大海捞针之术——无线射频识别技术的原理及应用前景

文章出处：http://www.singbon.com 作者：余天   人气： 发表时间：2011年11月02日

作为消费者，你能在一个大型卖场中一眼找到你想要的那个印有红色玫瑰花的可爱水杯吗？作为大型仓库的管理员，你能随时知道库存的数量和每一件物品的确切位置吗？RFID就是要给你这样一双“慧眼”！

射频识别技术（Radio Frequency Identification）是一种自动识别技术，起源于20世纪80年代，自90年代以来得到了迅速的发展。它利用无线射频方式来进行非接触式自动识别，极大地加速了信息的收集和处理，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰、操作快捷等优点，因此，与其他的识别技术相比有更大的应用范围。目前常用的自动识别技术中，条码成本最低，适于需求量大且数据不必更改的场合，例如商品包装上就很适宜，但是较易磨损，且数据量很小;磁卡的价格相对也很便宜，但是也容易磨损，数据量小;ＩＣ卡的价格稍高些，数据存储量很大，数据安全性好，但是由于它的触点暴露在外面，有可能因静电或人为的原因损坏；而射频卡最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无需人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。

RFID系统有三大构件

一般来讲，射频识别系统由三大部分组成:电子标签、数据管理系统和读写器。

1. 电子标签

电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体目标对象上。电子标签像纸一样薄, 柔韧可弯曲并可编程，射频标签内编写的程序可按特殊的应用进行随时读取和改写。射频标签也可编入相应人员的一些数据信息，这些人员的数据信息可依据需要进行分类管理，并可随不同的需要制作新卡，射频标签中的内容被改写的同时也可以被永久锁死保护起来。通常标签芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可以印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上，通过自动贴标签机进行自动贴标。

从能量方面来看，标签可以分为两种：无源标签和有源标签。无源标签自身不带有电源，当读取装置对标签进行读取时，所发射出的无线电接触到RFID标签的天线后产生电量。它的重量轻、体积小，寿命可以很长，但是发射距离受限。有源标签使用卡内的电池能量，识别的距离长，但是它的价格较高且寿命短。

从功能方面来看，可将RFID标签分为四种：只读标签、可重写标签、带微处理器标签和配有传感器的标签。只读型标签的结构功能最简单，包含的信息较少并且不能被更改；可重写型标签集成了容量为几十字节到几万个字节的闪存，标签内的信息能被更改或重写，只读型和可重写型标签都主要应用于物流系统以及生产过程管理系统和行李控制系统中；带微处理器标签依靠内置式只读存储器中储存的操作系统和程序来工作，出于安全的目的，许多标签都同时具备加密电路，现在这类标签主要应用于非接触型IC卡上，既用于电子结算、出入管理，也可用作会员卡；有些RFID标签集成了传感器，包括温度传感器或压力传感器等，目前这类标签主要用于动物个体识别和轮胎管理上。

按调制方式来分，电子标签还可分为主动式标签和被动式标签。主动式标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的应用中；被动式标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，在门禁或交通的应用中适宜。

2. 数据管理系统

数据管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制，数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库或供应链系统，用户还能够买到面向特定行业的高度专业化的库存数据库，或者把RFID系统当成整个企业ERP的一部分。如果应用情况比较特殊，甚至可以自己动手编写数据库应用软件，采用PC机或者是终端机来完成。

3. 读写器

读写器是负责读取或写入标签信息的设备，读写器可以是单独的整体，也可以作为部件的形式嵌入到其他系统中去。它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的操作。读写器由两个基本的功能块组成：控制系统和由发送器及接收器组成的高频接口。读写器高频接口的功能包括：产生高频的发射功率，为启动电子标签提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给电子标签；接收并解调来自电子标签的高频信号。读写器控制单元的功能包括：与应用软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。在一些复杂的系统中，控制单元还要执行反碰撞算法，同时对电子标签与读写器之间要传送的数据进行加密和解密，并且进行电子标签和读写器之间的身份验证。读写器可将主机的读写命令传到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。读写器将要发送的信号，经编码后加载在特定频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，然后标签内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读取命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码后经标签内的天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至计算机处理;若是修改信息的写入命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对标签中的内容进行改写。

电感耦合的妙用

绝大多数射频识别系统是按电感耦合的原理工作的，读写器在数据管理系统的控制下发送出一定频率的射频信号，当电子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，该信息被读写器读取并解码后送至管理系统（一般是电脑主机）进行有关处理，这一信息的收集处理过程是以无线方式进行的。

通常读写器发送射频信号时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，基本上划分为3个范围：低频(30kHz～300kHz)、高频(3MHz～30MHz)和超高频(300MHz～3GHz)，低频和中频主要适用于距离短、成本低的应用中，而高频系统则适用于识别距离长、读写数据速率高的场合。常见的工作频率有低频125kHz、134.2kHz及高频13.56MHz等，正常情况下，频率越高，读写的速度就越快。

就射频识别系统的基本工作方式来分，分为全双工和半双工系统以及时序系统。在全双工和半双工系统中，因为与读写器本身的信号相比，电子标签的应答信号在接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，从而将标签的应答信号和读写器的信号区别开来。另外，在这两种系统中，从读写器到应答器的能量传输是连续的，与数据传输的方向无关。在实践中，人们对从应答器到读写器的数据传输使用负载调制，有负载波的负载调制还有阅读器发射频率的谐波。

