初识射频识别技术RFID

newmaker

欢迎访问e展厅 展厅 6 数据采集/无线通讯展厅 通讯卡, 数据采集卡, 无线通讯模块, 远程监控系统, RFID, 信号隔离器, 转换器... 频识别技术RFID（Radio Frequency Identification Technology）是从二十世纪九十年代开始兴起的一项自动识别技术。与其它自动识别系统一样，它也是由信息载体、信息获取装置组成。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。它和同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它的应用场合更广泛。 射频识别技术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，可工作于各种恶劣环境。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。超高频段由于其识读距离长和传输速度快，产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或车辆管理等。 RFID系统组成 最基本的RFID系统基本上由三部分组成：电子标签、阅读器和天线(Antenna)。 电子标签是射频识别系统的核心，又称为射频标签，其英文名为TAG，也有称为LABEL的。电子标签是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，射频标签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；当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。依据射频标签供电方式的不同，可以分为有源（Active Tag）和无源（Passive Tag）,有源标签内装有电池，无源标签内部没有电池。 阅读器是读或读/写电子标签的电子装置，有时也被称为读写器（Reading Device）、查询器（Interrogator）、通讯器或称为读出装置，用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，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。在标签和阅读器间传递射频信号，读写器的天线可以内置也可以外置。 RFID系统的工作原理 RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，图1所示便是RFID感应技术的基本原理图。 对于无源标签，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。在电磁场系统中，阅读器（Reader）发出一个电磁（EM）波，电磁波以一个球形波向前传播。电子标签位于电磁场中，淹没在这样传播的电磁波中并从中收集一些能量。在任何一个点上，可用能量的大小与该点距发射机的距离有关。 在目前有关的射频约束下，在大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW，这样的辐射功能在915MHz，可近似达到1米。 有源标签由于内部装有电池，可以主动地向读写器发送射频信号，一般读写距离比较远。无源标签和有源标签不同的特点使得它们可以用在不同需要的场合，表1是无源标签和有源标签之间的比较。 RFID发展现状 目前RFID的研究主要围绕RFID技术标准、RFID标签成本、RFID技术和RFID应用系统等多个方面展开。 RFID技术标准 作为一种将深入影响每个人日常生活的技术，为了实现对世界范围内的物品进行统一管理，同时也为了规范标签及读写器的开发工作，解决RFID系统的互联和兼容问题，必须对RFID技术进行规范。RFID的标准化是目前亟需解决的重要问题，各国及相关国际组织都在积极推进RFID技术标准的制定，但目前尚未形成完善的关于RFID的国际和国内标准。 RFID的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部分。其中标识编码规范包括标识长度、编码方法等；操作协议包括空中接口、命令集合、操作流程等规范。目前主要的RFID相关规范有欧美的EPC规范、日本的UID（Ubiquitous ID）规范和ISO 18000系列标准，其中ISO标准主要定义标签和阅读器之间互操作的空中接口。 EPC规范由Auto-ID中心及后来成立的EPCglobal负责制定。Auto-ID中心于1999年由美国麻省理工大学（MIT）发起成立，其目标是创建全球“实物互联”网（Internet Ofthings），该中心得到了美国政府和企业界的广泛支持。2003年10月，成立了新的EPCglobal组织接替以前Auto-ID中心的工作，管理和发展EPC规范。关于标签，EPC规范已经颁布第一代规范。规范把标签细分为Class 0、Class 1、Class 2三种。其中Class 0和Class 1标签都是一次写入多次读取标签。Class 0标签只能由厂商写入信息，用户无法修改，因而又称为只读标签，主要用于供应链管理。Class 1则提供了更多的灵活性，信息可由用户写入一次。Class 0和Class 1标签采用不同的空中接口标准进行通信，因此两类标签不能互操作。Class 2标签具备多次写入能力，并增加了部分存储空间用于存储用户的附加数据。 Class 2标签允许加入安全与访问控制、感知网络和Ad hoc网络等功能支持。目前EPCglobal正在制定第二代标签标准，即UHF Class 1 Generation 2（Gen2）。Gen2具有随时更新标签内容的能力，保证标签始终保存最新信息。EPC规范1.0版本目前包括EPC Tag数据规范、Class 0（900MHz）标签规范、Class 1（860MHz～930MHz）标签射频与逻辑通讯接口规范、物理标识语言（Physical Markup Language，PML）。 UID规范由日本泛在ID中心负责制定，该中心由T-Engine论坛发起成立，其目标是建立和推广物品自动识别技术并最终构建一个无所不在的计算环境。该规范对频段没有强制要求，标签和读写器都是多频段设备，能同时支持13.56MHz或2.45GHz频段。UID标签泛指所有包含ucode码的设备，如条码、RFID标签、智能卡和主动芯片等，并定义了9种不同类别的标签。与RFID标签相关的包括：Class 1只读RFID标签、Class 2可读写RFID标签、Class 5带电源RFID标签。除了标签，UID网络还包含另两个关键部分：一是读取标签的终端，称为普适通信器（Ubiquitous Communicators，UCs），它除了能和标签通信外，还提供3G、PHS、802.11等多种接入方式与广域网上的信息服务器相连；另一个是ucode解析服务器，提供由ucode获取信息服务器地址的功能。 