物联网时代宠儿 —— RFID技术

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摘要

全球的定义不是很相同,全球标准不统一典型应用:自动控制、仓储管理、物流跟踪等RFID技术与物联网的关系RFID技术是物联网中…

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RFID是什么?

RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别,俗称电子标签,是一种非接触式的自动识别技术。

它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。

RFID特点

  • 数据存储:与传统形式的标签相比,容量更大(1bit—1024bit),数据可随时更新,可读写

  • 读写速度:与条码相比,无须直线对准扫描,读写速度更快,可多目标识别、运动识别

  • 使用方便:体积小,容易封装,可以嵌入产品内

  • 安全:专用芯片、序列号惟一、很难复制

  • 耐用:无机械故障、寿命长、抗恶劣环境

典型的RFID系统主要包括三个部分:阅读器(reader),标签(tag)和中间件(应用软件)。


阅读器由天线、射频收发模块和控制单元构成,其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源电路等。标签一般包含天线、调制器、编码器以及存储器等单元。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和应用之间的通用服务,这些服务具有标准的程序接口和协议。

  

阅读器(reader)

阅读器的主要功能:与标签之间通信;与数据管理系统通信;在读写区内实现多标签同时识读,具备防碰撞功能;能够校验读写过程中的错误信息;对有源标签,能够标识电池信息,如电量等。

阅读器的基本构成:软件部分有控制软件(controller)、导入软件(boot loader)、解码器(decoder);硬件部分有控制系统、接收器、发送器。

阅读器的分类:1. 固定式阅读器:将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中,完全集成射频识别的功能。2. 手持机(handheld reader, HR):便携式阅读器的简称,是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备,常用在动物识别、巡检、付款扫描、测试等情况中。

标签(tag)

标签的主要功能:在于接收到阅读器(reader)的命令后,将本身所存储的编码(code)回传给阅读器。

标签的分类:根据不同的功能分为只读、单次写入多次读取、多次读写。根据有无电源分为被动式、半主动式、主动式。1. 被动式(passive)标签:本身没有电源,其电源是来自阅读器,由阅读器发射频率使感应标签产生能量而将数据回传给阅读器。2. 主动式(active)标签:本身具有内部电源供应器,用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。

中间件

中间件的主要功能:RFID标签和应用程序之间的中介;提供一组通用的应用程序接口(API);接受应用系统的请求;对指定的阅读器发起操作命令。

中间件具备的特点:满足大量应用的需要;运行于多种硬件和OS平台;支持分布计算,提供跨网络、硬件和OS平台的透明性的应用或服务的交互支持标准的协议;支持标准的接口。

RFID工作原理

RFID技术的基本工作原理并不复杂:

  1. 由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号,当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流,从而获得能量、电子标签被激活,使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去

  2. 阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号,经天线调节器传送到阅读器信号处理模块,经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理 

  3. 主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份,针对不同的设定作出相应的处理和控制,最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作

物联网时代宠儿 —— RFID技术

RFID利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了RFID技术的理论基础, 发生在阅读器和标签之间的射频信号的耦合类型有两种:

  • 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

  • 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,同时带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律

  

RFID的发展历史

RFID技术的发展可按十年期划分如下: 

  • 1940-1950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

  • 1950-1960年:早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究 

  • 1960-1970年:RFID技术的理论得到了发展,开始了一些应用尝试

  • 1970-1980年:RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速,出现了一些最早的RFID应用

  • 1980-1990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 

  • 1990-2000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

  • 2000年后: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

至今,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技术与产品正在成为现实并走向应用。 

RFID工作频率指南

不同频段的RFID产品会有不同的特性,从信息传递的基本原理来说,射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递),在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。下面详细介绍RFID频率分类:

低频率(LF):125~134KHz

技术特点:

  • 该频段的波长大约为2500m,作用距离<10cm

  • 除了金属材料影响外,一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离

  • 相对于其他频段的RFID产品,该频段数据传输速率比较慢

  • 感应器的价格相对与其他频段来说要贵

典型应用:门禁、防盗系统等

高频率(HF):13.56MHz

技术特点:

