大海撈針之術——無線射頻識別技術的原理及應用前景

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：余天   人氣： 發表時間：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（Radio Frequency Identification）是一種自動識別技術，起源于20世紀80年代，自90年代以來得到了迅速的發展。它利用無線射頻方式來進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、適應環境能力強、抗干擾、操作快捷等優點，因此，與其他的識別技術相比有更大的應用范圍。目前常用的自動識別技術中，條碼成本最低，適于需求量大且數據不必更改的場合，例如商品包裝上就很適宜，但是較易磨損，且數據量很小;磁卡的價格相對也很便宜，但是也容易磨損，數據量小;ＩＣ卡的價格稍高些，數據存儲量很大，數據安全性好，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；而射頻卡最大的優點就在于非接觸，因此完成識別工作時無需人工干預，適于實現自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡。

RFID系統有三大構件

一般來講，射頻識別系統由三大部分組成:電子標簽、數據管理系統和讀寫器。

1. 電子標簽

電子標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有惟一的電子編碼，附著在物體目標對象上。電子標簽像紙一樣薄, 柔韌可彎曲并可編程，射頻標簽內編寫的程序可按特殊的應用進行隨時讀取和改寫。射頻標簽也可編入相應人員的一些數據信息，這些人員的數據信息可依據需要進行分類管理，并可隨不同的需要制作新卡，射頻標簽中的內容被改寫的同時也可以被永久鎖死保護起來。通常標簽芯片體積很小，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簽上，通過自動貼標簽機進行自動貼標。

從能量方面來看，標簽可以分為兩種：無源標簽和有源標簽。無源標簽自身不帶有電源，當讀取裝置對標簽進行讀取時，所發射出的無線電接觸到RFID標簽的天線后產生電量。它的重量輕、體積小，壽命可以很長，但是發射距離受限。有源標簽使用卡內的電池能量，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標簽分為四種：只讀標簽、可重寫標簽、帶微處理器標簽和配有傳感器的標簽。只讀型標簽的結構功能最簡單，包含的信息較少并且不能被更改；可重寫型標簽集成了容量為幾十字節到幾萬個字節的閃存，標簽內的信息能被更改或重寫，只讀型和可重寫型標簽都主要應用于物流系統以及生產過程管理系統和行李控制系統中；帶微處理器標簽依靠內置式只讀存儲器中儲存的操作系統和程序來工作，出于安全的目的，許多標簽都同時具備加密電路，現在這類標簽主要應用于非接觸型IC卡上，既用于電子結算、出入管理，也可用作會員卡；有些RFID標簽集成了傳感器，包括溫度傳感器或壓力傳感器等，目前這類標簽主要用于動物個體識別和輪胎管理上。

按調制方式來分，電子標簽還可分為主動式標簽和被動式標簽。主動式標簽用自身的射頻能量主動地發送數據給讀寫器，主要用于有障礙物的應用中；被動式標簽使用調制散射方式發射數據，它必須利用讀寫器的載波來調制自己的信號，在門禁或交通的應用中適宜。

2. 數據管理系統

數據管理系統主要完成數據信息的存儲及管理、對卡進行讀寫控制，數據管理系統可以是市面上現有的各種大小不一的數據庫或供應鏈系統，用戶還能夠買到面向特定行業的高度專業化的庫存數據庫，或者把RFID系統當成整個企業ERP的一部分。如果應用情況比較特殊，甚至可以自己動手編寫數據庫應用軟件，采用PC機或者是終端機來完成。

3. 讀寫器

讀寫器是負責讀取或寫入標簽信息的設備，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中去。它可以單獨具有讀寫、顯示、數據處理等功能，也可與計算機或其他系統進行聯合，完成對射頻標簽的操作。讀寫器由兩個基本的功能塊組成：控制系統和由發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：產生高頻的發射功率，為啟動電子標簽提供能量；對發射信號進行調制，用于將數據傳送給電子標簽；接收并解調來自電子標簽的高頻信號。讀寫器控制單元的功能包括：與應用軟件進行通信，并執行應用系統軟件發來的命令；控制與電子標簽的通信過程；信號的編碼與解碼。在一些復雜的系統中，控制單元還要執行反碰撞算法，同時對電子標簽與讀寫器之間要傳送的數據進行加密和解密，并且進行電子標簽和讀寫器之間的身份驗證。讀寫器可將主機的讀寫命令傳到電子標簽，再把從主機發往電子標簽的數據加密，將電子標簽返回的數據解密后送到主機。讀寫器將要發送的信號，經編碼后加載在特定頻率的載波信號上經天線向外發送，進入讀寫器工作區域的電子標簽接收此脈沖信號，然后標簽內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀取命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼后經標簽內的天線發送給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至計算機處理;若是修改信息的寫入命令，有關控制邏輯引起的內部電荷泵提升工作電壓，對標簽中的內容進行改寫。

