藥品及其包裝對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響

劉 飛，呂新廣

(1.暨南大學(xué) 電氣信息學(xué)院包裝工程研究所，廣東 珠海519070;2.廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海519070)

藥品及其包裝對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響

劉 飛1,2，呂新廣1,2

(1.暨南大學(xué) 電氣信息學(xué)院包裝工程研究所，廣東 珠海519070;2.廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海519070)

超高頻射頻識(shí)別(radio frequency identification, RFID)標(biāo)簽應(yīng)用于藥品包裝可促進(jìn)藥品的信息化管理，然而在實(shí)際應(yīng)用中基于藥品及其包裝對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響尚未得到研究。通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽的性能進(jìn)行仿真分析，并結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了液體類藥品和泡罩包裝的鋁箔板對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽的影響。仿真分析結(jié)果顯示當(dāng)鋁箔板和液體瓶與天線距離在20 mm以上時(shí)，天線的增益為正值，標(biāo)簽可正常工作；當(dāng)鋁箔板和液體瓶離開標(biāo)簽的距離在6 mm-8 mm時(shí)，標(biāo)簽的識(shí)別距離可在藥品包裝尺寸的限定范圍內(nèi)達(dá)到最大。且液體類藥品和泡罩包裝鋁箔板與超高頻RFID標(biāo)簽接近時(shí)都會(huì)使得天線增益降低，引起天線失調(diào)，其中鋁箔板使得天線性能降低的程度較液體大。

射頻識(shí)別；藥品包裝；RFID標(biāo)簽；天線性能

0 引 言

近年來，隨著信息化體系的完善，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化包裝逐漸成為藥品包裝的主流趨勢(shì)。超高頻射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)[1]，RFID標(biāo)簽應(yīng)用于藥品包裝可以實(shí)現(xiàn)防偽，物流追溯，醫(yī)藥供應(yīng)鏈管理，遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)等[2]功能。基于RFID的智能包裝技術(shù)成為近年來研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

超高頻RFID標(biāo)簽受環(huán)境的影響非常大，尤其是將其放置在有耗介質(zhì)物體或者金屬物體表面[3]。GRIFFIN J D等[4]人發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽貼附在紙板、木材、去離子水、鋁板等材料時(shí)都會(huì)降低標(biāo)簽天線的性能；同時(shí)，CLARKE R H等[5]人的實(shí)驗(yàn)也表明標(biāo)簽的不同貼附位置對(duì)其讀寫性能產(chǎn)生的影響也截然不同。

藥品主要形式有固體顆粒、粉末、液態(tài)等，現(xiàn)有的藥品包裝以傳統(tǒng)的包裝形式為主：分別為袋裝、瓶裝、鋁塑泡罩等，從包裝材料上可大致分為：紙包裝、塑料包裝、金屬包裝等?，F(xiàn)有的智能藥品包裝通常只是簡(jiǎn)單地將超高頻RFID標(biāo)簽貼附于藥品包裝表面來實(shí)現(xiàn)其智能化，沒有考慮到被貼附物(藥品及其包裝)對(duì)于超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響。藥品及其傳統(tǒng)的藥品包裝形式對(duì)RFID標(biāo)簽性能的影響一定程度上限定了RFID在藥品行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。

本文通過研究，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽貼附于液體類藥品和含有鋁箔的泡罩包裝時(shí)，讀取率和讀取距離都會(huì)明顯降低。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了液體、鋁箔板與標(biāo)簽在不同距離不同位置時(shí)標(biāo)簽的性能變化，找到了液體、鋁箔在不影響標(biāo)簽讀取時(shí)標(biāo)簽與其之間的最小距離。此結(jié)果可為設(shè)計(jì)者通過改變藥品包裝盒的尺寸，或者藥品包裝的結(jié)構(gòu)來減小對(duì)RFID標(biāo)簽性能的影響提供借鑒。通過改變包裝本身來保證RFID標(biāo)簽的正常使用，可降低成本。

1 RFID標(biāo)簽與藥品包裝結(jié)合

藥品外包裝盒通常采用傳統(tǒng)的管式折疊紙盒，藥品包裝形式主要有泡罩包裝和藥品瓶密封裝。這2種包裝形式與 RFID 標(biāo)簽的主要結(jié)合方式分別有2種，如圖1所示，泡罩包裝：一是將RFID電子標(biāo)簽貼附于藥品包裝的外表面，二是直接將電子標(biāo)簽印刷在泡罩基板上[6]。藥品瓶：一是將標(biāo)簽貼附于外包裝盒，二是將標(biāo)簽貼附于藥品瓶上。

