1、RFID关键技术及应用案例分析RFID关键技术及应用案例分析第一章RFID系统的基本组成及工作原理1 RFID系统简介RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别。它 是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并 获取相关数据，无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。 RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便。2 RFID的组成射频识别系统由电子标签、阅读器、天线组成。电子标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在 物体上标识目标对象。阅读器：又为读写装置，可无接触的读取并识别电子标签中所保存
2、的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，有手持或固定式两种，通过阅读器和电脑相 连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步的处理。天 线：在标签和阅读器之间传递射频信号。3 RFID系统的特点3.1射频技术射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、 涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签， 并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力 也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。射频识别系 统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采 用不同厂商的频率和协议标准，这种混
3、乱和割据的状况已经制约了整 个射频识别行业的增长。许多欧美组织正在着手解决这个问题， 并已 经取得了一些成绩。标准化必将刺激射频识别技术的大幅度发展和广 泛应用。3.2适用性物流管理的本质是通过对物流全过程的管理，实现降低成本和提高服务水平两个目的。如何以正确的成本和正确的条件， 去保证正确 的客户在正确的时间和正确的地点， 得到正确的产品，成为物流企业 追求的最高目标。一般来说，企业存货的价值要占企业资产总额的 25%左右，占企业流动资产的50%以上。所以物流管理工作的核心就 是对供应链中存货的管理。在运输管理方面采用射频识别技术，只需要在货物的外包装上的 安装电子标签，在运输检查站或中转站
4、设置阅读器， 就可以实现资产 的可视化管理。与此同时，货主可以根据权限，访问在途可视化网页， 了解货物的具体位置，这对提高物流企业的服务水平有着重要意义。3.3性能特点(1) 快速扫描。RFID辨识器可同时辨识读取数个 RFID标签。(2) 体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与 形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不 同产品。(3) 抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受 到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。 此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特
5、别容易 受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。(4) 可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改， RFID标签则可以重复地新增、修改、删除 RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。(5) 穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下， RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下， 才可以辨读条形码。(6) 数据的记忆容量大。一维条形码的容量是 50Bytes，二维条形 码最大的容量可储存 2至3000字符，RFID最大的容量则有数 MegaBytes.随着记忆载体的发展，数据容量也有不断
6、扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容 量的需求也相应增加。(7) 安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由 密码保护，使其内容不易被伪造及变造。RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信 息，控制需求信息，优化整个供应链。4 RFID系统的分类根据射频识别系统的系统特征，可以将射频识别系统进行多种分类。下面是系统特征及按照该系统特征进行射频识别系统的分类，如下表 2所示：表2射频识别系统的特征及其分类系统特征系统分类工作方式全双
7、工系统半双工系统时序系统数据量1比特系统多比特系统可否编程可编程系统不可编程系统数据载体IC表面波运行情况状态机系统微处理器系统能量供应有源系统无源系统工作频率低频系统屮高频系统微波系统数据运输电感耦合系统电磁方向散射耦合系统信息注入方式集成电路固化式现场有线改写式现场无线改写式读取信息手段广播发射式倍频式反射调制式作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统系统特征低挡系统中档系统高档系统射频识别系统按照其采用的频率不同可分为低频系统、高频系统和微波三大 类;根据标签是否装有电池为其供电，又可将其分为有缘系统和无源系统两大类； 从标签内保存的信息注入的方式可将其分为集成电路固化式、 现场有线改写和
