射频识别(RFID)核心技术与典型应用开发案例(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:康东,石喜勤,李勇鹏 等

出版社:人民邮电出版社

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射频识别(RFID)核心技术与典型应用开发案例

射频识别(RFID)核心技术与典型应用开发案例试读:

前言

近年来,自动识别方法在货物销售、企业生产和材料流通领域得到了快速普及和推广。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物和货物等被识别对象的信息。

射频识别(RFID)技术是近年来随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的一项先进的自动识别和数据采集技术,使用RFID技术,可以利用无线电波对人、动物和货物等被识别对象进行高效率的自动识别。RFID的基本原理是利用阅读器与电子标签之间的电磁耦合来实现数据通信,从而达到对电子标签及其所代表的对象进行识别的目的。RFID技术具有读取速度快、存储空间大、穿透性强、使用寿命长和安全性高等众多优点。

RFID技术被认为是21世纪十大重要技术之一,在生产制造、销售流通、公共安全等领域有着广阔的应用前景。随着技术可靠性和可用性的提高,RFID已经逐渐成为提高物流与供应链管理水平、降低生产成本、提高公共安全管理信息化水平的一项必不可少的技术手段和工具。

同时,RFID技术是一种工具技术,必须将其与特定的应用领域相结合,才能充分发挥其高效、自动化等优点。基于RFID技术的应用系统开发和实施部署涉及多学科、多领域的知识与方法,涉及信息、制造、材料、装备及工艺等诸多前沿和高技术领域,涵盖的技术包括无线通信、计算机网络、控制理论、信息系统和管理科学等。现今,RFID技术已经成为众多领域广泛关注的一个焦点。

国外对RFID技术的研究起步较早,美国麻省理工大学的Auto-ID Center是RFID技术的发起者和先导者。此外,Intermec、Symbal、WJ等公司也拥有多项RFID技术专利和知识产权。我国在“十一五”期间也将RFID技术列为了国家科研的专项内容,并从标准制定、资源配置、技术开发、系统集成以及设备制造方面给予了强有力的支持。为了向国内广大读者介绍RFID在技术和应用方面的内容,作者根据自己多年的科学研究和项目实践经验,专门编写了本书。

本书的第1~8章从无线电技术基础和通信理论两方面介绍了RFID技术的理论基础和基本原理,并分别讲解了组成RFID系统的电子标签、阅读器、中间件和物联网;第9、10章深入讲解了RFID的关键技术——安全技术和防碰撞技术;第11章介绍了当前备受关注的RFID的标准化问题;第12章介绍了RFID在具体应用中需要考虑的问题,这是从基础知识到具体应用的过渡;第13~21章分别从物流、交通、工业生产、矿井、公共管理、安全防伪、食品、医疗和体育休闲等方面详细讲解了RFID在社会生产各个领域的应用。值得注意的是,在第13~21章的应用部分中,本书既考虑到了系统级应用的概念,并全面介绍了系统级应用的背景,又注意到了具体应用中的细节,并从软硬件开发等不同方面分析讲解了应用中的问题。

本书在编写过程中参考了大量国内外的相关书籍、刊物和网站,在此向这些资料的作者一并表示衷心的感谢!

由于作者水平有限,书中错误和不当之处在所难免,恳请广大读者和专家批评指正。意见和建议可发电子邮件至本书责任编辑的电子邮箱liuyang@ptpress.com.cn.。作者2008年3月第1章绪论

自动识别的任务是提供关于个人、动物和货物等被识别对象的信息。近年来,自动识别技术在服务领域、货物销售与分配领域、商业部门、生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。

射频识别技术是一种先进的自动识别技术。本章将首先对现有的自动识别技术进行简单的介绍,分析各种自动识别技术的特点,然后介绍无线射频识别技术的发展历史、分类及其在各个领域的应用。1.1 自动识别技术1.1.1 自动识别技术的概念和分类

自动识别技术是将数据自动采集和识读,并自动输入计算机的重要方法和手段。近二三十年来,自动识别技术在全球范围内得到了迅猛发展,初步形成了一个涵盖条码识别技术、射频识别技术、生物特征识别技术、图像识别技术以及磁识别技术等的集计算机、光、电、通信和网络技术为一体的高技术学科。

自动识别技术的崛起,为计算机提供了快速、准确地进行数据采集和输入的有效手段,解决了计算机通过键盘手工输入数据速度慢、错误率高造成的“瓶颈”难题,因而自动识别技术作为一种先导性的高新技术,正迅速为人们所接受。

自动识别技术根据识别对象的特征可以分为两大类,即数据采集技术和特征提取技术。这两大类自动识别技术的基本功能都是完成物品的自动识别和数据的自动采集。数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有特定的识别特征载体(如标签、磁卡等);而特征提取技术则根据被识别物体本身的行为特征(包括静态的、动态的和属性的特征)来完成数据的自动采集。自动识别技术分类如图1-1所示。图1-1 自动识别技术的分类1.1.2 各种自动识别技术介绍

上一节介绍了自动识别技术的概念和分类,本节根据自动识别技术的应用领域和具体特征,介绍几种主流的自动识别技术:条码(Bar Code)技术、光学字符识别(Optical Character Recognition,OCR)技术、卡识别技术、生物识别技术、视觉识别技术和射频识别技术等。

1.条码技术(1)一维条码

一维条形码是由平行排列的宽窄不同的线条和间隔组成的二进制编码。这些线条和间隔根据预定的模式进行排列并且表达相应记号系统的数据项。宽窄不同的线条和间隔的排列次序可以解释成数字或者字母,它可以进行光学扫描阅读,即根据黑色线条和白色间隔对激光的不同反射来识别。目前在用的大约有十几种不同的编码和布局方案。图1-2所示为一个典型的一维条码。图1-2 典型的一维条码

