药品及其包装对超高频RFID标签性能的影响

2017-08-16吕新广

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年4期

关键词：铝箔增益液体

刘飞，吕新广

(1.暨南大学电气信息学院包装工程研究所，广东珠海519070;2.广东普通高校产品包装与物流重点实验室，广东珠海519070)

药品及其包装对超高频RFID标签性能的影响

刘飞1,2，吕新广1,2

(1.暨南大学电气信息学院包装工程研究所，广东珠海519070;2.广东普通高校产品包装与物流重点实验室，广东珠海519070)

超高频射频识别(radio frequency identification, RFID)标签应用于药品包装可促进药品的信息化管理，然而在实际应用中基于药品及其包装对超高频RFID标签性能的影响尚未得到研究。通过电磁仿真软件Ansoft HFSS对超高频RFID标签的性能进行仿真分析，并结合理论分析和实验测试研究了液体类药品和泡罩包装的铝箔板对超高频RFID标签的影响。仿真分析结果显示当铝箔板和液体瓶与天线距离在20 mm以上时，天线的增益为正值，标签可正常工作；当铝箔板和液体瓶离开标签的距离在6 mm-8 mm时，标签的识别距离可在药品包装尺寸的限定范围内达到最大。且液体类药品和泡罩包装铝箔板与超高频RFID标签接近时都会使得天线增益降低，引起天线失调，其中铝箔板使得天线性能降低的程度较液体大。

射频识别；药品包装；RFID标签；天线性能

0 引言

近年来，随着信息化体系的完善，物联网技术的迅速发展，智能化包装逐渐成为药品包装的主流趋势。超高频射频识别(radio frequency identification,RFID)技术是物联网的基础[1]，RFID标签应用于药品包装可以实现防伪，物流追溯，医药供应链管理，远程医疗监护等[2]功能。基于RFID的智能包装技术成为近年来研究人员关注的热点。

超高频RFID标签受环境的影响非常大，尤其是将其放置在有耗介质物体或者金属物体表面[3]。GRIFFIN J D等[4]人发现标签贴附在纸板、木材、去离子水、铝板等材料时都会降低标签天线的性能；同时，CLARKE R H等[5]人的实验也表明标签的不同贴附位置对其读写性能产生的影响也截然不同。

药品主要形式有固体颗粒、粉末、液态等，现有的药品包装以传统的包装形式为主：分别为袋装、瓶装、铝塑泡罩等，从包装材料上可大致分为：纸包装、塑料包装、金属包装等。现有的智能药品包装通常只是简单地将超高频RFID标签贴附于药品包装表面来实现其智能化，没有考虑到被贴附物(药品及其包装)对于超高频RFID标签性能的影响。药品及其传统的药品包装形式对RFID标签性能的影响一定程度上限定了RFID在药品行业的大规模应用。

本文通过研究，发现标签贴附于液体类药品和含有铝箔的泡罩包装时，读取率和读取距离都会明显降低。通过仿真和实验，测试了液体、铝箔板与标签在不同距离不同位置时标签的性能变化，找到了液体、铝箔在不影响标签读取时标签与其之间的最小距离。此结果可为设计者通过改变药品包装盒的尺寸，或者药品包装的结构来减小对RFID标签性能的影响提供借鉴。通过改变包装本身来保证RFID标签的正常使用，可降低成本。

1 RFID标签与药品包装结合

药品外包装盒通常采用传统的管式折叠纸盒，药品包装形式主要有泡罩包装和药品瓶密封装。这2种包装形式与 RFID 标签的主要结合方式分别有2种，如图1所示，泡罩包装：一是将RFID电子标签贴附于药品包装的外表面，二是直接将电子标签印刷在泡罩基板上[6]。药品瓶：一是将标签贴附于外包装盒，二是将标签贴附于药品瓶上。

