《電子技術(shù)應(yīng)用》
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實際且有效的UHF RFID系統(tǒng)評估與測試
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摘要: 本文將探討對于UHFRFID系統(tǒng)應(yīng)有的期望及目標(biāo),。首先將檢視目前讀取率的實際狀況,,并介紹因時間和經(jīng)費限制而造...
關(guān)鍵詞: RFID|NFC UHF RFID 系統(tǒng)評估
Abstract:
Key words :

關(guān)鍵字:UHF RFID 系統(tǒng)評估

本文將探討對于UHF RFID系統(tǒng)應(yīng)有的期望及目標(biāo),。首先將檢視目前讀取率的實際狀況,并介紹因時間和經(jīng)費限制而造成的各種實際應(yīng)用落差,。接著討論如何選擇正確的標(biāo)簽型態(tài),,以及實際且有效的系統(tǒng)評估和測試方法。最后針對如何設(shè)定符合實際效能預(yù)期的RFID 系統(tǒng)提供建議,。設(shè)定正確的期待和目標(biāo)
許多初次接觸無線射頻辨識系統(tǒng)(RFID)的使用者,,常期待利用此種黏貼于外包裝箱上的低成本被動性標(biāo)簽系統(tǒng),便能讓會計盤點作業(yè)有如神助,,并以為只要交易伙伴安裝感應(yīng)讀取機,,包裝上的標(biāo)簽在任何地方都能輕易地自動讀取。但是,當(dāng)發(fā)現(xiàn)堆滿整個棧板的一箱箱貨物中,,竟然只有少數(shù)幾箱的標(biāo)簽?zāi)軌虼_實被系統(tǒng)所讀取,,這時,現(xiàn)實的殘酷如當(dāng)頭棒喝般,,狠狠地將他們從虛幻的美夢中敲醒,。

在每個包裝箱上貼上一個具無線辨識功能的小標(biāo)簽,然后將調(diào)諧器(亦即讀取器)調(diào)至正確頻率,,這個看似簡單容易的程序,,實際上在智能型標(biāo)簽讀取時,會發(fā)生許多問題,。

問題形成的因素非常多,,但是追根究底,最核心的原因皆是如何以極少的電力來完成大量的工作,。與其他所有種類的被動性標(biāo)簽一樣,,零售業(yè)供應(yīng)鏈中所使用的智能型被動性標(biāo)簽,本身不供應(yīng)電源,,而是靠讀取器能量來運作。許多信號源可能遭受微弱信號的干擾,,例如:週遭環(huán)境中的射頻干擾,、被貼上標(biāo)簽的產(chǎn)品本身的物理特性,以及在搬運過程中不小心對標(biāo)簽產(chǎn)生的損害等等,,都很容易造成標(biāo)簽無法讀取,。

有幾種產(chǎn)品類別的可讀性幾乎可達100%。一般來說,,這些產(chǎn)品大多是不帶水分,、無金屬物質(zhì),且密度較低,。若需辨識的產(chǎn)品是像衣服或早餐榖片這類東西,,標(biāo)簽的讀取就很容易,但絕大多數(shù)產(chǎn)品都不太容易讀取,。

堆滿于棧板上的貨物,,讀取更不容易,因為位置較里面的貨物比較難以讀取,。雖然嚴(yán)格來說,,射頻并非直視性(line of sight)技術(shù),但其所使用的微弱信號很容易被遮蔽,,造成位于貨物堆外側(cè)的標(biāo)簽很容易被讀取,,但較里面的標(biāo)簽卻無法讀取。  100%標(biāo)簽讀取率不切實際
許多曾建置過 RFID 系統(tǒng)的使用者都體認(rèn)到,以目前的技術(shù)成熟度,,期望所有的讀取點皆達到100%標(biāo)簽讀取率并不切實際,。然而,若要求標(biāo)簽至少被整個系統(tǒng)里的某個讀取點成功讀取,,則是較合理的期盼,,因為供應(yīng)鏈里一般會有數(shù)個讀取點。下列為一些可能的讀取點位置: 制造廠生產(chǎn)線 制造廠出貨碼頭 經(jīng)銷商進貨碼頭及出貨碼頭 零售業(yè)者物流中心(DC,;Distribution Center) 零售店進貨碼頭 零售店庫房出口點 零售業(yè)者紙箱壓縮機

