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让RFID焕发第二春的无人超市能成功吗

来源:硬件十万个为什么      2018/4/10 8:57:46

  无人超市,这个在近期渐有赶超“共享单车”的热词,已经成为了大家眼前的一个亮点。阿里巴巴的操盘者马云在近期提出了“新零售”的概念,认为超市、便利店形式的零售店可以不借助收银员来达到“无人超市”。伴随着上海杨浦区欧尚超市长阳路店的停车场附近的无人超市的出现,缤果盒子、罗森、阿里巴巴……诸多企业宣布开启或将开启“无人超市”项目。在上海,这种新业态悄然落地。

  无人超市并非是空穴来风!

  国际巨头亚马逊收购线下零售超市(以 137 亿美元收购美国全食超市)刺激传统商超大鳄沃尔玛神经(股价反映当日交易跌幅7%)动作之前,去年年底就哄抢线下零售的细分场景,放出了一个憋了四年的超级大招——全新的线下商店 Amazon Go。无须排队结账的实体店:刷手机进店、选品、拿货,然后走人!亚马逊无人超市让人大开眼界,不排队不结账,拿了东西就走人,Amazon Go购物简直一气呵成。

  Amazon Go的成功自然让阿里巴巴等巨头企业动了心,通过与高科技企业公司的合作,各大企业也逐渐地让无人超市这一新零售概念成为了现实,无人超市的出现与RFID技术的运用密不可分。根据上海当地用户的体验发现,无人超市中的商品都被贴上了一种标签。

 

  这种标签就是电子标签,也是RFID系统中的重要组成部分,该超市中采用了inlay系列中全向标签H47标签,该标签 采用了impinj最新的true 3D技术,H47采用标签双天线,读取效果不受读写器天线的限制,可以在空间360度被很好地识别,是超高频RFID领域的一次重大创新技术。电子标签结合自动收银台中的读写系统,帮助消费者完成付费。

  RFID技术作为一项无线通讯技术非常合适投入了新零售的概念之中。因此将RFID技术成为无人超市背后的功臣亦无可厚非。在结合RFID相关技术的情况下,无人超市还结合电子监控等技术,尽可能完美的让一个真正的无人超市呈现在人们的面前。也许无人超市的诞生会如同共享单车一般,存在着许许多多的需要解决的问题,但是更为便捷的经济生活方式已然成为一种时代的趋势。

  对一个RFID系统来说,它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。从应用概念来说,射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率,直接决定系统应用的各方面特性。在RFID系统中,系统工作就像我们平时收听调频广播一样,射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。

  射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理(电感耦合还是电磁耦合)、识别距离,还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。RFID应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分,即位于ISM波段。典型的工作频率有:125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。

  按照工作频率的不同,RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同,LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理,而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段,低频(125KHz)、高频(13.54MHz)、超高频(850MHz~910MFz)和微波(2.45GHz)。每一种频率都有它的特点,被用在不同的领域,因此要正确使用就要先选择合适的频率。

  低频段射频标签,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。

  中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签,因其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类中。另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签,因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念,即不会造成理解上的混乱。为了便于叙述,我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源设主,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。中频标签由于可方便地做成卡状,广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等。

  超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签,其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz~928MHz、2.45GHz、5.8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时,射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m,典型情况为4m~6m,最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加,应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况,从而提出了多标签同时读取的需求。目前,先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别,还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

  以目前技术水平来说,无源微波射频标签比较成功的产品相对集中在902MHz~928MHz工作频段上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电,具有较远的阅读距离。微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用,读写器的发射功率容限,射频标签及读写器的价格等方面。对于可无线写的射频标签而言,通常情况下写入距离要小于识读距离,其原因在于写入要求更大的能量。微波射频标签的数据存储容量一般限定在2Kbits以内,再大的存储容量似乎没有太大的意义,从技术及应用的角度来说,微波射频标签并不适合作为大量数据的载体,其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有:1Kbits、128Bits、64Bits等。由Auto-ID Center制定的产品电子代码EPC的容量为90Bits。微波射频标签的典型应用包括移动车辆识别、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、医疗科研等行业。

  不同频率的标签有不同的特点,例如,低频标签比超高频标签便宜,节省能量,穿透废金属物体力强,工作频率不受无线电频率管制约束,最适合用于含水成分较高的物体,例如水果等;超高频作用范围广,传送数据速度快,但是比较耗能,穿透力较弱,作业区域不能有太多干扰,适用于监测港口、仓储等物流领域的物品;而高频标签属中短距识别,读写速度也居中,产品价格也相对便宜,比如应用在电子票证一卡通上。