最流行的条形码方案是于1976年设计的欧洲商品编码(European Article Number,EAN),它本来是针对杂货店应用的。EAN是美国通用产品编码(Universal Product Code,UPC)的发展。现在,UPC已经成为了EAN的子集,并且可以与之兼容。EAN由13位数字组成,即国家标识符、公司标识符、制造商的商品标识符和校验位。EAN的条码实例如图1-3所示。图1-3 EAN的条码实例

除了EAN之外,其他码制主要是为了适应特殊应用的需要而设计的,举例如下。

库德巴码:医学和临床应用,以及高安全需求的领域。

25码:自动化工业、货物存储、货盘、装船容器和重工业。

39码:流程工业、物流、大学资料中心、图书馆。

93码:高密度的类39码,可代替39码使用。(2)二维条码

EAN、库德巴码、25码、39码和93码等条码都是一维条码。条码应用领域的不断拓展,对一定面积上的条码信息密度和信息量提出了更高的要求。由于一维条码的信息容量很小,如商品上的条码仅能容纳几位或者几十位阿拉伯数字或字母,因此商品的详细描述只能依赖数据库提供,离开了预先建立的数据库,一维条码的使用就受到了限制。基于这个原因,人们迫切希望发明一种新的码制,除具备一维条码的优点外,同时还有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。为了更好地满足这种需求,一种新的条码编码形式——二维条码便应运而生了。从结构上讲,二维条码分为两类:一类由矩阵代码和点代码组成,其数据是以二维空间的形态编码的;另一类包含重叠的或多行条码符号,其数据以成串的数据行显示。重叠的符号标记法有CODE 49、CODE l6K和PDF417。

PDF是便携式数据文件(Portable Data File)的英文缩写,417则与多宽度代码有关,用来对字符编码。PDF417是由Symbol Technologies Inc设计和推出的,是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件,是实现证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段。重叠代码中包含了行与行尾标识符以及扫描软件,可以从标签的不同部分获得数据,只要所有的行都被扫到,就可以组合成一个完整的数据输入,所以这种码的数据可靠性很好,对 PDF417 而言,标签上污损或毁坏的部分高达 50%时,仍可以读取全部数据内容。图1-4所示为一个典型的PDF417二维条码。图1-4 二维条码PDF417

矩阵代码有Maxicode、Data Matrix、Code One、Vericode和DotCode A。矩阵代码标签可以做得很小,甚至可以做成硅晶片标签,因此这种代码标签适用于小物件。(3)条码技术的特点

前面分析了几种典型的条码,概括起来,条码技术具有以下特点。

简单:条码符号制作容易,扫描操作简单易行。

信息采集速度快:普通计算机的键盘录入速度是200字符/分钟,而利用条码扫描录入信息的速度是键盘录入的20倍。

可靠性高:键盘录入数据,误码率为1/300,利用光学字符识别技术,误码率约为万分之一,而采用条码扫描录入方式,误码率仅为百万分之一,首读率可达98%以上。

灵活实用:条码符号作为一种识别手段可以单独使用,也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别,还可和其他控制设备联系起来实现整个系统的自动化管理,同时,在没有自动识别设备时,也可实现手工键盘输入。

自由度大:识别装置与条码标签相对位置的自由度要比OCR大得多,条码通常只在一维方向上表达信息,而同一条码上所表示的信息完全相同并且连续,这样即使标签有部分残缺,也可以从正常部分输入正确的信息。

低成本:条码自动识别系统涉及的识别符号成本以及识读设备成本都非常低。特别是条码符号,即使是一次性使用,也不会带来多少附加成本,尤其是在大批量印刷的情况下。这一特点使得条码技术在某些应用领域有着无可比拟的优势。再者,条码符号识读设备的结构简单,成本低廉,操作容易,适用于众多的领域和工作场合。

总之,条码成本最低,适用于大量需求并且数据不必更改的场合,例如商品包装上。但是,条码比较容易磨损,并且其数据量很小,而且只对一种或者一类商品有效,也就是说,同样的商品具有相同的条码。

2.光学字符识别技术

光学字符识别技术已有 30 多年历史,近几年又出现了图像字符识别(Image Character Recognition,ICR)技术和智能字符识别(Intelligent Character Recognition,ICR)技术,实际上这3种自动识别技术的基本原理大致相同。

光学字符识别技术的几个重要的应用领域是:办公室自动化中的文本输入;邮件自动处理;零售价格识读,定单数据输入,单证、支票和文件识读,微电路及小件产品上状态特征识读等与自动获取文本过程相关的其他领域。

光学字符识别的优点是人眼可视读、可扫描,但输入速度和可靠性不如条码,数据格式有限,通常要用接触式扫描器。

最典型的光学字符识别技术的应用莫过于国家税务局的增值税进项发票的验证识读扫描了。扫描系统通过扫描持票者持有的增值税发票抵扣联上的相关信息,包括发票号码、单位税号、金额、日期等7项指标,通过后台加密算法,计算出该张发票正确的密押,与抵扣联上右上角载明的密押进行比对,由此判定该发票的真伪。这种算法的应用从根本上杜绝了假增值税发票存在的可能性。

3.卡识别技术

常用的卡识别技术有两种,即磁条卡技术和 IC 卡技术。其中,磁条卡技术属于磁存储器识别技术,而IC卡技术属于电存储器技术。(1)磁条卡技术

磁条卡技术应用了物理学和磁力学的基本原理。对自动识别设备制造商来说,磁条就是一层薄薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料(也称为涂料),用树脂粘合在一起并粘在诸如纸或者塑料这样的非磁性基材上。

磁条卡技术的优点是:数据可读写,即具有现场改写数据的能力;数据存储量能满足大多数需求,便于使用,成本低廉,还具有一定的数据安全性;能粘在许多不同规格和形式的基材上。这些优点,使磁条卡在很多领域中得到了广泛应用,如信用卡、银行 ATM卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现金卡(如电话磁卡)、地铁自动票务系统等。

