轮胎RFID电子标签技术及其产业化应用

蒋志强

（杭州朝阳轮胎有限公司，浙江 杭州 310018）

近年来，随着移动通讯技术的迅猛发展，车联网的建设速度进一步加快。轮胎作为汽车上最重要的安全部件之一，其运行信息得到了用户和制造厂商的极大关注，围绕轮胎打造的车联网服务将会成为今后汽车市场发展的新趋势。

现代的车联网系统要求轮胎至少具备两个基本信息：可追溯的身份识别信息和可存取的动态使用信息。射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）电子标签作为一种非接触式自动识别信息载体，具有体积小、寿命长、容量大和可以重复使用等特点，植入RFID电子标签的轮胎不仅具备可追溯的“身份识别”功能，而且能够监控和记录轮胎的动态使用信息，使轮胎车联网由概念变为现实。2016年7月1日，工信部批准发布了关于轮胎用RFID电子标签的4项行业标准，这标志着我国在这项技术的产业化进程中迈出了极为重要的一步。但是由于RFID电子标签在轮胎产业化应用中仍然存在着多项技术难点，因此对于大多数国内轮胎企业而言，这项技术的产业化进程具有一定的难度。

本文介绍轮胎RFID电子标签技术的发展历史、现状及发展方向。

1 轮胎RFID电子标签技术的发展历史

1.1 技术起源

轮胎“身份识别”技术的发展经历了3个阶段。

第2阶段是“条形码＋胎侧模压代码”法。这是目前国内轮胎企业普遍采用的方法，即以条形码作为轮胎身份信息和生产过程数据的载体。该方法在一定程度上能够实现轮胎生产与使用的信息化管理。但条形码的缺陷也显而易见，如数据存储容量小、只能保存静态数据、需人工扫描读取以及容易磨损或脱落等，因此存在一定的应用局限性。

第3阶段是“RFID电子标签”法。射频识别技术是一种利用射频信号自动识别目标并获取相关数据的非接触式自动识别技术。由该技术衍生而来的RFID电子标签不仅可存储标识信息，还具有无线读取功能。与传统条形码相比，RFID电子标签具有数据存储容量大、读取距离远、数据读写可加密和使用寿命长等一系列优点，在轮胎行业的应用前景获得了业内的普遍认可。

1.2 国内外研究概况

虽然RFID技术在机场、物流、身份识别、ETC道路自动收费系统等领域不乏成功应用的案例，但因在轮胎行业的应用研究起步较晚，至今仍无成功推广的案例可寻。米其林公司在2004年申请了一项名为“用于轮胎的射频天线及其方法”的发明专利[1]。该专利提供了一种用于嵌入在轮胎橡胶这种具有传导性的介电材料内的射频天线以及嵌入方法，这种电子装置能够在轮胎制造、销售和使用期间提供轮胎制造信息及轮胎使用过程的温度与压力跟踪数据。该装置由用于发射、接收以及反射无线电信号的无线电组件和天线组成（如图1所示），可嵌入轮胎结构中，如胎体帘布与内衬层之间或胎体帘布与胎侧胶之间，也可以贴片形式粘附在轮胎表面。米其林公司在该项研究中，通过在天线与轮胎本体材料之间加入1层厚度约为0.02 mm的绝缘材料来减小天线的射频能量耗散，从而获得较远的信号读取距离；同时通过优化天线的长度与结构形式如设计成螺旋弹簧结构，来改善天线的信号传输能力。这项专利技术即为早期的轮胎标签识别技术的雏形，为后续的轮胎RFID电子标签技术的进一步研究提供了有益的思路。

图1 射频天线装置示意

韩国IDT株式会社2008年申请了“轮胎内置式RFID标签”的专利[2]。该标签装置由具有重复波纹形状的天线和电路单元组成，如图2所示。其电路单元利用RFID阅读器传送的无线电波供电工作，天线则包括一对标签辐射器，每个标签辐射器分成第1区域和第2区域，靠近电路单元的第2区域的波纹密度大于远离电路单元的第1区域，通过波纹密度之间的差别能灵活地适应于轮胎的弯曲和扭转。该标签装置可安装在轮胎的胎肩和三角胶中的任何处，或位于胎侧与内衬层之间。该专利技术将标签的天线制造成波纹形状，使电路单元和天线的每个连接区域均具有弹性，在旋转轮胎内变得牢固和可靠，从而降低了由于轮胎的旋转运动所导致的变形或损坏，提高了标签的机械可靠性和识别成功率。但是该专利未能有效解决因其不可弯曲导致电路单元耐久性差的问题。

