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

文章出處：http://coolbang.cn 作者：余天   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月02日

作為消費(fèi)者，你能在一個(gè)大型賣場(chǎng)中一眼找到你想要的那個(gè)印有紅色玫瑰花的可愛水杯嗎？作為大型倉(cāng)庫(kù)的管理員，你能隨時(shí)知道庫(kù)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(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種自動(dòng)識(shí)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(dòng)識(shí)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(qiáng)、抗干擾、操作快捷等優(yōu)點(diǎn)，因此，與其他的識(shí)別技術(shù)相比有更大的應(yīng)用范圍。目前常用的自動(dòng)識(shí)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(chǎng)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(jià)格相對(duì)也很便宜，但是也容易磨損，數(shù)據(jù)量小;ＩＣ卡的價(jià)格稍高些，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量很大，數(shù)據(jù)安全性好，但是由于它的觸點(diǎn)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(diǎn)就在于非接觸，因此完成識(shí)別工作時(shí)無需人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)射頻卡。

RFID系統(tǒng)有三大構(gòu)件

一般來講，射頻識(shí)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(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子編碼，附著在物體目標(biāo)對(duì)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(shí)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(shí)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(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)進(jìn)行自動(dòng)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(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)，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(zhǎng)，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(shí)別的距離長(zhǎng)，但是它的價(jià)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(jiǎn)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(wàn)個(gè)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?jī)?nèi)置式只讀存儲(chǔ)器中儲(chǔ)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(shí)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(huì)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(dòng)物個(gè)體識(shí)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(dòng)式標(biāo)簽和被動(dòng)式標(biāo)簽。主動(dòng)式標(biāo)簽用自身的射頻能量主動(dòng)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(dòng)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(hào)，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(chǔ)及管理、對(duì)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(kù)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(kù)存數(shù)據(jù)庫(kù)，或者把RFID系統(tǒng)當(dāng)成整個(gè)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(dòng)手編寫數(shù)據(jù)庫(kù)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(dú)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(dú)具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可與計(jì)算機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對(duì)射頻標(biāo)簽的操作。讀寫器由兩個(gè)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(dòng)電子標(biāo)簽提供能量；對(duì)發(fā)射信號(hào)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(hào)。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(hào)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(shí)對(duì)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(yàn)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(hào)，經(jīng)編碼后加載在特定頻率的載波信號(hào)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(hào)，然后標(biāo)簽內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)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(chǔ)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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至計(jì)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(duì)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(shí)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(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)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(hào)時(shí)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(gè)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(shí)別距離長(zhǎng)、讀寫數(shù)據(jù)速率高的場(chǎng)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(shí)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(shí)序系統(tǒng)。在全雙工和半雙工系統(tǒng)中，因?yàn)榕c讀寫器本身的信號(hào)相比，電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)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(hào)和讀寫器的信號(hào)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(shí)踐中，人們對(duì)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(shí)序方法則與之相反，讀寫器的電磁場(chǎng)周期性地?cái)嚅_，這些間隔被電子標(biāo)簽識(shí)別出來，并被應(yīng)用于標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)序方法的缺點(diǎn)是在讀寫器發(fā)生間歇的時(shí)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(bǔ)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(chǎng)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(duì)一個(gè)電感耦合的射頻識(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸快，典型值是106Kbits/s，時(shí)鐘頻率高 。

（4） 27.125MHz的頻率適合于特殊的應(yīng)用。它的特點(diǎn)是帶寬大，數(shù)據(jù)傳輸很快，典型值是424Kbits/s，時(shí)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(yùn)用射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，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(cuò)誤的產(chǎn)生，校驗(yàn)方法可以用來識(shí)別傳輸錯(cuò)誤，并啟動(dòng)校驗(yàn)措施，最常使用的校驗(yàn)方法是奇偶校驗(yàn)法以及縱向冗余校驗(yàn)法和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)法。奇偶校驗(yàn)法在數(shù)據(jù)傳輸前必須確定是采用偶數(shù)校驗(yàn)還是奇數(shù)校驗(yàn)，以保證發(fā)送器和接收器都采用同樣的方法進(jìn)行校驗(yàn)，它的算法簡(jiǎn)單且被廣泛使用?？v向冗余校驗(yàn)算法則主要用于快速校驗(yàn)很小的數(shù)據(jù)塊。循環(huán)冗余碼校驗(yàn)法不能校正錯(cuò)誤，但是它能夠以很大的可靠性識(shí)別傳輸錯(cuò)誤。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，不能排除在讀寫器范圍內(nèi)存在多個(gè)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(gè)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(gè)標(biāo)簽同時(shí)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(gè)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(gè)部分，這樣同時(shí)傳輸多個(gè)傳輸通路供多個(gè)標(biāo)簽用戶使用；時(shí)分多路法，把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分片分配給多個(gè)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(xiàng)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(dòng)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(duì)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?yàn)楫?dāng)前RFID電子標(biāo)簽中惟一的標(biāo)識(shí)符很容易被人復(fù)制，這樣一來，標(biāo)簽中所包含的個(gè)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(yàn)證機(jī)制也存在嚴(yán)重的安全缺陷，因?yàn)楫?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(duì)、用來驗(yàn)證口令的發(fā)問/應(yīng)答機(jī)制以及其他的各種主動(dòng)驗(yàn)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(huì)無條件地將包含信息的信號(hào)發(fā)射出去，而不論讀寫器是否有對(duì)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(huì)收到不斷變化的驗(yàn)證密鑰，那將會(huì)大大提高其安全性，不過這又會(huì)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(gè)問題，RFID仍然有著條形碼技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其在需要對(duì)物品進(jìn)行跟蹤或分類管理的場(chǎng)合更是如此，因此眾多商家對(duì)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(shí)別大多是采用條形碼來實(shí)現(xiàn)，在商品被出售時(shí)，通過條碼識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，條碼的數(shù)據(jù)在整個(gè)流通過程中只識(shí)別一次。而另一方面，RFID不需要人工去識(shí)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(gè)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(shí)別技術(shù)，眾多應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)商紛紛升級(jí)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(huì)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(dòng)下，RFID技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)逐漸滲透到社會(huì)生活的方方面面，它將具有廣闊的發(fā)展前景。