磁条卡技术是接触识读,它与条码有3点不同:一是其数据可作部分读写操作;二是给定面积编码容量比条码大;三是对于物品逐一标识成本比条码高。但是,接触识读最大的缺点就是灵活性太差。(2)IC卡识别技术

人们所说的IC 卡(芯片卡)是一种数据存储器系统,必要时,还可具有附加的计算能力(CPU 卡)。为了使用方便,人们将这种电子数据存储器装入一个像信用卡大小的塑料卡片内。1984年,第一张IC卡开始作为预付电话费的存储器卡使用。工作时,将IC卡插入阅读器,阅读器的接触弹簧与IC卡的触点产生电流接触,阅读器通过接触点给IC卡提供能量和定时脉冲,阅读器与IC卡之间的数据传输是通过双向串行接口(I/O接口)进行的。IC卡根据其内部结构可分为两种基本类型,即存储器卡和CPU卡。

IC卡和磁条卡比较有以下特点。

安全性高。

IC卡的存储容量大,便于应用,方便保管。

IC卡防磁,防一定强度的静电,抗干扰能力强,可靠性比磁条卡高,使用寿命长,一般可重复读写10万次以上。

但是,IC卡的价格较高,并且由于它的触点暴露在外面,有可能因人为的原因或静电造成卡的损坏。

在日常生活中,IC卡的应用也比较广泛。人们接触得比较多的有电话IC卡、购电(气)卡、手机SIM卡、牡丹交通卡(一种磁条卡和IC卡的复合卡)以及即将大面积推广的智能水表、智能气表等。

①存储器卡

存储器卡的结构如图1-5所示,它是经时序逻辑电路对存储器进行存取的。使用这一系统还能集成一些简单的安全算法,例如数据流密码(Stream Chipper)。存储器卡的功能大多数是针对某些特殊的应用的,使用的灵活性受到较大限制。但是存储器卡的价格非常便宜,因此,存储器卡首先在对价格敏感的公众场合使用,例如在政府退休金系统中使用的全国保险卡。图1-5 存储卡结构

②CPU卡

CPU卡含有如图1-6所示的微处理器,这个微处理器与一个分段存储器相连接。掩模编程的只读存储器(ROM)中含有微处理器的操作系统,操作系统是在芯片制造过程中装入的。只读存储器的容量和功能在生产时已决定,在使用中也不能重写。在芯片的EEPROM 中有应用数据和专用的程序代码,其存储范围只能在操作系统控制下进行读写。随机存取存储器(RAM)是微处理器暂时的工作存储器,它存储的数据在断开电源后消失。图1-6 CPU卡结构

CPU卡是非常灵活的,现代IC卡操作系统也能够使各种应用集成在一张卡里(多功能卡)。专用的应用程序是在IC卡生产后才装入其EEPROM中的,并通过操作系统进行初始化。

CPU卡首先应用于安全敏感领域,例如GSM(全球移动通信系统)手机的SIM卡。此外,CPU卡的编程特性使其可以很快适应新开辟的应用领域。

4.生物识别技术

在识别系统意义上,生物体计数测量法是通过不会混淆的某种个体特征的比较来识别不同个体的方法,例如手印法和指纹法、语音识别法以及眼底视网膜识别法。(1)话音识别技术

话音识别技术是一种将人讲话发出的话音通信声波识别(转换)成为一种能够表达通信消息的符号序列的技术。这些符号可以是识别系统的词汇本身,也可以是识别系统词汇的组成单元,在专业文献中常常称为识别系统的基元或子词基元。例如,当汉语话音识别系统的基元选取为音素、声韵母、音节、多音节时,识别输出结果的符号序列相应为音素序列、声韵母序列、音节序列、多音节序列。

声波符号的识别有匹配识别和检测识别两种方式。

匹配识别的原理是,将输入话音声波进行适当处理成为特征数据流,然后与系统已有的符号或符号序列的模型进行比对,把系统中与输入特征数据流最接近的模型的符号或符号序列作为系统的识别结果。

检测识别的原理主要是,将输入话音声波进行适当处理成为特征数据流,然后在其中检测是否出现了系统已有的符号或符号序列的模型,把输入特征数据流中出现的系统模型的符号或符号序列作为系统的识别结果。

匹配识别和检测识别的主要差别在于,匹配识别是一种相对最佳表示的判断准则,即使输入话音声波的真实符号序列完全不在系统已有的符号或符号序列中,系统也会从它已知的范围中找出一个最接近的符号序列作为识别的输出结果。而检测识别是一种基于置信程度的判断准则,如果输入话音声波的真实符号序列不在系统已有的符号或符号序列中,则系统会因其置信程度低而拒绝输出识别结果。

汉字的话音输入系统就是典型的声音识别技术,但是其误码率很高。GSM手机上的话音电话存储就是一个典型的话音识别的例子,但是电话号码的话音准确呼出距实用还有一段相当长的距离。(2)指纹识别技术

在刑事侦查中,人们早在 20 世纪初为识别犯罪分子就已经使用了指纹法。在这方面涉及指尖的乳突与皮峭的比较(它们不但可以从手指本身获得,也可以从嫌疑人所接触过的物体上获得)。

用指纹法识别时,大多是为了出入检查,要将指尖放在一台特殊的阅读器上。阅读系统根据读入的图形计算出一组数据,并将这些数据与存储的参考图形相比较。现代指纹识别系统用不到半秒钟就能识别和验证出指纹的真伪。指纹识别系统甚至能够识别出提供的手指是不是活人的。

5.视觉识别技术

视觉识别系统可以看作是这样的系统:它能获取视觉图像,而且通过一个特征抽取和分析的过程,能自动识别限定的标志、字符、编码结构等呈现在图像内的特征。随着自动化技术的发展,视觉识别技术可与其他自动识别技术结合起来应用。