图2 轮胎内置式RFID标签示意

青岛高校软控股份有限公司2009年申请了“RFID轮胎电子标签及其制造方法”的专利[3]。该电子标签由特殊形状的基板、贴装在基板上的射频模块和一对螺旋状延伸的弹簧天线组成（如图3所示）。电子标签采用弹簧式天线，可以提高天线的自身韧性及耐屈挠能力；同时通过特殊的连接结构和一定的加工工艺将基板、射频模块及天线焊接在一起，可以保证电子标签能够承受轮胎加工及使用过程中的高温、各种应力及屈挠形变，在轮胎的整个生命周期中不会与轮胎脱层并确保与外部读写设备正常通讯，这种结构设计使得电子标签的鲁棒性得到提高。

图3 弹簧式天线的RFID轮胎电子标签示意

近几年，各轮胎巨头纷纷开始研发轮胎RFID电子标签。在轮胎制造商与电子标签制造商的合作努力下，轮胎RFID电子标签技术日趋成熟，产品的可靠性也得到大幅度提升。经过实践验证，芯片和螺旋形天线组合的结构形式电子标签在植入轮胎后具有较为优良的使用性能，获得了轮胎业内的共识。在轮胎RFID电子标签的行业标准中定义标签的基本结构由射频模块、天线和电子标签基板三部分组成[4]，其中对于弹簧天线和基板的基本结构参数也作了推荐。

2 轮胎RFID电子标签技术简介

2.1 应用现状

目前RFID电子标签在轮胎上有两种应用方式，即内置式和粘贴式。

内置式是将封装电子标签在轮胎的成型过程中植入到相应的半成品上，并与轮胎硫化成一体（结构如图4所示）[5]。粘贴式是在轮胎硫化后使用特种粘合剂将封装电子标签粘贴到靠近轮胎防水线位置的胎侧外部或相应位置的内衬层内表面上（结构如图5所示）[4]。

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图4 内置式的封装电子标签结构示意

图5 粘贴式封装电子标签结构示意

无论是内置式还是粘贴式RFID电子标签，在植入轮胎之前，都必须预先将电子标签封装在两层粘合胶片中间并排除气泡，制成封装电子标签。由于粘贴式RFID电子标签属于外置式，所采用的封装胶片尺寸要比内置式大。为了确保粘贴的可靠性，在封装电子标签的粘贴侧还需要增加1层专用橡胶制成的粘贴胶片，其长度与宽度均大于封装胶片，因此用于粘贴式的RFID电子标签整体质量远大于内置式。

电子标签的封装处理最初采用手工操作方式，生产效率低，封装质量不高，无法满足电子标签产业化应用的需求。近几年，自动化的标签封装设备，如层合机已经研制成功并逐步开始在一些大型轮胎企业投入使用，使得轮胎RFID电子标签的产业化应用成为可能。

2.2 应用发展方向

无论是粘贴式还是内置式，RFID电子标签本身的数据读写功能是一致的，但是由于电子标签在轮胎上的安装位置和使用环境不同，其应用的可靠性以及效果不尽相同，对比分析见表1。

表1 粘贴式与内置式RFID电子标签的应用对比分析

相比内置式RFID电子标签，粘贴式技术实现相对容易，产业化应用难度较小，但由于粘贴式在轮胎的防伪可靠性方面无法从根本上杜绝轮胎流通环节中的假冒、贴牌和串货等现象，因此内置式将会是今后轮胎RFID电子标签技术应用发展的主要方向。

3 内置式RFID电子标签产业化应用的主要技术难点及应对措施

3.1 性能可靠性

内置式RFID电子标签在制造过程中需要承受硫化工序的高温高压环境，在使用过程中需要承受轮胎的不规则屈挠形变和冲击应力，因此电子标签的射频模块、天线和基板都需要采用特殊的材料制成，并通过合理的结构设计克服各种因素的影响。