8、现 场无线改写式三大类；根据读取电子标签数据的技术实现手段， 可将其分为广播 发射式、倍频式和反射调制式三大类。5 RFID系统的基本原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入 磁场后，接收解读器发出的 射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 （PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号 （Active Tag， 有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关 数据处理。一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就 是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份
9、所组成，其工作原理 是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Tran spo nder，用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader便依序接收解读数据，送 给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling ）及后向散射耦合（Backscatter Coupling） 两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读 /写装置，是RFID系统信息 控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接
10、口单元组成。 阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换， 同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过 Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是 RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、 微带天线等）和微芯片组成无源单元。3射频识别系统的基本模型如图81所示。其中，电子标签又称为射频标签、应 答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器 （取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频 信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能
11、量的传递、数 据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。（1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电 磁感应定 律，如右图所示。（2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13. 56MHz识别作用距离小于1m典型作用距离 为 1020cra。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz 915MHz 2. 45GHz 5
12、. 8GHz识别作用距离大于1m典型作用距离为310m。RFID读写器技术原理图图X- !电感耦合模型的读写器电磁反向散射耦合型的RFID读写器3 . RFID读写器防冲撞（防碰撞）实理机理RFID分类的第二个重要的看点在于是否需要同时读取复数个标签。为了实现这 个功能在通信上所采取的技术是（防冲撞）防碰撞.同时读取复数个标签是 常被人们谈及的RFID比图形码远为优越的地方，但是如果没有防碰撞（防冲撞） 的功能时，RFID系统只能读写一个标签。在这种情况下如果有两个以上的标签 同时处于可读取的范围内就会导致读取的错误。其次，我们来简单地说明防碰撞（防冲撞）功能的工作原理。即使是具有防碰撞（防冲
13、撞）功能的RFID系统，实际上并非同时读取所有标签的内容。在同时查 出有复数个标签存在的情况下，检索信号并防止冲突的功能开始动作。为了进行 检索，首先要确定检索条件。例如，13.56MHz频带的RFID系统里应用的ALOHA 方式的防碰撞功能的工作步骤如下。1）、首先，阅读器指定电子标签内存的特定位数（14位左右）为次数批量2）、电子标签根据次数批量，将响应的时机离散化。例如在两位数的次数批量“00、01、10、11”时，读写器将以不同的时机对这四种可能性逐一进行响应。3）若在各个时机里同时响应的电子标签只有一个的场合下才能得到这个电子标 签的正常数据。信息读取之后阅读器对于这个电子标签发送在
14、一定的时间内不再 响应的睡眠的指令（Sleep/Mute ）使之在休眠，避免再次向应。4）、若在各个时机内同时由几个电子标签响应，判别为“冲突” 。在这种情况下， 内存内的另外两位数所记录的次数批量，重复以上从 2）开始的处理。5）、所有的电子标签都完成响应之后， 阅读器向他们发送唤醒的指令 （WakeUp）， 从而完成对所有电子标签的信息读取。在这种搭载有防碰撞（防冲撞）功能的 RFID 系统中，为了只读一个标签，几经 调整次数批量反复读取进行检索。 所以，一次性读取具有一定数量的标签的情况 下，所有的标签都被读到为止其速度是不同的， 一次性读取的标签数目越多， 完 成读取所需时间要比单纯计
15、算所需的时间越长。实现防止抗碰撞（防冲撞）的功能是 RFID 在物流领域中取代图形码所必不可少 的条件。例如，在超市中，商品是装在购物车里面进行计价的。为了实现这种计 价方式，抗碰撞 （防冲撞）功能必须完备。另一方面，在电子货币和个人认证 方面利用 RFID 系统时，同时识别几个标签是发生差错的主要原因。具有抗碰撞（防冲撞）功能的 RFID 系统的价格比不具有这种功能的系统的要昂 贵。当个人用户在制作RFID系统的时候，如果没有必要进行复数个ID同时认识 时就没有必要选择抗碰撞机能的读写器。第二章 RFID 系统的发展及优势1 RFID 发展历程：RFID 直接继承了雷达的概念，并由此发展出一
16、种生机勃勃的 AIDC 新技术RFID技术。1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识 别RFID的理论基础。1）RFID 技术发展的历程表。在 20 世纪中，无线电技术的理论与应用研究 是科学技术发展最重要的成就之一。 RFID技术的发展可按10年期划分如下：19411950年。雷达的改进和应用催生了 RFID技术，1948年奠定了 RFID 技术的理论基础。1951 1960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1961 1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1971 1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种