6.射频识别技术

射频识别(RFID)和IC卡系统紧密相关。和智能卡类似,数据被存储在一个电子数据承载设备——应答器(Transponder)中。但是,和智能卡不同的是,数据承载设备和阅读器之间的电源供应和数据传输不是基于接触的电流方式,而是基于磁场或电磁场的方式。RFID系统和其他识别系统相比有很多优点,因此,近年来RFID系统开始大规模地占领市场。

射频技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视距,识别距离比光学系统远,电子标签具有可读写能力,可携带大量数据,难以伪造和智能性较高等。

RFID技术适用的领域包括物流、交通和工业生产等要求非接触数据采集和交换的领域。由于RFID标签具有可读写能力,因此该技术对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。

上述各种不同的识别系统之间的比较见表1-1。表中对各类自动识别技术的一些主要特点进行了比较,可以看出,同其他识别技术相比较,RFID技术具有以下优势。(1)具有非接触性,因此完成识别工作无需人工干预,能够实现自动化。(2)数据量大,根据需要可传输除识别信息外的目标的身份信息、运行状态等。(3)信息处理速度快,在某些应用场合可以达到几十微秒。(4)保密性高,未经允许几乎不能复制与修改数据。(5)识别距离远,数据载体与阅读器之间的最远距离可以达到数十米。(6)具有很强的环境适应性,抗干扰能力强,可在全天候下使用,几乎不受污染与潮湿的影响,同时还避免了机械磨损。(7)一种系统可以满足多用途的要求,可以实现多目标识别、运动目标识别。(8)系统可靠性高,操作方便快捷。

正因为RFID系统的这些优点,使它具有美好的应用前景。表1-1 常用的自动识别技术的性能比较续表1.2 无线射频识别技术概述1.2.1 无线射频识别技术的基本概念

RFID技术是自动识别技术的一个分支,在自动识别技术的发展历程中先后出现了多种技术,这些技术各有特长,但RFID技术最具竞争优势,且发展势头迅猛,RFID系统产品市场已经成为信息产业中增长最快的市场之一。

RFID技术是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号的空间耦合(电感或电磁耦合)或反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。RFID技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件技术、数据库技术以及无线电技术。

RFID系统因应用不同,其组成也会有所不同,但基本都由电子标签(Tag)和阅读器(Reader)两大部分组成。电子标签(或称应答器)由耦合元件及芯片组成,其中包含加密逻辑、串行电可擦除可编程只读存储器(Electric Erasable and Programmable Read-Only Memory,EEPROM)、微处理器以及射频收发电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能,通过无线电波与读写设备进行数据交换,它工作的能量由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器有时也称为查询器、读写器或读出装置,主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签,再把从主机发往电子标签的数据加密,然后将电子标签返回的数据解密后送到主机。

由上可见,为了完成RFID系统的主要功能,RFID必须具有两个基本部分,即标签和阅读器。此外,为了更好地对识别数据进行分析与处理,在较大型的RFID系统中,还需要中间件、应用系统软件等附属设备来完成对多阅读器识别系统的管理。本书将安排专门的篇幅来介绍电子标签、阅读器、中间件和应用系统软件。图1-7所示为一个典型的RFID应用系统的组成图。图1-7 RFID应用系统组成图1.2.2 无线射频识别技术的发展历史

RFID技术的前身可以追溯到第二次世界大战(约1940年)期间,当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。采用的方法是在英方飞机上装识别标签(类似于现在的主动式标签),当雷达发出微波查询信号时,装在英方飞机上的识别标签就会作出相应的回执,使得发出微波查询信号的系统能够判别出飞机的身份,此系统称为敌我识别(Identity Friend or Foe,IFF)系统,目前世界上的飞行管制系统仍是在此基础上建立的。而被动式RFID技术应该归结为雷达技术的发展及应用,因此其历史可追溯到20世纪初期,大约在1922年雷达诞生了。雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射信号来测定和定位目标的位置及其速度。随后,在1948年出现了早期研究 RFID技术的一篇具有里程碑意义的论文——《Communication by Means of Reflected Power》。后来,信息技术,如晶体管集成电路、微处理芯片、通信网络等新技术的发展,拉开了RFID技术的研究序幕。在 20世纪60年代出现了一系列的RFID技术论文及专利文献。

RFID的应用已于20世纪60年代应运而生,出现了商用RFID系统——电子商品监视(Electronic Article Surveillance,EAS)设备。EAS被认为是RFID技术最早且最广泛应用于商业领域的系统。

20世纪70年代,RFID技术成为人们研究的热门课题,各种机构都开始致力于RFID技术的开发,出现了一系列的研究成果,并且将RFID技术成功应用于自动汽车识别(Automatic Vehicle Identification,AVI)的电子计费系统、动物跟踪以及工厂自动化等。

20世纪80年代是充分使用RFID技术的10年。虽然世界各地开发者的方向有所不同,但是美国、法国、意大利、西班牙、挪威以及日本等国家都在不同程度、不同应用领域安装和使用了RFID系统。第一个实用的RFID电子收费系统于1987年在挪威正式使用。1989年美国达拉斯南部高速公路也开始使用不停车收费系统。在此期间,纽约港务局和新泽西港务局开始在林肯路的汽车入口处使用RFID系统。

