包装系统特性对RFID的影响

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：长江干线港口危险化学品年吞吐量达1.7亿吨、超过250种，且运输量仍以近10%的速度增长。在战略层面为推动长江经济带高质量发展提供了基本指引，也为系统保护长江水资源、应对新形势下水资源安全的重大挑战提供了重要指导思想和原则。测试结果表明，输送机的传输速度对于RFID 应答器成功读取包装上的标签信息的平均次数有重要影响。此外，传送带上输送的产品类型、包装类型、包装形状均对RFID 应答器成功读取标签的平均数量有显著影响。

1．射频干扰问题

实施RFID 包装系统，重要的是要考虑射频干扰问题和认识到干扰可能是由一些包装材料造成的。

最需关注的是波的特性，波在遇到金属时似乎会产生非常大的改变。当应用RFID 技术时，某些包装的金属会显著地影响转发器天线的可读性。例如，一个装有铝罐的瓦楞纸托盘在通过一个天线入口时几乎没有可读性。当然，频率、标签天线设计和位置的选择可以极大地提高可读性。

波的干扰是两种波沿同一介质传播时相遇的现象。波的干扰可分为相长干扰和相消干扰两种形式（图5-10）。当两个波在同一介质中相遇，并以相同的波形重叠时，就产生了相长干涉。这种响应产生一种以清晰易读的形式传送频率的互补系统。相消干涉是两个在相反位移方向上的干扰波在介质中的任何位置发生的干涉。当某一频率的波从天线发送到应答器时，响应会被取消或改变，从而造成可读性很差。包装组成中的金属材料会产生相消干扰，消除或改变频率。在射频的情况下，天线在接收不到其发射的频率之后，导致读取失败。

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图5-10　相长干扰和相消干扰

人们普遍认为金属和水对无线电波的操作和使用有不利的影响。金属要反射无线电波，而水会吸收无线电波，使得这两种材料给RFID 系统的使用带来麻烦。许多产品和包装含有金属和水，这使得应用RFID 系统解决方案在经济上没有商业价值，也就是应用成本会很大。含水分高的产品包括洗发水、软饮料、果汁、水果和蔬菜等。在包装中有金属或含有金属成分的产品可能会导致RFID 系统出现问题。在该类产品和包装中包括铁罐和铝罐、一些洗衣粉、铝箔复合袋、金属箱等。

包括惠普、吉列和英国BP 在内的公司对这些产品进行了RFID 应用测试。惠普公司已经能够通过改变包装的方向来克服墨盒中的水和金属的问题。吉列已经成功地将RFID应用在刀片包装项目中。BP 公司通过RFID 测试已经将其应用在润滑油包装上，并且找到了RFID 标签在瓶上的最佳位置。美国密歇根州立大学对RFID 在冷冻和冷藏牛肉包装上的应用进行了研究。研究发现，标签可以通过冷冻牛肉成功阅读，但对通过冷藏牛肉的阅读失败，因此显示液态水是产生阅读问题的主要原因。

还有许多其他因素会引起干扰RFID 系统的应用。从包装材料到包装添加剂都可能影响RFID 标签的可读性。包装和包装材料对RFID 系统的影响有待进一步深入研究。

RFID 系统的干扰超出了包装材料和产品性能。设备中的操作系统和其他无线通信设备可能产生RF 噪声，并干扰RFID 标签和阅读器正确的通信能力。这些系统可能包括无线通信的手持扫描仪、手机、机器人和（或）计算机。诸如传送带、叉车、灌装和封口设备之类的操作设备也会对RFID 系统的操作产生负面影响。在医院里，不同的电磁干扰成为主要的问题，因为一些相邻的系统会相互影响。

静电放电对标签的影响还不广为人知，可能导致标签无法读取。RFID 标签也会受到通过阅读区域速度的影响。标签穿过阅读区域的速度越快，被读取的可能性就越小。一个区域内存在多个RFID 读取器、天线和标签，会对系统的正常运行产生不利影响；这种现象被称为碰撞，适当的屏蔽成为首要关注的问题。

2．对RFID 标签可读性的研究

密歇根州立大学包装学院的实验研究结果表明[26]：包装产品（48 箱，4 层）堆放在托盘上时，标签方向和包装内的物品对RFID 读写器的可读性有很大的影响（图5-11）。

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图5-11　包装产品托盘和射频识别读写器示意图

一方面，在某些情况下，包装中不同类型产品的物理特性加上RFID 标签的方向这两个因素可能会导致大量标签的信息没有被读取。另一方面，在九组实验中（分别是使用空箱、泡沫填充箱、空瓶箱，加上标签方向向外、向前和向上等）所有标签都可以被读出。表5-6是分别对用瓦楞纸箱包装五种不同物品时不同标签方向的标签信息读取情况。

