無線射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展趨勢

     關(guān)鍵詞：RFID 電子標(biāo)簽 閱讀器 典型產(chǎn)品

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），或稱射頻識別技術(shù)，是從二十世紀(jì)90年代興起的一項非接觸式自動識別技術(shù)。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。

目前常用的自動識別技術(shù)中，條碼和磁卡的成本較低，但是都容易磨損，且數(shù)據(jù)量很小；接觸式IC卡的價格稍高些，數(shù)據(jù)存儲量較大，安全性好，但是也容易磨損，壽命短；而射頻卡實現(xiàn)了免接觸操作，應(yīng)用便利，無機械磨損，壽命長，無需可見光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性強，而且，可以在惡劣環(huán)境下工作，對環(huán)境要求低，讀取距離遠，無需與目標(biāo)接觸就可以得到數(shù)據(jù)，支持寫入數(shù)據(jù)，無需重新制作新的標(biāo)簽，可重復(fù)使用，并且使用了防沖撞技術(shù)，能夠識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡。

近年來，無線射頻識別技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，RFID讀寫器產(chǎn)品種類很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名廠家都生產(chǎn)RFID讀寫器產(chǎn)品，并且各有特點，自成系列。RFID已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，例如汽車或火車等的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動收費系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動化、門禁系統(tǒng)、金融交易、倉儲管理、畜牧管理、車輛防盜等。隨著成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的實話，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趁勢。

1.1 RFID系統(tǒng)的組成及其工作原理

RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同其組成會有所不同，但基本都由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（Processor）三大部分組成。電子標(biāo)簽（或稱射頻卡、應(yīng)答器等），由耦合元件及芯片組成，其中飽含帶加密邏輯、串行EEPROM（電可擦除及可編程式只讀存儲器）、微處理器CPU以及射頻收發(fā)及相關(guān)電路。電子標(biāo)簽具有智能讀寫和加密通信的功能，它是通過無線電波與讀寫設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，工作的能量是由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供。閱讀器，有時也被稱為查詢器、讀寫器或讀出裝置，主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，再把從主機發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密，將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理、對卡進行讀寫控制等。

RFID系統(tǒng)的工作原理如下：閱讀器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送，進入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理；若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進行改寫，若經(jīng)判斷其對應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息。RFID基本原理框圖如圖1所示。

在RFID系統(tǒng)中，閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生一個合適的能量場以激勵電子標(biāo)簽。當(dāng)當(dāng)前有關(guān)的射頻約束下，歐洲的大部分地區(qū)各向同性有效輻射功率限制在500mW，這樣的輻射功率在870MHz，可近似達到0.7米。美國、加拿大以及其他一些國家，無需授權(quán)的輻射約束為各向同性輻射功率為4W，這樣的功率將達到2米的閱讀距離，在獲得授權(quán)的情況下，在美國發(fā)射30W的功率將使閱讀區(qū)增大到5.5米左右。

1．2 RFID技術(shù)的分類

RFID技術(shù)的分類方式常見的有下面四種：

根據(jù)電子標(biāo)簽工作頻率的不同通�？煞譃榈皖l（30kHz～300kHz）、中頻（3MHz～30MHz）和高頻系統(tǒng)（300MHz～3GHz）。RFID系統(tǒng)的常見工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz，中頻13.56MHz，高頻860MHz～930MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統(tǒng)特點是電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少，閱讀距離較短，電子標(biāo)簽外形多樣，閱讀天線方向性不強等。主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、煤氣表、水表等；中頻系統(tǒng)則用于需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)；高頻系統(tǒng)的特點是電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大，閱讀距離較遠（可達十幾米），適應(yīng)物體高速運動，性能好。閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強的方向性，但其天線寬波束方向較窄且價格較高，主要用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合，多在火車監(jiān)控、高速公路收費等系統(tǒng)中應(yīng)用。

根據(jù)電子標(biāo)簽的不同可分為可讀寫卡（RW）、一次寫入多次讀出卡（WORM）和只讀卡（RO）。RW卡一般比WORM卡和RO卡貴得多，如電話卡、信用卡等；WORM卡是用戶可以一次性寫入的卡，寫入后數(shù)據(jù)不能改變，比RW卡要便宜；RO卡存有一個唯一的號碼，不能逐改，保證了安全性。

