王黎

摘 要 針對目前RFID標(biāo)簽成本居高不下而無法被大范圍應(yīng)用的狀況，論文對利用新興的納米印制工藝進(jìn)行超高頻RFID標(biāo)簽的研究與設(shè)計(jì)，總結(jié)了其與傳統(tǒng)超高頻RFID標(biāo)簽相比所具有的優(yōu)勢，最后就超高頻RFID標(biāo)簽?zāi)軌驗(yàn)樽x者提供智慧化、個(gè)性化的圖書管理與借閱服務(wù)，描述了其在智慧圖書館中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 納米印制工藝 超高頻RFID標(biāo)簽 智慧圖書館

分類號 G250.78

0 引言

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)。它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境[1-2]。RFID系統(tǒng)主要由三部分組成：具有唯一電子編碼的標(biāo)簽、能讀取和寫入標(biāo)簽信息的閱讀器、在標(biāo)簽和讀取器間傳遞信號的天線。閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽獲得能量并被激活。標(biāo)簽將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)通過天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理[3-5]。

目前市場上出現(xiàn)的幾種常用RFID標(biāo)簽為：低頻段（LF），應(yīng)用于門禁、考勤、貨物跟蹤等領(lǐng)域；高頻段（HF），應(yīng)用于公交、社保、校園一卡通、門禁門票、范圍倉庫管理等領(lǐng)域；超高頻段（UHF），應(yīng)用于檢測物品、物流管理等；微波頻段（MW），應(yīng)用于火車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等[6]。超高頻段的無源RFID標(biāo)簽雖在物流、圖書館等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但是由于其成本過高等原因而沒能得到廣泛的推廣應(yīng)用。本文針對降低超高頻RFID標(biāo)簽成本的方法作了相應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)目前已有的方法主要有三種：（1）利用直接印刷法制作標(biāo)簽天線；（2）通過采用有機(jī)材料或普通紙張為基底材料，降低標(biāo)簽價(jià)格；（3）通過印制編碼技術(shù)代替RFID芯片。從上述三種降低成本的方法中可歸納為，將RFID標(biāo)簽采用納米印制工藝進(jìn)行加工生產(chǎn)，一方面可以大幅度降低產(chǎn)品成本，另一方面由于這種“加成法”的工藝原理，大大降低了生產(chǎn)過程對環(huán)境造成的壓力，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品加工制造過程的綠色環(huán)保。因此本文提出采用納米印制工藝制作低成本的超高頻RFID標(biāo)簽方法，并將其應(yīng)用于圖書館管理系統(tǒng)中。

1 基于納米印制工藝的超高頻RFID標(biāo)簽研究

1.1 納米印制工藝

納米印制電子是一種納米材料與印刷技術(shù)相結(jié)合的新興技術(shù)，主要通過絲網(wǎng)印刷、噴墨打印等方式，在陶瓷、塑料及紙張等基底上印刷電子線路及器件。通過印刷與各種導(dǎo)電聚合物及納米金屬墨水的結(jié)合，產(chǎn)生全新的電子器件的產(chǎn)業(yè)鏈。

因此，納米印制電子與印制電路板和CMOS芯片技術(shù)一樣，已成為電子信息的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，可廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。我國于2010年將印刷電子的研發(fā)提高到戰(zhàn)略意義的高度，并在北京印刷學(xué)院成立了印刷電子研究中心；在蘇州納米所成立了印刷電子技術(shù)研究中心。納米印制工藝技術(shù)方興未艾，必將在以后的電子產(chǎn)業(yè)內(nèi)發(fā)揮非常重要的作用。

1.2 超高頻RFID標(biāo)簽的研究

采用納米印制技術(shù)設(shè)計(jì)超高頻RFID標(biāo)簽主要包括三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：納米印制材料、納米印制材料的印制工藝以及印制器件的集成封裝技術(shù)。

為了克服RFID標(biāo)簽制造技術(shù)中成本高、制造精度低、標(biāo)簽尺寸大、標(biāo)簽底材單一、制造效率低、對環(huán)境污染大等缺點(diǎn)，目前主要采用的是導(dǎo)電油墨的印制制造技術(shù)。采用印制工藝后，可以使單個(gè)RFID標(biāo)簽的成本降低十倍以上，并易于實(shí)現(xiàn)快速印刷，從而應(yīng)用于流水線大批量生產(chǎn)。

1.2.1 納米印制材料技術(shù)

納米印制材料包括基底和油墨。由于納米印制材料表現(xiàn)出的不同特性，在進(jìn)行納米印制RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)，就需要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇合適的有機(jī)材料作為基底。酚醛樹脂浸漬紙，無紡布或無紡布玻璃纖維布，聚酰亞胺薄膜或聚酯纖維都可以作為基底材料。