表5-6　不同标签方向和产品的RFID 标签读写率结果

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木制托盘的长度是121.9cm，宽度是101.6cm。瓦楞纸箱的长度是25.4cm。长度方向与托盘的移动方向相同，如图5-12所示。托盘上瓦楞纸箱按3 行4 列堆放。托盘两边各16 箱分别由两边各自的天线读取，中间16 箱与天线之间有箱子隔开。

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图5-12　托盘和瓦楞纸箱的位置

标签有5 个安装方向：

①箱子外部的标签向外，中间箱子的标签与天线之间有箱子阻隔；

②箱子外部的标签向内，所有箱子的标签与天线之间有箱子阻隔；

③所有标签向前，只有外边箱子的标签与天线之间没有阻隔；

④所有标签向上，只有最上面的箱子的标签与天线之间没有阻隔；

⑤所有标签向下，所有箱子的标签与天线之间都有阻隔。

因此，实验中变量是标签方向和包装箱内的物品类型。表5-6中，每个单元格中的数据代表了每类包装物品1200 次标签读取的百分比（在每个托盘上有48 箱，共进行25 次读取）。例如，当箱子中的物品是大米，而且标签向里（即指向托盘的中心而不是外面）时，60.5%（或726/1200 次标签读取）正确读取。

（1）箱内的物品

实验表明，瓦楞纸箱内的物品对标签的读取有影响。包装内瓶装水时读取标签的成功率最低。瓦楞纸箱内没有物品或泡沫填空或空PET 瓶时，读取标签的成功率最高。但是，瓦楞纸箱内只要有物品，读取标签的成功率都不会达到100%。

对于每个产品，标签的读取次数理论上都是6000 次（48 箱/托盘5 种标签方向重复25 次）。因此，对于每种包装物品，标签的读取率是基于6000 次样本的成功读取次数的百分比。每种产品的试验次数都为125 次（5 种标签方向重复25 次）。

①瓦楞纸箱内填充泡沫时，成功读取次数共5959 次，读取率为99.32%；100%读取的次数有98 次，因此全部读取率为98/125=78%。

②瓦楞纸箱内装满PET 瓶的空瓶时，成功读取次数共5956 次，读取率为99.27%；100%读取的次数有98 次，因此全部读取率为98/125=78%。

③瓦楞纸箱为空箱时，成功读取次数共5938 次，读取率为98.97%；100%读取的次数有92 次，因此全部读取率为92/125=72%。

④瓦楞纸箱内装满大米的塑料罐时，成功读取次数共4836 次，读取率为80.60%；100%读取的次数有4 次，因此全部读取率为4/125=3%。

⑤瓦楞纸箱内装满PET 瓶，且瓶内灌满水时，成功读取次数共1501 次，读取率为25.02%；100%读取的次数0 次，因此全部读取率为0。

当瓦楞纸箱为空箱或装满空的PET 瓶或用泡沫填充时，标签的方向对其可读性影响不大。但当箱子内装满物品，如大米或瓶装水，标签的方向对其可读性的影响很大。

（2）标签方向

标签方向向外时，标签的可读性最好，其次是标签方向向前和向上时。当瓦楞纸箱为空箱或装满空的PET 瓶或用泡沫填充时，所有标签可以被读取的比率也是最高的。标签方向向内和向下时，标签的可读性最差。如果箱子内装满大米和瓶装水，这些方向的标签可读性大大降低。对于箱子内装满PET瓶和水的情况，箱子上的标签被读取率只有不到1%。

当箱子内装满瓶装水时，标签方向对读取效果的影响最明显。由于水干扰超高频（UHF）无线电波，如果RFID 系统天线的标签不在视线内，就无法读取天线的信息。标签方向向外时读取的百分比最高（67%）。当标签方向向前时，读取的百分比次高（32%），这些标签都是位于托盘的前面。当标签向上的时候，只有25%的标签被读取，这些都位于顶层。当标签向内时，只有10/1200 可被读取；当标签向下时，根本没有标签可被读取（0%）。当箱子内装满米（罐装）时标签的读取情况与装满瓶装水时相似，但是读取率要高出许多。

对装满米罐的箱子标签读取结果有积极影响的因素是罐的顶部空间有8.25cm 以上的空间。即使标签方向朝下和向内，标签和产品之间也有一个空气间隙，减少了信号的干扰。

标签方向对于空箱子和填满泡沫和空瓶的箱子也都有影响，虽然这没有统计学的意义。所有这些试验中的标签都是在向外、向前和向上的时候可以读到（100%），当标签向内或向下时，只有3%～5%不能被读取。

