射频识别技术

射频识别技术 1 射频识别(RFID)技术及其应用 李锦涛 郭俊波 罗海勇 曹岗 冯波 陈益强 1 引言 射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，又称电子标签(E-Tag)，是一种利 用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID 最早的应用可追溯到第二次世 界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统[1]。随着技术的进步，RFID 应用领 域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础 技术。RFID 典型应用包括:在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售;在交 通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费;在农牧渔业用于羊群、鱼类、 水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪;在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟 踪;在制造业用于零部件与库存的可视化管理[2,3];RFID 还可以应用于图书与文档管理、 门禁管理[3]、定位与物体跟踪、环境感知[4,5] 和支票防伪[6]等多种应用领域。 2003 年 3 月，Gartner 在“Symposium ITXPo 2003”上预测，RFID(E-Tags)技术属于 最近 2,5 年(2005,2008 年)将逐渐开始大规模应用的技术，如图 1 所示。根据 ARC 顾 问集团的预测，到 2008 年 RFID 仅在全球供应链领域的市场需求将达到 40 亿美元，如图 2 所示。 图 1 RFID 技术趋势预测 图 2 RFID 系统全球市场分析与预测 (数据来源:Gartner，2003 年 3 月) (数据来源ARC: 顾问集团，2004 年 7 月) 目前，RFID 已成为 IT 业界的研究热点，被视为 IT 业的下一个“金矿”。各大软硬件厂 商，包括 IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP 等在内的各家 企业都对 RFID 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自的 1 本文摘自中国科学院计算技术研究所内部刊物—信息技术快报 2004 年第 11 期 - 1 - 软件或硬件产品及系统应用解决。在应用领域，以 Wal-Mart、UPS、Gillette 等为代表 的大批企业已经开始准备采用 RFID 技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为 客户提供各种增值服务。 在标签领域，条码技术已非常成熟并得到广泛应用，现在几乎所有产品都贴有条码。由 于受存储空间限制，条码通常只能标识产品类型。RFID 标签与条码相比，具有读取速度 存储空间大、工作距离远、穿透性强、外形多样、工作环境适应性强和可重复使用等快、 多种优 势。读取速度快:可在瞬间完成对成百上千件物品标识信息的读取，从而提高工作效率;存 储空间大:可以实现对单件物品的全过程管理与跟踪，克服条码只能对某类物品进行管理的 局限;工作距离远:可以实现对物品的远距离管理;穿透能力强:可以实现透过纸张、木材、 塑料和金属等包装材料获取物品信息;标签根据应用场合的不同可以做成条状、卡状、环状 和钮扣状等多种形状。不过，与条码几分钱甚至几厘钱的成本相比，RFID 标签的成本目前 还较高。 本文第二节将介绍 RFID 系统的基本构成;第三节对当前 RFID 的研究现状进行分析; 最后总结全文并展望 RFID 的应用前景。 2 RFID 系统概述 基本的 RFID 系统由 RFID 标签(Tag)、RFID 阅读器(Reader)及应用支撑软件等几 部分组成。图 3 所示是一个基本的 RFID 系统，图中显示了三种不同形式的 RFID 标签。 RFID标签 RFID阅读器 服务器 图 3 基本 RFID 系统构成 RFID 标签(Tag)由芯片与天线(Antenna)组成，每个标签具有唯一的电子编码。标 签附着在物体上以标识目标对象。 RFID 标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式(Active)和被动式(Passive) 两种。主动式标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源标签;被 动式标签不带电池，又称为无源标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器 产生的电磁波。被动式标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供 自己工作的能量。表 1 是主动式和被动式两种标签特性的比较。其中主动式标签通常具有更 远的通信距离，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式标签 具有价格便宜的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。 - 2 - 表 1 主动式标签与被动式标签对比 主动(Active)标签 被动(Passive)标签 能量来源 自身电池供电，可持续供电 通过电磁感应获取 工作距离 可达 100m 可达 3~5m，通常 20,40cm 存储容量 可达 16K 字节以上 通常小于 128 字节 信号强度要求 低 高 平均价格 高 低 工作寿命 2,4 年 长 RFID 标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同类型的天 线。一个 RFID 标签通常包含一个或多个天线。RFID 标签和阅读器工作时所使用的频率称 为 RFID 工作频率。目前 RFID 使用的频率跨越低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、 微波等多个频段。RFID 频率的选择影响信号传输的距离、速度等，同时还受到各国法律法 规限制。 