這2種結(jié)合方式都存在一定的弊端，管式藥品包裝盒外表面貼附RFID電子標(biāo)簽：由于無法確定泡罩包裝及其液體類藥品對(duì)RFID標(biāo)簽的最小影響距離，所以泡罩包裝盒會(huì)盡量增加尺寸，這樣不僅會(huì)增加運(yùn)輸成本也會(huì)造成包裝材料的浪費(fèi)。

圖1 RFID標(biāo)簽與藥品包裝的結(jié)合方式Fig.1 Combination of RFID tag and drug packaging

RFID標(biāo)簽印刷在泡罩基板時(shí)，由于熱壓機(jī)設(shè)備存在加工誤差，為了使超高頻電子標(biāo)簽與泡罩塑料板緊密結(jié)合，印刷天線的尺寸必須嚴(yán)格限制在一個(gè)小的可變范圍內(nèi)[7]；現(xiàn)有的泡罩包裝生產(chǎn)工藝已經(jīng)形成了固定的模式，在泡罩基板的側(cè)邊印刷電子標(biāo)簽不僅工藝上難度大、成本高，而且電子標(biāo)簽的性能也不能得到保證。

2 仿真分析

2.1 鋁箔板對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽天線性能的影響

目前市場(chǎng)上可用于藥品管理的超高頻RFID標(biāo)簽有很多，本文選擇最常用的Alien-9610為研究對(duì)象。采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立超高頻RFID標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，Alien-9610的天線尺寸為44.5 mm×10.33 mm，在915 MHz時(shí)設(shè)置輸入阻抗為其芯片的共軛匹配值27+201 j，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可用于藥品管理的商用RFID標(biāo)簽Fig.2 Commercially-available RFID tags for medicine management

RFID標(biāo)簽貼附于泡罩藥品包裝盒外表面有2種位置狀態(tài)，一是貼附于正面，即RFID標(biāo)簽與鋁箔板平行，二是貼附于側(cè)面，即RFID標(biāo)簽與鋁箔板垂直。本文對(duì)2種位置情況都進(jìn)行了模擬。在軟件中分別建立與RFID天線平行和垂直2種位置狀態(tài)的鋁箔板模型(見圖3)，鋁箔板尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，厚度為0.1 mm。鋁箔板與RFID標(biāo)簽均處于緊密貼合狀態(tài)，距離為零。為了與添加鋁箔板后天線的性能變化作對(duì)比，本文對(duì)未添加鋁箔板的原始天線進(jìn)行仿真，得到天線在E面和H面的增益方向圖如圖4a，添加鋁箔板后仿真得到的天線在正面和H面的增益方向圖分別為圖4b和圖4c所示。

圖3 模型Fig.3 Model

圖4 不同條件下的天線增益方向圖(915 MHz)Fig.4 Gain pattern of antenna under different conditions (915 MHz)

由圖4可以看出標(biāo)簽與鋁箔板方向平行放置時(shí)，天線最大增益下降到-50 dB左右，方向圖改變，RFID標(biāo)簽無法正常使用。而與鋁箔板垂直放置時(shí)，天線的增益最大值接近0 dB，增益雖有降低，卻仍然可以在一定范圍內(nèi)識(shí)別。因此，在泡罩藥品包裝盒貼附超高頻RFID標(biāo)簽時(shí)，在尺寸允許的情況下應(yīng)該避免RFID標(biāo)簽與鋁箔板平行放置，即貼在藥品包裝盒的正面與反面，而是讓超高頻標(biāo)簽與鋁箔板呈垂直狀態(tài)，即RFID標(biāo)簽貼在藥品包裝盒的側(cè)面。

2.2 液體對(duì)RFID標(biāo)簽天線性能的影響

為了模擬液體藥品對(duì)RFID標(biāo)簽性能的影響，用HFSS(high frequency structure simulator)軟件建立一個(gè)長(zhǎng)方體模型，其尺寸為100 mm×50 mm×50 mm，內(nèi)部用水填充，用來模擬液體藥品。將天線與該模型平行放置并緊密貼合，仿真后得到RFID標(biāo)簽的方向圖見圖5。