一個「射頻特性較弱」的產(chǎn)品在單一讀取點或許只有50%左右的讀取率,,但是根據(jù)機率原則,在一個前后具備5個讀取點的系統(tǒng)中,,產(chǎn)品至少被讀取一次,,讀取率就高達97%(大約每33個產(chǎn)品中,有一個產(chǎn)品未被讀?。?。

下表為增加標(biāo)簽可讀性或是增加讀取點數(shù)目后所得的結(jié)果,只要將單一讀取點的讀取成功率由50%增至60%,,五個讀取點的讀取成功率可高達99%(100個產(chǎn)品中1個讀不到),。若將讀取成功率增加到90%,那么五個讀取點就可以達成理想目標(biāo),,也就是所謂的五個9的效能等級— 99.999%(100,000個產(chǎn)品中,,只有1個讀不到)。
 

讀取點數(shù)目 系統(tǒng)讀取機率1 40%   50%  60% 70% 80%  90%2 64.000% 75.000% 84.000% 91.000% 96.000% 99.000%3 78.400% 87.500% 93.600% 97.300% 99.200% 99.900%4 87.040% 93.750% 97.440% 99.190% 99.840% 99.990%5 92.224% 96.875% 98.976% 99.757% 99.968% 99.999%6 95.334% 98.438% 99.590%  99.927% 99.994% 100.000%7 97.201%     99.219% 99.836% 99.978% 99.999% 100.000%8 98.320%     99.609% 99.934% 99.993% 100.000% 100.000%9 98.992%    99.805% 99.974% 99.998% 100.000% 100.000%10 99.395%     99.902% 99.990% 99.999% 100.000% 100.000%

表:RFID讀取點數(shù)目與系統(tǒng)讀取機率對照
 

首先,,必須探討的是如何提高系統(tǒng)整體效能,。此問題有許多解決方法,包括:使用感應(yīng)度更高的標(biāo)籤,,採用更強的天線以升級偵測區(qū)域,,以及增加新的偵測區(qū)域以便在不同讀取點進行讀取。事實上選擇方案不勝枚舉,,而決定的關(guān)鍵在于必須適合各組織及既定目標(biāo),。

值得注意的是,出口至其它國家的貨物,,在當(dāng)?shù)乜赡軙刹煌l率的偵測器進行讀取,。舉例來說,歐洲地區(qū)使用的頻率約在860 MHZ,,北美洲是915 MHZ,,而日本是960 MHZ,如果可行,,應(yīng)在不同頻率范圍下量測標(biāo)簽效能,。採用國際型標(biāo)籤,,例如德州儀器Gen2裸晶黏接型或卷帶型標(biāo)簽等,就可以解決貨物須跨越國界的問題,。

如果希望節(jié)省時間和金錢,,最快的方法可能是採購品質(zhì)較佳的電子標(biāo)簽。如果不在乎開發(fā)時間長短,,而是考量投資成本,,可以考慮目前所安裝系統(tǒng)以外的選擇,以提升系統(tǒng)效能,,透過天線升級,,或增加企業(yè)軟件智能型功能,來達到更好的讀取效能,。當(dāng)然,,最后決定仍取決于何者符合終端使用者的目標(biāo)。

 建立效能基準(zhǔn)線
如果某家公司決定升級至Gen2或轉(zhuǎn)換不同的標(biāo)簽,,不妨假設(shè)該公司已有一套運作中的系統(tǒng),。清楚了解既有系統(tǒng)效能非常重要,因此,,第一步是建立一個比較用的基準(zhǔn)線,。

首先,找出一些現(xiàn)行流程中幾個重要的參數(shù),,例如完成某項任務(wù)所需的時間,、讀取率、偵測區(qū)域效率,,或者所需要的人力介入等等。接著,,在一段時間內(nèi)量測這些因素,,以充分瞭解流程。建立正確量測值后,,就可以用此新的基準(zhǔn)線對已升級流程進行比較,,或是展示改良后的流程,或針對可能出現(xiàn)種種問題提出變通的解決方法,。  新標(biāo)簽的效能分析
建立比較基準(zhǔn)線后,,便可以開始量測新系統(tǒng)的效能,分析它究竟有沒有超越由原系統(tǒng)所設(shè)下的效能比較基準(zhǔn),,以及是否符合使用者的期望和目標(biāo),。

