摘 要： 无线射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）技术是一种自动识别技术，为实现自动灌装生产中，灌装产品的精准生产，实现对生产信息的采集与控制，通过RFID系统，对灌装瓶上外置的射频电子标签的读写操作，完成数据的采集与控制，经实际系统运行，能够完成产品追踪溯源、订单生产等一系列生产任务，有效地提高了灌装生产的透明度和安全性。
关 键 词：RFID 自动灌装 追踪溯源
Abstract: Radio Frequency Identification (RFID) technology is a kind of radio frequency identification technology. In order to realize the accurate production of filling products in automatic filling production, it realizes the collection and control of production information through RFID system. The reading and writing operation of the external RF electronic tag on the filling bottle completes the data collection and control. After the actual system operation, it can complete a series of production tasks such as product traceability and order production, effectively improving the transparency of the filling production and security.
Keywords: RFID automatic filling traceability
【中图分类号】TP391.45 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）01-0000-00
1 引言
射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）通过射频电子标签（或称应答器）装置来实现数据的存储和远程数据检索，并通过射频电子标签和射频读写器（或称RFID读写器）之间的无线通信完成对对象的自动识别，从而进行远程识别、监控和跟踪各种对象[]。随着工业信息化的发展和人们对食品安全生产的日益关注，在自动灌装生产线系统中的灌装生产环节，运用射频识别技术，通过对灌装瓶上射频电子标签的读写操作，可完成精准生产，实现对灌装产品的溯源操作，对提高精益生产、提高灌装产品可靠性和安全性具有重要意义。
2 RFID概述
无线射频识别系统可以只由射频电子标签和射频读写器组成，无线射频识别技术主要是基于射频读写器和射频电子标签间能量和数据等信息的通信技术。射频读写器和射频电子标签之间存在能量的传递、时钟信号的获取以及数据的交互。射频电子标签通过射频场获得能量，射频读写器将时钟信号传输给标签，标签响应射频读写器的命令，将数据通过射频电子标签的射频模块输送给射频读写器，或将来自射频模块的数据输送到射频电子标签的存储器存储[]。图1所示为射频识别系统的结构框图。
图1 射频识别系统的结构框图
2.1 RFID标签
从纯技术的角度来看，射频识别技术的核心在射频电子标签，射频读写器是根据射频电子标签的设计而设计的。射频电子标签或应答器是射频识别系统的核心部分，其主要作用是存储相关的识别信息，并与射频读写器之间实现通信。
射频电子标签由附有天线（Antenna）的微芯片和集成电路组成，存储目标对象的唯一信息。射频电子标签位于要识别的目标表面或内部，存储着需要被识别物品的相关信息，其存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读/写。标签天线是覆盖着保护层的小线圈，允许射频电子标签和射频读写器之间以无线方式进行通信。射频电子标签集成电路提供一系列的功能，如提供多标签检测基本的逻辑、内存中数据存储和数据调制等[]。如图2所示为带集成电路和线圈天线的射频电子标签。
图2 带集成电路和线圈天线的射频电子标签
2.2 RFID标签分类
射频电子标签必须有电能才能工作，按射频电子标签获取电能的方式不同，可以将射频电子标签分为有源射频电子标签、无源射频电子标签及被动射频电子标签。
（1）有源射频电子标签内部装载有电池，通过射频电子标签自带的内部电池进行供电。