納米印制油墨是一種形態(tài)特殊、性能優(yōu)異的功能性材料，為了取得相關(guān)的標(biāo)簽阻抗性能，需要采用納米材料的最新制作方法和配方。這些油墨根據(jù)采用的不同工藝，如印刷、噴墨打印及蒸發(fā)旋涂等，又可以分成很多種不同的種類。因此項(xiàng)目實(shí)施過程中，將對各種油墨進(jìn)行評估，并盡可能研發(fā)自有的標(biāo)簽油墨產(chǎn)品。

制作RFID標(biāo)簽主要采用柔性電路技術(shù)中的厚膜電路工藝。具體采用絲網(wǎng)印刷的成膜技術(shù)，將具有不同性能并適用于絲網(wǎng)印刷的油墨通過網(wǎng)版漏印在柔性基底上形成具有特定物理、電學(xué)性能的圖形，用于完成電連接、電隔離等功能。生產(chǎn)流程中采用多層套印的方式，通常包括導(dǎo)線層、絕緣層等，工藝流程中主要包括各種油墨的選取或配置、絲網(wǎng)印刷、套印對準(zhǔn)、網(wǎng)版的清洗、印刷后干燥等問題，會涉及多種有機(jī)溶劑，加之不同油墨粘度、流變性能、干燥方式的不同，不同層的印刷厚度等要求不同，都會增加印制標(biāo)簽過程的復(fù)雜性。改變導(dǎo)電油墨中顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)電油墨中導(dǎo)電組分的含量，在導(dǎo)電油墨中加入觸變劑、流平劑、消泡劑等，這些方法都會因此相關(guān)油墨的配方研究將是未來項(xiàng)目中研發(fā)的重點(diǎn)及核心。

1.2.2 印制工藝技術(shù)

油墨材料需要通過精密的印制技術(shù)印制在基底上，主要通過絲網(wǎng)和噴墨兩種技術(shù)。在采用絲網(wǎng)印刷進(jìn)行功能層涂覆時(shí)，由于器件對材料結(jié)構(gòu)特征等的不同要求，例如層厚度、黏度、材料顆粒尺寸、均勻性等，這時(shí)就需要通過對絲網(wǎng)印刷機(jī)以及漿料進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置的過程需要進(jìn)行大量的測量實(shí)驗(yàn)，并需要注重相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的積累。

1.2.3 RFID標(biāo)簽的封裝技術(shù)

RFID標(biāo)簽印制好后，需要進(jìn)行封裝，并可以同IC芯片以及MEMS類傳感器芯片進(jìn)行集成封裝，從而作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)囊惑w化智能終端。這些封裝后的智能終端就像標(biāo)準(zhǔn)元件一樣，可以直接被應(yīng)用在電子系統(tǒng)中。對于一些復(fù)雜的印制封裝器件，由于其對可靠性、環(huán)境抵抗性等要求較高，通常需要采用特殊工藝。納米RFID標(biāo)簽將主要采用上面提到的技術(shù)要點(diǎn)，制作在柔性薄膜基底上，從而達(dá)到成本低、靈活工藝、超薄器件等方面的優(yōu)點(diǎn)。endprint

1.2.4 低成本、超高頻印制標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

目前出現(xiàn)的低成本、超高頻RFID標(biāo)簽大致是基于兩種設(shè)計(jì)方法。（1）標(biāo)簽由微帶天線構(gòu)成，設(shè)置每個(gè)天線端口的特性不同，或者在端口加載微帶結(jié)構(gòu)的負(fù)載，使得天線發(fā)現(xiàn)散射信號的幅值或相位根據(jù)端口特性的不同而改變。（2）標(biāo)簽設(shè)計(jì)成一個(gè)簡化的射頻收發(fā)電路，有一個(gè)接收天線，諧振電路和一個(gè)發(fā)射天線組成。標(biāo)簽的接收天線接收閱讀器發(fā)射的訪問信號，經(jīng)諧振電路后創(chuàng)建了頻譜，再經(jīng)發(fā)射天線將頻譜信號反射回閱讀器，不同的諧振電路創(chuàng)建不同的頻譜，并作為該標(biāo)簽的唯一ID標(biāo)識。

在無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)方面，通常采用的是多個(gè)微帶天線的方法：標(biāo)簽由微帶天線構(gòu)成，每個(gè)天線端口具有不同的特性，從而使得天線反向散射信號的幅值或相位根據(jù)端口特性的不同而改變。微帶天線工作原理如圖1所示。