一個較好的方法是以新系統(tǒng)效能來建立可量測的現(xiàn)行測量標(biāo)準(zhǔn),如此可將這些新的測量標(biāo)準(zhǔn)與舊系統(tǒng)進行比較,,以確定改變是否對效能產(chǎn)生明顯影響,。如果是安裝全新的系統(tǒng),應(yīng)該盡快依上述步驟建立一個比較基準(zhǔn)線。

要成功量測改變的最好方式,,就是瞭解新引入的各種變動因子(即新的標(biāo)簽,、新的天線及新的系統(tǒng)) 如何影響系統(tǒng)整體效能。  根據(jù)需要選擇最合適工具(標(biāo)簽)
零售供應(yīng)商必須確保其標(biāo)簽的可讀取性,。單靠在自由空氣中及無反射實驗室(anechoic chamber) 內(nèi)比較標(biāo)簽效能的一般性測試,,不足以應(yīng)付射頻特性較弱之產(chǎn)品的一致性讀取需求。事實上,,真正應(yīng)該進行的是現(xiàn)行特定應(yīng)用的測試實驗,。每個供應(yīng)商的標(biāo)簽需求都不同,須視其產(chǎn)品種類和流程而定,。以下只是少數(shù)的幾種變項: 產(chǎn)品材質(zhì)及密度 主要包裝材料 次要包裝材料 標(biāo)簽粘貼位置可能受自動化設(shè)備所限制 棧板大小以及箱子數(shù)量

顯然,,大部分的使用者一定不愿意針對其產(chǎn)品所提供的各種智能型標(biāo)簽進行測試,這太花時間,,也不合乎經(jīng)濟效益,。有一些自然因素可幫助測試者直接縮小測試范圍:

優(yōu)選的供應(yīng)商 可用的標(biāo)簽大小或外觀限制 效能量測標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn)—標(biāo)簽
什么樣的效能才稱得上是「夠好的」呢? 此問題在能夠收集更多實驗資料,及主要零售商完成更縝密的商業(yè)分析之前,,并無法回答?,F(xiàn)階段來說,應(yīng)該思考的問題是,,「如何去量測效能,,而哪些效能參數(shù)才是最重要的?」一旦定義量測標(biāo)準(zhǔn),就可以使用統(tǒng)計及可行之理論確定最低的效能標(biāo)準(zhǔn),。

大多數(shù)的效能量測資料及比較性測試都著重標(biāo)簽讀取,。但是,除非這些標(biāo)簽在還未購買之前就已經(jīng)預(yù)先被設(shè)定好了,,否則,,標(biāo)簽也需要被寫入。對于自動化且高速的生產(chǎn)線來說,,寫入速度也是非常重要,。如果Gen2的標(biāo)準(zhǔn)寫入模式(每次寫入1個區(qū)塊,也就是16個位元) 無法滿足速度上的要求,,可能需要采用支援一次寫入,,或刪除多個區(qū)塊的進階模式標(biāo)簽。這種方式比標(biāo)準(zhǔn)模式來得更有效率,。

所測試的標(biāo)簽數(shù)量必須要夠多,,實驗數(shù)據(jù)才具有統(tǒng)計意義,這個觀念非常重要,。如果只測試少數(shù)幾個樣本,,所得的數(shù)據(jù)資料可能不足以用來判斷生產(chǎn)效能,。雖然究竟多少樣本數(shù)量才具「統(tǒng)計顯著性」仍有爭論,但是原則上可以從20到30個標(biāo)簽來著手,。如果時間和資源皆允許,,測試數(shù)百個樣本所得的實驗度量數(shù)據(jù),將能提供更精準(zhǔn)的一致性及效能范圍,,此外,,對于不同的生產(chǎn)批別進行標(biāo)簽測試,有助于取得一致性的測量值,。復(fù)雜的測試還包含實驗方法論設(shè)計,,不在本文的討論范疇內(nèi)。

測試實驗的另一項實務(wù)考量,,是在一般真實的環(huán)境中進行測試實驗,。雖然協(xié)力廠商的比較實驗具有一定的參考價值,也可當(dāng)做第一道效能估計的依據(jù),,但是畢竟,,真正的智能型標(biāo)簽是用在真實世界的復(fù)雜環(huán)境里,而非各種隔離和控制的單純實驗室,。真實的倉庫和零售店面存在多個射頻干擾源,,多種金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu),以及其他更多無法預(yù)測的獨特建筑配置,。如果實在無法在實際的使用環(huán)境里進行測試,,建議可嘗試尋找一個現(xiàn)實倉庫中設(shè)置實驗室。靜態(tài)測試
靜態(tài)測試是所有測試方法中,,最簡單,,最容易復(fù)制,且最好比較的測試方法,。簡單地說,,標(biāo)簽是靜止于自由空氣中時,以一讀取器和一個單一天線來測試,,其可能在中性射頻材料之上,或于實際的產(chǎn)品上,。一般說來,,實驗?zāi)繕?biāo)是企圖判定產(chǎn)品上的最佳位置,或者求出特定標(biāo)簽/產(chǎn)品組合中之可讀取范圍及靈敏性,。