RFID 阅读器(Reader)的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签 的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到 主机以供处理。根据应用不同，阅读器可以是手持式或固定式。当前阅读器成本较高，价格 在 1000 美元左右，而且大多只能在单一频率点工作。未来阅读器的价格将大幅 并且 支持多个频率点，能自动识别不同频率的标签信息。 降低， RFID 应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外，介于阅读器与企业应用之间的 中间件是其中的一个重要组成部分。该中间件为企业应用提供一系列计算功能，在电子产品 编码(Electronic Product Code，EPC)中被称为 Savant。其主要任务是对阅读器读取的 标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传往企业应用的数据量。同时 Savant 还提 供与其他 RFID 支撑系统进行互操作的功能。Savant 定义了阅读器和应用两个接口。 用户可以根据工作距离、工作频率、工作环境要求、天线极性、寿命周期、大小及形状、 抗干扰能力、安全性和价格等因素选择适合自己应用的 RFID 系统。 3 RFID 研究现状分析 当前 RFID 的研究主要围绕 RFID 技术、RFID 标签成本、RFID 技术和 RFID 应用 系统等多个方面展开。 3.1 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，必须对 RFID 技术进行规范。RFID 的标准化是当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。目前，还未形成完善的关于 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。 当前主要的 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。 - 3 - EPC 规范由 Auto-ID 中心及后来成立的 EPCglobal 负责制定[7]。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 of things)，该中心得到了美国政府和企业界的广泛支持。2003 年 10 月 26 日，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 (C1G2)。C1G2 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 版本当前包括 EPC Tag 数据规范、 Class 0(900MHz)标签规范、Class 1(13.56MHz)标签接口规范、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(Ubiquitous ID)规范由日本泛在 ID 中心负责制定[8]。日本泛在 ID 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处不在的计算环 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[11]。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)、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，依次为: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，用于识别某类商品;唯一标识，用于标识某类商品的具体个体。 图 4 为 EPC 和 UID 两种编码规范的比较。 编码的内容 编码类别标识 唯一标识 128位UID编 码 (长度可变) 96位EPC编码 头部 管理者 物品类别 物品序列号 (24 bits) (36 bits) (8 bits) (28 bits) 图 4 EPC 与 UID 编码规范 - 4 - 3.2 RFID 技术研究 当前，RFID 技术研究主要集中在工作频率选择、天线、防冲突技术和安全与隐 私 保护等方面。 3.2.1 工作频率选择 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 至 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。表 2 为 RFID 频段特性表。 表 2 RFID 频段特性 频段 描述 作用距离 穿透能力 低频(LF) 能穿透大部分物体 125~134KHz 45cm 高频(HF) 勉强能穿透金属和液体 13.553~13.567MHz 1~3m 超高频(UHF) 穿透能力较弱 400~1000MHz 3~9m 微波(Microwave) 穿透能力最弱 2.45GHz 3m 3.2.2 RFID 天线研究 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。 天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;按方向性可分为全向天线、 定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。 受应用场合的限制，RFID 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚 至需要嵌入到物体内部。RFID 标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠性。此外， 标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计 提出了严格要求。当前对 RFID 天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线 性能的影响上。 天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段 等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合电子标签应用;由于 RFID 标签 放置方向不可控，读写器天线必须采取圆极化方式(其天线增益较大);天线增益和阻 抗特性会对 RFID 系统的作用距离产生较大影响;天线的工作频段对天线尺寸以及辐射 - 5 -