從圖5可以看出，RFID標(biāo)簽與液體容器緊密貼合時(shí)，天線增益由無干擾狀態(tài)下的正值減小到-9 dB左右，標(biāo)簽可識(shí)別距離明顯減小。比較圖4b與圖5可看出，相比于泡罩包裝中的鋁箔板，液體藥品使得RFID標(biāo)簽性能下降的程度較小。

圖5 天線放置于液體瓶時(shí)的增益方向圖(915 MHz)Fig.5 Gain pattern of antenna when it placed on water bottle(915 MHz)

2.3 貼附物距離對(duì)天線性能的影響

為了進(jìn)一步研究鋁箔板、液體對(duì)RFID標(biāo)簽性能的影響規(guī)律，在軟件中逐漸增加鋁箔板、液體瓶與標(biāo)簽之間的距離，得到增益最大值隨距離的變化圖如圖6所示。

圖6 不同距離時(shí)天線最大輻射方向增益值Fig.6 Gain of antenna in max radiation direction at different distances

從圖6中可以看出隨著RFID標(biāo)簽天線與液體瓶、鋁箔板之間距離的增加，天線增益呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢(shì)，即RFID標(biāo)簽的讀取性能逐漸恢復(fù)。RFID標(biāo)簽與液體容器或者鋁箔板之間的距離僅增加5 mm就可使標(biāo)簽的增益明顯提高：與液體容器距離增加5 mm時(shí)，其增益最大值由-9 dB增加到-3.5 dB，與鋁箔板距離為5 mm時(shí)，其增益最大值由-50 dB增加到-10 dB。當(dāng)距離增加至20 mm以上時(shí)，天線增益趨于平穩(wěn)，基本不受液體與鋁箔板的干擾。

3 理論分析

標(biāo)簽理論讀取距離可由Friss自由空間公式(1) 計(jì)算得到

(1)

(1)式中：λ是自由空間波長(zhǎng)；Pt是讀寫器發(fā)射功率，當(dāng)讀寫器發(fā)射功率增加時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)簽讀取距離會(huì)增加；Gt是讀寫器天線的增益；Gr是標(biāo)簽天線的增益；Pth為標(biāo)簽芯片的讀取靈敏度；S為功率反射系數(shù)，計(jì)算公式為

(2)

(2)式中：ZC為標(biāo)簽芯片阻抗；ZA為標(biāo)簽天線輸入阻抗。從Friss公式可以看出R的大小取決于標(biāo)簽天線的2個(gè)主要的參數(shù)|S|2和Gr，減小|S|2，增大Gr可提高天線的讀取距離。

水中含有很多帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子，電磁波中的電場(chǎng)很容易和這些電荷發(fā)生相互作用而被吸收。水的介電常數(shù)在頻率1 GHz時(shí)非常高，這將會(huì)增大最小閾值Pth，同時(shí)也會(huì)引起標(biāo)簽天線失諧，造成功率反射系數(shù)S增大，最終影響標(biāo)簽的讀取范圍[8]。

電磁波在入射到金屬上時(shí),有很大部分被反射，同時(shí)電場(chǎng)會(huì)造成金屬內(nèi)部自由電荷移動(dòng),損失能量，因此金屬對(duì)電磁場(chǎng)具有屏蔽作用。無論標(biāo)簽放置在金屬介質(zhì)與閱讀器之間還是之后都會(huì)對(duì)自身的電磁波接收產(chǎn)生影響。但是當(dāng)金屬板與標(biāo)簽平行方向接觸面積很小(比如垂直)或者金屬板與標(biāo)簽間隔距離遠(yuǎn)時(shí)，這種影響會(huì)由于電磁波的衍射作用而變小。天線增益方向圖的扭曲變化不是單一原因?qū)е碌?，天線所靠近的材料的表面波、材料周圍的衍射、介電常數(shù)和損耗角都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[9]。

這對(duì)于選擇合適的智能包裝材料和包裝結(jié)構(gòu)都具有重要的借鑒意義，為了進(jìn)一步確定不影響標(biāo)簽應(yīng)用的離開鋁箔板和液體瓶的最小距離，進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 不同的藥品對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽的影響