这2种结合方式都存在一定的弊端，管式药品包装盒外表面贴附RFID电子标签：由于无法确定泡罩包装及其液体类药品对RFID标签的最小影响距离，所以泡罩包装盒会尽量增加尺寸，这样不仅会增加运输成本也会造成包装材料的浪费。

图1 RFID标签与药品包装的结合方式Fig.1 Combination of RFID tag and drug packaging

RFID标签印刷在泡罩基板时，由于热压机设备存在加工误差，为了使超高频电子标签与泡罩塑料板紧密结合，印刷天线的尺寸必须严格限制在一个小的可变范围内[7]；现有的泡罩包装生产工艺已经形成了固定的模式，在泡罩基板的侧边印刷电子标签不仅工艺上难度大、成本高，而且电子标签的性能也不能得到保证。

2 仿真分析

2.1 铝箔板对超高频RFID标签天线性能的影响

目前市场上可用于药品管理的超高频RFID标签有很多，本文选择最常用的Alien-9610为研究对象。采用电磁仿真软件Ansoft HFSS建立超高频RFID标签模型，Alien-9610的天线尺寸为44.5 mm×10.33 mm，在915 MHz时设置输入阻抗为其芯片的共轭匹配值27+201 j，天线结构如图2所示。

图2 可用于药品管理的商用RFID标签Fig.2 Commercially-available RFID tags for medicine management

RFID标签贴附于泡罩药品包装盒外表面有2种位置状态，一是贴附于正面，即RFID标签与铝箔板平行，二是贴附于侧面，即RFID标签与铝箔板垂直。本文对2种位置情况都进行了模拟。在软件中分别建立与RFID天线平行和垂直2种位置状态的铝箔板模型(见图3)，铝箔板尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，厚度为0.1 mm。铝箔板与RFID标签均处于紧密贴合状态，距离为零。为了与添加铝箔板后天线的性能变化作对比，本文对未添加铝箔板的原始天线进行仿真，得到天线在E面和H面的增益方向图如图4a，添加铝箔板后仿真得到的天线在正面和H面的增益方向图分别为图4b和图4c所示。

图3 模型Fig.3 Model

图4 不同条件下的天线增益方向图(915 MHz)Fig.4 Gain pattern of antenna under different conditions (915 MHz)

由图4可以看出标签与铝箔板方向平行放置时，天线最大增益下降到-50 dB左右，方向图改变，RFID标签无法正常使用。而与铝箔板垂直放置时，天线的增益最大值接近0 dB，增益虽有降低，却仍然可以在一定范围内识别。因此，在泡罩药品包装盒贴附超高频RFID标签时，在尺寸允许的情况下应该避免RFID标签与铝箔板平行放置，即贴在药品包装盒的正面与反面，而是让超高频标签与铝箔板呈垂直状态，即RFID标签贴在药品包装盒的侧面。

2.2 液体对RFID标签天线性能的影响

为了模拟液体药品对RFID标签性能的影响，用HFSS(high frequency structure simulator)软件建立一个长方体模型，其尺寸为100 mm×50 mm×50 mm，内部用水填充，用来模拟液体药品。将天线与该模型平行放置并紧密贴合，仿真后得到RFID标签的方向图见图5。

从图5可以看出，RFID标签与液体容器紧密贴合时，天线增益由无干扰状态下的正值减小到-9 dB左右，标签可识别距离明显减小。比较图4b与图5可看出，相比于泡罩包装中的铝箔板，液体药品使得RFID标签性能下降的程度较小。

图5 天线放置于液体瓶时的增益方向图(915 MHz)Fig.5 Gain pattern of antenna when it placed on water bottle(915 MHz)

2.3 贴附物距离对天线性能的影响

为了进一步研究铝箔板、液体对RFID标签性能的影响规律，在软件中逐渐增加铝箔板、液体瓶与标签之间的距离，得到增益最大值随距离的变化图如图6所示。

图6 不同距离时天线最大辐射方向增益值Fig.6 Gain of antenna in max radiation direction at different distances

