大海撈針之術(shù)——無線射頻識別技術(shù)的原理及應(yīng)用前景

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：余天   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月02日

作為消費者，你能在一個大型賣場中一眼找到你想要的那個印有紅色玫瑰花的可愛水杯嗎？作為大型倉庫的管理員，你能隨時知道庫存的數(shù)量和每一件物品的確切位置嗎？RFID就是要給你這樣一雙“慧眼”！

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種自動識別技術(shù)，起源于20世紀(jì)80年代，自90年代以來得到了迅速的發(fā)展。它利用無線射頻方式來進(jìn)行非接觸式自動識別，極大地加速了信息的收集和處理，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾、操作快捷等優(yōu)點，因此，與其他的識別技術(shù)相比有更大的應(yīng)用范圍。目前常用的自動識別技術(shù)中，條碼成本最低，適于需求量大且數(shù)據(jù)不必更改的場合，例如商品包裝上就很適宜，但是較易磨損，且數(shù)據(jù)量很小;磁卡的價格相對也很便宜，但是也容易磨損，數(shù)據(jù)量小;ＩＣ卡的價格稍高些，數(shù)據(jù)存儲量很大，數(shù)據(jù)安全性好，但是由于它的觸點暴露在外面，有可能因靜電或人為的原因損壞；而射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此完成識別工作時無需人工干預(yù)，適于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡。

RFID系統(tǒng)有三大構(gòu)件

一般來講，射頻識別系統(tǒng)由三大部分組成:電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和讀寫器。

1. 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有惟一的電子編碼，附著在物體目標(biāo)對象上。電子標(biāo)簽像紙一樣薄, 柔韌可彎曲并可編程，射頻標(biāo)簽內(nèi)編寫的程序可按特殊的應(yīng)用進(jìn)行隨時讀取和改寫。射頻標(biāo)簽也可編入相應(yīng)人員的一些數(shù)據(jù)信息，這些人員的數(shù)據(jù)信息可依據(jù)需要進(jìn)行分類管理，并可隨不同的需要制作新卡，射頻標(biāo)簽中的內(nèi)容被改寫的同時也可以被永久鎖死保護(hù)起來。通常標(biāo)簽芯片體積很小，厚度一般不超過0.35mm，可以印制在紙張、塑料、木材、玻璃、紡織品等包裝材料上，也可以直接制作在商品標(biāo)簽上，通過自動貼標(biāo)簽機(jī)進(jìn)行自動貼標(biāo)。

從能量方面來看，標(biāo)簽可以分為兩種：無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽自身不帶有電源，當(dāng)讀取裝置對標(biāo)簽進(jìn)行讀取時，所發(fā)射出的無線電接觸到RFID標(biāo)簽的天線后產(chǎn)生電量。它的重量輕、體積小，壽命可以很長，但是發(fā)射距離受限。有源標(biāo)簽使用卡內(nèi)的電池能量，識別的距離長，但是它的價格較高且壽命短。

從功能方面來看，可將RFID標(biāo)簽分為四種：只讀標(biāo)簽、可重寫標(biāo)簽、帶微處理器標(biāo)簽和配有傳感器的標(biāo)簽。只讀型標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)功能最簡單，包含的信息較少并且不能被更改；可重寫型標(biāo)簽集成了容量為幾十字節(jié)到幾萬個字節(jié)的閃存，標(biāo)簽內(nèi)的信息能被更改或重寫，只讀型和可重寫型標(biāo)簽都主要應(yīng)用于物流系統(tǒng)以及生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)和行李控制系統(tǒng)中；帶微處理器標(biāo)簽依靠內(nèi)置式只讀存儲器中儲存的操作系統(tǒng)和程序來工作，出于安全的目的，許多標(biāo)簽都同時具備加密電路，現(xiàn)在這類標(biāo)簽主要應(yīng)用于非接觸型IC卡上，既用于電子結(jié)算、出入管理，也可用作會員卡；有些RFID標(biāo)簽集成了傳感器，包括溫度傳感器或壓力傳感器等，目前這類標(biāo)簽主要用于動物個體識別和輪胎管理上。

按調(diào)制方式來分，電子標(biāo)簽還可分為主動式標(biāo)簽和被動式標(biāo)簽。主動式標(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；被動式標(biāo)簽使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自己的信號，在門禁或交通的應(yīng)用中適宜。

2. 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理、對卡進(jìn)行讀寫控制，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以是市面上現(xiàn)有的各種大小不一的數(shù)據(jù)庫或供應(yīng)鏈系統(tǒng)，用戶還能夠買到面向特定行業(yè)的高度專業(yè)化的庫存數(shù)據(jù)庫，或者把RFID系統(tǒng)當(dāng)成整個企業(yè)ERP的一部分。如果應(yīng)用情況比較特殊，甚至可以自己動手編寫數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件，采用PC機(jī)或者是終端機(jī)來完成。