圖1 超高頻RFID標(biāo)簽微帶天線工作原理

圖1中三個(gè)微帶天線單元的諧振頻率分別為f1、f2、f3。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)射頻率為f1、f2、f3的多頻訪問信號，低成本、超高頻RFID標(biāo)簽中的三個(gè)微帶天線單元受各自諧振頻率波激勵(lì)，反射回帶有不同相位特性的反向散射信號。閱讀器接收天線接收到該回波信號后，對三個(gè)頻率的波分別進(jìn)行處理，這樣每一個(gè)標(biāo)簽就被設(shè)計(jì)成了一個(gè)唯一不可變的ID標(biāo)簽。

在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)施中，往往采用相位編碼、多阻帶螺旋濾波器以及多諧振偶極子天線等低成本、超高頻標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理。這些原理都是通過標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計(jì)的特殊導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)，對接收到的來自閱讀器的多頻信號進(jìn)行過濾編碼，從而達(dá)到唯一特性ID標(biāo)識的目的。

采用相位編碼方法的標(biāo)簽主要包含接收天線以及一個(gè)微帶天線陣列。標(biāo)簽工作頻率主要由這些天線的諧振頻率決定，可以工作在2.1GHz～2.5GHz范圍之間。

采用多阻帶螺旋濾波器方法的標(biāo)簽包括一個(gè)接收天線，一個(gè)多諧振電路和一個(gè)發(fā)送天線。其中諧振電路主要是由螺旋諧振器構(gòu)成。這一天線的工作頻率在2.0～2.6GHz，帶寬為500MHz。

采用多諧振偶極子天線的標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)較小的體積，并且標(biāo)簽簡化到只有兩個(gè)天線的結(jié)構(gòu)。采用雙面印制的多諧振偶極子天線標(biāo)簽，可以容易地構(gòu)建6bit以上的標(biāo)簽，且標(biāo)簽尺寸被大幅壓縮。

1.3 優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的超高頻RFID標(biāo)簽相比，印制射頻標(biāo)簽及印制編碼（低成本、超高頻RFID標(biāo)簽）具有成本上無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。這主要體現(xiàn)在：

（1）印制射頻標(biāo)簽采用“加成法”進(jìn)行標(biāo)簽生產(chǎn)，這樣就避免了以“減成法”為工藝基礎(chǔ)的傳統(tǒng)標(biāo)簽生產(chǎn)過程中的材料浪費(fèi)；從數(shù)據(jù)上講，可以減少成本20%以上。

（2）印制編碼技術(shù)采用印制工藝直接將編碼信息以特種結(jié)構(gòu)的形式印刷在標(biāo)簽基底上，從而產(chǎn)生激勵(lì)信號的特種型信號反饋。從而標(biāo)定了標(biāo)簽的差異性ID標(biāo)識。由于避免了硅基芯片的應(yīng)用，從而使得射頻標(biāo)簽減少50%以上的生產(chǎn)成本。

2 超高頻RFID標(biāo)簽在智慧圖書館中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，圖書館作為重要的基礎(chǔ)文化設(shè)施，面臨信息量大、管理難度大、人工操作狀態(tài)下難以及時(shí)到位的壓力，圖書館的工作越來越繁重。智慧圖書館通過物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)的應(yīng)用，不僅對其自動(dòng)化管理模式有所創(chuàng)新，而且更好地實(shí)現(xiàn)了圖書館與讀者互動(dòng)的人性化、個(gè)性化服務(wù)，提高館員的工作效率[7-8]，加強(qiáng)圖書藏、借、閱一體化的功能，增強(qiáng)圖書館的安全性、準(zhǔn)確性、可靠性和擴(kuò)展性，這也是圖書館未來智慧化發(fā)展的大勢所趨。

智慧圖書館建立在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，以無線射頻識別技術(shù)為關(guān)鍵核心技術(shù)。智慧圖書館的出現(xiàn)改變了現(xiàn)代圖書館信息資源的交互方式。以提高信息交互的明確性、靈活性和響應(yīng)速度為目的，旨在為讀者提供高附加值的個(gè)性化、智慧化文獻(xiàn)信息服務(wù)。

在核心技術(shù)中，頻率是決定RFID技術(shù)性能及其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素。目前使用較多的兩種頻率為高頻（High Frequency，HF）與超高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID系統(tǒng)。高頻RFID的典型頻率為13.56MHZ，標(biāo)簽讀取距離較短，約為lm。超高頻 RFID頻率為860～960MHZ，其在物流領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，因其標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)可達(dá)10m。目前在圖書館領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是高頻產(chǎn)品，但其高昂的費(fèi)用將一些經(jīng)費(fèi)較為有限的高校圖書館拒之門外。正因?yàn)槿绱耍行└咝D書館已經(jīng)開始嘗試使用超高頻RFID標(biāo)簽。

2.1 基于超高頻RFID的圖書管理系統(tǒng)

