发布时间：2022-07-01
RFID技术，是支持万物互联的物联网能够快速普及的支撑技术。RFID标签，通过存放被标识物体的信息，在各种物联网应用中实现了物与物的信息交流，是物联网中主要的信息获取方式。近年来，随着物联网技术的社会接受度越来越高，以RFID标签为代表的智能标识已经在零售，物流，制造，医疗，安防，汽车，航空，军事等诸多领域广泛应用，为提升人们的生活便利，实现智慧物联起到了关键作用。RFID标签我们按照工作频段一般分为低频（LF），高频（HF），超高频（UHF），可以满足不同场景的应用需求。超高频（UHF）RFID 标签因为适用读写距离范围最大，所以是应用最多，需求量最大的标签。因为RFID标签中芯片的内容人们无法直接观测得到，所以在具体应用中，需要将RFID标签中芯片的相关内容打印在标签上，实现RFID标签的可视化，尤其是需要和目前仍在广泛使用的条形码系统结合，才能发挥最大的信息互联的作用。这样，我们就需要可以实现对RFID标签可以进行可视化打印，同时又可以读取和写入数据到RFID标签芯片的RFID 打印机。
我们以需求最多，应用最广泛的UHF超高频 RFID 标签打印机为例，本文介绍如何在传统的打印机基础上，设计一台优秀的UHF超高频 RFID 标签打印机。在介绍详细的设计步骤之前，我们需要了解UHF 超高频RFID 标签打印机的基本需求和大致步骤，同时我们要对UHF 超高频RFID 标签打印机涉及到的关键技术有所了解。UHF超高频 RFID 标签打印机的基本需求主要包括两部分：
1） 打印出来的成品超高频RFID标签上的可视化内容可以被人们清楚的识别。
2） 成品超高频RFID标签上的电子信息可以被RFID阅读器读取或者写入。
为满足这两个基本需求，我们就需要了解涉及到的关键技术，主要有两个：
1） UHF超高频 RFID标签可视化打印技术；
2） UHF 超高频RFID 标签电子数据读写技术；
UHF 超高频 RFID 标签打印机完整的步骤和关键技术如下图所示：
UHF 超高频 RFID标签可视化打印技术
在目前各种打印技术中，热打印技术（包括热敏打印和热转印打印）具有体积小，打印速度快，可靠性高，易维护等显著优点，所以在打印行业得到广泛的应用。尤其是其中的热转印打印技术，由于打印出来的图像更加清晰，所以大部分的标签打印机都会使用热转印打印技术。热转印打印技术的基本原理是在打印头上有一排发热点，通过控制信号来精准的控制发热点选择性发热，碳带上的油墨在压力和加热作用下融化并固化在标签表面形成像素点。通过电机拖动打印多行像素点实现整幅图像的打印。热转印技术的打印原理如下图所示：
图片来自于彭赢《基于物联网的RFID标签打印机的研究与设计》
对于UHF 超高频 RFID标签打印机来说，挑战来自于如何避免热转印中的高温损坏RFID标签中的芯片，影响后续的标签写入和识别。这就需要对打印头的加热控制开发出更加合适的加热算法，传统的PID（Proportional Integral Derivative）控制系统由于连续打印的时候会因为温度累计造成误差较大，无法实现精准控制，所以核心就在于利用更贴合实际的加热算法来实现RFID标签的可视化打印的同时确保RFID标签安全有效。
UHF 超高频 RFID 标签电子数据读写技术
对于RFID标签打印机来说，打印机和UHF 超高频 RFID标签建立稳定的通讯是关键，下图是一个打印机与RFID标签之间数据通讯的基本原理示意图。因为热打印技术在对RFID标签进行可视化打印的时候可能会对UHF 超高频 RFID标签造成破坏，一般来说，UHF 超高频 RFID标签打印机会采用第一步进行热转印打印，第二步进行RFID电子数据的写入，最后对RFID电子数据进行校验这个流程。确保通过RFID标签打印机的RFID标签都是完成了可视化打印，标签内电子信息也是有效的。
图片来自于彭赢《基于物联网的RFID标签打印机的研究与设计》
一般来说， UHF 超高频 RFID标签可以分为无源标签和有源标签，UHF 超高频 RFID标签打印机主要是应用于打印无源UHF 超高频 RFID标签。无源UHF 超高频 RFID标签是通过电磁反向散射耦合的方式获取能量和传输信息，其读取距离由弗林斯传输方程决定：
从方程可知，UHF标签最大可读距离R由四个因素决定： Pr为标签的接收功率（最低开启功率）； Pt为阅读器天线发射功率； Gt为阅读器