某些制造商及獨立實驗室聲稱其所做的實驗顯示X型標(biāo)簽在30英尺遠(yuǎn)的地方就可以讀取得到,。這聽來雖然極具吸引力,但是其可靠性仍需要進一步的驗證,。一般的出入口區(qū)域在4 MPH的狀況下可讀取區(qū)域?qū)挾葹?0英尺(與讀取點相距5英尺),,至600 FPM的情況下可讀取區(qū)域?qū)挾葹?英尺(距讀取點1.5英尺),,而這兩個極端之間的任何值都有可能出現(xiàn)。如果這些可讀取區(qū)域緊緊相鄰,,一個強度高的標(biāo)簽可能會形成不正確的讀取,,而造成系統(tǒng)混亂。因此,,標(biāo)簽的選擇顯得格外重要,,必須選擇符合可讀取區(qū)域特性的標(biāo)簽。

靜態(tài)測試方法如下表:
  測試類型 簡單說明 量測標(biāo)準(zhǔn) 優(yōu)點 缺點可讀取距離 標(biāo)簽放置于一個大型房間里的自由空氣中,,或者室外,,并漸漸地向讀取天線移進,以找出可讀取的最遠(yuǎn)距離,。 最大寫入/讀取范圍和距離(英尺或公尺)
  非專業(yè)人士容易理解量測標(biāo)準(zhǔn)

無須任何特制的實驗儀器或特別的環(huán)境架設(shè)

 

高度依賴環(huán)境及儀器

不同情境之實驗結(jié)果無法直接進行比較

標(biāo)簽靈敏性   通常在無反射波實驗室中進行,,以阻隔外界射頻干擾。漸漸地將讀取器的功率降低,,以找出標(biāo)簽可被讀取/寫入的最低功率值,。 最低功率(dBm 或 瓦) 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灴刂疲煌膶嶒灴梢韵嗷プ霰容^

能建立可讀取距離之關(guān)聯(lián)性

需要特別之儀器以及專業(yè)的知識和技能甜蜜點(sweet spot)  

  測試 將產(chǎn)品靜止地放置,,然后將標(biāo)簽于產(chǎn)品各處不同位置移動,,以找出產(chǎn)品上最佳的標(biāo)簽粘貼位置。 數(shù)種方法 可對于射頻特性較弱之產(chǎn)品提供寶貴的分析資料

可以手動或自動化操作

如果要對眾多的產(chǎn)品及智能標(biāo)簽進行實驗,,會非常耗時動態(tài)測試
動態(tài)測試必須讓貼有標(biāo)簽的產(chǎn)品移動,,增加了實驗的困難度。但這是一項很有效的實驗方式,,因為使用者可找出一套較符合于真實世界產(chǎn)品標(biāo)簽使用效能的量測標(biāo)準(zhǔn),,亦是評估何種標(biāo)簽最適合本身使用的準(zhǔn)確方式。

動態(tài)測試方法如下表:
  測試類型 簡單說明 量測標(biāo)準(zhǔn) 優(yōu)點 缺點傳送帶測試   貼上標(biāo)簽之產(chǎn)品放置在速度快至 650 英尺/分鐘(3.3 公尺/秒) 的傳送帶上(通常為一傳送環(huán)鏈),,并通過具備3 至 4 條天線的讀取器出入口 每次通過能讀取幾次