20世纪90年代是RFID技术繁荣发展的10年,主要表现在美国大量配置了电子收费系统。1991年在俄克拉荷马(Oklahoma)州建成了世界上第一个开放的高速公路不停车收费系统,汽车可以高速通过计费站。世界上第一个包括电子收费系统和交通管理的系统于1992年安装在休斯顿(Houston),该系统中首次使用了Title2l标签,而且这套系统和安装在俄克拉荷马州的RFID系统相兼容。同时,在欧洲也广泛使用了RFID技术,如不停车收费系统、道路控制和商业上的应用。而一种新的尝试是德州仪器(TI)公司开发的TIRIS系统用于汽车发动机的启动控制。由于已经开发出了小到能够密封到汽车钥匙中的电子标签,因此 RFID系统可以方便地应用于汽车防盗中,如日本丰田汽车、美国福特汽车、日本三菱汽车和韩国现代汽车的欧洲车型已将RFID技术用于汽车防盗系统中。RFID技术已经在许多国家或地区的公路不停车收费或/和火车车辆跟踪与管理中得到了应用,如澳大利亚、中国、菲律宾、巴西、墨西哥、加拿大、日本、马来西亚、新加坡、新西兰、南非、韩国、美国和欧洲等。借助于电子收费系统,出现了一些具有新功能的RFID技术。例如,一个电子标签可以具有多个账号,分别用于电子收费系统、停车场管理、费用征收、保安系统以及社区管理。在达拉斯,车辆上有一个电子标签也能用于在北达拉斯的计费系统,并且可用于通过关口和停车场收费,以及在其附近的娱乐场所、乡村停车场、团体及商业住宅区中使用。

为适应数字化信息社会发展的需求,RFID技术的研究与开发也正突飞猛进地发展。在美国、日本及欧洲等国家和地区正在研究各种各样的RFID技术。各种新功能的RFID系统不断地涌现,满足了市场各种各样的需求。从20世纪末到21世纪初,RFID技术中的一个重大的突破就是微波肖特基(Schottky)二极管可以被集成在 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)集成电路上。这一技术使得微波RFID的电子标签只含有一个集成芯片成为可能。在这方面,IMB、Tagmaster,Micron、Single Chip System(SCS)、Motorola、Siemens、Microchip、Transco(兼并了Amtech公司组成了Intermec)以及日本的Hitach、Mexell等公司表现积极。目前,Microchip、Hitachi、Maxell、Transcore和Tagmaster等公司已有单一芯片的不同频段的电子标签供应市场,而且已加入防碰撞协议(Anti-Collision Protocol),使得一个阅读器可以同时读出至少40个微波电子标签的内容信息,同时也增加了许多功能,如电子钱包需要的低功耗读写功能、数据加密功能等,为RFID系统的应用提供更加广泛的应用前景。

RFID技术在我国也有了一定范围的应用。自1993年我国政府颁布实施“金卡工程”计划以来成,加速了我国国民经济信息化的进程。由此,各种射频识别技术的发展及应用十分迅猛。1996年10月北京首都机场高速公路天竺收费站安装了不停车收费系统,该设备从美国AMTECH公司引进。因该系统没有真正实现一卡通功能而限制了其速卡通用户的数量;为适应全国信息化技术的要求,我国铁道部于1999年开始投资建设自动车号识别系统,并于2000年开始正式投入使用,作为电子清算的依据。该项目由兰州远望公司和哈尔滨铁路科学研究所共同研制;2001年7月上海市虹桥国际机场组合式不停车电子收费系统(ETC)试验开通,被国家经贸委和交通部确定为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程;中国香港已有80多辆过往关口的车辆使用了速通卡,大大加快了通关速度。与此相适应,深圳市海关正在建设不停车通关系统,在往来车辆上安装了具有防盗等功能的主、副两个微波电子标签。深圳市的机荷、梅观高速公路的不停车收费系统在2002年12月已进入试运行。在我国西部四川宜宾市建立了国内第一个RFID实验工程用于市内车辆交通管理与不停车收费。在2001年,我国交通部也已宣布开发使用电子车牌管理系统,给RFID技术的应用增添了新的活力。1.2.3 无线射频识别技术的分类

1.根据标签的供电形式分类

在实际应用中,必须给标签供电它才能工作,虽然它的电能消耗是非常低的(一般是百万分之一毫瓦级别)。按照标签获取电能方式的不同,可以把标签分成有源标签、无源标签和半有源标签。(1)有源标签

有源标签内部自带电池进行供电,它的电能充足,工作可靠性高,信号传送的距离远。另外,有源标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制,也可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方,比如,一年内标签只允许读写有限次。有源标签的缺点主要是标签的使用寿命受到限制,而且随着标签内电池电力的消耗,其数据传输的距离会越来越小,从而影响系统的正常工作。(2)无源标签

无源标签内部不带电池,要靠外界提供能量才能正常工作。无源标签典型的产生电能的装置是天线与线圈,当标签进入系统的工作区域时,天线接收到特定的电磁波,线圈就会产生感应电流,再经过整流电路给标签供电。无源标签具有永久的使用期,常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方,而且无源标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。无源标签的缺点主要是数据传输的距离要比有源标签短。因为无源标签依靠外部的电磁感应而供电,它的电能就比较弱,数据传输的距离和信号强度就受到限制,需要灵敏度比较高的信号接收器(阅读器)才能可靠识读。(3)半有源标签

半有源系统介于两者之间,虽然带有电池,但是电池的能量只激活系统,系统激活后无需电池供电,进入无源标签工作模式。

2.根据标签的工作方式分类

标签的工作方式即是标签通过何种形式方法与阅读器进行数据交换,据此,RFID可分为主动式、被动式和半主动式。(1)主动式

通常来说,主动式RFID系统为有源系统,即主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器,在有障碍物的情况下,只需穿过障碍物一次。因此主动方式工作的电子标签主要用于有障碍物的应用中,距离更远(可达30m)。(2)被动式

被动式系统必须利用读写器的载波来调制自身的信号,标签产生电能的装置是天线和线圈。标签进入RFID系统工作区域后,天线接收到特定电磁波,线圈产生感应电流,从而给标签供电,在有障碍物的情况下,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。该类系统一般适合用在门禁或交通应用中,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的电子标签。(3)半主动式