3.2 位置合理性

RFID电子标签中的天线承担芯片能量转换和信号定向辐射与接收功能。轮胎中的金属材料，如带束层钢丝、胎体帘布层钢丝、胎圈钢丝，甚至安装后的轮辋，均会对RFID电子标签信号产生明显的影响。试验证明，当RFID电子标签与金属材料的距离小于4 mm时，入射到金属材料上的部分电磁波将会被反射，当反射波与入射波的相位相反时，电磁波能量将被抵消，电子标签就难以获得足够的射频能量激活标签芯片，天线的功率传输系数也将呈急速递减趋势。因此电子标签在植入轮胎时要与金属材料保持一定的距离。

电子标签合理的植入位置根据轮胎品种的不同有所区别，对于载重轮胎，植入位置在胎侧填充胶与上三角胶之间且距离胎体帘布反包端点约10 mm处，如图6所示[5]；对于轿车轮胎，植入位置在胎体帘布与三角胶之间并距离轮辋安装外缘约13 mm处，如图7所示[5]。

图6 载重轮胎的RFID电子标签植入位置示意

图7 轿车轮胎的RFID电子标签植入位置示意

3.3 方向合理性

为了论证RFID电子标签植入轮胎中的方向合理性，刘伟博[6]采用FEKO软件中的CADFEKO模块建立标签天线与钢丝帘布的仿真结构模型。通过仿真研究发现，当标签天线与帘布钢丝平行放置时，标签阅读器读取范围内的标签天线增益为负值，而当标签天线与帘布钢丝垂直放置时，天线增益的最大值为1.71 dB，而天线在自由空间的最大增益为1.91 dB。虽然标签天线在植入含有钢丝帘布的轮胎时增益会降低10.5%，但是当标签沿轮胎顺向放置时仍能获得较好的信号传输效果。因此电子标签在植入轮胎时要确保天线方向与胎体帘线方向垂直，即与胎圈方向平行。

3.4 粘合可靠性

首先需确保封装电子标签本身的粘合可靠性。电子标签两侧的封装胶片与电子标签之间应该完全粘合，不能夹有气泡，同时要求具有良好的粘合强度。检验封装电子标签的方法如下：当电子标签喷涂粘合剂与封装胶片贴合后，基板与橡胶的粘合强度大于25 kN·m-1，天线与橡胶的粘合强度大于1.1 kN·m-1[4]。

其次需确保封装电子标签在成型工序植入时能够与相邻部件贴合可靠、不夹气，不会在硫化工序造成标签部位脱空或在轮胎的使用过程中产生脱层等问题，引起使用安全隐患。这就需要对RFID电子标签的植入工序制定非常严格的操作规范和工艺规程，确保封装电子标签植入的质量。

3.5 读写可靠性

除了考虑轮胎中的金属成分对标签信号的干扰之外，还必须充分考虑轮胎中的炭黑成分对标签信号的影响。

虽然天然橡胶的导电性能很弱，但是一旦橡胶中加入了炭黑，则会表现出较强的导电性。轮胎各部件胶料的导电性能主要取决于胶料配方中的炭黑用量。无论是胎体胶、三角胶还是胎侧胶，其配方中的炭黑用量一般可达60份以上，炭黑用量与胶料的介电常数关系呈正相关。若这些胶料直接与电子标签的天线接触，则会通过天线的两个馈电点之间产生射频能量损失，从而缩短芯片的读写距离，降低电子标签读写的可靠性。因此，用于电子标签的封装胶片除了要具有良好的粘合性能之外，还要具有一定的绝缘性。封装胶片的胶料配方中要减小炭黑用量，一般推荐炭黑用量为30份左右。有的轮胎制造商为了进一步提高标签的读写性能，直接在天线上镀一层用于提高读写距离的绝缘层，以降低与轮胎胶料接触产生的馈电射频能量损失，从而提高RFID芯片的读写距离。