根據(jù)電子標(biāo)簽的有源和無源又可分為有源的和無源的。有源電子標(biāo)簽使用卡內(nèi)電流的能量、識別距離較長，可達十幾米，但是它的壽命有限（3～10年），且價格較高；無源電子標(biāo)簽不含電池，它接收到閱讀器（讀出裝置）發(fā)出的微波信號后，利用閱讀器發(fā)射的電磁波提供能量，一般可做到免維護、重量輕、體積小、壽命長、較便宜，但它的發(fā)射距離受限制，一般是幾十厘米，且需要閱讀器的發(fā)射功率大。

根據(jù)電子標(biāo)簽調(diào)制方式的不同還可分為主動式（Active tag）和被動式（Passive tag）。主動式的電子標(biāo)簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離較遠（可達30米）；被動式的電子標(biāo)簽，使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器讀寫器的載波調(diào)制自己的信號，適宜在門禁或交通的應(yīng)用中使用。

1．3 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前常用的RFID國際標(biāo)準(zhǔn)主要有用于對動物識別的ISO11784和ISO11785，用于非接觸智能卡的ISO10536（Close coupled cards）、ISO 15693（Vicinity cards）、ISO14443(Proximity cards)，用于集裝箱識別的ISO 10374等。目前國際上制定RIFD標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個：ISO，以美國為首的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，而這三個組織對RFID技術(shù)應(yīng)用規(guī)范都有各自的目標(biāo)與發(fā)展規(guī)劃。下面對常見的幾個標(biāo)準(zhǔn)加以簡介。

ISO 11784和ISO 11785技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 11784和ISO 11785分別規(guī)定了動物識別的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則，標(biāo)準(zhǔn)中沒有對應(yīng)答器樣式尺寸加以規(guī)定，因此可以設(shè)計成適合于所涉及的動物的各種形式，如玻璃管狀、衛(wèi)標(biāo)或項圈等。代碼結(jié)構(gòu)為64位，其中的27至64位可由各個國家自行定義。技術(shù)準(zhǔn)則規(guī)定了應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸方法和閱讀器規(guī)范。工作頻率為134.2kHz，數(shù)據(jù)傳輸方式有全雙工和半雙工兩種，閱讀器數(shù)據(jù)以差分雙相代碼表示，應(yīng)答器件采用FSK調(diào)制，NRZ編碼。由于存在較長的應(yīng)答器充電時間和工作頻率的限制，通信速率較低。

    ISO 10536、ISO 15693和ISO14443技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 10536標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展于1992年1995年間，由于這種卡的成本高，與接觸式IC卡相比優(yōu)點很少，因此這種卡從未在市場上銷售。ISO 14443和ISO 15693標(biāo)準(zhǔn)在1995年開始操作，其完成則是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交變信號為載波頻率。ISO 15693讀寫距離較遠，而ISO 14443讀寫距離稍近，但應(yīng)用較廣泛。目前的第二代電子身份證采用的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 14443 TYPE B協(xié)議。ISO 14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協(xié)議，通信速率為106kbit/s，它們的不同主要在于載波的調(diào)制深度及位的編碼方式。TYPE A采用開關(guān)鍵控（On-Off keying）的Manchester編碼，TYPE B采用NRZ-L的BPSK編碼。TYPE B與TYPE A相比，具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力列強的優(yōu)點。RFID的核心是防沖撞技術(shù)，這也是和接觸式IC卡的主要區(qū)別。ISO 14443-3規(guī)定了TYPE A和TYPE B的防沖撞機制。二者防沖撞機制的原理不同，前者是基于位沖撞檢測協(xié)議，而TYPE B通信系列命令序列完成防沖撞。ISO 15693采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞機制。防沖撞機制使得同時處于讀寫區(qū)內(nèi)的多張卡的正確操作成為可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。

ISO 18000技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 18000是一系列標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)是目前較新的標(biāo)準(zhǔn)，原因是它可用于商品的供應(yīng)鏈，其中的部分標(biāo)準(zhǔn)也正在形成之中。ISO 18000-6基本上是整合了一些現(xiàn)有RFID廠商的減速器規(guī)格和EAN-UCC所提出的標(biāo)簽架構(gòu)要求而訂出的規(guī)范。ISO 18000只規(guī)定了空氣接口協(xié)議，對數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無限制，因此可用于EPC。