（2）无源射频电子标签的内部不装载电池，需靠外界提供能量才能正常工作。射频电子标签处于无源状态，在射频读写器的读出范围之内时，射频电子标签从射频读写器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源射频电子标签产生电能的典型装置是天线和线圈，当射频电子标签进入射频识别系统的工作区域时，射频电子标签天线接收到特定的电磁波，射频电子标签线圈产生感应电流，再经过整流给射频电子标签中电容充电，电容电压经过稳压后作为工作电压为射频电子标签供电。因为无源射频电子标签依靠外部的电磁感应供电，因此其电能比较弱，数据传输的距离和信号强度也因此受到限制，需要敏感性比较高的信号接收机才能可靠识读标签信息[]。图2中的带集成电路和线圈天线的射频电子标签为自动灌装生产线系统中粘贴在灌装瓶表面的射频电子标签为被动式电子标签。
（3）被动式射频电子标签（Passive Tag）不具备单独的电源供电，射频信号在电子标签天线中产生的微小感应电流足够提供电子标签所需能量。这种射频读写器远程充电方式通常被称为电磁感应技术，被动式射频电子标签临时存储少量的射频读写器释放的能量，将它转换成直流电源以启动射频电子标签微芯片工作和产生响应。被动式RFID通信模式框图如图3所示。射频电子标签通过电磁感应方式获得操作能量，再向射频读写器反射或反向散射调制射频信号[]。
图3 被动式RFID通信模式框图
2.3 RFID内部结构
射频电子标签通常由三个部分组成：标签芯片、标签天线（或线圈）和底层，相当于一个具有无线收发功能再加存储功能的片上系统。射频电子标签电路由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器、控制器和负载调制电路组成，其基本结构如图4所示。
图4 射频电子标签电路的基本结构
（1）能量获取：标签天线用于获取射频能量，由电源电路整流稳压后为射频电子标签电路提供直流工作电压。对于可读/写射频电子标签，如果存储器是EEPROM，电源电路需要产生写入数据时所需要的直流高电压[]。
（2）时钟信号：标签天线电路获取的载波信号的频率经分频后，分频信号可作为射频电子标签的控制器、存储器、编/解码器等电路工作时所需的时钟信号。
（3）数据的输入输出：从射频读写器送来的命令，通过解调、解码电路送至控制器，控制器实现命令所规定的操作；从射频读写器送来的数据，经解调、解码后在控制器的管理下写入存储器。射频电子标签送至射频读写器的数据，在控制器的管理下从存储器输出，经编码器、负载调制电路输出到射频前端，经射频前端经标签天线输出。
（4）存储器：存储器是射频电子标签芯片的一个重要组成部分。半导体存储器可以分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。RAM存储单元中所存储的内容按需要可以随时读出和随时写入，ROM中所存储的内容是预先给定的，在工作过程中，只能将其中所存储的内容按地址单元读出，而不能写入新的内容，这些存储的信息一经写入就可以长期保存，不受电源断电的影响。
简单系统的射频电子标签的存储数据量不大，通常多为序列号码（如唯一识别码UID、电子商品码EPC等），它们在生产时写入，以后不能改变。
在可读/写的射频电子标签中，除了固化数据外，还需要支持数据的写入，为此有三种常用的存储器：EEPROM（电可擦除只读存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）和FRAM（铁电随机存取存储器）。EEPROM使用较广，但其写入过程的功耗大，擦写寿命为10万次，是电感耦合方式射频电子标签主要采用的存储器，该论文所研究的自动灌装生产线灌装瓶表面所粘贴的就为集成有EEPROM型存储器的射频电子标签。FRAM是一种非瞬态存储技术。写入功耗低，写入时间短有更好的应用前景。
（5）控制器：控制器是射频电子标签芯片有序工作的指挥器。电路比较简单。带有微处理器（Micro Controller Unit，MCU）或数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的射频电子标签则成为智能射频电子标签。
3 射频读写器
3.1 射频读写器功能
在射频识别系统中，射频读写器介于射频电子标签和应用系统之间，完成射频电子标签和应用系统之间的通信功能。射频读写器即利用射频技术读取射频电子标签的数据和写入数据到射频电子标签，承担向射频电子标签传输命令及读写数据的任务。射频读写器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发往射频电子标签的数据加密后写入射频电子标签；射频电子标签返回的数据经射频读写器解密后送到主机，射频读写器读出的标签信息可通过计算机一级网络系统进行管理和信息传输。射频读写器的功能包括三个部分：一是发送和接收功能，用来与射频电子标签进行通信；二是对接收信息进行初始化处理；三是连接主机网络将信息传送到数据交换与管理系统。在射频识别系统的工作程序中，应用软件向射频读写器发出读取命令；作为响应，射频读写器和射频电子标签之间建立特定的通信，射频读写器触发射频电子标签工作，并对所触发的射频电子标签进行身份验证，然后射频电子标签开始传送所要求的数据信息。图5所示是自动灌装生产线系统中所使用的一个固定式射频读写器，其是将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中构建的。有时，为了降低设备制造成本，便于运输，也可以将天线和射频模块封装在一个外壳单元中，构成集成式射频读写器或一体化射频读写器。