EPC编码目前有三个版本，其主要区别在于编码长度不同，分别为64位、96位和256位。使用64位编码的目的是为了减少Tag存储量，从而降低Tag生产成本。96位编码则为取得性能与成本之间的平衡。但为了满足为世界上任意物体提供标识的目标，则必须采用至少256位编码。三个版本的EPC编码都由统一的四个域组成，依次为：版本号、管理域（对应生产厂家）、类别（商品种类）以及序列号（标识单件物品）。 UID编码长度为128位，根据需要能够扩展为256、384或512位。UID编码由三个字段组成：其中编码类别标识用于兼容现有的编码标准，如EAN、UPC、ISBN等；某种编码标准的编码内容主要用于识别某类商品；唯一标识则用于标识某类商品的具体个体。 RFID技术研究 当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、防冲突技术和安全与隐私保护等方面。 工作频率选择是RFID技术中的一个关键问题，工作频率的选择既要适应各种不同应用需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定。当前RFID工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标签与读写器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。 低频频段能量相对较低、数据传输率较小、无线覆盖范围受限。为扩大无线覆盖范围，必须扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围小，但天线的方向性不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。低频频段可采用1～2个天线，以实现无线作用范围的全区域覆盖。此外，低频段电子标签的成本相对较低，且具有卡状、环状、钮扣状等多种形状。 高频频段能量相对较高，适于长距离应用。低频功率损耗与传播距离的立方成正比，而高频功率损耗与传播距离的平方成正比，由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖。高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。 防冲突技术研究 鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范围内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息传输过程将产生冲突，导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突，Colorwave算法可以解决阅读器冲突问题。根据电子标签工作频段的不同，人们提出了不同的防冲突算法。 对于标签冲突，在高频（HF）频段，标签的防冲突算法一般采用经典的ALOHA协议。使用ALOHA协议的标签，通过选择经过一个随机时间向读写器传送信息的方法来避免冲突。绝大多数高频读写器能同时扫描几十个电子标签。在超高频（UHF）频段，主要采用树分叉算法来避免冲突，同采用ALOHA协议的高频频段电子标签相比，树分叉算法泄漏的信息较多，安全性较差。 上面两种标签防冲突方法均属于时分多址访问（TDMA）方式，应用比较广泛。除此之外，目前还有人提出了频分多址访问（FDMA）和码分多址访问（CDMA）方式的防冲突算法，主要应用于超高频和微波等宽带应用领域。 安全与隐私问题 RFID安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范对RFID系统的攻击以及利用RFID技术进行安全防范等多个方面。 ◆ 保证用户对标签的拥有信息不被未经授权访问，以保护用户在消费习惯、个人行踪等方面的隐私 ◆ 避免由于RFID系统读取速度快，可以迅速对超市中所有商品进行扫描并跟踪变化，而被利用来窃取用户商业机密 ◆ 防护对RFID系统各类攻击，如重写标签以窜改物品信息、使用特制设备伪造标签应答欺骗读写器以制造物品存在的假相、根据RFID前后向信道的不对称性远距离窃听标签信息 ◆ 通过干扰RFID工作频率实施拒绝服务攻击；通过发射特定电磁波破坏标签等；如何把RFID的唯一标识特性用于门禁安防、支票防伪、产品防伪等 RFID应用 射频识别技术已经被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。 ◆ 现代物流中的运用 物流过程中，标签装载着物流信息并附着于物流单元上，保证表示信息与实物同步，识读器则成为物流单元与信息系统的纽带。自动识别技术在物流中的作用显而易见，可以实现货物的先入先出、实时化管理仓库、计算机自动采集形成图形化管理，优化了业务流程，极大的提高了工作效率。 ◆ 铁路车次识别系统 铁路车号自动识别系统是铁道部经过多年酝酿、反复论证方案、考验系统设备之后上马的一个基础信息系统工程（简称ATIS）。通过该系统的设施，在全国数千个信息采集点（地面AEI设备）上，可及时准确地获得通过列车的车次，每节车辆的车号以及列车的到发信息，从而为实现全国货车、机车、列车、集装箱追踪管理打下基础。此外，还可满足TMIS等管理系统对列车，车辆等基础信息的需求，最终实现运输作业管理现代化、网络化和资源共享，使铁路运输早日实现现代化管理。 ◆ 公路运输收费管理 采用RFID技术后，安装电子标签的车辆能以200Km/H以内的速度通过收费口，读出设备可快速、准确地记录通过车辆的编号或账户信息，实现高速公路通行费的自动征收与管理。 ◆ 人员车辆出入管理 射频识别系统可以应用于大型停车场、军事重地、金融系统等地方的人员出入管理。将与名片大小相仿的电子标签贴附在汽车风挡玻璃或挂在人的身上，当有人员或车经过阅读器时，阅读器即可快速、准确地记录下所通过的车辆或人员信息及通过的时间。同时还可以对是否允许通过做出判断，自动控制出入大门开关，做到出入严格管理。 射频识别还可广泛应用于矿山、油田、化工厂、核工厂等一些重要、危险区域或单位。对出入人员进行自动登记，包括身份代码、进出时间等，从而大大增加了安全系数。此外，射频识别也可应用于博物馆、商店、实验室以及医院病区管理，监视病人出入等。 作为全球的制造业基地，中国的RFID应用市场前景将是不可估量的。射频识别技术在国内还处于一个刚刚起步的阶段，但是其发展潜力是巨大的。在信息社会，对于各种信息的获取及处理，要求快速、准确，在不久的将来，RFID技术将同其他识别技术一样，深入到人们生活的各个领域。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/4/2008)