物联网RFID关键技术综述

1、这是一个宏大的目标:世界上的物和物之间可以对话。冷冻餐食与冰箱之间可以对话;微波炉和自动化的购物清单可以沟通;衣服可给予洗衣机、烘干机指示;药柜可阅读药物说明书,并自动配药给老年病人并把他们的用药剂量和吃药时间报告给病人的医生如此事例,举不胜举。这些鸿图大计是面向消费者的,旨在帮助大家认识到RFID如何能够惠及人类。但它们也有弊端。因为它们是宏大而复杂的,需要的系统尚未到位,甚至现在是不可行的。物联网使人们忽略了对更小、更容易实施的又有成本优势的RFID的应用。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义,物联网就是“物物相

2、连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。因此,物联网的定义是:通过射频识别(RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。RFID主要

3、包括产业化关键技术和应用关键技术两方面,其中RFID产业化关键技术主要包括:标签芯片设计与制造,例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造技术,适合标签芯片实现的新型存储技术,防冲突算法及电路实现技术,芯片安全技术,以及标签芯片与传感器的集成技术等。天线设计与制造:例如标签天线匹配技术,针对不同应用对象的RFID标签天线结构优化技术,多标签天线优化分布技术,片上天线技术,读写器智能波束扫描天线阵技术,以及RFID标签天线设计仿真软件等。RFID标签封装技术与装备:例如基于低温热压的封装工艺,精密机构设计优化,多物理量检测与控制,高速高精运动控制,装备故障自诊断与修复,以及在线检测技术等。RFI

4、D标签集成:例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术,标签加工过程中的一致性技术等。读写器设计:例如密集读写器技术,抗干扰技术,低成本小型化读写器集成技术,以及读写器安全认证技术等。RFID应用关键技术主要包括:RFID应用体系架构:例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技术及服务技术等。RFID系统集成与数据管理:例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术,RFID应用系统中间件技术,海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。RFID公共服务体系:提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多

5、编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。RFID检测技术与规范:例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范,标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范,以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。RFID的基本组成有五大部。RFID标签俗称电子标签,也称应答器(tag, transponder, responder,根据工作方式可分为主动式(有源和被动式(无源两大类,本文主要研究被动式RFID标签及系统。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成,利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码,通常为64

6、bits、96bits 甚至更高,其地址空间大大高于条码所能提供的空间,因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用区域,就可以根据电感耦合原理(近场作用范围内或电磁反向散射耦合原理(远场作用范围内在标签天线两端产生感应电势差,并在标签芯片通路中形成微弱电流,如果这个电流强度超过一个阈值,就将激活RFID标签芯片电路工作,从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作,微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。读写器也称阅读器、询问器(reader, interrogato

7、r,是对RFID标签进行读/写操作的设备,主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的基础设施,一方面,RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号,再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形,最后从中解调出返回的信息,完成对RFID标签的识别或读/写操作;另一方面,上层中间件及应用软件与读写器进行交互,实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时,读写器会对RFID 标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤,将其加工为读写器事件后再上传,以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量,因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式

8、系统,实现一部分中间件的功能,如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势,还将具备更加强大的前端控制功能,例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中,读写器将成为同时具有通讯、控制和计算(communication, control, computing功能的C3核心设备。天线(antenna是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线,一类是RFID标签上的天线,由于它已经和RFID标签集成为一体,因此不再单独讨论,另一类是读写器天线,既可以内置于读写器中,也可以

9、通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视,在实际应用中,天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计4-7。中间件(middleware是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题,还可

10、以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算,抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件,以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。应用软件(application software是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面,协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置,逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件,并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定,因此很难具有通用性。从应用评价标准来说,使用者在应用软件端

11、的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。RFID技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签,或者主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签;解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader与电子标签(TAG也就是所谓的应答器(Transponder及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动

12、Transponder电路将内部的数据送出,此时Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成, 感应偶合(Inductive Coupling 及反向散射偶合(Backscatter Coupling两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置,是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换,同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量

13、和时序。在实际应用中,可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体,目前应答器大多是由耦合原件(线圈、微带天线等和微芯片组成无源单元。RFID的应用前景广阔是众所周知的。由于应用频段的灵活性和不同应用环境下的适应能力,笼统的说,RFID技术可以应用于各行各业。RFID最早是在战机的敌我识别系统中使用的,现在最先进的隐形战机中仍然在使用这种技术。美国军方早在20 世纪后半叶就开始研究RFID 技术,目前这项技术已经广泛使用在武器和后勤管理系统上。美国在"伊战"中利用RFID对武器和物资进行了非常准确

14、地调配,保证了前线弹药和物资的准确供应。目前包括沃尔玛在内的很多跨国公司已开始采用RFID 技术辅助企业管理,同时,国外也有多家仓库采用RFID 技术实现仓储自动化管理。据有关权威数据显示,射频识别产品在全世界的销量以每年25.3%的比例增长。就中国的RFID市场来说,来自业界的调研表明,有88.1%的调研对象认为RFID应用中潜力最大的市场是仓库/运输/物流,35.71%认为RFID应用中潜力最大的市场是零售/卖场,21.4%认为RFID应用中潜力最大的市场是汽车行业。近期来看,相信RFID应用今年会在以下的行业有较大的发展,譬如制造,物流,公共安全,零售,资产管理,医疗等;而从长期来看,可

15、以用“泛在”来形容。另外,RFID应用除了在量上有了长足的发展之外,业界的领导企业们开始了质上的精雕细琢。这类企业在以下两个纬度上进行着RFID应用在企业内部的深入展开:在应用的广度上,企业逐步倾向于打通企业的任督二脉,实现生产制造和物流运输的全程跟踪。在应用的深度上,企业已逐步从技术验证的阶段过渡到实施企业级的RFID应用,由此引发了对RFID中间件,企业应用架构和企业级实施经验的强大需求。我国产业供应链发展还处于初级阶段,也阻碍了RFID的实际应用。与西方企业相比,由于技术和管理处于劣势地位,我国大多行业都存在过度竞争,价格成为市场竞争的主要手段,这就使得很多制造企业利润率维持在相当低的水

16、平,产业供应链的上下游企业之间往往博弈大于合作。而RFID技术只有在整个供应链上协同实施,实现供应链信息透明和分享,才能最大程度发挥出RFID的作用,这在目前情况下还很难做到。另外,实施RFID的一个主要益处是节省人工成本,沃尔玛称RFID每年为其节省数十亿美元的人力成本开支,而中国较低的工资水平也使得很多企业没有积极性去实施RFID技术。尽管中国企业目前信息化程度还较低,但中国企业前进的步伐相当快。今年中国已有40多家企业闯入世界500强,更多本土企业正迅速成长为跨国经营企业,日益复杂的管理要求这些企业必须迅速推进信息化建设,在这一点上中国企业具有一定的后发优势,而企业信息化必然给RFID带来良好的发展机遇。随着中国企业信息化的进程,RFID的应用将会由点到面,逐步拓展到更广的领域。而RFID的实施成本,必然随着RFID应用的推广和市场的扩大而逐步降低,RFID的应用将会从目前的托盘或整箱的货物跟踪逐步扩展到单