时序方法则与之相反，读写器的电磁场周期性地断开，这些间隔被电子标签识别出来，并被应用于标签到读写器的数据传输，时序方法的缺点是在读写器发生间歇的时候，应答标签的能量供应中断，这样就必须通过装入足够大的辅助电容或辅助电池进行能量的补偿。在充电过程中，电子标签的芯片切换到省电或备用模式，从而使接收到的能量几乎完全用于充电电容器的充电。充电结束后，标签芯片上的振荡器被激活，其产生的弱交变磁场能被读写器所接收，当所有的数据发送完后，激活放电模式以使充电电容完全放电。

对一个电感耦合的射频识别系统的频率来说，应该考虑到一些供使用的频率范围的特性，对不同的频率范围可以得出下面的适用范围：

（1） 小于135KHz的频率优先适用于低成本的电子标签。在这种情况下，高功率可供标签使用，比较低的时钟频率使得标签的功率消耗较低。

（2） 6.78MHz的频率可用于低成本和中等速率的电子标签。同13.56MHz相比，其时钟频率仅为后者的一半。

（3） 13.56MHz的频率可用于高速/高档或中速/低档的应用。它的特点是数据传输快，典型值是106Kbits/s，时钟频率高 。

（4） 27.125MHz的频率适合于特殊的应用。它的特点是带宽大，数据传输很快，典型值是424Kbits/s，时钟频率高，同13.56MHz相比，可供使用的功率较小，另外它只适用于短距离。

在运用射频技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变从而导致传输错误的产生，校验方法可以用来识别传输错误，并启动校验措施，最常使用的校验方法是奇偶校验法以及纵向冗余校验法和循环冗余码校验法。奇偶校验法在数据传输前必须确定是采用偶数校验还是奇数校验，以保证发送器和接收器都采用同样的方法进行校验，它的算法简单且被广泛使用。纵向冗余校验算法则主要用于快速校验很小的数据块。循环冗余码校验法不能校正错误，但是它能够以很大的可靠性识别传输错误。

在射频识别系统中，不能排除在读写器范围内存在多个电子标签的情况，于是系统中存在两种通信形式：从读写器到电子标签的数据传输，即读写器发送的数据流被覆盖范围内的多个标签所接收，这种通信形式也被称为无线电广播；在读写器的作用范围内有多个标签同时向它发送数据，这种形式被称为多路存取。在后一种通信形式中，为了防止由于多个电子标签的数据在读写器的接收机中相互碰撞而不能准确读出，必须采用反碰撞方法来加以克服。反碰撞方法大概可以分为四种：空分多路法，是在分离的空间范围内重新使用确定的资源;频分多路法，是把可使用的载波频率分成多个部分，这样同时传输多个传输通路供多个标签用户使用；时分多路法，把整个可供使用的通路容量按时间分片分配给多个用户。

机遇与困难并存

尽管RFID技术在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经逐渐在一些领域开始应用，但要让这项技术被广泛采用还需要解决几方面的问题。首先，RFID标签必须使用起来更加方便；其次，标签和用于读写的装置的成本必须降低;另外，工业界还要考虑改善用户界面和利用新的频带；此外还要大力推动技术的发展以便能方便地处理由标签生成的海量信息。

RFID要想在对信息有保密要求的领域展开应用，还面临着信息安全方面的障碍，因为当前RFID电子标签中惟一的标识符很容易被人复制，这样一来，标签中所包含的个人信息或者企业的商业机密，都有可能被人盗窃，从而带来无法估量的损失。另外，RFID的基本验证机制也存在严重的安全缺陷，因为当前的无源RFID系统没有读写能力，所以无法使用公钥/私钥对、用来验证口令的发问/应答机制以及其他的各种主动验证方法。电子标签一旦处于读写器的读取范围内，它就会无条件地将包含信息的信号发射出去，而不论读写器是否有对该标签进行读写的权利。如果标签是有源的，并且会收到不断变化的验证密钥，那将会大大提高其安全性，不过这又会增加其成本，这方面还有待进一步研究。

虽然存在以上的几个问题，RFID仍然有着条形码技术所无法比拟的优势，尤其在需要对物品进行跟踪或分类管理的场合更是如此，因此众多商家对RFID技术的前景仍然看好，认为其最终将取代传统条形码。

现在，零售商品的识别大多是采用条形码来实现，在商品被出售时，通过条码识别器进行识别，条码的数据在整个流通过程中只识别一次。而另一方面，RFID不需要人工去识别标签，读写器只需250毫秒就可以从射频标签中读出与商品相关的数据，有一些读写器甚至可以每秒读取200个标签的数据，这比传统扫描方式要快1000倍。

但即便是在零售业，RFID技术也只是刚开始发挥其潜力。由于沃尔玛公司要求供应商在2006年前必须采用射频识别技术，众多应用系统开发商纷纷升级程序，Sun、SAP、甲骨文、IBM等公司都开始在其主流产品中集成射频鉴别技术。

随着社会信息化程度的提高，科学技术的进步，尤其是在众多商家的大力推动下，RFID技术的应用将会逐渐渗透到社会生活的方方面面，它将具有广阔的发展前景。