17、 RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的 RFID应用。19811990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出 现。19912000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视， RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001 今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源 电子标签、 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展， 电子标签成本不断降低， 规模应用 行业扩大。RFID 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的 RFID正在成为现实。2 国外现状从
18、全球的范围来看，美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。欧洲RFID标准 追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同 一阶段。日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成 为国际标准还有很长的路要走。RFID在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高 度重视，但至今韩国在RFID的标准上仍模糊不清。目前，美国、英国、德国、瑞 典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的 RFID产品。从全球产业格局来看，目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市
19、 场。飞利浦、西门子、ST TI等半导体厂商基本垄断了 RFID芯片市场；IBM HP 微软、SAP Sybase、Sun等国际巨头抢占了 RFID中间件、系统集成研究的有利位 置； Alien 、 Intermec 、 Symbol、 Transcore 、 Matrics 、 Impinj 等公司则提供 RFID 标签、天线、读写器等产品及设备（1） 美国在产业方面，TI、In tel等美国集成电路厂商目前都在 RFID领域投入巨资进行芯 片开发。Symbol等已经研发出同时可以阅读条形码和 RFID的扫描器。IBM、Microsoft和HP等也在积极开发相应的软件及系统来支持 RFID的
20、应用。目前美国 的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域 已经开始逐步应用RFID技术。在物流方面，美国已有10多家企业承诺支持RFID 应用，这其中包括：零售商沃尔玛；制造商吉列、强生、宝洁；物流行业的联合 包裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用。 另外，值得注意的是美国政府是 RFID应用的积极推动者。按照美国防部的合同规定，2005年1月1日以后，所有军 需物资都要使用RFID际签；美国食品及药物管理局（FDA建议制药商从2006年 起利用RFID跟踪最常造假的药品；美国社会福利局（SSA于2005年年初正式使 用RFID技术追踪SSA各种表格和手册。（
21、2）欧洲在产业方面，欧洲的Philips ，ST Microelectronics 在积极开发廉价RFID芯片； Checkpoint在开发支持多系统的RFID识别系统；诺基亚在开发并推广其能够基于 RFID的移动电话购物系统；SAPW在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。在 应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系 统与美国基本处在同一阶段。日前，欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用实 验。（3）日本日本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步较早， 政府也将RFID作为一 项关键的技术来发展。邮政与电信通讯部（MPHPT在2004年3月发布了针对RF
22、ID 的“关于在传感网络时代运用先进的 RFID技术的最终研究草案报告”，报告称MPHP将继续支持测试在UH频段的被动及主动的电子标签技术，并在此基础上进 一步讨论管制的问题。从近来日本RFID领域的动态来看，与行业应用相结合的基 于RFID技术的产品和解决方案开始集中出现。3 国内现状相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。目前， 我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID 方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频 RFID技术门槛 较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况； 超高
23、频RFID技术门槛较高，国内发展较晚，技术相对欠缺，从事超高频RFID产品 生产的企业很少，更缺少具有自主知识产权的创新型企业。从产业链上看，RFID的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制 造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的 RFID 产业链，产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里， 尤其是芯片、 中间件等 方面。中低、 高频标签封装技术在国内已经基本成熟， 但是只有极少数企业已经 具备了超高频读写器设计制造能力。国内企业基本具有RFID天线的设计和研发能 力，但还不具备应用于金属材料、液体环境上的可靠性 RFID际签天线设计能力。 系统集成是发展