（3）托盘上箱子的位置

虽然在研究中没有对箱子的位置进行假设，但预期的情况是，箱子在托盘上的位置和读取率之间有某种关系。

结果发现：箱子的层、行和列位置对RFID 标签的可读性起到关键作用。值得注意的是，这些结果是初步的，并为今后的研究提供借鉴。

上层箱子比底层箱子的标签可读性表现好，下层箱子的标签可读性更差一些。这可能是因为上面的标签对上面的天线有一个更直接的视线；托盘顶部箱子的高度大约与天线的高度相等，而且除了一个标签方向外，所有的标签都位于箱子的上半部分。

对门框上安装的天线有更直接视线的箱子的标签更容易被读取。中间列的箱子比外面行的箱子标签读取失败的次数更多，因为无线电波要穿透更多的材料才能到达。

同样，正面进入射频场的前部箱子更容易被读出，尤其是当标签方向向前的时候。对于装满水的瓶子来说，这一点尤其正确；在标签正面朝前的试验中，只有前部的瓶子才能被读取。

标签离托盘插孔越近，被读取的可能性就越小。这可能是由金属或电源的干扰造成的。

虽然在这些情况下，对箱子位置的观测是初步的，但一般的结论是，托盘上箱子的位置可以减少或加剧标签的可读性问题。

3．输送速度/标签位置/包装材料/包装形状对可读性影响

乐购、麦德龙、玛莎百货、沃尔玛等公司已经将超高频（UHF）射频识别（RFID）使用到供应链中。在正常工作时，RFID 可以提供关于库存数据、装运地点等有价值的信息。然而，由于各种原因，标签可读性问题仍然存在：来自产品和包装的干扰、RFID 设备的设置位置，甚至所在国的频段分配。

在生产和配送过程中的某些环节，不可避免地要依靠输送机运送包装。由于跟踪产品运动是RFID 的关键功能之一，因此重要的是要确定RFID 天线是否能够跟踪传送带上的包装标签。

没有一种特定的方法来使用RFID 技术，也没有一个具体的解决方案适用于跨行业。在一个组织的供应链中应用好RFID，实施者必须在每个产品层面考虑问题。如果产品组成和包装系统存在差异，对于一个RFID 标签产品，应用到A 产品与应用到B 产品的效果会不同。此外，如果需要优化RFID 标签产品的可读性，优化标签、标签的位置和方向、天线的位置和方向、阅读器位置和功率大小，甚至阅读器和天线之间的导线长度，都是在实施RFID 技术时需要考虑的。

如果零售商已经向供应商实施了RFID 授权，那么发货人和接收方必须共同工作以优化供应链的性能和效能。具体而言，阅读器的位置（检测标签的地点）对成功地应用RFID 有重大的影响。供应商必须确保他们在供应链中的每一个读取点都测试了他们的产品，以避免未能读取标签信息而可能导致财务损失。传统的RFID 标签读取位置一般设置在仓库坞门、收缩膜包装机位置和叉车或传送带上。

（1）RFID 的读取位置

目前，世界各地的零售商、供应商和各种组织都在应用RFID 系统。然而，在供应链中人们确定建立RFID 系统的数据采集点（称为读取点或位）却各不相同。在零售应用中，建立RFID 系统和收集数据的一个普遍的做法是通过一个坞门。设置坞门的目的是为所有产品提供到货和发货的地方，使之成为跟踪库存的最佳地点。一般来说，一个坞门包含（但不限于）四个定位在门周围不同位置的天线，以便准确地检测进出货物的标签。

收缩膜包装站是另一个典型的数据收集点。这是一个很好的数据捕获点，因为大多数收缩膜包装机可提供产品360°的可见性（更重要的是标签），而且收缩膜包装过程比通过坞门需要花费更多的时间，这增加了所有标签被检测到的概率。可以同时使用多个收缩膜包装机，其运作方式决定了设置RFID 系统的位置。在某些情况下，可以在收缩膜包装机周围设置类似于坞门的数据读取点。也有收缩膜包装机配有一个手臂围绕托盘旋转。在这种情况下，RFID 天线就可以安装在手臂上。

叉车是用于运输货物进出仓库的设备，为RFID 系统的设置提供了另一种途径。放置在叉车前部的天线能够读取装载在托盘上货物的标签，确保操作人员将正确的产品运输到所需区域，无论是卡车上，还是仓库中。

在上面的示例中，坞门、收缩膜包装机和叉车的读取位置都集中在对一个装载单元（如托盘）上的产品标签数据的读取。装载单元中通常包含大量的产品包装（其中包含单个产品）。在配送过程中，一般会使用输送机来输送这些产品包装。因此，输送机为设置RFID 读取点提供了一个很好的选择。可以通过输送机上RFID 识别判断输送的产品包装是否正确。

（2）输送机的类型

输送机一般是使用重力或动力来将货物从一个地点输送到另一个地点。输送机的种类很多，用于执行专门的功能。最常见的输送机类型是采用传送皮带（带式）或传送辊（辊式）来输送货物。