半主动式RFID系统虽然本身带有电池,但是标签并不通过自身能量主动发送数据给阅读器,电池只负责对标签内部电路供电。标签需要被阅读器的能量激活,然后才通过反向散射调制方式传送自身数据。

3.根据标签的工作频率分类

从应用概念来说,电子标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率,是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理(电感耦合还是电磁耦合)、识别距离,还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。

工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分,即位于ISM波段之中。典型的工作频率有125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等,它们分别属于低频、中频和高频RFID系统,如图1-8所示。图1-8 不同频率的RFID系统(1)低频段电子标签

低频段电子标签,简称低频标签,其工作频率范围为30~300kHz。典型工作频率有125kHz,133kHz(也有接近的其他频率,如TI公司使用134.2kHz)。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需要位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。

低频标签的典型应用有动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。

低频标签的主要优势是:标签芯片一般采用普通的CMOS工艺,具有省电、廉价的特点;工作频率不受无线电频率管制约束;可以穿透水、有机组织、木材等;非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用(例如动物识别)等。

低频标签的劣势主要是:标签存储数据量较少;只适合低速、近距离识别应用;与高频标签相比,标签天线匝数更多,成本更高一些。(2)中频段电子标签

中高频段电子标签的工作频率一般为3~30MHz,典型工作频率为13.56MHz。该频段的电子标签,从射频识别应用角度来说,因为其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类。另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签。

高频电子标签一般也采用无源方式,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m(最大读取距离为1.5m)。

高频标签可方便地做成卡的形状,其典型应用包括电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。

高频标准的基本特点与低频标准相似,随着其工作频率的提高,可以选用较高的数据传输速率。电子标签天线的设计相对简单,标签一般制成标准卡片形状。(3)高频段电子标签

高频段电子标签的工作频段处于超高频(UHF)或微波频段,因此,高频段电子标签也可称为超高频或微波频段电子标签,又可称为微波电子标签,其典型工作频率为433.92MHz、862(902)~928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时,电子标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于 1m,典型情况为4~7m,最大可达10m。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写。

随着阅读距离的增加,应用中有可能存在在阅读区域中同时出现多个电子标签的情况,从而提出了多标签同时读取的需求,进而这种需求发展成为一种潮流。目前,先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。

以目前技术水平来说,无源微波电子标签比较成功,其产品相对集中在 902~928MHz的工作频段上。2.45GHz 和 5.8GHz 射频识别系统多以半无源微波电子标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电,具有较远的阅读距离。

4.根据标签的可读性分类

根据电子标签内部使用的存储器类型的不同,电子标签可分为3种,即可读和写(Read and Write,RW)标签、一次写入多次读出(Write Once Read Many,WORM)标签和只读(Read Only,RO)标签。可读写标签一般比多次读出标签和只读标签的成本高很多。(1)只读标签

只读标签内部只有只读存储器(Read Only Memory,ROM)和随机存取存储器 (Random Access Memory,RAM)。ROM用于存储发射器操作系统程序和安全性要求较高的数据,它与内部的处理器或逻辑处理单元共同完成内部的操作控制功能,如响应延迟时间控制、数据流控制以及电源开关控制等。另外,只读标签的ROM中还存储有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入ROM,也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入。这种信息可以只简单地代表二进制中的“0”或者“1”,也可以像二维条码那样,包含相当复杂、丰富的信息。只读标签中的RAM 用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外,只读标签中除了 ROM 和 RAM 外,一般还有缓冲存储器,用于暂时存储调制后等待向天线发送的信息。(2)可读写标签

可读写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外,还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了有存储数据的功能外,还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种,EEPROM是比较常用的一种,这种存储器在加电的情况下,可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。(3)一次写入多次读出标签

一次写入多次读出标签是用户可以一次性写入的标签,但写入后数据不能再改变。

5.根据标签中存储器数据存储能力分类

根据标签中存储器数据存储能力的不同,可以把标签分成仅用于标识目的的标识标签与便携式数据文件两种。对于标识标签来说,一个数字或者多个数字、字母、字符串存储在标签中,为了识别的目的或者是进入信息管理系统中数据库的钥匙(Key)。条码技术中标准码制的号码,如EAN/UPC码,或者混合编码,或者标签使用者按照特别的方法编的号码,都可以存储在标识标签中。标识标签中存储的只是标识号码,用于对特定的标识项目,如人、物、地点等进行标识,关于被标识项目详细的、特定的信息,只能在与系统相连接的数据库中进行查找。

顾名思义,便携式数据文件就是说标签中存储的数据量非常大,足可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的,标签中除了存储有标识码外,还存储有大量的被标识项目及其他的相关信息,如包装说明、工艺过程说明等。在实际应用中,关于被标识项目的所有信息都是存储在标签中的,读标签就可以得到关于被标识项目的所有信息,而不用再连接到数据库中进行信息读取。另外,随着标签存储能力的提高,它还可以提供组织数据的能力,在读标签的过程中,可以根据特定的应用目的控制数据的读出,实现在不同的情况下读出的数据部分不同。

6.根据标签和阅读器之间的通信工作时序分类

时序是指标签和阅读器的工作次序问题,即是阅读器首先唤醒(Reader Talk First,RTF),还是标签首先自报(Tag Talk First,TTF)的方式。

对于无源标签来讲,一般是阅读器先讲的形式;对于多标签同时识读来讲,可以采用阅读器先讲的形式,也可以采用标签先讲的形式。多标签的同时识读,只是相对的概念。为了实现多标签无冲撞同时识读,对于阅读器先讲的形式,阅读器先对一批标签发出间隔指令,使得阅读器识读范围内的多个电子标签被隔离,最后只保留一个标签处于活动状态与阅读器建立无冲撞的通信联系。通信结束后指令该标签进入休眠,然后指定一个新的标签执行无冲撞通信指令。如此往复,完成多标签同时识读。对于标签先讲的方式,标签随机在随机的时间内反复地发送自己的识别ID,不同的标签可在不同的时间段内被阅读器正确识读,完成多标签的同时识别。

