RFID技术及其应用

1、 RFID 技术诞生于第二次世界大战期间，它是传统条码技术的继承者，又称为“电子标签”。 RFID 的应用历史最早可以溯源到二战期间, 那时 RFID 就已被用于敌我军用飞行目标的识别（ 第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。 ）。在 20 世纪 60 年代, 第一个电子物品监视反盗窃系统开始投入商业运营, 今天 RFID 已被广泛应用在各种领域, 从无钥匙的汽车开启、动物跟踪、高速公路收费到商业供应链的管理, 随处可见RFID 的身影。 无线射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)的基本原理是利用空间电磁波的耦合或传播进行通

2、信, 以达到自动识别被标识对象, 获取标识对象相关信息的目的。与条形码比较, RFID 具有很多优势: 不需要视距传输, 很容易被重新编程, 可以应用于 harsh 认证, 能够快速存储和读取更多数据, 具有防水、防磁、耐高温等特性。 电波沿直线传播的方式称为视距传播。 10GHZ-66GHZ是视距，2-11GHZ是非视距。频率越高，波长越短，波的绕射能力就越弱，遇到障碍物的时候就很容易被阻隔，所以只能靠直线传播。 发展RFID技术是相当必要的,首先比较一下RFID 与我们 目前普遍使用的条形码。RF ID 和条形码相比具有很多优点:RFID 的应用层次可以具体到每一个需要识别的物 品,而条形

3、码只能给每一类物品进行身份识别。因此在识别能力上来说,RFI D是优于条形码的。除了在识别能力上的区别外,RFID和条形码相比还有 以下优 点:不像以条形码为基础的跟踪系统,RFI D系统可以不需直接可视也不需要特定的方向就可 以识别多个标签。而条形码必须需要人力资源使用扫描器在可见的狭小范围内才可 以识别。RFID的这种特性可以允许大规模的 自动化应用。因此就大规模的减少了手工扫描的工作。RF ID 标签存储了更多的信息。标签可以通过编程来储存物 品的序 列 号、颜 色、规 格、生产 日期、所在位 置,以及物 品在到达最终用户手中之前,所经过的所有配送点的列表。条形码有一些缺点。如果条形码标

4、签被撕掉、污染,就 没有办法 被识别。标准的条形码只能识 别生产 商以及商品,不 能识别 单个 的产 品。 具体地讲,使用条形码只能识别哪一箱牛奶过了保质期,而使用R FID识别可 以识别这一箱牛奶当中哪一瓶过 了保质 期。最基本的RFID系统由三部分组成： 标签（Tag）：信号发射机，由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，一般包含天线、调制器、编码器以及储存器等单元 ； 阅读器（Reader）：信号接收机，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，由天线、射频收发模块和控制单元组成, 其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理

5、器、时钟电路、标准接口以及电源电路等 ； 天线（Antenna）：发射接收天线，在标签和读取器间传递射频信号。 信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签（TAG）。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电集成电路。 按照不同的分类标准, 电子标签大致分为如下几类: (1)根据标签是否含有电源, 分为无源和有源标签。 (2)根据标签存储器的可读写性, 分为只读式和读写式两种类型。 (3)根据标签发送射频信号的调制方式不同,

6、 分为主动式、被动式和半主动式三类。 主动式标签由电池供电, 它利用自身射频能量主动向阅读器发送数据, 读写距离较远, 但工作时间短。被动式标签不带电池, 又称为无源标签, 它依靠外界的电磁感应提供能量才能工作, 通常读写距离较近, 但使用时间长、成本低。半主动式标签自身带有电池, 但只对标签内部数字电路供电, 标签并不通过自身能量主动发送数据, 只有被阅读器激活时, 才通过反向散射调制方式传送数据。 (4)根据标签与阅读器谁先发言, 分为 RTF 和 TTF 两种类型。如果是阅读器先发言, 则为 RTF(Reader Talk First)类型, 这是目前大多数 RFID 标签的工作类型,

7、反之, 如果标签主动询问, 则为 TTF(Tag Talk First)类型, TTF 通信协议简单, 防冲突能力强, 适用于高速移动和工业环境下的应用场合。 (5)根据阅读器的发射频率, 分为低频(135 kHz 以下)、高频(13.56 MHz)、超 高频(860 MHz960 MHz)和 微波(2.45 GHz 或5.8GHz)频段。不同频率标签的特性比较见图所示。我国第二代身份证采用的就13.56MHz ！ 信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状

