RFID技术及其应用综述

RFID技术及其应用综述

摘要：RFID技术自1948年问世以来，已有50多年的历史，但其发展却是近几年才兴起的．特别是最近两三年，RFID技术得到了迅猛的发展．RFID技术关键是利用无线电波来进行通信的一种自动识别技术．其基本原理是通过阅读器和粘贴在物体上的电子标签之间的电磁耦合来进行数据通信．与传统的识别技术相比，RFID具有远距离快速识别，数据存储量大、数据可更新等诸多优势．RFID 是自动识别技术的高级形式，其独特的技术优势将为人类的生活和生产做出杰出的贡献．以RFID为研究对象。阐述RFID的定义，简述RFID系统的组成部件、工作原理和分类，分析RFID技术的优势所在，并介绍RFID技术的主要应用领域．

关键词：RFID；电子标签；阅读器；工作原理；应用

0 引言

射频识别技术(RFID，即Radio Frequency Identification)是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别目的的自动识别技术。它和传统的磁卡、IC卡相比，射频卡最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适合于实现系统的自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。射频卡不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境短距离的射频卡可以在这样的环境下替代条码，用在工厂的流水线等场合跟物体。长距离的产品多用于交通上，距离可达几十米，可用在自动收费或识别车辆身份等场合。射频卡的几个主要模块集成到一块芯片中、完成与读写器通信，芯片上有内存部分用来储存识别号码或其它数据：内存容量从几个比特到几十千比特。芯片外围仅需连接天线(和电池)，可以作为人员的身份识别卡或货物的标识卡。卡封装可以有不同形式、倒如常见的信用卡的形式及小圆片的形式等。和条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比，射频卡具有非接触，工作距离长，适于恶劣环境，可识别运动目标等优点。在多数RFID系统中，读写器在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于工作频率和天线尺寸。简单的RFID产品就是一种非接触的IC卡，而复杂的RFID产品能和外部传感器接口连接来测量、记录不同的参数甚至与GPS系统连接来跟踪物体。

1 RFID系统的组成部件

最基本的RFID系统由电子标签、天线和阅读器组成．

1．1电子标签(Tag)

电子标签中存储有能够识别目标的信息，由耦合元件及芯片组成，有的标签内置有天线，用于和射频天线间进行通信．标签中的存储区域可以分为两个区，一个是ID区——每个标签都有一个全球唯一的ID号码，即UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改．另一个是用户数据区，是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作．

1．2 天线(Antenna)

在电子标签和阅读器间传递射频信号．

1．3 阅读器(Reader)

读取(或写入)标签信息的设备，可分为为手持式和固定式两种，阅读器对标签的操作有三类：识别读取UID，读取用户数据，写入用户数据．大部分的RFlD 系统还要有数据传输和处理系统，用于对阅读器发出命令以及对阅读器读取的信息进行处理，以实现对整个系统的控制管理．

2 RFID系统的工作原理

RFID系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的应答器接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。在RFID系统中，阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励应答器。在当前有关的射频约束下，欧洲的大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW，这样的辐射功率在870MHz，可近似达到0.7米。美国、加拿大以及其他一些国家，无需授权的辐射约束为各向同性辐射功率为4W，这样的功率将达到2米的阅读距离，在获得授权的情况下，在美国发射30W的功率将使阅读

区增大到5.5米左右。

3 RFID系统的分类

根据不同的标准，RFID系统有不同的分类方式，下面介绍几种常见的分类方式．3．1根据电子标签的有源和无源

电子标签分为有源电子标签和无源电子标签，有源电子标签内含电池，由有源电子标签构成的系统即前面提到过的主动射频系统——电子标签主动发送某一频率的电磁波，由阅读器进行读取．有源电子标签的识别距离较远，可以达到几十米至上百米，多用于道路交通管理等．由于电池的寿命是有限的，因此有源电子标签的寿命也受到限制．无源电子标签则无内部电源，工作时，依靠阅读器发来的电磁波获得能量，将标签中的信息发送出去．无源电子标签的识别距离较短，一般用于身份识别、门禁管理等，与有源电子标签相比，其寿命也较长。3．2根据电子标签的存储器类型

电子标签中的用户数据部分可以分为三类：只读型、读写型、一次可写型．只读型存储器在出厂时已经写人固定数据，用户不得修改；读写型存储器允许用户进行多次擦写，方便数据更新；一次可写型存储器允许用户写人一次数据，但写入后不得再修改．

5 RFID的工作频段

对一个R兀D系统来说，它的工作频段是指读写器通过天线发送、接收并识别的标签信号频率范围。为了使射频识别系统工作时不对其他无线电服务造成干

扰或削弱，特别是应保证射频识别系统不会干扰附近的无线电广播和电视广播、移动的无线电服务(警察、安全服务、工商业)、航运和航空用无线电服务和移动电话等。射频识别系统工作频率的选择要顾及其他无线电服务，不能对其服务造成干扰和影响。因而通常只能使用特别为工业、科学和医疗(ISM—Industrial —Scientific—Medical)应用而保留的频率范围，这些频率范围在世界范围内是统一划分的。除了ISM频率外，在135kHz以下的整个频率范围也是可用的(在北美洲和南美洲以及在日本：小于400kHz)，因为这里可以用较大的磁场强度工作，特别适用于电感耦合的射频识别系统。因此，对射频识别系统来说，最主要的频率是0～135kHz，以及ISM频率6．78MHZ、13．56MHz、27．125MHz、40．68MHz、433．92MHZ、869．0MHz、860～960MHz、2．45GMHz、5．8GHz以及24．125GHz。根据RFID系统的工作频率不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。