  目前,不同的国家对于相同波段,使用的频率也不尽相同。欧洲使用的超高频是868MHz,美国则是915MHz。日本目前不允许将超高频用到射频技术中。

  目前在实际应用中,比较常用的是13.56MHz、860MHz~960MHz、2.45GHz等频段。近距离RFID系统主要使用125KHz、13.56MHz等LF和HF频段,技术最为成熟;远距离RFID系统主要使用433MHz、860MHz~960MHz等UHF频段,以及2.45GHz、5.8GHz等微波频段,目前还多在测试当中,没有大规模应用。

  我国在LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟,HF频段方面的设计技术接近国际先进水平,已经自主开发出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693标准的RFID芯片,并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等项目中。

  海峡两岸RFID相关专利分析

  在RFID系统研究与实践过程中,必然会遇到知识产权问题。一方面,相应的专利与知识产权体现出当前的研究水平,为实践提供参考与借鉴;另一方面,通过对相关专利与知识产权的分析,可以为进一步的研究提供新的方向与思路。这里仅以海峡两岸RFID相关专利为例加以说明。

  海峡两岸RFID相关专利数量较多,涉及到RFID系统链上的各个环节,我们取1996年截止到2004年6月这段期间两岸的专利情况来分析RFID的发展,并指出从专利层面所体现出的有待着重发展和解决的问题。

  台湾RFID相关专利检索

  台湾方面在1996年到2004年6月这段期间共有相关专利28项,涉及到标签、读写器、天线、系统布置的方法信息处理、网络应用及系统应用等方面(如图1所示)。

  其中,读写器类占6项,标签类——包括其生产、制造、封装、应用设计以及发明占12项,天线类1项,系统方法类占2项,RFID系统应用类5项,防碰撞2项。

  大陆RFID相关专利

  大陆方面在1996年到2004年6月这段期间有相关专利106项,涉及到标签、读写器、天线、信息处理、网络应用和信息处理及系统应用等方面(如图2所示)。

  其中,读写器类占18项,标签类(包括其生产、制造、封装、应用设计以及发明)占53项,天线类6项,RFID系统应用及方法类占18项,防碰撞2项,大陆在网络应用及信息处理方面有9项专利。

  通过分析知道,大陆和台湾RFID的相关专利主要集中在标签的设计、制造封装等方面,其次就是读写器类包括其电路设计及一些应用RFID的闭环系统,或一些简单应用;而对RFID应用链上的软件部分,比如结合网络的信息处理,大规模范围的开环应用及一些关键问题如防碰撞问题,与条形码的兼容性问题等方面则鲜有专利。即使RFID的应用专利也大体上都是RFID的简单应用例子,没有在一个大的系统上形成体系。或者说在RFID的整个后台处理、数据库管理、编码规则、调度问题等方面鲜有相关的知识产权及专利申请,另外在RFID应用的测试策略方面知识产权相对也较少。而这对于实现RFID更广泛应用是非常关键的。今后我们的研究方向可以结合大的系统应用提出整套方案及框架,同时研究有效的基于网络的后台信息处理系统的构建。另外RFID技术实际应用中的一些关键问题也是我们应该共同研究攻关的方向,比如防碰撞问题、电磁兼容问题等等。

  无人超市也让RFID焕发了第二春。基于RFID技术的无人店目前主要有以下三种模式,按使用流程来分主要分成:

  1、预识别(身份)模式

  2、免识别(身份)模式

  3、全开放模式

  预识别(身份)模式是指用户在打开智能商品柜或无人店大门时需先进行身份识别后方可进行商品购物的。如欧尚引入的无人店,首先需扫描二维码(身份认证)后方可进入,即属于一种典型的预识别(身份)应用,如不能完成识别,则消费者无法进行购物动作! (商品均配有RFID标签,并形成相应电子账单)。

  免识别(身份)模式是指用户无需进行身份识别即可进行商品购物。一般此类无人店都会设有门禁系统,消费者通过物理开关可以直接进入店内,在消费者进入后,门禁自动锁死,消费者在购物完成且支付成功后,门禁方可重新开启。 (商品均配有RFID标签,并形成相应电子账单)。

  全开放模式是指用户可自由出入店内,并可自由选择商品,商品带有RFID及二维码支付标签,消费者在选择商品并扫码完成支付后即可出店。但如未完成支付而出店时,门禁系统会自动检测并报警。全开放模式的优点在于,可以解决多点购物结算问题,同时门店改造相对可控。该模式如加以配备少量服务人员并结合前两种模式的应用设备组合的话,则特别适合便利店、超市形成有人、无人结合应用的新模式。

  不管无人超市是否这个商业模式是否成功,但是RFID从新成为热门的物联网的连接方式再次走进人们的视野。

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