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射频识别(RFID)技术
2008-09-09 阅读: 作者: 编辑:

射频识别(Radio Frequency Identification,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“Symposium ITXPo 2003” 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。

1

图1 RFID 技术趋势预测 图2 RFID 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。

2 RFID 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。

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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。

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2040cm

存储容量

可达16K

字节以上通常小于128 字节

信号强度要求

平均价格

工作寿命

24

 

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(Electronic Product Code,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。

3 RFID 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。

3.1 RFID 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(Ubiquitous ID)规范和ISO 18000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。

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(internet ofthings),该中心得到了美国政府和企业界的广泛支持。 2003 年10 月2 6 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Class 0、Class 1、Class 2 三种。其中Class 0 和Class 1 标签都是一次写入多次读取标签,Class 0 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;Class 1 则提供了更多的灵活性,信息可由用户写入一次。Class 0 和Class 1 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。Class 2 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。

Class 2 标签允许加入安全与访问控制、感知网络和Ad hoc 网络等功能支持。目前EPCglobal正在制定第二代标签标准,即UHF Class 1 Generation 2 (C 1G 2)。C 1G 2 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EPC Tag 数据规范、Class 0(900MHz)标签规范、Class 1(13.56MHz)标签接口规范、Class 1(860MHz~930MHz)标签射频与逻辑通讯接口规范、物理标识语言(Physical Markup Language,PML)。

UID(Ubiquitous ID)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:Class 1 只读RFID 标签、Class 2 可读写RFID 标签、Class 5 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(ubiquitous communicators,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。

3

图4 EPC 与UID 编码规范

3.2 RFID 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。高频频段数据传输率相对较高,且通讯质量较好。表2为RFID 频段特性表。

表2 RFID 频段特性

 

 

频段

描述

作用距离

穿透能力

125~134KHz

低频(LF

45cm

能穿透大部分物体

13.553~13.567MHz

高频(HF

1~ 3m

勉强能穿透金属和液体

400~1000MHz

超高频(UHF

3~ 9m

穿透能力较弱

2.45GHz 微波

Microwave

3m

穿透能力最弱

 

 

 

3.2.2 RFID 天线研究

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;按方向性可分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。

受应用场合的限制,RFID 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面,甚至需要嵌入到物体内部。RFID 标签在要求低成本的同时,还要求有高的可靠性。此外,标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用,这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对RFID 天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上。

天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗,比较适合电子标签应用;由于RFID 标签放置方向不可控,读写器天线必须采取圆极化方式(其天线增益较大);天线增益和阻抗特性会对RFID 系统的作用距离产生较大影响;天线的工作频段对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响。

天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响。如金属物体对电磁信号有衰减作用,金属表面对信号有反射作用,弹性基层会造成标签及天线变形,物体尺寸对天线大小有一定限制等。人们根据天线的以上特性提出了多种解决方案,如采用曲折型天线解决尺寸限制[11],采用倒F 型天线解决金属表面的反射问题[12]等。

天线特性还受天线周围物体和环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传输;金属物体产生电磁屏蔽,会导致无法正确地读取电子标签内容;其他宽频带信号源,比加发动机、水泵、发电机和交直流转换器等,也会产生电磁干扰,影响电子标签的正确读取。如何减少电磁屏蔽和电磁干扰,是RFID 技术研究的一个重要方向。

3.2.3 防冲突技术研究

鉴于多个电子标签工作在同一频率,当它们处于同一个读写器作用范围内时,在没有采取多址访问控制机制情况下,信息传输过程将产生冲突,导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。文献[13]提出了Colorwave 算法以解决阅读器冲突问题。根据电子标签工作频段之不同,人们提出了不同的防冲突算法。

对于标签冲突,在高频(HF)频段,标签的防冲突算法一般采用经典ALOHA 协议。使用ALOHA 协议的标签,通过选择经过一个随机时间向读写器传送信息的方法,来避免冲突。绝大多数高频读写器能同时扫描几十个电子标签。在超高频(UHF)频段,主要采用树分叉算法来避免冲突。同采用ALOHA 协议的高频频段电子标签相比,树分叉算法泄漏的信息较多,安全性较差。