3. 讀寫器

讀寫器是負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，讀寫器可以是單獨的整體，也可以作為部件的形式嵌入到其他系統(tǒng)中去。它可以單獨具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可與計算機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對射頻標(biāo)簽的操作。讀寫器由兩個基本的功能塊組成：控制系統(tǒng)和由發(fā)送器及接收器組成的高頻接口。讀寫器高頻接口的功能包括：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，為啟動電子標(biāo)簽提供能量；對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給電子標(biāo)簽；接收并解調(diào)來自電子標(biāo)簽的高頻信號。讀寫器控制單元的功能包括：與應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與電子標(biāo)簽的通信過程；信號的編碼與解碼。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，控制單元還要執(zhí)行反碰撞算法，同時對電子標(biāo)簽與讀寫器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，并且進(jìn)行電子標(biāo)簽和讀寫器之間的身份驗證。讀寫器可將主機(jī)的讀寫命令傳到電子標(biāo)簽，再把從主機(jī)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(jī)。讀寫器將要發(fā)送的信號，經(jīng)編碼后加載在特定頻率的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號，然后標(biāo)簽內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀取命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼后經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)的天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至計算機(jī)處理;若是修改信息的寫入命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，對標(biāo)簽中的內(nèi)容進(jìn)行改寫。

電感耦合的妙用

絕大多數(shù)射頻識別系統(tǒng)是按電感耦合的原理工作的，讀寫器在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的控制下發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息，該信息被讀寫器讀取并解碼后送至管理系統(tǒng)（一般是電腦主機(jī)）進(jìn)行有關(guān)處理，這一信息的收集處理過程是以無線方式進(jìn)行的。

通常讀寫器發(fā)送射頻信號時所使用的頻率被稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率，基本上劃分為3個范圍：低頻(30kHz～300kHz)、高頻(3MHz～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)，低頻和中頻主要適用于距離短、成本低的應(yīng)用中，而高頻系統(tǒng)則適用于識別距離長、讀寫數(shù)據(jù)速率高的場合。常見的工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz及高頻13.56MHz等，正常情況下，頻率越高，讀寫的速度就越快。

就射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式來分，分為全雙工和半雙工系統(tǒng)以及時序系統(tǒng)。在全雙工和半雙工系統(tǒng)中，因為與讀寫器本身的信號相比，電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號在接收天線上是很弱的，所以必須使用合適的傳輸方法，從而將標(biāo)簽的應(yīng)答信號和讀寫器的信號區(qū)別開來。另外，在這兩種系統(tǒng)中，從讀寫器到應(yīng)答器的能量傳輸是連續(xù)的，與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。在實踐中，人們對從應(yīng)答器到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸使用負(fù)載調(diào)制，有負(fù)載波的負(fù)載調(diào)制還有閱讀器發(fā)射頻率的諧波。

時序方法則與之相反，讀寫器的電磁場周期性地斷開，這些間隔被電子標(biāo)簽識別出來，并被應(yīng)用于標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸，時序方法的缺點是在讀寫器發(fā)生間歇的時候，應(yīng)答標(biāo)簽的能量供應(yīng)中斷，這樣就必須通過裝入足夠大的輔助電容或輔助電池進(jìn)行能量的補償。在充電過程中，電子標(biāo)簽的芯片切換到省電或備用模式，從而使接收到的能量幾乎完全用于充電電容器的充電。充電結(jié)束后，標(biāo)簽芯片上的振蕩器被激活，其產(chǎn)生的弱交變磁場能被讀寫器所接收，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，激活放電模式以使充電電容完全放電。

對一個電感耦合的射頻識別系統(tǒng)的頻率來說，應(yīng)該考慮到一些供使用的頻率范圍的特性，對不同的頻率范圍可以得出下面的適用范圍：

（1） 小于135KHz的頻率優(yōu)先適用于低成本的電子標(biāo)簽。在這種情況下，高功率可供標(biāo)簽使用，比較低的時鐘頻率使得標(biāo)簽的功率消耗較低。

（2） 6.78MHz的頻率可用于低成本和中等速率的電子標(biāo)簽。同13.56MHz相比，其時鐘頻率僅為后者的一半。

（3） 13.56MHz的頻率可用于高速/高檔或中速/低檔的應(yīng)用。它的特點是數(shù)據(jù)傳輸快，典型值是106Kbits/s，時鐘頻率高 。

（4） 27.125MHz的頻率適合于特殊的應(yīng)用。它的特點是帶寬大，數(shù)據(jù)傳輸很快，典型值是424Kbits/s，時鐘頻率高，同13.56MHz相比，可供使用的功率較小，另外它只適用于短距離。

