。
 
如果产品在运输过程中遭受不恰当装卸等情况，那么我们在设计中就要考虑到标签本身的坚固性。有些实验室进行了此类测试。如果公司时间和设备允许的话，那么也可内部进行相关测试。
 
结论

尽管有人一开始对标签的性能有着不合理的预测，认为只要通过适当的测试和确认工作，每家公司都能找到最适合其工作环境的最佳 RFID 标签。
 
如何认识现实，防止被错误的性能预测所误导呢？关键在于：
 
• 在现实环境中进行实践测试；
• 尽可能接近实际操作的测试方法；
• 适用于给定应用的测试。

除了智能标签本身的性能外，更重要的是系统能够在尽可能多的读取点上读取标签，以获取尽可能全面的信息。信息系统设计得当，加上商品的标签粘贴工作完成得出色，就能确保我们全面了解产品运转情况，以及充分实现 RFID 的真正价值。成功的关键在于找到具备相关经验和技术的合格的解决方案供应商，从而帮助您进行测试与评估工作。通过在项目中与集成商进行密切合作，您将大幅加快工作进度，并提高工作效率。
 
最后，因为每家公司的情况都各具特色，应当选择一套既符合各自的实际情况又能实现最大化价值的完整系统。

（本文作者：Chris Cook，德州仪器射频识别系统现场应用专家；Mark Brown，RFID4U 专业服务副总裁）

关于作者
 
Chris Cook 现 担任 TI  RFid™ 系统部的应用专家一职。该业务部位于得克萨斯州布莱诺市 (Plano)。他的工作责任包括与 UHF 客户合作，并提供实用性应用建议、测试以及技术辅助等。Chris 拥有超过 10 年的工作经验，在电子产品包装解决方案方面有着丰富的设计和管理专业技术。
 
Mark Brown 现担任 RFID4U 的专业服务副总裁。Mark 此前曾任国际纸业智能包装分公司的系统与服务部项目经理，参与了该公司在各领域中的所有 RFID 实施与试验工作。他主要负责解决方案架构设计、用户培训、故障排除、客户支持以及厂商管理等方面工作。Mark 是 EPC Global ATP WG 的积极成员，该组织致力于制定有关标准，从而推动标签、读取器、天线以及测试机构通过 EPC 认证来测试性能。同时，他还是 RFID+ Cornerstone Committee 的成员，并拥有 15 年以上的业界工作经验。

关于德州仪器 RFid 系统
 
TI 是全球最大的射频认证 (RFID) 应答器和读取器系统集成制造商。TI 充分发挥其在海量半导体制造和微电子封装领域的先进技术，目标远大，是业界的领先公司，并在开创新市场与制定 RFID 应用的国际标准方面居于领先地位。
 
商标：TI-RFid 是 TI 的商标。所有其他商标和注册商标均是其各自所有者的财产。
 
关于 RFID4U
 
RFID4U 是全球领先的 RFID 培训解决方案第三方提供商。公司提供一整套相互配合的产品与服务，以确保有关技术满足您的商业需求。作为 RFID 培训领域的先锋，RFID4U 一贯致力于开发因实用性强并深受好评的全套 RFID 课程。此外，RFID4U 还可根据您公司的具体要求提供定制化培训服务。近期，我们推出了 RFID 咨询服务，帮助您解决各种设计、开发及部署问题。如欲了解更多详情，敬请访问：www.rfid4u.com。