4.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選取上述模擬中的型號(hào)為AZ-9610和另一種型號(hào)為AZ-9626的超高頻被動(dòng)電子標(biāo)簽進(jìn)行研究，尺寸如圖7所示。閱讀器為手持固定式超高頻RFID閱讀器，型號(hào)為JY-U7900，工作頻率為840-960 MHz，數(shù)據(jù)載波協(xié)議為ISO 18000-6C，最大輸出功率為30 dBi。采用棕色藥用PET塑料瓶，規(guī)格為100 ml，瓶身尺寸為45 mm×80 mm(直徑×高)。在相同的條件下分別測(cè)試瓶?jī)?nèi)裝滿空氣，顆粒藥片，口服液時(shí)標(biāo)簽在不同距離處的讀取率，待測(cè)樣品如圖7所示。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由AZ-9610標(biāo)簽和AZ-9626標(biāo)簽貼附于不同內(nèi)容物的樣品瓶時(shí)，讀取率隨距離的變化(見圖8和圖9)中可以看出，瓶子內(nèi)為空氣時(shí)標(biāo)簽的讀取率最大讀取距離最遠(yuǎn)，且無論是顆粒固體還是液體藥品都會(huì)對(duì)電子標(biāo)簽產(chǎn)生一定影響。當(dāng)內(nèi)容物為液體時(shí)標(biāo)簽只能在很短的距離內(nèi)工作，因此，標(biāo)簽直接貼附于液體類藥品瓶時(shí)無法滿足超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用要求。

圖7 樣品瓶Fig.7 Sample bottles

圖8 AZ-9610標(biāo)簽讀取率與讀取距離的關(guān)系Fig.8 Relationship of reading rate and reading distance for AZ-9610

圖9 AZ-9626標(biāo)簽讀取率與讀取距離的關(guān)系Fig.9 Relationship of reading rate and reading distance for AZ-9626

4.2 鋁板對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽的影響

在標(biāo)簽后面平行放置一塊尺寸100 mm×100 mm，厚度為1 mm的鋁板，對(duì)3種標(biāo)簽AZ-9610，AZ-9629，AZ-9620進(jìn)行測(cè)試。

考慮到藥品包裝尺寸和包裝成本的限制，只記錄標(biāo)簽離開鋁板距離從0 mm～8 mm時(shí)標(biāo)簽的最大讀取距離。鋁板對(duì)標(biāo)簽讀取距離的影響如圖10所示。

由圖10可以看出不同的標(biāo)簽最大讀取距離不同，但最大讀取距離都隨著離開鋁板距離的增大而增大。經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁板與標(biāo)簽距離為7 mm左右時(shí)，標(biāo)簽的最大讀取距離達(dá)到最大值，后趨于平穩(wěn)，持續(xù)增加鋁板與標(biāo)簽的距離后，未見讀距有明顯變化，直到距離增加至20 mm以上。

圖10 鋁板對(duì)標(biāo)簽讀取距離的影響Fig.10 Effect of aluminum plate on the reading distance of tag

4.3 液體對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽的影響

選取材料為PE的方形藥品瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，規(guī)格250 ml，瓶身厚度為0.8 mm，方形瓶與標(biāo)簽接觸面為平面，可以在更嚴(yán)苛的條件下測(cè)試標(biāo)簽離開液體瓶一定距離時(shí)讀取率的變化，結(jié)果如圖11。

圖11 液體對(duì)標(biāo)簽讀取距離的影響Fig.11 Effect of liquid on the reading distance of tag

4.4 結(jié)果分析

由圖10和圖11可以看出，液體、金屬板與標(biāo)簽之間的距離越大，標(biāo)簽的最大讀取距離越大，且液體對(duì)標(biāo)簽的影響作用比鋁板小，與仿真分析的結(jié)果相同。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)簽的讀取率幾乎不被影響時(shí)，需要標(biāo)簽與液體、金屬板之間的距離在20 mm以上，此結(jié)果亦與上述仿真結(jié)果：天線與鋁箔板之間的距離增加至20 mm以上時(shí)天線的增益達(dá)到正常值吻合。因此當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件不滿足時(shí)可以先通過軟件模擬大致情況再確定標(biāo)簽離開產(chǎn)品的最小距離。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)簽與液體、金屬之間的距離在6 mm～8 mm時(shí)，讀取距離幾乎可以達(dá)到最大讀取距離的一半，為了降低包裝及運(yùn)輸成本，藥品包裝的尺寸應(yīng)當(dāng)限定在一定范圍之內(nèi)，因此可設(shè)計(jì)超高頻RFID標(biāo)簽與泡罩板或者液體藥品瓶的距離在6 mm～8 mm，這樣既可以滿足大部分智能藥品包裝的應(yīng)用要求也可以降低包裝成本。