8、态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。 天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需

9、要专业人员对系统的天线进行设计、安装。 工作流程： 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非

10、接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理图如图1所示。 RFID 技术是一门多学科综合性技术, 涉及无线射频、天线技术、芯片技术、无线数字传输技术和电磁波传播特性等。下面对其中的关键技术做个简要介绍。 1.编码调制 如同商品包装上的条形码一样，RFID标签也需要一套完整的编

11、码体系，以确保物品在流通领域的各环节被正确识别。RFID 标签被写入一定规则的数据编码，该编码是该物品的唯一标识号。RFID 标签内的编码经读写器读取后，通过无线或有线网络，可以将已经登记、贮存在中央数据服务器(类似互联网的根域名服务器）中的相关产品信息的全部或部分按需求反映出来，从而对产品起到标识识别、跟踪、信息获取的作用。RFID 编码体系从表面来看只是作为辨识物品的规则，但从 RFID 的实际应用中物品所形成的信息流来分析，RFID编码不但蕴含着巨大的商业利益，更潜伏着国家安全问题。 如同互联网中的域名注册一样，如果中国企业海尔向EPC Global 提出某种新产品编码申请，海尔势必要向

12、EPC Global 支付一定的费用。即使每种产品的编码申请费用为 100 元，国内企业每年向 EPC Global 支付的费用也将以亿计。携带RFID标签的物品每次转换地方经过读写器时，均将留下一定的位置、数量等信息。如果把这些汇聚到中央数据库的信息经过深层次的挖掘分析，完全可以掌握一个国家商品生产、流通情况，该国经济运行情况更是一目了然。如果是军需物资的规则流动信息，毫无疑问可以推断出该国即将采取的军事行动。目前较为完善的编码体系是 EPC Global 和 UbiquitousID。 2.天线技术 （RFID标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不 同采用不同类 型的天线。一

13、个RFID 标签通常包含一个或多个天线。天线设计是RFID标签的最核心技术之一。） RFID 天线主要有双极天线、八木阵子天线(用于阅读器)、微带天线和时隙天线。RFID 天线按照频率分为低频、短波、超短波和微波天线; 按方向性分为全向天线、定向天线等; 按外形可分为线状天线、面状天线等。目前 RFID 天线的研究方向集中在以下部分:(1)减少电磁干扰和电磁屏蔽的设计方法;(2)能够覆盖各种频率的复合天线设计;(3)低剖面、小尺寸、低成本的电子标签天线的设计;(4)智能波束扫描天线阵设计。 3.防冲突的多址接入方式 RFID 的多址接入方式主要有以下三类: (1)空分多址(SDMA) 空分多址

14、通过采用智能天线阵技术降低了对单个阅读器识别距离的要求, 空分多址对于 UHF 和微波频率更有实用价值。目前 RFID 空分多址技术已被成功应用在马拉松赛事, 通过给每个运动员配置一个电子标签, 用标签检测运动员的到达时间。 (2)频分多址(FDMA) 通过给阅读器分配不同信道, 降低阅读器之间发生冲突的概率。 (3)时分多址(TDMA) 基于 TDMA 方式的防冲突协议已被大多数国际标准采纳,其中 ALOHA 协议和二进制树协议就采用 TDMA 方式。 4.RFID 防冲突算法 防冲突算法是 RFID 解决多目标识别的关键技术, 具体可分为标签防冲突和阅读器防冲突两大类型。当阅读器信号范围内

15、存在多个标签, 同一时刻有两个或以上的标签向阅读器发送信息时, 就会产生标签冲突, 解决途径是使用 Aloha 或二进制树搜索防冲突算法。Aloha 防冲突算法是一种不确定性算法, 可分为非时隙、时隙以及自适应 Alo-ha防冲突算法, 其中自适应 Aloha 方法的信道利用率最高, 它首先对标签的数量进行动态估计, 然后根据一定的优化准则, 自适应选取延迟时间和帧长, 它的优点是能显著提高识别速率, 缺点是复杂度明显提高。基于 Aloha 协议的防冲突算法并不能完全解决冲突, 因此可能存在“标签饥饿”问题, 即某特定标签在很长时间都没有被识别出来, 这也是今后研究需要解决的问题。二进制树搜索