24、相对较快的环节，而中间件及后台软件部分还比较弱（1） 芯片设计RFID芯片在RFID的产品链中占据着举足轻重的位置，其成本占到整个标签的三分 之一左右。 对于广泛用于各种智能卡的低频和高频频段的芯片而言， 以复旦微电 子、上海华虹、 大唐微电子、 清华同方等为代表的中国集成电路厂商已经攻克了 相关技术，打破了国外厂商的统治地位。但在 UHI频段，RFID芯片设计面临巨大 困难：（1）苛刻的功耗限制；（2）片上天线技术；（3）后续封装问题；（4）与天 线的适配技术。目前，国内UH频段RFID芯片市场几乎被国外企业垄断。（2） 标签封装 标签封装目前国内企业已经熟练掌握了低频标签的封装技术， 高频
25、标签的封装技 术也在不断地完善。 出现了一些封装能力很强， 尤其是各种智能卡封装能力强的 企业，例如深圳华阳、中山达华、上海申博等等。但是国内欠缺封装超高频、微 波标签的能力， 当然这部分产品在我国的应用还很少， 相关的最终标准也没有出 台。我国的标签封装企业大多是做标签的纯封装，没有制作 Inlay 的能力。提高 生产工艺，提供防水、抗金属的柔性标签是我国 RFID标签封装企业面临的问题。 读写设备的设计和制造（3） 读写设备的设计和制造 国内低频读写器生产加工技术非常完善， 生产经营的企业很多且实力相当。 高频 读写器国内的生产加工技术基本成熟， 但还没有形成强势品牌， 企业实力差不多，
26、只是注重的应用方向不同。 例如面对消费领域 （校园一卡通等） 的企业中哈尔滨 新中新，沈阳宝石、北京迪科创新等有一定的影响力。国内只有如深圳远望谷， 江苏瑞福等少数几家企业具有设计、制造超高频读写器的能力。（4）系统集成目前，RFID市场还是处于前期宣传预热阶段， 项目机会在逐步增加，但是大部分 还是处于前期的洽谈阶段， 真正实施的项目并不多， 还未出现真正的大规模有影 响力的应用项目。因此中国市场的RFID系统集成商还是处于前期的市场宣传和投 入阶段，真正能够借助RFID盈利的集成商很少。国内市场上集成商可以分为两类： 国外大厂商例如IBM HP等他们通过与国内集成商和硬件厂商合作，专攻大型
27、的 集成项目。 国内较有影响力的集成商有维深、 励格、富天达、实华开、倍思得等。 后者做的大规模有影响力的集成项目不是很多，基本都是中小型的闭环应用。（5）RFID中间件RFID中间件又称RFID管理软件，它屏蔽了 RFID设备的多样性和复杂性，能够为后 台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID应用。当前我国的 RFID中间件市场还不成熟，应用较少而且缺乏深层次上的功能。 市场上比较有影 响力的中间件企业有 SAR Manhattan Associatesz、Oracle、OAT Systems等。（ 6）标准发展中国在RFID技术与应用的标准化研究工作上已有一定基础， 目前
28、经从多个方面开展了相关标准的研究制定工作。 制定了中国射频识别技术政策白皮书 、建设 事业IC卡应用技术等应用标准，并且得到了广泛的应用；在频率规划方面，已 经做了大量的试验；在技术标准方面，依据 ISO/IEC 15693系列标准已经基本完 成国家标准的起草工作，参照 ISO/IEC 18000系列标准制定国家标准的工作已列 入国家标准制订计划。此外，中国RFID标准体系框架的研究工作也基本完成。4 发展趋势（ 1）市场趋势近年来，RFID技术已经在物流、零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、 资产管理、食品、动物识别、图书馆、汽车、航空、军事等众多领域开始应用， 对改善人们的生活质量
29、、 提高企业经济效益、 加强公共安全以及提高社会信息化 水平产生了重要的影响。我国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票 证管理、动物标识、 特种设备与危险品管理、 公共交通以及生产过程管理等多个 领域。据ABI公司根据预测，RFID技术将在未来2-5年逐渐开始大规模应用，2003年全球 RFID市场规模为16.5亿美元，至2008年达到52.5亿美元，2009受到金融危机影响 增长幅度趋缓，估计将达到55.6亿美元，预计到2013年全球RFID规模将达到98 亿美元，2003-2013年均复合增长率为19% RFID电子标签方面，2005年全球共发 货10.2亿， 2008年达到1
30、9.7亿，预计至 2009年将为23.5枚， 2005-2009年均复合 增长率为 23%据 Frost & Sullivan 公司 2008年发布的调查显示， 2004-2014年间，亚太地 区不同种类RFID构成将发生变化，低频RFID市场份额将快速下降；高频RFID市场 份额小幅下降，但仍占各类RFID的主导地位；而超高频RFID市场份额呈现快速上 升的格局，至2014年，其市场份额将与高频RFID接近 技术趋势就技术而言，在未来的几年中，RFID技术将继续保持高速发展的势头。电子标签、 读写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着 关键技术的不断进步，
31、RFID产品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也 将越来越广泛。RFID芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度 与可靠性更高，成本不断降低。芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密结合。RFID标签封装技术将和印刷、造纸、包装等技术结合，导电油墨印制的低成本标 签天线、低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产，并成为未来一段时间内 决定产业发展速度的关键因素之一。RFID读写器设计与制造的发展趋势是读写器将向多功能、 多接口、多制式、并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。同时，多读写器协调与组网技术将 成为未来发展方向之一。RFID 技术与条码、生物识别等自动识别技术，以及与互联网、通信、传感网络等信息技术融合，构筑所不在的网络环境。海量 RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。 RFID系统集成软件将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的 组织、管理和利用更为深入和广泛。5 RFID与其他自动识别技术的比较广泛应用的自动识别技术主要包括摄像、条码、磁卡、IC、射频等，这些识别技术都有各自的优缺点及应用场合。 表1显示了 RFID与其它几种识别技术的 区别。表1不同识别技术区别表信息载体