上面两种标签防冲突方法均属于时分多址访问(TDMA)方式,应用比较广泛。除此之外,目前还有人提出了频分多址访问(FDMA)和码分多址访问(CDMA)方式的防冲突算法,主要应用于超高频和微波等宽带应用场景。

3.2.4 安全与隐私问题

RFID 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范对RFID 系统的攻击以及利用RFID 技术进行安全防范等多个方面。面临的挑战是:

n 用户对标签的拥有信息不被未经授权访问,以保护用户在消费习惯、个人行踪等方面的隐私;

n 避免由于RFID 系统读取速度快,可以迅速对超市中所有商品进行扫描并跟踪变化,而被利用来窃取用户商业机密; 

n 防护对RFID 系统的各类攻击,如:重写标签以窜改物品信息;使用特制设备伪造标签应答欺骗读写器以制造物品存在的假相;

n 根据RFID 前后向信道的不对称性远距离窃听标签信息;通过干扰RFID 工作频率实施拒绝服务攻击;通过发射特定电磁波破坏标签等;

n 如何把RFID 的唯一标识特性用于门禁安防、支票防伪、产品防伪等。

为了避免RFID 标签给客户带来关于个人隐私的担忧,同时也为了防止用户携带安装有标签的产品进入市场所带来的混乱,很多商家在商品交付给客户时把标签拆掉。这种方法无疑增加了系统成本,降低了RFID 标签的利用率,并且有些场合标签不可拆卸。为解决上述安全与隐私问题,人们还从技术上提出了多种方案,如表3 所示。

表3 RFID 标签安全与隐私保护方法

 

方法名称

描述

优缺点

Kill 标签

商品交付给最终用户时,通过KILL指令杀死标签,标签无法再次被激活

彻底防止用户隐私被跟踪;限制了标签的进一步利用

法拉第网罩

将贴有RFID 标签的商品放入由金属网罩或金属箔片组成的容器中,从而阻止标签和阅读器的通信

为避免信息泄露,每件商品都得罩上一个网罩,难以大规模实施

主动干扰

用户使用能够主动广播干扰信号的设备,干扰对受保护标签的读取

干扰周围的合法RFID系统

智能标签

增加标签的处理能力,利用加密技术进行访问控制,保护用户隐私

受到成本的限制,难以采用复杂的加密技术

 

阻止标签

使用一个特殊的标签(称为阻止标签)对阅读器的读取命令总应答相同的数据,从而保护用户标签

阻止标签带来成本增加

Hash

通过简单的hash 函数,增加闭锁和开锁状态,对标签与阅读器之间的通信进行访问控制

 

无法解决位置隐私和中间人攻击

问题

 

 

 

3.3 RFID 应用研究

基于RFID 标签对物体的唯一标识特性,引发了人们对基于RFID 技术的应用进行研究的热潮。物流与实物互联网是当前RFID 应用研究的热点,其他应用研究还包括空间定位与跟踪、普适计算、系统安防等多个方面。

3.3.1 物流与实物互联网

实物互联网是通过给所有物品贴上RFID 标签,在现有互连网基础之上构建所有参与流通的物品信息网络。实物互联网的建立将对生产制造、销售、运输、使用、回收等物品流通的各个环节,并将对政府、企业和个人行为带来深刻影响。通过实物互联网,世界上任何物品都可以随时随地按需的被标识、追踪和监控。实物互联网被视为继Internet 后IT 业的又一次革命。

为了实现实物互联网的目标,EPCglobal 在基本RFID 系统的基础上引入了Savant、对象名字服务ONS(Object Name Service)、物理标识语言PML(Physical MarkupLanguage)[7]等多项核心技术。在实物互联网中,产品在生产完成时,贴上存储有EPC标识的RFID 标签,此后在产品的整个生命周期,该EPC 代码成为产品的唯一标识,以此EPC 编码为索引能实时的在EPC 网络上查询和更新产品相关信息,也能以它为线索,在各个流通环节对产品进行定位追踪。在运输、销售、使用、回收等任何环节,当某个阅读器在其读取范围内监测到标签的存在,就会将标签所含EPC 数据传往与其相连的Savant,Savant 首先以该EPC 数据为键值,在本地ONS 服务器获取包含该产品信息的EPC 信息服务器的网络地址,然后Savant 根据该地址查询EPC 信息服务器,获得产品的特定信息,进行必要的处理后,触发后端企业应用做更深层次的计算,同时,本地EPC 信息服务器和源EPC 信息服务器对本次阅读器读取进行记录和修改相应数据。