3.6 操作自动化

RFID电子标签在轮胎的成型过程中若采用传统的手工植入方法，将会直接影响成型效率与质量。实现自动化植入是电子标签产业化应用的基本条件，这需要对现有的成型机进行技术改造，增加电子标签的自动给料、自动定位与自动贴合等一系列相关的设备功能。

3.7 数据存储管理

有效的数据存储管理是RFID电子标签产业化应用的关键要素之一，关系到轮胎全生命周期的各个流转环节中的相关数据能否真正实现其预期的管理效能。在RFID电子标签行业标准中，推荐采用芯片存储分区的管理方法，并对不同的数据种类采用针对性的加密保护措施，如表2所示。其中，轮胎身份ID对于轮胎制造商而言至关重要，应遵循SGTIN-96的编码原则，由轮胎标识号、发行机构代码、厂商识别代码、部件码及部件码序列号等基本信息组成，这部分内容一旦在轮胎出厂前编程确定，就被永久锁定并伴随轮胎的全生命周期。这样各个不同的制造商生产的轮胎通过身份ID信息就可以轻松识别，杜绝被仿冒的风险。轮胎的制造过程数据与质量检验数据也将在轮胎出厂前被写入电子标签内并与轮胎全生命周期绑定。

表2 RFID电子标签的数据存储管理方法

4 内置式RFID智能轮胎应用成果

轮胎内置式RFID电子标签技术的发展，促进了智能轮胎技术的进步。内置RFID的智能轮胎最早是由米其林轮胎北美公司推出。米其林攻克了借助硫化工艺将RFID卡植入轮胎的难关，制造出了符合AIAG（美国汽车工业立法小组）轮胎轮辋可追溯性记录标准的轮胎，并于2005年与汽车制造商联手将RFID轮胎作为汽车备选件推向市场。米其林选择外形设计成波浪形的集成电路块，另有保护集成电路和天线的封皮，这种RFID卡可与轮胎同寿命[7]。

2012年4月，由青岛高校软控股份有限公司委托生产的61条RFID轮胎，在云南和新疆两地参加了国家轮胎轮辋标准化技术委员会组织的RFID轮胎综合里程道路试验，经过两年多的路试后未出现由于电子标签导致的轮胎损坏或电子标签损坏现象，试验获得成功。

2013年6月，韩国锦湖轮胎第1次在其轮胎产品中加入RFID电子标签，据其估计，若将RFID技术使用到所有产品线上，该公司每年在物流、产品和质量控制方面能够减少104亿韩元的支出[6]。

2016年8月，江苏通用科技股份有限公司申请了名为“具有内置RFID的智能轮胎”的发明专利[8]。该技术将温度传感器与压力传感器一起集成到RFID芯片体内（见图8），并将集成RFID电子标签在轮胎的制造过程中植入到胎圈部位径向胎体端点以上、纵向上三角胶中，且被胎侧填充胶包裹，并与轮胎硫化成一体。集成电子标签在汽车行驶过程中可以实时记录轮胎的温度、气压、载荷和速度等信息，这些实时数据既可以通过发送器无线传输至汽车控制器内，也可以通过RFID读写器直接进行数据读取。这项专利技术将目前较为先进的直接式TPMS（汽车轮胎压力监测系统）所采用的集成芯片（将所有传感器、RF发射电路等集成在一块芯片上）与RFID电子标签芯片进行高度集成，是对现有的内置式RFID智能轮胎技术的有益拓展与尝试。

图8 集成RFID芯片示意

5 结语

RFID电子标签作为轮胎有效数据的载体，可实现轮胎全生命周期中物流与信息流管理的完美结合。RFID电子标签技术的产业化应用，可以为轮胎全产业链环节提供有效的数据支撑，使基于统一编码规则和应用规范的全国甚至全球轮胎大数据平台的构建成为可能，进而促进轮胎企业的规范生产和产品品质提升以及轮胎市场的良性竞争；同时促进我国智能轮胎技术的进一步发展。尽管我国在轮胎RFID电子标签技术的产业化应用方面还有较长的路要走，但是这项技术的发展潮流已势不可挡。我们只有迎难而上，积极攻关，才能快速顺应市场发展的需求，在激烈的市场竞争中占有一席之地。