電感耦合的妙用

絕大多數射頻識別系統是按電感耦合的原理工作的，讀寫器在數據管理系統的控制下發送出一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發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（一般是電腦主機）進行有關處理，這一信息的收集處理過程是以無線方式進行的。

通常讀寫器發送射頻信號時所使用的頻率被稱為RFID系統的工作頻率，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、成本低的應用中，而高頻系統則適用于識別距離長、讀寫數據速率高的場合。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。

就射頻識別系統的基本工作方式來分，分為全雙工和半雙工系統以及時序系統。在全雙工和半雙工系統中，因為與讀寫器本身的信號相比，電子標簽的應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，從而將標簽的應答信號和讀寫器的信號區別開來。另外，在這兩種系統中，從讀寫器到應答器的能量傳輸是連續的，與數據傳輸的方向無關。在實踐中，人們對從應答器到讀寫器的數據傳輸使用負載調制，有負載波的負載調制還有閱讀器發射頻率的諧波。

時序方法則與之相反，讀寫器的電磁場周期性地斷開，這些間隔被電子標簽識別出來，并被應用于標簽到讀寫器的數據傳輸，時序方法的缺點是在讀寫器發生間歇的時候，應答標簽的能量供應中斷，這樣就必須通過裝入足夠大的輔助電容或輔助電池進行能量的補償。在充電過程中，電子標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。充電結束后，標簽芯片上的振蕩器被激活，其產生的弱交變磁場能被讀寫器所接收，當所有的數據發送完后，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的頻率來說，應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的頻率優先適用于低成本的電子標簽。在這種情況下，高功率可供標簽使用，比較低的時鐘頻率使得標簽的功率消耗較低。

（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/低檔的應用。它的特點是數據傳輸快，典型值是106Kbits/s，時鐘頻率高 。

（4） 27.125MHz的頻率適合于特殊的應用。它的特點是帶寬大，數據傳輸很快，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。

在運用射頻技術傳輸數據時，很容易遇上干擾，使傳輸數據發生改變從而導致傳輸錯誤的產生，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冗余碼校驗法。奇偶校驗法在數據傳輸前必須確定是采用偶數校驗還是奇數校驗，以保證發送器和接收器都采用同樣的方法進行校驗，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據塊。循環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。

在射頻識別系統中，不能排除在讀寫器范圍內存在多個電子標簽的情況，于是系統中存在兩種通信形式：從讀寫器到電子標簽的數據傳輸，即讀寫器發送的數據流被覆蓋范圍內的多個標簽所接收，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有多個標簽同時向它發送數據，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簽的數據在讀寫器的接收機中相互碰撞而不能準確讀出，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。

機遇與困難并存

盡管RFID技術在很多領域都具有良好的應用前景，并且已經逐漸在一些領域開始應用，但要讓這項技術被廣泛采用還需要解決幾方面的問題。首先，RFID標簽必須使用起來更加方便；其次，標簽和用于讀寫的裝置的成本必須降低;另外，工業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的發展以便能方便地處理由標簽生成的海量信息。

RFID要想在對信息有保密要求的領域展開應用，還面臨著信息安全方面的障礙，因為當前RFID電子標簽中惟一的標識符很容易被人復制，這樣一來，標簽中所包含的個人信息或者企業的商業機密，都有可能被人盜竊，從而帶來無法估量的損失。另外，RFID的基本驗證機制也存在嚴重的安全缺陷，因為當前的無源RFID系統沒有讀寫能力，所以無法使用公鑰/私鑰對、用來驗證口令的發問/應答機制以及其他的各種主動驗證方法。電子標簽一旦處于讀寫器的讀取范圍內，它就會無條件地將包含信息的信號發射出去，而不論讀寫器是否有對該標簽進行讀寫的權利。如果標簽是有源的，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所無法比擬的優勢，尤其在需要對物品進行跟蹤或分類管理的場合更是如此，因此眾多商家對RFID技術的前景仍然看好，認為其最終將取代傳統條形碼。

現在，零售商品的識別大多是采用條形碼來實現，在商品被出售時，通過條碼識別器進行識別，條碼的數據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簽，讀寫器只需250毫秒就可以從射頻標簽中讀出與商品相關的數據，有一些讀寫器甚至可以每秒讀取200個標簽的數據，這比傳統掃描方式要快1000倍。

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

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