在運用射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時，很容易遇上干擾，使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生改變從而導(dǎo)致傳輸錯誤的產(chǎn)生，校驗方法可以用來識別傳輸錯誤，并啟動校驗措施，最常使用的校驗方法是奇偶校驗法以及縱向冗余校驗法和循環(huán)冗余碼校驗法。奇偶校驗法在數(shù)據(jù)傳輸前必須確定是采用偶數(shù)校驗還是奇數(shù)校驗，以保證發(fā)送器和接收器都采用同樣的方法進(jìn)行校驗，它的算法簡單且被廣泛使用?？v向冗余校驗算法則主要用于快速校驗很小的數(shù)據(jù)塊。循環(huán)冗余碼校驗法不能校正錯誤，但是它能夠以很大的可靠性識別傳輸錯誤。

在射頻識別系統(tǒng)中，不能排除在讀寫器范圍內(nèi)存在多個電子標(biāo)簽的情況，于是系統(tǒng)中存在兩種通信形式：從讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸，即讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)流被覆蓋范圍內(nèi)的多個標(biāo)簽所接收，這種通信形式也被稱為無線電廣播；在讀寫器的作用范圍內(nèi)有多個標(biāo)簽同時向它發(fā)送數(shù)據(jù)，這種形式被稱為多路存取。在后一種通信形式中，為了防止由于多個電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)在讀寫器的接收機(jī)中相互碰撞而不能準(zhǔn)確讀出，必須采用反碰撞方法來加以克服。反碰撞方法大概可以分為四種：空分多路法，是在分離的空間范圍內(nèi)重新使用確定的資源;頻分多路法，是把可使用的載波頻率分成多個部分，這樣同時傳輸多個傳輸通路供多個標(biāo)簽用戶使用；時分多路法，把整個可供使用的通路容量按時間分片分配給多個用戶。

機(jī)遇與困難并存

盡管RFID技術(shù)在很多領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景，并且已經(jīng)逐漸在一些領(lǐng)域開始應(yīng)用，但要讓這項技術(shù)被廣泛采用還需要解決幾方面的問題。首先，RFID標(biāo)簽必須使用起來更加方便；其次，標(biāo)簽和用于讀寫的裝置的成本必須降低;另外，工業(yè)界還要考慮改善用戶界面和利用新的頻帶；此外還要大力推動技術(shù)的發(fā)展以便能方便地處理由標(biāo)簽生成的海量信息。

RFID要想在對信息有保密要求的領(lǐng)域展開應(yīng)用，還面臨著信息安全方面的障礙，因為當(dāng)前RFID電子標(biāo)簽中惟一的標(biāo)識符很容易被人復(fù)制，這樣一來，標(biāo)簽中所包含的個人信息或者企業(yè)的商業(yè)機(jī)密，都有可能被人盜竊，從而帶來無法估量的損失。另外，RFID的基本驗證機(jī)制也存在嚴(yán)重的安全缺陷，因為當(dāng)前的無源RFID系統(tǒng)沒有讀寫能力，所以無法使用公鑰/私鑰對、用來驗證口令的發(fā)問/應(yīng)答機(jī)制以及其他的各種主動驗證方法。電子標(biāo)簽一旦處于讀寫器的讀取范圍內(nèi)，它就會無條件地將包含信息的信號發(fā)射出去，而不論讀寫器是否有對該標(biāo)簽進(jìn)行讀寫的權(quán)利。如果標(biāo)簽是有源的，并且會收到不斷變化的驗證密鑰，那將會大大提高其安全性，不過這又會增加其成本，這方面還有待進(jìn)一步研究。

雖然存在以上的幾個問題，RFID仍然有著條形碼技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢，尤其在需要對物品進(jìn)行跟蹤或分類管理的場合更是如此，因此眾多商家對RFID技術(shù)的前景仍然看好，認(rèn)為其最終將取代傳統(tǒng)條形碼。

現(xiàn)在，零售商品的識別大多是采用條形碼來實現(xiàn)，在商品被出售時，通過條碼識別器進(jìn)行識別，條碼的數(shù)據(jù)在整個流通過程中只識別一次。而另一方面，RFID不需要人工去識別標(biāo)簽，讀寫器只需250毫秒就可以從射頻標(biāo)簽中讀出與商品相關(guān)的數(shù)據(jù)，有一些讀寫器甚至可以每秒讀取200個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，這比傳統(tǒng)掃描方式要快1000倍。

但即便是在零售業(yè)，RFID技術(shù)也只是剛開始發(fā)揮其潛力。由于沃爾瑪公司要求供應(yīng)商在2006年前必須采用射頻識別技術(shù)，眾多應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)商紛紛升級程序，Sun、SAP、甲骨文、IBM等公司都開始在其主流產(chǎn)品中集成射頻鑒別技術(shù)。

隨著社會信息化程度的提高，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是在眾多商家的大力推動下，RFID技術(shù)的應(yīng)用將會逐漸滲透到社會生活的方方面面，它將具有廣闊的發(fā)展前景。