  • 该频率的波长大概为22m,作用距离1~20cm

  • 除了金属材料外,该频率的波长可以穿过大多数的材料,但是往往会降低读取距离,需要离开金属一段距离

  • 数据传输速率比低频要快,价格不是很贵

  • 可以把某些数据信息写入标签中 

典型应用:智能卡,电子票务等

超高频率(UHF):433MHz/860~960MHz

技术特点:

  • 该频段有好的读取距离3~8m,但是对读取区域很难进行定义

  • 超高频频段的电波不能通过许多材料,特别是水/灰尘/雾等悬浮颗粒物资,相对于高频的电子标签来说,该频段的电子标签不需要和金属分开来

  • 有很高的数据传输速率,在很短的时间可以读取大量的电子标签

  • 在该频段,全球的定义不是很相同,全球标准不统一

典型应用:自动控制、仓储管理、物流跟踪等

RFID技术与物联网的关系

RFID技术是物联网中的标识技术,是初级的感知技术,用于身份代表及身份识别。要实现物联网,首先要将物理世界那些不具有智能的种种“物”与互联网联接起来。

1999年Auto ID中心提出的第一个物联网设想,RFID就被选中成为实现感知层的技术。在这个物联网雏形中,每件商品贴上一个RFID标签,内含该商品的唯一代码。在互联网与商品的联接终端,有一个RFID阅读器,当商品靠近阅读器时,将标签中的商品代码读出。直到2010年,几乎所有在零售业、物流、服饰以及药品业等领域建立的物联网都秉承了上述Auto ID中心建立的雏形物联网。

目前采用RFID感知层的物联网已经实现了“人-人”通信与“人-物”通信,但要实现“物-物”通信与互动还需要经历一段艰难、漫长的道路。今后的发展无疑是进一步增加RFID标签的智能,使联网的“物”达到足够的智能水平,RFID物联网仍然是未来10年中物联网的主流。

RFID技术目前面临的问题

技术不成熟

RFID是个充满希望的行业,但它的推广需要下面每一步的坚定与成熟:标准的制订、芯片设计与制造技术、天线设计与制造技术、芯片封装技术、读写设备开发与生产技术、系统集成和数据管理软件平台、应用系统开发、生产制造技术等。最具潜力的UHF频段市场上能支持的设备并不多,射频识别讯号容易被物体所阻断,这些都是技术上的挑战。

  

成本居高不下

这是RFID目前最致命的缺点,仅RFID标签一项在日本的制作成本(印刷成本占主要比例)就达到十几元人民币,而条码标签的单位成本只有0.l元。目前全球RFID标签的年需求量大约是1000万片,而只有需求量超过50亿片后,价格才能降到2美分。

沃尔玛的RFID技术合作商Tag-istics公司总裁克里斯多夫介绍说,一套RFID系统在美国定价(包括项目实施)一般在250万美元左右,大型系统还要高得多。中铁快运这几年一直在不断测试RFID系统的效果,并将其小范围试点,最终发现投入太大,作为一个企业无法单独承担这部分的投入。

  

标准不统一

目前主要有以下三个标准:国际标准、欧美的EPC标准和日本的UbiquitousID。其中由美国麻省理工学院MIT发起的Auto-IDCenter非盈利性组织在规范RFID应用方面所发挥的作用将越来越明显。

尽管如此,由于RFID缺乏统一技术标准,所以目前的技术还不能保证所有的标签和阅读器实现兼容。因此在希望应用RFID的仓库中,也许需要不止一种阅读器,以此来分别处理来自不同硬件商生产提供商的不同标签。

  

安全问题

由于RFID最终是要接到互联网上的,这就涉及到和信用卡一样的所谓安全保密问题。

  

隐私问题

RFID可以依靠标签进行追踪,一个人购买了酒以后,通过追踪酒瓶上的标签就可以了解到酒瓶拥有人的行踪以及生活习惯。

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