1．低频标签，典型的工作频率125KHZ，134．2KHZ。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

2．高频标签，典型的工作频率为13．56MHz。因其工作原理与低频标签完全相同，也采用电感耦合方式工作。

3．超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433．92MHz、915MHz、2．45GHz、5．8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。

6 RFID的应用

6.1 公共安全

在公共安全领域可以通过应用RND技术加强管理，具体方向包括医药卫生、食品安全、危险品管理、防伪安全、煤矿安全、电子证照、动物标识(涉及公共卫生安全)、门禁管理等。我国的第二代居民身份证其实就是一种电子标签(采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议)，第二代居民身份证与第一代居民身份证比较，克服了不能机读、防伪造和防变造性能差等方面的缺点。此外，第二代居民身份证可以与阅读身份证的机具进行相互认证，通过机读信息进行安全性确认，实现现代化人口信息管理。

6.2 生产管理和控制

用RFID技术在生产流水线上(汽车制造、家电生产、纺织服装等)可以实现自动控制、监视，提高生产率，改进生产方式，节约了成本。例如：德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频技术，尽可能大量地生产用户定制的汽车：用户可以从上万种内部和外部选项中，选定自己所需车的颜色、引擎型号和轮胎式样等。然后，根据用户提出的要求式样而生产的。因此，汽车装配流水线上必须可以装配上百种式样的宝马汽车，如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司的做法是：在其装配流水线上配上RND系统，使用可重复使用的电子标签。该电子标签上带有汽车所需的所有详细的要求，在每个工作点处都有读写器，这样可以保证汽车在各个流水线位置，能准确地完成装配任务。

6.3 现代物流与供应链管理

RFID技术应用在物品的流通环节，可以实现物品跟踪与信息共享，彻底改变了传统的供应链管理模式，提高企业运行效率。具体应用方向包括仓储管理、

物流配送、零售管理、集装箱运输、邮政业务等。例如：全球最大的连锁零售商沃尔玛就已提出采用RFID电子标签系统，要求它的供应商在包装上开始采用RND 技术。采用电子标签使商品管理既方便又快捷，而现今传统的条形码，易磨损，也易伪造，而电子标签则是唯一的号码，即使是同时生产的产品，它们的电子信息都是不同的。由于唧技术的最大特点就是可以同时识别多个电子标签，阅读时间快，所以去超市进行大量商品采购，通过收银台时，只需停留数秒钟，而不用将商品一件件去阅读，大大地缩短了结帐排队的等候时间，只需直接付费。若与超市系统有对接的购物卡，那就更方便了，此时，只要将卡在阅读器上轻轻一放，就能自动扣款。对超市来说，更便于管理，超市可在系统中设定

一个商品数，当商品已售则会实时扣除已售商品，若货物少于设定数，会自动提醒超市管理者，以便及时补货

6.4 交通管理

利用RFID技术对高速移动物体识别的特点，可以对运输工具进行快速有效的定位与统计，方便对车辆的管理和控制。具体应用方向包括公共交通票证、不停车收费、车辆管理及铁路机车、车辆、相关设施管理等。例如：高速公路自动收费系统是中国在射频识别技术方面最成功的应用之一。佛山市政府是我国第一个在高速公路安装RND自动收费系统的单位，整个RFID系统主要用于自动收取路桥费以提高车辆通过率，缓解公路交通瓶颈。RIFD读写设备可以在过往车辆时速达250公里情况下用少于0．5毫秒的时间正确读取识别车辆信息，并且正确率达99．95％。其后是上海市在高速公路上也安装了基于R皿的自动收取养路费系统。其他各省市也陆续有舳自动收费项目实施。高速公路实施RND项目后，可在高速公路不同地段设计安装RFID读写器，实现高速公路对过往车辆的全程监控；另一方面在收费站实现RND不停车收费，节省过往车辆的排队交费时间，充分发挥了高速公路作用。

7 结语

首先，RFID的几个国际标准将会日益融合，最终可能出现统一的国际标准，从EPC ClasslGen2即将成为IS018000-C标准的过程看，这种融合趋势将会进一步加快。其次，RFID将会很好地解决安全与隐私问题。最后电子标签成本会越来越低廉，RFID应用将会日益

普及。以下是未来RFID几个值得研究的技术方向：

（1）基于RFID物流网络的阅读器管理与配置

如何集成不同标准的阅读器，如何在密集信道下对阅读器进行管理和配置，如何对各阅读器进行监测，是当前RFID物流网络研究的一个热点。

（2) RFID高效、快速的识别算法

EPC第二代标签识别速率在美国达到1600个／秒，但标签识别率不高是RFID 的一个技术难点，Auto—Id的试验测试显示：标签的识别率仅为78．41％，贴有标签的托盘识别率也仅为96．75％。影响标签识别率的因素主要有：标签所处环境、标签粘附物体的形状与性质以及防冲突算法的性能。

（3） RFID中间件技术

中间件技术用于RFID数据采集，使用户通过应用程序能够进行RFID系统的远程配置与管理，RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大

的支撑服务，其未来市场每年可达数十亿美元，Microsoft、gun、IBM等大公司已先后进军该领域。主要研究内容包括：并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问、安全和集成技术、进程及会话管理技术等。

从长远看，标准的不统一、价格高以及安全与隐私问题仍然是制约RFID技术推广的主要障碍。目前二代EPC标签价格已降到8美分，但还需要在技术上进一步突破。由于价格因素，RFID虽未成当前的主流供应链应用，但其前景相当乐观。可以预见：未来RFID的市场将会出现一个蓬勃发展的阶段。

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