7.按数据通信方式划分

按数据在RFID阅读器与电子标签之间的通信方式,RFID系统可以划分为3种,即半双工系统、全双工系统和时序系统,如图1-9所示。图1-9 半双工、全双工与时序系统示意图(1)半双工系统

在半双工(HDX)系统中,从电子标签到阅读器的数据传输与从阅读器到电子标签的数据传输是交替进行的。当频率在300MHz以下时常常使用负载调制的半双工法,有没有副载波都可以,其电路也很简单。与此很相近的方式是来源于雷达技术的调制反射截面的方法,工作频率在100MHz以上。负载调制和调制反射截面直接影响由阅读器产生的磁场或电磁场,因此被称作谐波处理法。(2)全双工系统

在全双工(FDX)系统中,数据在电子标签和阅读器之间的双向传输是同时进行的。其中,电子标签发送数据,所用频率为阅读器的几分之一,即采用分谐波,或是用一种完全独立的非谐波频率。(3)时序系统

在时序(SEQ)系统中,从阅读器到电子标签的数据传输和能量供给与从电子标签到阅读器的数据传输在时间上是交叉进行的,即脉冲系统。

半双工与全双工两种方式的共同点是,从阅读器到电子标签的能量供给是连续的,与数据传输的方向无关,而与此相反,在使用时序系统的情况下,从阅读器到电子标签的能量供给总是在限定的时间间隔内进行,从电子标签到阅读器的数据传输是在电子标签的能量供给间歇时进行的。这3种通信方式的时间过程说明如图1-9所示,其中,从阅读器到电子标签的数据传输定义为下行,而从电子标签到阅读器的数据传输定义为上行。1.2.4 无线射频识别技术的应用领域

RFID 技术以其独特的优势,逐渐地被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的发展及其生产规模的不断壮大,射频识别产品的成本将不断地降低,其应用也将越来越广泛,举例如下。

加拿大航空公司使用RFID跟踪用于世界各地机场的食品车,每年可以节约数百万美元,这样,不但使用了更少的食品车以及减少了保持库存的时间和费用,而且对世界各地移动的食品车的妥善管理也增进了效率和客户服务。

波音公司就在其位于堪萨斯州的工厂中使用了一个915MHz的高频RFID系统来跟踪零件的到达,而过去则是使用条形码来进行跟踪的,但条形码必须经过人工扫描,并且还必须经过特殊的化学处理,如果人工扫描环节出了差错,则会失去对零件的跟踪。而如今这些都是自动化的,并且减少了错误和需要的人手。

美国 AM General 公司也在其位于 Mishawaka的悍马汽车制造厂内使用了一种主动式RFID系统来跟踪零件。而Club Car甚至将RFID作为其新的高尔夫球车装配线上的一个主要部件,将每辆车的生产时间从88min减少到46min。

这些都是 RFID 技术在各领域中具体应用的实例,射频识别技术可以广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域,如汽车、火车等交通监控,高速公路自动收费系统,停车场管理系统,物品管理,流水线生产自动化,安全出入检查,仓储管理,动物管理,车辆防盗等。

1.交通运输

目前,RFID 已经在交通领域开始逐步推广应用,并且取得了良好的社会和经济效益,其应用前景为业内人士一致看好。在智能交通领域,RFID主要应用在以下几个方面。(1)电子收费系统

电子收费(Electronic Toll Collection,ETC)系统是一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。它可以应用 RFID 技术,通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通信,在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下,自动完成收费处理全过程,如图1-10所示。图1-10 电子收费系统

不停车收费涉及交通基础设施投资的回收,又是缓解收费站交通堵塞的有效手段,而且在使用中收费卡的用量又很大,因此各个国家都优先投入不停车收费应用系统的开发,并且积极推广,目前在欧美应用已经比较成熟、普遍。我国也已经在广东、四川等地的高速公路上投入应用。通过应用不停车收费系统可以提高通过效率,防止收费站交通瓶颈的发生,同时通过RFID技术实现无人为干预的收费,有效地遏制了偷逃过路费,收费人员玩忽职守、徇私舞弊等行为,同时降低了收费站的管理成本,更快地收回基础设施的投资。(2)电子车牌系统

电子车牌系统(EVI)的一个典型应用是在海关中。数量巨大的货物在港口、码头及海关的装卸、进出港、通关,相当大的部分是用车辆作为运输手段的。因此,在港口、码头及海关往来的车辆众多,且可能属于海关、船公司、船代公司、货代公司、港务局、集装箱场站等不同行业的不同单位。如果不采取统一的措施很难调度管理,给通关及货物的流转带来很大的困难。采用 RFID 技术实现的电子车牌管理系统能有效地解决这一问题。该系统通过对往来的车辆统一管理登记、发放车载电子标签,并在关键的出入监控点安放 RFID 识读设备,可以使安装电子车牌的监管车辆在通过监控通道时,可以被识别系统准确及时地识别,以完成车辆数据采集的要求。同时采用无线通信等信息技术将采集到的车辆信息提交给管理系统,来完成车辆身份的确认、查询和统计以及调度等功能。通过应用海关码头电子车牌系统可以有效提高海关车辆的通行能力,实时统计监测车辆信息,防止误检、漏检,提高通关效率,同时可以阻止组织偷窃、走私等行为。(3)城市交通调度管理系统

车辆调度管理系统是智能交通系统的核心组成部分,它采用先进的信息通信技术,收集道路交通的动态、静态信息,并进行实时的分析,并根据分析结果安排车辆的行驶路线、出行时间,以达到充分利用有限的交通资源提高车辆的使用效率的目的,同时,也可以了解车辆运行情况,加强车辆的管理。