基于超高頻RFID的圖書管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示，其主要包括：自助借書系統(tǒng)、自助還書系統(tǒng)、智能查找系統(tǒng)、自動(dòng)分揀系統(tǒng)、手持式盤點(diǎn)系統(tǒng)、安全門檢測系統(tǒng)和管理員工作站等，各個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立卻又緊密相連。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)中的RFID標(biāo)簽，有圖書RFID標(biāo)簽、光盤RFID標(biāo)簽、架標(biāo)、層標(biāo)、RFID讀者卡等多種類型。圖書、光盤RFID標(biāo)簽存儲一本圖書、一張光盤的基本流通信息，如條碼號、流通類型等；架標(biāo)用于存儲一個(gè)書架的單面單聯(lián)信息；層標(biāo)用于存儲一個(gè)書架的單面單聯(lián)的一層信息；RFID讀者卡存儲一位讀者的基本信息，如讀者證號、讀者卡的類型等[9-10]。

管理員工作站主要負(fù)責(zé)圖書館借書卡的賬戶管理、圖書館監(jiān)控設(shè)備管理、日常設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)、設(shè)定節(jié)假日與特殊節(jié)日、編輯工作站廣播信息等需要人工干預(yù)的行為操作。其中還包括對日常報(bào)告的提供、整理和分析，更好地為客戶服務(wù)。

手持式盤點(diǎn)系統(tǒng)通過通道讀寫器和手持機(jī)讀寫器進(jìn)行圖書的盤點(diǎn)審核。分揀機(jī)分揀出來的書由工作人員推車進(jìn)入借閱室，在經(jīng)過裝有通道式讀寫器道門時(shí)，車?yán)锩娴臉?biāo)簽信息被讀取到，并上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)中心。通過后期工作管理員用手持式讀寫器的盤點(diǎn)核查，為圖書館盤點(diǎn)管理帶來了極大的方便，使得圖書館管理工作人員能更為高效、頻繁地進(jìn)行圖書盤點(diǎn)工作。

安全門檢測系統(tǒng)主要用于檢測任何非法離開圖書館的書籍、光盤等。它能夠檢測安全位（EAS）激活的標(biāo)簽，并發(fā)出警報(bào)聲，閃動(dòng)警報(bào)燈，并記錄讀者數(shù)量與警報(bào)數(shù)量，還能可讀取顯示觸發(fā)警報(bào)的書籍序號并更新至管理工作站。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 流程簡化，提高了效率

目前的借還書流程普遍采用條碼掃描系統(tǒng)，條碼數(shù)據(jù)的采集是通過固定的或手持的條形碼掃描器完成的，掃描操作需要人工翻開圖書并找到條碼位置才能掃描，操作流程較為繁瑣，借還書效率低。引入RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、快速、大數(shù)據(jù)量、智能化的圖書借還流程，提高信息存儲的安全性、信息讀寫的可靠性、借還書的高效快捷。

2.2.2 系統(tǒng)改進(jìn)，提高了安全性

通過RFID智慧化圖書管理系統(tǒng)優(yōu)化現(xiàn)有的圖書管理系統(tǒng)，將防盜系統(tǒng)與圖書流通管理系統(tǒng)聯(lián)系起來，記錄每本圖書的進(jìn)出庫歷史記錄，從而可以與借還書的歷史記錄進(jìn)行匹配?？梢杂行岣叻辣I系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，確保圖書安全。

2.2.3 標(biāo)簽成本低，數(shù)據(jù)保持力強(qiáng)，壽命長

條碼存儲數(shù)據(jù)有限，且易受潮、污染等局限因素，導(dǎo)致在很大程度上制約了圖書館的管理工作。而本文設(shè)計(jì)的基于納米印制工藝的超高頻RFID標(biāo)簽存儲區(qū)間大，數(shù)據(jù)保持力可達(dá)100年以上，加上具有防水、防磁、耐高溫的特性，RFID電子標(biāo)簽的壽命比條形碼長得多。由于采用了非接觸式的讀取方式，每個(gè)電子標(biāo)簽最少能被讀取十萬次以上，可以長期使用。

3 結(jié)語

本文針對目前RFID標(biāo)簽由于成本居高不下而沒有得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)象，提出了采用納米印制工藝設(shè)計(jì)超高頻RFID標(biāo)簽的方法，該方法能夠大大降低標(biāo)簽的成本，可以進(jìn)一步推進(jìn)RFID技術(shù)在智慧圖書館中的應(yīng)用?；赗FID技術(shù)的智慧圖書管理系統(tǒng)不僅可以簡化圖書管理流程，提高工作效率，還可以為讀者提供更智能化的圖書借閱服務(wù)，具有很廣闊的應(yīng)用前景。endprint