从图6中可以看出随着RFID标签天线与液体瓶、铝箔板之间距离的增加，天线增益呈现出逐渐变大的趋势，即RFID标签的读取性能逐渐恢复。RFID标签与液体容器或者铝箔板之间的距离仅增加5 mm就可使标签的增益明显提高：与液体容器距离增加5 mm时，其增益最大值由-9 dB增加到-3.5 dB，与铝箔板距离为5 mm时，其增益最大值由-50 dB增加到-10 dB。当距离增加至20 mm以上时，天线增益趋于平稳，基本不受液体与铝箔板的干扰。

3 理论分析

标签理论读取距离可由Friss自由空间公式(1) 计算得到

(1)

(1)式中：λ是自由空间波长；Pt是读写器发射功率，当读写器发射功率增加时，相应的标签读取距离会增加；Gt是读写器天线的增益；Gr是标签天线的增益；Pth为标签芯片的读取灵敏度；S为功率反射系数，计算公式为

(2)

(2)式中：ZC为标签芯片阻抗；ZA为标签天线输入阻抗。从Friss公式可以看出R的大小取决于标签天线的2个主要的参数|S|2和Gr，减小|S|2，增大Gr可提高天线的读取距离。

水中含有很多带正电的原子核和带负电的电子，电磁波中的电场很容易和这些电荷发生相互作用而被吸收。水的介电常数在频率1 GHz时非常高，这将会增大最小阈值Pth，同时也会引起标签天线失谐，造成功率反射系数S增大，最终影响标签的读取范围[8]。

电磁波在入射到金属上时,有很大部分被反射，同时电场会造成金属内部自由电荷移动,损失能量，因此金属对电磁场具有屏蔽作用。无论标签放置在金属介质与阅读器之间还是之后都会对自身的电磁波接收产生影响。但是当金属板与标签平行方向接触面积很小(比如垂直)或者金属板与标签间隔距离远时，这种影响会由于电磁波的衍射作用而变小。天线增益方向图的扭曲变化不是单一原因导致的，天线所靠近的材料的表面波、材料周围的衍射、介电常数和损耗角都会对其产生影响[9]。

这对于选择合适的智能包装材料和包装结构都具有重要的借鉴意义，为了进一步确定不影响标签应用的离开铝箔板和液体瓶的最小距离，进行了下述实验。

4 实验

4.1 不同的药品对超高频RFID标签的影响

4.1.1 实验设置

选取上述模拟中的型号为AZ-9610和另一种型号为AZ-9626的超高频被动电子标签进行研究，尺寸如图7所示。阅读器为手持固定式超高频RFID阅读器，型号为JY-U7900，工作频率为840-960 MHz，数据载波协议为ISO 18000-6C，最大输出功率为30 dBi。采用棕色药用PET塑料瓶，规格为100 ml，瓶身尺寸为45 mm×80 mm(直径×高)。在相同的条件下分别测试瓶内装满空气，颗粒药片，口服液时标签在不同距离处的读取率，待测样品如图7所示。

4.1.2 实验结果

由AZ-9610标签和AZ-9626标签贴附于不同内容物的样品瓶时，读取率随距离的变化(见图8和图9)中可以看出，瓶子内为空气时标签的读取率最大读取距离最远，且无论是颗粒固体还是液体药品都会对电子标签产生一定影响。当内容物为液体时标签只能在很短的距离内工作，因此，标签直接贴附于液体类药品瓶时无法满足超高频RFID标签的应用要求。

图7 样品瓶Fig.7 Sample bottles

图8 AZ-9610标签读取率与读取距离的关系Fig.8 Relationship of reading rate and reading distance for AZ-9610

图9 AZ-9626标签读取率与读取距离的关系Fig.9 Relationship of reading rate and reading distance for AZ-9626