发送天线增益； Gr为标签接收天线增益； 这四个因素决定了UHF标签最大可读距离R。 在UHF 超高频 RFID标签打印机中，除了确保UHF 超高频 RFID标签电子数据的写入的准确率和可靠性，同时还要保证RFID模块只能对需要操作的单一标签精准识别，其他相邻标签不会干扰其正常的通讯。在标签的接受功率Pr 和标签接收天线增益Gr无法改变的情况下，就需要精准的控制阅读器天线发射功率Pt 和设计合适的阅读器发送天线增益Gt。 同时确保天线的物理位置设计与标签的形状匹配，实现空间距离R的精准控制。这里我们举例说明如何实现打印机天线的设计与布局，如何精准的控制阅读器天线发射功率。
打印机天线的设计与布局
UHF 超高频 RFID近场天线通常用于在天线周围指定体积内读写标签。UHF 超高频 RFID 近场天线所需的性能特征包括小的远场增益（例如 –20 dBi）、均匀的场分布以及与要打印或读取的目标UHF标签有效的耦合。
关于 UHF 超高频 RFID 应用的近场天线已经有很多种类，虽然近场天线的一般设计概念是适用在打印机上的，但在设计RFID标签打印机天线时有一些特殊的考虑因素，例如外形尺寸、相邻标签识别和打印机拥挤的内部环境。 这里以J.-H. Bang 发表的文章《Dual-loop near-field antenna for RFID label printer applications》中采用平衡的双回路几何结构的天线设计为例。 金属外壳降低了远场增益（所制造天线的测量远场增益为 –27.6 dBi），并控制了孔径上方的场强并抑制了反向场。
图片来自于J.-H. Bang《Dual-loop near-field antenna for RFID label printer applications》
而天线的布局更是需要和打印机整体的运动流程相配合才能获得最好的功效，下图中RFID模组的读写区域R通过发射功率和天线布局的位置获得，因为不同的RFID标签有不同的宽度和间隔，那么只需要在最初使用这类标签时调整相应参数，就可以获得比较理想的效果：打印机系统只对当前标签进行读写操作，有效降低前一标签和后一标签的干扰。
图片来自于彭赢《基于物联网的RFID标签打印机的研究与设计》
精准的控制阅读器天线发射功率
阅读器天线发射功率的调节是最有效的精准调节UHF标签最大可读距离R的手段之一。而其关键就在于UHF 超高频 RFID 模组的选择，Jadak 公司的ThingMagic 品牌的UHF（超高频）模组系列，独立的读取和写入功率控制，可在 -5 dBm 至 +30 dBm (1W) 范围内以 0.5 dB 的步进进行调节。尺寸最小的Nano 模组甚至可以以步长为 0.01 dB的步进进行调节，这就为精准控制阅读器天线发射功率提供了坚实的基础，为确保UHF 超高频 RFID标签电子数据的写入的准确率和可靠性提供了可能。
Jadak 公司的ThingMagic 品牌的UHF（超高频）模组系列，是全世界主流UHF 超高频 RFID 打印厂商的一致选择。尤其是2022年最新上市的M7e-PICO模组，是目前市面上小尺寸（18mmx21mmx3mm，比壹元人民币硬币还要小），低功耗（<2.5W @5VDC ）RFID模组的优秀代表。
无论是工业用UHF 超高频 RFID 打印机，还是商用UHF 超高频 RFID 打印机，或者移动式UHF 超高频 RFID 打印机（如下图所示），都可以使用M7e模组，实现低功耗，小尺寸与优秀性能的完美平衡。
M7e-PICO模组继承了ThingMagic模组的一贯的优良特性，包括：
1） 支持宽范围的射频传输功率（读取和写入功率可独立设置）
2） 射频传输功率精度高（在不同的频率不同的温度情况下精度保持稳定）
3） 射频传输功率调节步长小（可以满足精细调节）
4） 经过优化的标签读取和写入算法，使得读写速度达到协议的最高速度；
5） 支持全球的大部分地区的频率范围；
6） 拥有大多数国家和地区的无线射频认证，可以协助客户获取指定地区的认证。
7） 支持定制化标签（例如温度标签，湿度标签等）存储扩展区域的读取和写入；
8） 不同模组使用统一的API（应用程序接口）可以大大方便客户的持续研发。
JADAK在亚太区域有当地的技术支持团队，能及时响应当地客户的需求。
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