RFID技术可以作为交通调度系统信息采集的有效手段,在交通调度管理系统(TMS)中得以应用。比如利用将RFID应用于公交车场管理系统,可以实现公交车进出站,信息自动、准确、远距离、不停车采集,使公交调度系统准确掌握公交停车场公交车进出的实时动态信息。通过实施该系统可有效提高公交车的管理水平,对采集的数据利用计算机进行研究分析,可以掌握车辆运用规律,杜绝车辆管理中存在的漏洞,实现公交车辆的智能化管理,提升城市形象。同时采用RFID作为技术手段具有很高的经济性,与GPS(全球定位系统)等技术相比,RFID技术具有安装方便、适应性强、成本低,车辆无需改造等特点。同时,一些地区和城市也开始将RFID应用于垃圾运输车辆、危险品运输车辆等特殊服务车辆的调度和管理。通过在车上安放电子标签,在特定路段的监控点放置识读设备来监控车辆是否按照规定的路线行驶,在有泄漏等情况出现时及时发现事故车辆。(4)电子注册管理系统

车辆的注册登记以及牌照管理一直以来都是交通管理部门的管理重点和难点,黑车、假牌照等问题始终都没有得到根除。但是新技术也许会使这个问题变得简单,采用 RFID技术实现车辆电子注册管理系统(EVR)就是有效解决这一问题的方法之一。车辆注册登记后加载RFID电子车牌,由于每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID,UID是在制作芯片时放在ROM中的,无法修改,因此可以实现防伪功能。同时标签可以被远距离识别,无需停车及人为干预,就可以监查,因此可以规范车辆管理手段,加强对车辆的监查力度,实现车辆年检的智能化管理,加强对非法车辆的打击力度。现在该系统已经在军车等方面得到应用,取得了良好的社会和经济效益。(5)车辆智能称重系统

通过将称重系统和远距离RFID自动识别技术相结合可以实现基于RFID的车辆智能称重系统。该系统在原有称重管理系统上附加了采用远距离RFID自动识别实现的对需要称重车辆的自动识别功能,并将自动采集到的称重车辆信息合并到称重管理系统中。应用智能称重管理系统可提高称重效率,减少车辆在待检处的停留等待,同时,通过车号自动识别和精确计量可有效地避免人为舞弊带来的经济损失。此外,系统实施后还大大降低了工作人员的劳动强度和人工称重的失误率。因此,基于RFID的车辆智能称重系统实现了识别、计量、监控的完美结合。该系统可以灵活应用到交通运输的很多方面,如在高速路口自动称重以治理超载,在码头等物资集散地可以加快车辆计重速度,减少拥堵等,具有巨大的应用价值。

2.物流管理

RFID能够在物流诸多环节上发挥关键作用,这些环节包括零售环节、存储环节、运输环节和配送/分销环节,整个过程如图1-11所示。图1-11 RFID在物流各环节上的应用(1)零售环节

RFID通过有效跟踪运输与库存,可以改进零售商的库存管理,实现适时补货,提高效率,减少出错。同时,电子标签能够对某些规定有效期和保质期的商品进行监控,商店还能利用RFID系统在付款台实现自动扫描和计费,以取代效率低下的人工收款方式。

在未来的数年中,RFID标签将大量用于供应链终端的销售环节,特别是在超市中,RFID标签免除了跟踪过程中的人工干预,能够生成高度准确的业务数据,因而具有巨大的吸引力。目前,世界零售业巨头沃尔玛正在全面采用RFID技术来淘汰条形码,以进一步提高零售环节的效率。(2)存储环节

在仓库管理领域,射频识别技术通常用于存取货物与库存盘点,并能实现自动化的存货和取货等操作。在整个仓库管理中,通过将供应链计划系统制定的收货计划、取货计划、装运计划等与射频识别系统相结合,能够高效地完成各种业务操作,如指定堆放区域、上架取货与补充供应等。通过采用RFID技术,能够增强作业的准确性和快捷性,大幅度提高服务质量和降低经营成本,节省读码劳动力和库存空间,同时也可以减少整个物流中由于商品误置、送错、偷窃、损害和库存、出货错误等造成的损耗。RFID解决方案可提供有关库存情况的准确信息,管理人员可由此快速识别并纠正低效率运作情况,从而实现快速供货并最大限度地减少储存成本。(3)运输环节

在运输管理领域,通过为运输的货物和车辆粘贴RFID标签(如将标签贴在集装箱和装备上)以实现设备的跟踪控制。RFID读写装置通常安装在运输线的一些检查点上(如门柱或桥墩旁等)以及仓库、车站、码头、机场等关键地点。接收装置收到RFID标签信息后,连同所在地的位置信息上传至通信卫星,再由卫星传送给运输调度中心并输入数据库。(4)配送/分销环节

在配送环节中,采用射频识别技术能够大大加快配送的速度,提高拣选和分发过程的效率与准确率,并能减少人工参与的几率,降低配送成本。所有粘贴 RFID 标签的商品在进入中央配送中心时,托盘通过入口安装的读写器,读取托盘中所有货箱上的标签内容。系统将这些信息与发货记录进行核对,以检测出可能的错误,然后为RFID标签更新商品存放地和商品所处的状态。这样就能确保精确的库存控制,甚至能够确切掌握当前处于转运途中的货箱数量、转运的始发地和目的地,以及预期的到达时间等相关信息。在供应链管理中,RFID标签可以用于追踪物品在整个供应链中的流向,追踪从供应商到零售商的所有物流过程,还可以对物品进行售后追踪,从顾客付费开始,中央数据库会记录其流动过程,制造商、零售商可以事后查询其流向,从而有效进行定位、投递确认及防盗。

RFID在供应链的另一个应用就是确保供应链的合法性。美国食

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