①带式输送机是由织物、橡胶、塑料、皮革或金属带组成的，依靠传动装置作为输送动力。带式输送机是多功能的，可提供连续的产品移动并且容易维护。主要用于输送包装单元、纸箱和包装袋。还有一个例子是在机场等交通流量大的区域使用带式输送机运载人流。

②辊式输送机倾向于使用重力来移动产品。在辊式输送机上，一系列的滚动辊子承载货物的重量，这些辊子由固定在轨道上的滚动轴承支撑。在辊式输送机上移动的物品需要保持由三根辊子的支撑。物品的移动是由重力控制的，因此，辊式输送机上的重物可能很危险，因为物品可能加速而失去控制。

还有其他类型的输送机，包括桶式、链式、溜槽式、气动式、螺旋式、振动式和轮式输送机。输送机主要用于物料搬运，但也有运送人的，像升降索道的升降椅。

4．输送器上测试RFID 标签的程序

这里将重点介绍检测方法和装置，用于确定输送器速度、包装材料和产品是否影响RFID 应答器的可读性。检测试验中设置了五个变量，分别是输送带的速度（300 英尺/分、600 英尺/分），包装类型[塑料罐包装的薯片、钢筋纤维板集成罐（MSWFC）包装的薯片]，包装形状（金属罐、金属瓶、金属盒），产品类型（瓶装番茄酱、瓶装机油）和标签型号（Alien 1 代、Alien 2 代）。

总共使用了七种不同的消费产品来评估这五个变量的影响。在整个七种产品的测试过程中，标签类型和使用的设备都保持不变。为了检验产品效果，将番茄酱与一种机油进行了比较。为了测试包装的效果，用钢筋纤维板集成罐（MSWFC）包装薯片的情况与塑料罐包装薯片的情况相比较。为了测试包装形状的效果，使用了三种产品：金属罐、金属瓶和金属盒。

产品、包装和案例均在仓库中进行测试。此外，还对其他两个变量进行了测试：速度（300 英尺/分和600 英尺/分）和标签类型（分别为Alien1 代和Alien2 代标签）。每个测试重复30 次，以满足统计分析的需要。

在测试之前，对单个案例的标签“最佳位置”进行了测定。实际上，这个测试是寻找热点的位置，射频能量在这些热点上足以激活一个标签（图5-13）。改变产品、包装材料或包装形状，可能需要重新优化标签位置来保证标签信息的读取。因此，想为所有产品、材料或形状定义一个标记位置是不现实的，并且可能会导致在整个供应链上无法读取标签信息。

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图5-13　RFID 热点在包装一侧位置示意图

一般来说，深（红）色响应区域是放置标签最差的位置，白色响应区域是放置标签较好的位置，而绿色响应则是放置标签的极佳位置。不同颜色（或灰度）的区域代表由于包装材料或产品内容而引起的各种干扰可能性。

结果表明，一个简单的测试可以用来识别RFID 标签热点的位置。此外，可以进行严格的试验，以确定输送机速度、包装类型、包装形状和产品类型是否对每次试验的标签读取量有显著影响。

测试结果表明，输送机的传输速度对于RFID 应答器成功读取包装上的标签信息的平均次数有重要影响。此外，传送带上输送的产品类型、包装类型、包装形状均对RFID 应答器成功读取标签的平均数量有显著影响。

研究结果还表明，标签类型对产品类型（如番茄酱和机油）和包装形状（罐、瓶、盒）的每次试验的标签读取平均数量有显著影响。但对于包装效果的产品（塑料罐和MSWFC）的标签读取平均数没有显著影响。

具体的试验评价结果如下。

（1）输送速度对产品（番茄酱和机油）测试效果的影响（两个参数之间的相互作用）

测试不同速度下产品标签在每次试验中的被正常读取次数的差异，总体上可以得出以下结论：

①当输送机输送速度是唯一变量时，速度慢（7.62m/min）时读取标签的平均次数总比速度快（15.24m/min）时的要多。

②当产品和速度这两个参数作为变量时，速度是主要的变量。速度慢（7.62m/min）时产品标签的平均读取次数比速度快（15.24m/min）时的要多。

在不同的速度下，测试标签类型对标签读取次数的影响，可以得出下面的结论：

①当输送机输送速度是唯一变量时，每次试验中速度为7.62m/min 时读取标签的平均次数总比速度为15.24m/min 时的要多。

②当输送速度和标签类型这两个参数作为变量时，输送速度是主要的变量，不管哪种类型的标签，速度慢（7.62m/min）时标签的平均读取次数比速度快（15.24m/min）时的要多。

（2）输送速度对产品（番茄酱和机油）测试效果的影响（三个参数之间的相互作用）

番茄酱与番茄酱的相互作用。考虑包装产品随输送速度和标签类型变化，通过试验研究这些因素对标签读取的平均数量差异，可以得出一些总体结论：