图5 图尔克（TURCK）BLident RFID读写器
3.2 射频读写器的硬件组成
射频读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器/报警器的输入/输出接口、通信接口以及电源等部件组成。图6为射频读写器的硬件组成示意图。
图6 射频读写器组成示意图
（1）收发机：收发机包含有发射机和接收机两个部分，通常由收发模块组成。发射机在射频读写器的读写区域内发送电磁波功率信号，接收机负责接收射频电子标签返回射频读写器的数据信号，并传送给微处理器。收发模块同天线模块相连接。
（2）微处理器：微处理器是是实现射频读写器和射频电子标签之间通信协议的部件，可同时完成接收数据信号的译码和数据纠错功能。另外，微处理器还有低级数据滤波和逻辑处理功能。
（3）存储器：存储器用于存储射频读写器的配置参数和阅读射频电子标签的列表。因此，如果，射频读写器与控制器/软件系统之间的通信中断，所有阅读的射频电子标签数据将会丢失。
（4）外部传感器、执行器、报警器的输入/输出接口。为了降低能耗，射频读写器不能始终处于开启状态，因此，射频读写器需要一个能够在工作周期内开启和关闭的控制机制。输入/输出端口提供了这种机制，依靠外部事件开启和关闭射频读写器工作。
（5）通信接口：通信接口为射频读写器和外部实体提供通信指令，通过控制器传输数据和接收指令并做出响应。一般通信接口分为串行通信接口和网络通信接口。
串行通信接口是目前射频读写器采用的普遍的接口方式。射频读写器与计算机通过串行口RS232或RS485连接。因此，串行通信被推荐为射频识别最小系统的首选方式。
（6）控制器：控制器是射频读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统发来的动作指令；控制与射频电子标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对射频读写器和射频电子标签之间传送的数据进行加密和解密；进行射频读写器与射频电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中，最重要的是对射频读写器芯片的控制操作[]。
（7）射频读写器天线：天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在射频识别系统中，天线分为射频电子标签天线和射频读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用[]。
（8）通信设施：通信设施为不同的射频识别系统管理提供安全通信连接，是射频识别系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和射频读写器或控制器与计算机连接的串行通信接口[]。
4 自动灌装RFID系统案例
4.1 FRID系统架构
案例以德国图尔克（TURCK）公司的BLident （无线射频）RFID系统。其整个无线射频系统总体功能图如图7所示。
图7 无线射频系统总体功能图
4.1 FRID工艺监控
（1）生产控制系统软件终端采用MES系统，制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES），是介于上层计划管理层与下层控制层之间的面向车间的执行层管理信息系统。MES应用系统向射频读写器发送射频电子标签信息指令。
（2）射频读写器接收到射频电子标签信息指令后，将指令以无线电载波信号方式经发射天线向外发射。
（3）当粘贴有射频电子标签的空灌装瓶进入发射天线的工作区时，射频电子标签被激活，将拟发送的标签信息调制载波信号后经射频标签天线发射出去，这样可以检验灌装液体的空瓶，防止误操作。如图8所示。
图8 RFID 1传感器检测瓶子内相关信息，防止误操作
（4）射频读写器接收天线接收射频电子标签发出的调制信号，经天线调节器传输给射频读写器；射频读写器对接收到的射频电子标签信号进行解调解码，通过有线或无线信道，将解码信号送往后端应用系统的控制器。
（5）后端应用系统控制器根据逻辑运算判断该射频电子标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行器的动作。
待灌装加工完成后，RFID2射频读写器将会把生产信息写入相关的瓶子，如图9所示。
图9 RFID 2 传感器给瓶子写入相关加工信息
5 结束语
本文通过RFID技术及RFID系统的组成，详细探讨了RFID技术在自动灌装生产中的重要应用，通过系统实际运行表明，RFID技术能够促进自动灌装生产系统的信息化发展，有效提高灌装产品质量和效益。
参考文献