超高频RFID带来“武装到剪刀”的物联网

一把剪刀，能和物联网扯上什么关系？我们先来讲个笑话：

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

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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：

・LF频带
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。

・HF频带
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。

・UHF频带
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。

・微波频带
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。

（图表内容：村田制作所）

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。

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）

通信过程一般是：

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

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。

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）

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。

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）

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）

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。

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……

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。

（图：EETimes China摄）

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。

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。

村田的LPWA模块，据说体积全球最小（图：EETimes China摄）