如果本地ONS 不能查阅到EPC 编码对应的EPC 信息服务器地址,它会向远程ONS 发送解析请求。整个实物互联网架构如图5 所示。

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图5 实物互联网架构图

RFID 标签在物流领域的应用将产生大量RFID 数据。以100 个阅读器规模的RFID系统为例,每个阅读器每秒进行10 次遍历,整个系统每天产生的RFID 数据可达 1000G 规模。如何对RFID 数据进行采集、过滤、分析、存储和提取也是当前RFID 研究的热点之一。

3.3.2 空间定位与跟踪

无线及移动通信设备的普及带动了人们对位置感知服务的需求,人们需要确定物品的三维坐标并跟踪其变化。现有的定位服务系统主要包括基于卫星定位的GPS 系统、基于红外线或超声波的定位系统以及基于移动网络的定位系统。RFID 的普及为人与物体的空间定位与跟踪服务提供了一种新的解决方案。RFID 定位与跟踪系统主要利用标签对物体的唯一标识特性,依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度来测量物品的空间位置,主要应用于GPS 系统难以应用的室内定位。典型的RFID 定位与跟踪系统包括MIT Oxygen 项目开发的Cricket 系统[14]、密歇根州立大学的LANDMARC 系统[15]、微软公司的RADAR 系统[16]。针对RFID 标签价格低廉的特点,通过引入参考标签,采用RFID 标签作为参考点[15],能够提高系统定位精度,同时降低系统成本。

3.3.3 普适计算

RFID 标签具有对物体的唯一标识能力,可以通过与传感器技术相结合,感知周围物品和环境的温度、湿度和光照等状态信息[19],并利用无线通信技术方便地把这些状态信息及其变化传递到计算单元,提高环境对计算模块的可见度,构建未来普适计算的基础设施,让计算无处不在,主动地、按需地为人们提供服务。

3.4 RFID 标签成本

RFID 标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。RFID 标签的成本主要由IC 芯片、天线和封装等几部分构成。根据ARC 顾问集团调查,2003 年被动式HF 频段标签的平均价格为91 美分,UHF 频段标签的平均价格为57 美分[9]。随着集成电路技术的进步和应用规模扩大,RFID 标签的成本将不断降低。根据Auto-ID 中心的预测,在大规模生产的情况下,RFID 标签生产成本最低能降到5 美分,其中IC 芯片约1~2 美分,天线约1 美分[10];ARC顾问集团预测,到2008 年,被动式HF 频段标签的平均价格将下降至30 美分,UHF 频段标签的平均价格将下降至16 美分[9]。此外,RFID 阅读器的成本也是影响RFID 应用的因素之一。由于RFID 系统拥有巨大的技术优势,由此将带来工作效率的大幅提高,从而降低系统的总体拥有成本。

RFID 系统应用推广还涉及到对现有业务系统的改造。当前企业大量采用的是条码技术、ERP、数据仓库等技术管理自己的生产和销售过程。如何降低把现有业务系统转变成以RFID为基础所需的成本也是当前RFID 研究的一个重要课题。

4 结论

RFID 将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见,在不久的将来,RFID 技术不仅会在各行各业被广泛采用,最终RFID 技术将会与普适计算技术相融合,对人类社会产生深远影响。作为全球的制造业基地,中国将是未来全球最大的RFID 应用市场。这对于国内的科研机构和企业将是一次难得的机遇。目前,我国在RFID 芯片、RFID 系统安全等核心技术方面的研究几乎还是空白,在RFID 应用方面也还处于起步阶段。我们相信,在政府推动、企业参与的环境下,在庞大市场空间的吸引下,在中国会有越来越多的企业和研究机构参与RFID 技术的研发和应用,会有更多的企业利用RFID 技术进行企业信息化改造。中国将不仅主导RFID 技术的应用市场,也应该成为RFID 技术的全球研发中心。

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