成功率*

實驗結(jié)果可直接運用在實際的系統(tǒng)應(yīng)用

可以同時對數(shù)個產(chǎn)品進行測試

不同狀況下的實驗結(jié)果無法直接比較出入口棧板測試
  一個堆滿產(chǎn)品的棧板通過具備 2 至 8 條天線的出入口 每次通過能讀取幾次

成功率*

實驗結(jié)果可直接運用在實際的系統(tǒng)應(yīng)用 不同狀況下的實驗結(jié)果無法直接比較

需要許多產(chǎn)品及標(biāo)簽

熱縮式包膜塔或轉(zhuǎn)盤測試 一個堆滿產(chǎn)品的棧板被放置在一個轉(zhuǎn)盤上旋轉(zhuǎn),,并施以包膜熱縮處理準(zhǔn)備進行貨運。這是產(chǎn)品運送過程中相當(dāng)常見的步驟,,也是點算產(chǎn)品的好時機,。 成功率* 實驗結(jié)果可直接運用在實際的系統(tǒng)應(yīng)用 不同狀況下的實驗結(jié)果無法直接比較

需要許多產(chǎn)品及標(biāo)簽

註:讀取成功率-通過出入口時,至少具備一次成功讀取的次數(shù),。
 

動態(tài)的測試需要較昂貴之測試儀器,,且儀器一般放置在很大的區(qū)域之中,通常是利用獨立的測試實驗機構(gòu),,提供所需的儀器及專業(yè)技能服務(wù),。

標(biāo)簽危險注意事項
標(biāo)簽的不當(dāng)使用和操作,可能會造成系統(tǒng)中的許多問題,。標(biāo)簽如同其他的電子元件,,應(yīng)小心翼翼地使用,。在裝卸過程中,員工如果亂丟擲標(biāo)簽盒,,可能會讓公司損失10%的可用標(biāo)簽庫存,,標(biāo)簽在尚未粘貼至產(chǎn)品前最為脆弱,公司員工也是在此時進行使用操作,。維持標(biāo)簽完整性最好的方法,,就是確保經(jīng)手標(biāo)簽的員工皆受過訓(xùn)練且非常小心。

另外,,必須經(jīng)常對會接觸到產(chǎn)品及標(biāo)簽的儀器進行適當(dāng)維修,。許多的紙箱夾鉗及電器夾鉗都有塑膠墊,長期使用后,,墊子會老化,,表面出現(xiàn)裂縫而形成產(chǎn)品上的「夾損點」,對標(biāo)簽產(chǎn)生損害,。要確保這些儀器具有足夠壓力以固定產(chǎn)品,,但也須配合良好的靈敏性,因為對產(chǎn)品所施加的壓力越大,,對產(chǎn)品或產(chǎn)品上的標(biāo)簽造成傷害的機會就越大,。

確保貨物運送者確實遵守貨物操作運送過程的指示和規(guī)定也很重要。一個不遵守指示和規(guī)定的貨物運送者很有可能會傷害到標(biāo)簽,,無論是碰撞擠壓,、刮傷或受潮等等,都會對標(biāo)簽造成損害,。

對于可能會遭到較粗暴處理的產(chǎn)品,,使用者在設(shè)計過程應(yīng)考慮是否使用耐用度較高之標(biāo)簽。目前有專門實驗室在做這類型的測試,,企業(yè)本身若具備適當(dāng)?shù)臅r間和設(shè)備,,部分的測試也可自行進行。結(jié)論
雖然有些使用者一開始會抱著錯誤的期待,,但是經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y試和驗證,,所有的企業(yè)都能找到最適合本身使用條件和目標(biāo)的RFID標(biāo)簽。

用以區(qū)分過高的期待和實際情況的關(guān)鍵方法有: 真實環(huán)境中之實務(wù)測試 接近真實使用狀況的測試方法 與實際應(yīng)用相關(guān)的測量
 

系統(tǒng)整體效能,,比個別標(biāo)簽的強度和靈敏性來得更重要,,系統(tǒng)能在越多讀取點成功讀取標(biāo)簽中資料越好。資訊系統(tǒng)設(shè)計完善,,搭配優(yōu)秀的產(chǎn)品標(biāo)簽粘貼技術(shù),可確保極佳的可讀性,,并發(fā)揮RFID系統(tǒng)對企業(yè)的真正價值,。成功的關(guān)鍵,,在于能否找到一個優(yōu)良的解決方案供應(yīng)商,根據(jù)其經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)知識,,幫助企業(yè)進行測試及評估,。在此過程中,如果與整合供應(yīng)商密切合作,,可以讓過程更快速,、更順利。

每家企業(yè)都是獨一無二的,,應(yīng)根據(jù)本身目標(biāo)及需求,,選擇一套最合適的系統(tǒng),以達成自身目標(biāo),,發(fā)揮系統(tǒng)最大價值,。

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