16、属于确定性算法, 它的优点是防冲突能力较强、数据结构和指令简单, 缺点是支持的存储容量较小。如果采用自适应二进制搜索方法能进一步减少搜索时间。 下面介绍阅读器防冲突问题。当相邻的多个阅读器同标签进行通信时, 可能引起阅读器间的相互干扰。RFID 阅读器间的冲突主要来源于频率干扰和标签干扰, 解决途径是采用阅读器防冲突算法。目前已提出 Colorwave 算法和分层 Q 学习算法。Colorwave 算法提供一个实时、分布式、局部化的 MAC 协议为阅读器分配频率、时隙来减少阅读器间的干扰, 属于局部优化。分层 Q 学习算法采用网络信息, 在整个时间段动态分配频率资源, 保证临近的阅读器之间不发

17、生冲突, 属于全局优化。在实际 ETSI 标准中, 阅读器在同标签通信前每隔 100ms探测数据信道的状态, 采用载波侦听方式解决阅读器冲突。在EPC 标准中, 在频率谱上将阅读器传输和标签传输分离开, 这样阅读器与阅读器之间发生冲突, 标签与标签之间发生冲突,使问题得到简化。目前的防冲突算法还存在某些不足: 正确识别率以及识别速率还不够高, 算法还不能适应高速识别的需求, 另外数据、指令和识别过程比较复杂。如何克服上述不足是 RFID 未来研究的一个重要方向。 5.安全与隐私问题 随着 RFID 的大面积应用, 安全与隐私方面暴露出的问题越发引起人们的关注, 主要表现在以下几个方面: 数据安

18、全威胁、个人隐私威胁和克隆威胁。数据安全威胁之一是可能出现竞争对手非法搜集企业的 RFID数据, 严重危及商业机密。威胁之二是 RFID 本身具有脆弱性,容易受到一系列安全攻击, 如重写标签信息、欺骗攻击、窃听攻击和拒绝服务等。防止数据安全威胁的主要方法有:物理隔离、读取访问控制、主动干扰、kill 标签服务、双标签联合验证、智能标签、阻止标签、Hash 锁加密、设置伪随机序列口令等。对个人隐私的威胁: 一方面, 对标签信息未经授权的访问可能会泄露个人的私人信息, 另一方面, RFID 的位置追踪能力, 可能会危及到个人的“位置隐私”。同时, 电子标签在技术上也能克隆, 仅使用电子标签单一手段

19、进行网上银行的交易可能存在风险。总之, 安全的 RFID 系统应跨越保密性、信息泄露和可追踪性三大门槛, 如何设计安全、高效、低成本的 RFID 安全协议具有很大的挑战性。 RFID 典型应用包括: 在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售; 在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费; 在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪; 在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪; 在制造业用于零部件与库存的可视化管理; RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。RFID 被广泛应用于加工与制造业的

20、生产自动化(如工具跟踪与资产管理、装配流水线自动化等)、安全认证、商品防伪、图书档案管理、医疗卫生、商业自动化和交通运输控制管理众多领域:火车、汽车等交通监督; 高速公路自动收费系统; 停车场管理系统; 物品管理(如邮包及航空行李的跟踪); 仓储管理和动物识别管理等。在交通管理方面, 采用 RFID 技术实时跟踪车辆,然后由交通指挥中心进行督导, 能有效地减少交通堵塞。在铁路系统运营中, 采用 RFID 对车厢进行监控, 可以防止遗漏在轨道上的车厢发生撞车事故, 还能及时了解货车内装的物品信息, 提高铁路运输安全。此外, RFID 在电子物品监视系统、车辆防盗和汽车点火系统等新兴领域也得到应用

21、。目前沃尔玛、吉列和德国零售企业Metro 在全部物流管理中, 已开始试用 RFID 标签。 另外, 电子标签也被用于一些有创意的地方。如 2006 年厦门中国移动使用内置 RFID 手机芯片实现电子支付业务; 2004年罗伯特 - 博世电动工具公司开始提供内置 RFID 芯片的电动工具, 虽然会增加 2%5% 左右的成本, 但对建筑业来说, 如果能避免电动工具的丢失, 全球每年就可以节省 10 亿美元以上的成本。RFID 的一个特殊应用领域是军事物流管理。在伊拉克战争期间, 联军在军用物品的管理, 医院伤病员、战俘和平民的管理都采用过 RFID 技术, 取得了较好效果, 美军宣称未来要全部采