4.2 铝板对超高频RFID标签的影响

在标签后面平行放置一块尺寸100 mm×100 mm，厚度为1 mm的铝板，对3种标签AZ-9610，AZ-9629，AZ-9620进行测试。

考虑到药品包装尺寸和包装成本的限制，只记录标签离开铝板距离从0 mm～8 mm时标签的最大读取距离。铝板对标签读取距离的影响如图10所示。

由图10可以看出不同的标签最大读取距离不同，但最大读取距离都随着离开铝板距离的增大而增大。经过多次试验后发现当铝板与标签距离为7 mm左右时，标签的最大读取距离达到最大值，后趋于平稳，持续增加铝板与标签的距离后，未见读距有明显变化，直到距离增加至20 mm以上。

图10 铝板对标签读取距离的影响Fig.10 Effect of aluminum plate on the reading distance of tag

4.3 液体对超高频RFID标签的影响

选取材料为PE的方形药品瓶进行实验，规格250 ml，瓶身厚度为0.8 mm，方形瓶与标签接触面为平面，可以在更严苛的条件下测试标签离开液体瓶一定距离时读取率的变化，结果如图11。

图11 液体对标签读取距离的影响Fig.11 Effect of liquid on the reading distance of tag

4.4 结果分析

由图10和图11可以看出，液体、金属板与标签之间的距离越大，标签的最大读取距离越大，且液体对标签的影响作用比铝板小，与仿真分析的结果相同。经过多次试验发现，当标签的读取率几乎不被影响时，需要标签与液体、金属板之间的距离在20 mm以上，此结果亦与上述仿真结果：天线与铝箔板之间的距离增加至20 mm以上时天线的增益达到正常值吻合。因此当实验条件不满足时可以先通过软件模拟大致情况再确定标签离开产品的最小距离。同时实验发现当标签与液体、金属之间的距离在6 mm～8 mm时，读取距离几乎可以达到最大读取距离的一半，为了降低包装及运输成本，药品包装的尺寸应当限定在一定范围之内，因此可设计超高频RFID标签与泡罩板或者液体药品瓶的距离在6 mm～8 mm，这样既可以满足大部分智能药品包装的应用要求也可以降低包装成本。

5 总结与展望

本文通过软件仿真和实验测试研究了药品及其包装对超高频RFID标签性能的影响。研究结果表明：药品会影响超高频RFID标签的读取性能，其中液体类药品明显减小了超高频RFID标签的读取距离。泡罩药品包装采用铝塑密封，铝箔板对于超高频RFID标签的性能有很大的影响，标签靠近铝箔板时会导致标签无法正常工作。

通过软件仿真了液体瓶和铝箔板靠近标签时天线的性能参数，结果表明铝箔板对标签的影响程度明显比液体瓶大，铝箔板与天线垂直放置时，天线的性能受到的影响较小，因此当标签贴附于泡罩外包装盒时应尽量贴附于包装盒的侧面，即标签与铝箔板垂直的一面。同时增益方向图显示，当铝箔板和液体瓶离开天线20 mm以上时，天线的增益为正值，可正常工作，在物流运输或者堆码过程中对药品进行统一管理时可以借鉴此距离设计药品外包装箱的结构和尺寸。

实验测试发现当铝箔板或液体与标签之间的距离在6 mm～8 mm时，超高频RFID标签的识别距离可在药品包装结构尺寸的限定范围内达到最大，因此在设计外包装盒时，可以依据此设计药品包装纸盒的内外尺寸范围。

下一阶段将依据仿真和实验结果提出新型的药品包装结构以满足超高频RFID标签的应用要求，推进建立物联网大背景下的智能医疗体系。

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(编辑：张诚)

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 通讯作者：吕新广 tluguang@jnu.edu.cn

珠海市科技工贸和信息化局项目(2011B050102013, 2012D0501990033)；珠海市教育局项目(包装工程优势学科，产品包装与物流重点实验室)

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

TP391

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)