射频识别技术

射频识别（RFID）技术及其应用1李锦涛郭俊波罗海勇曹岗冯波陈益强1引言射频识别（RadioFrequencyIdentification，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“SymposiumITXPo2003”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1RFID技术趋势预测图2RFID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方案。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，具有读取速度快、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。2RFID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降低，并且支持多个频率点，能自动识别不同频率的标签信息。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（ElectronicProductCode，EPC）规范中被称为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。3RFID研究现状分析当前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。3.1RFID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（UbiquitousID）规范和ISO18000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（internetofthings），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Class0、Class1、Class2三种。其中Class0和Class1标签都是一次写入多次读取标签，Class0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；Class1则提供了更多的灵活性，信息可由用户写入一次。Class0和Class1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。Class2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。Class2标签允许加入安全与访问控制、感知网络和Adhoc网络等功能支持。目前EPCglobal正在制定第二代标签标准，即UHFClass1Generation2（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EPCTag数据规范、Class0（900MHz）标签规范、Class1（13.56MHz）标签接口规范、Class1（860MHz~930MHz）标签射频与逻辑通讯接口规范、物理标识语言（PhysicalMarkupLanguage，PML）。UID（UbiquitousID）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：Class1只读RFID标签、Class2可读写RFID标签、Class5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（ubiquitouscommunicators，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。编码类别标识编码的内容唯一标识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（8bits）（28bits）（24bits）（36bits）图4EPC与UID编码规范-4-3.2RFID技术研究当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、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