22、用 RFID 进行管理 目前，RFID 技术已应用于我们日常生活中的非接触式就餐卡、车辆防盗系统、道路自动收费系统、门禁系统、身份识别系统等等 医院的中央档案室内大约有4万份病历粘贴Tageos的RFID标签该解决方案由系统集成商Frequentiel和档案管理公司Lamap提供。方案采用Tageos 的EOS-500无源超高频标签，Motorola Workabout Pro 手持读写器，Deister UDL5 桌面RFID读写器和Frequentiel 中间件，后者用于解析RFID数据并将其发送到后台数据记录软件。最初，标签的粘贴工作由Lamap公司提供，当前，医院员工自行粘贴Tageo

23、s RFID标签。医院总包括823张病床，所有的病历都存储在中央档案室中。通常情况下，医院每天大约处理50-85份病历。RFID系统采用之前，病历转交给其他同事之前、将病历放回档案室时都需要扫描条形码。如果病历没有及时放回档案室，员工需要查遍上万个文件夹，有时还需电话追查档案的下落。粘贴tageos RFID标签的文件夹随着RFID系统的到位，病历存档效率大大提高，病历丢失的现象大大减少。首先，病历管理部门对每份病历粘贴Tageos 超高频RFID标签。标签粘贴好以后，桌面RFID读写器读取标签编码，并将数据发送到后台数据记录软件，与特定病人的信息数据相关联。 医生查看病历，需要从档案管理室中

24、取出放到如下图的病历车中。然后用手持RFID读写器读取病历的编码，以便系统记录病历的借出状态。根据法国法律规定，医院并不记录病历查看人的信息。 新生成的病历被放入粘贴EOS-500 RFID标签的文件夹中。当前，多于三分之一的病历粘贴Tageos RFID标签。医院期望每年在其15000个病历夹上粘贴RFID标签。 2014年底，Bassin de Thau医院计划完成Motorola FX7400 固定RFID读写通道的安装。当病历车通过读写通道时，自动读取车内病历的标签编码。将来，医院可能将RFID技术用于资产追踪 RFID 在图书馆使用现状分析 总体发展情况 1998 年新加坡国家图书馆

25、率先使用 RFID 技术进行图书管理, 随后美国、澳大利亚、荷兰等国的图书馆也相继使用。据统计, 应用 RFID 技术的图书馆以每年 30% 左右的速度增长 1, 截至 2009 年底,全球约有 3000 余个图书馆采用 RFID 技术管理图书。 国内图书馆应用 RFID 技术起步较晚, 最早是2006 年集美大学诚毅学院图书馆和深圳图书馆开始实施。之后, 使用该技术的图书馆逐年递增。据不完全统计, 截止到 2010 年 7 月, 全国约有 52 家图书馆实施或尝试 RFID 技术管理图书。 RFID 图书管理的优越性：（1) 简化借还书作业：与条形码相比RFID TAG以无线电波传递讯号，并

26、可一次读取数个RFID TAG 数据，简化盘点工作。（2) 容易协寻不在架上或归错架位的图书：利用无线电波感应，使得图书协寻工作较为容易。（3) 读者自助借还书：搭配自助借书外围设备，读者可自行办理图书借阅；搭配自动还书外围设备，读者可自动办理还书处理。（4) 降低图书馆工作人员的劳动强度，可以利用其自动化的特点转变图书馆工作人员的工作方式。（5) 提高读者的满意度：由于简化了借还书手续，图书管理更加规范化，更多的增值服务以及更人性化的流程 1995 年新加坡国家图书馆管理局成立，它在其图书馆2000年报告书中提出“为人民创造一个世界级，便捷高效的图书馆服务系统”的目标，其提出的宗旨是：为新加坡人民，本区域，国际提供图书资讯服务，其使命是：扩展国人的学习能力以增强国家的竞争力和提倡一个优雅的社会。 在随后几年的发展中，新加坡图书馆管理局不断创新，利用新理念、新科技将新加坡国家图书馆成功转型。 至2007 年，新加坡国家图书馆管理局共拥有58座图书馆，包括一座新加坡国家图书馆，藏书总量达800 多万册。 1998年，新加坡国家图书馆管理局开始实行测试RFID在图书馆流通、分拣与物流系统。2000 年获准专利