通常RFID的產(chǎn)品按其使用功能可以分為身份識別ID卡、消費IC、物流標(biāo)記卡、遠距離識別卡等。目前各家廠商的RFID讀寫器產(chǎn)品在功能上各有側(cè)重；瑞士EM公司的ID卡主要用于身份識別，荷蘭Philips公司的Mifare One卡主要用于消費，美國TI公司的標(biāo)簽卡主要用于物流，瑞典TagMaster公司的遠距離卡主要用于停車人員物資遠距離識別等。

當(dāng)前RFID應(yīng)用和發(fā)展面臨著幾個關(guān)鍵問題是標(biāo)準(zhǔn)、成本、技術(shù)和安全。

3．1 標(biāo)準(zhǔn)

目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，電子標(biāo)準(zhǔn)簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個統(tǒng)一的（包括各個頻段）國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)（特別是關(guān)于數(shù)據(jù)格式定義的標(biāo)準(zhǔn)）的不統(tǒng)一是制約RFID發(fā)展的重要因素，而數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)問題又涉及到各個國家自身的利用和安全。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一也使當(dāng)前各個廠家推出的RFID讀寫器產(chǎn)品互不兼容，這勢必阻礙了未來RFID讀寫器產(chǎn)品的互通和發(fā)展，因此，如何使這些標(biāo)準(zhǔn)相互兼容，讓一個RFID讀寫器產(chǎn)品能順利地在民辦范圍中流通是當(dāng)前重要而緊迫的問題。目前，很多國家都正在抓緊時間制定各自的標(biāo)準(zhǔn)，我國電子標(biāo)簽技術(shù)還正處在研發(fā)階段。

3．2 成本

目前美國一個電子標(biāo)簽低的價格是20美分左右，這樣的價格是無法應(yīng)用于某些價值較低的單件商品，只有電子標(biāo)簽的單價下降到10美分以下，才可能大規(guī)模應(yīng)用于整箱整包的商品。隨著技術(shù)的不斷提升和在各大行業(yè)的日益推廣，RFID的各個組成部分，包括電子標(biāo)簽、閱讀器和天線等，制造成本都有望大幅度降低。

3．3 技術(shù)

雖然在RFID電子標(biāo)簽的單項技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，還存在較高的差錯率（RFID被誤讀的比率有時高達20%），在集成應(yīng)用中也還需要攻克大量的技術(shù)難題。

3．4 安全

當(dāng)前廣泛使用的無源RFID系統(tǒng)還沒有非�？煽康陌踩珯C制，無法對數(shù)據(jù)進行很好的保密，RFID數(shù)據(jù)還容易受到攻擊，主要是因為RFID芯片本身，以及芯片在讀或者寫數(shù)據(jù)的過程中都很容易被黑客所利用。此外，還有識別率的問題，由于液體和金屬制口等對無線電信號的干擾很大，RFID標(biāo)簽的準(zhǔn)確識別率目前還只有80%左右，離大規(guī)模實際應(yīng)用所要求的成熟程度也還有一定差距。

從總體上而方，RFID技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將大量來自完成不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)所能應(yīng)用和發(fā)揮效應(yīng)的主要方面包括節(jié)省人工成本，提高作業(yè)精確性，加快處理速度，有效跟蹤物流動態(tài)等，目前RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。2004年11月初，美國《VAR Vusiness》雜志完成的一項技術(shù)狀況調(diào)查報告，評出了2005年“七大熱門科技走向”，其中把射頻識別技術(shù)（RFID）作為2005年科技業(yè)的突破性技術(shù)。美國沃爾瑪及美國國防部等正在推進全面導(dǎo)入RFID的計劃，許多高科技公司也正在開發(fā)RFID專用的軟件和硬件，這些公司包括英特爾，微軟，甲骨文和SUN等。ABI估計，到2008年，RFID電子標(biāo)簽、閱讀器和相關(guān)軟件與服務(wù)的銷售額可望增至30億美元，RFID技術(shù)市場在未來五年內(nèi)將有數(shù)萬億美元的市場空間。