5 總結(jié)與展望

本文通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了藥品及其包裝對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響。研究結(jié)果表明：藥品會(huì)影響超高頻RFID標(biāo)簽的讀取性能，其中液體類藥品明顯減小了超高頻RFID標(biāo)簽的讀取距離。泡罩藥品包裝采用鋁塑密封，鋁箔板對(duì)于超高頻RFID標(biāo)簽的性能有很大的影響，標(biāo)簽靠近鋁箔板時(shí)會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽無法正常工作。

通過軟件仿真了液體瓶和鋁箔板靠近標(biāo)簽時(shí)天線的性能參數(shù)，結(jié)果表明鋁箔板對(duì)標(biāo)簽的影響程度明顯比液體瓶大，鋁箔板與天線垂直放置時(shí)，天線的性能受到的影響較小，因此當(dāng)標(biāo)簽貼附于泡罩外包裝盒時(shí)應(yīng)盡量貼附于包裝盒的側(cè)面，即標(biāo)簽與鋁箔板垂直的一面。同時(shí)增益方向圖顯示，當(dāng)鋁箔板和液體瓶離開天線20 mm以上時(shí)，天線的增益為正值，可正常工作，在物流運(yùn)輸或者堆碼過程中對(duì)藥品進(jìn)行統(tǒng)一管理時(shí)可以借鑒此距離設(shè)計(jì)藥品外包裝箱的結(jié)構(gòu)和尺寸。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁箔板或液體與標(biāo)簽之間的距離在6 mm～8 mm時(shí)，超高頻RFID標(biāo)簽的識(shí)別距離可在藥品包裝結(jié)構(gòu)尺寸的限定范圍內(nèi)達(dá)到最大，因此在設(shè)計(jì)外包裝盒時(shí)，可以依據(jù)此設(shè)計(jì)藥品包裝紙盒的內(nèi)外尺寸范圍。

下一階段將依據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出新型的藥品包裝結(jié)構(gòu)以滿足超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用要求，推進(jìn)建立物聯(lián)網(wǎng)大背景下的智能醫(yī)療體系。

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(編輯：張 誠(chéng))

s：The Science and Technology Industry Trade and Information Bureau of Zhuhai City (2011B050102013,2012D050199033); The Education Bureau of Zhuhai City (Premier-Discipline Enhancement Scheme of packaging engineering, Premier-key laboratory of products packaging and logistics)

Ultra high frequency (UHF) radio frequency identification (RFID) tag applied to drug packaging promoted the information management for drugs. While there is a lack of consideration of the impact of drug and its packaging on UHF RFID tag. The parameters of antenna performance were analyzed based on the electromagnetic field simulation software Ansoft HFSS. Theory analyzing and test experiment were used in this paper to study the effect of aluminum foil and liquid on RFID tag. The simulation results show that when the aluminum plate and the liquid bottle from the antenna at the distance of 20 mm or more, the antenna gain becomes positive, and the tag works normally; the experimental results show that when the aluminum foil plate and the liquid bottle from the tag are at the distance of 6 mm to 8 mm, the tag reaches the maximum read range under the restriction of the size of the drug package. The result shows that the fluid and aluminum can dramatically decrease the gain of antenna, and lead to impedance match of antenna fail. The results provide theoretical references for the design of drug packing to meet the application reguirements of UHF RFID tags.

radio frequency identification; drug packaging; RFID tags; performance of antenna

2016-10-18

2017-05-17 通訊作者：呂新廣 tluguang@jnu.edu.cn

珠海市科技工貿(mào)和信息化局項(xiàng)目(2011B050102013, 2012D0501990033)；珠海市教育局項(xiàng)目(包裝工程優(yōu)勢(shì)學(xué)科，產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.04.021

TP391

A

1673-825X(2017)04-0563-06

Effects of drug and its packaging on the performance of UHF RFID tag

(1.Institute of Packaging Engineering of College of Electronics and Information Engineering, Jinan University, Zhuhai 519070, P.R.China;2.Key Laboratory of Product Packaging and Logistics of Guangdong Higher Education Institutes, Zhuhai 519070, P.R. China)

劉 飛(1990-)，女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘b材料對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽性能的影響。E-mail: sufeitianya_00@163.com。

LIU Fei1,2, LV Xinguang1,2