RFID射频识别技术

射频识别技术XXX摘要：射频识别技术（RFID）在最近几年得到了快速的发展。其关键是利用无线电波来进行通信的一种自 动识别技术。它与传统识别技术相比，具有远距离能快速识别，数据存储量较大，数据可更新等优势。其 基本原理则是通过阅读器和粘贴在物体上的电子标签间的电磁耦合来进行的数据通信。本文以RFID技术为 研究对象，阐述RFID的基本定义、系统的组成部件、工作原理、分类、分析RFID技术的优势，并介绍RFID 技术的主要应用例子。关键字：射频识别技术 自动识别技术 电子标签Radio Frequency Identification technology and applicationsAbstract:Radio Frequency Identification technology has been rapid development. The key to RFID technology is an automatic identification technology which it uses radio waves to communicate. Compared with the traditional identification technology, RFID can quickly identify the large data in a large range, and also the data can be updated .RFID is an advanced form of automatic identification technology .I will give the definition of RFID, the components of the system, the working principle and classification and I will analyze the advantages of RFID technology, at last I will describe the main application areas of RFID technology.Keywords: Radio frequency identification technology Automatic Identification Technology Electronic tags1 RFID技术与国内外研究现状1.1 RFID 技术射频识别技术RFID-Radio Frequency Identification,又作电子标签或无线射频识 别，是一种通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，并且无需识别系 统与特定目标之间建立机械或光学接触。它能够实现快速的读写、非可视的识别、移动识别、 多目标的识别、定位以及长期的跟踪管理，识别工作不受恶劣环境的影响，而且能够达到读 取速度快，读取信息安全可靠，因此RFID技术有着广泛的应用前景。RFID射频识别是一种非接触式自动识别技术，它能够通过射频信号自动识别目标对象 并获取相关的数据，识别工作能够适用于各种恶劣的环境。RFID是一种简单的无线系统， 它只有两个基本的器件，该系统是用于控制、检测与跟踪物体。该系统由一个询问器和很多 应答器组成。由于射频技术发展迅猛，应答器又被叫做智能标签或标签。RFID电子电梯合格证的阅 读器能够通过天线与电子标签进行无线通信，并且能够实现对标签识别码和内存数据的读 出、写入等操作。典型的阅读器包含有高频模块、控制单元以及阅读器天线。1.2 国内外相关研究的进展在20世纪90年代的时候，射频识别技术（RFID）技术已经开始应用于了供应链的管理 领域当中，但是对于RFID技术对供应链管理的影响的研究还处于刚开始的阶段。国外的发 展情况，然后再介绍国内的发展情况。1.2. 1国外的发展情况RFID的产品种类比较丰富，它已经形成了从低频到高频，再从低端到高端的产品一系 列的产品，而且规模应用行业也在不断的扩大，并且己形成了相对成熟稳定的RFID的产业 链。RFID技术在国外发展的很快，并且产品种类比较多，世界著名厂家如Philips，正在研 究着生产RFID产品，并且具有自己的特色。IBM、以及Microsoft等厂商都在计划和发展 RFID技术。其中短距离的HF频段的RFID技术被Phillips公司所垄断，包括标签和读写器 等；而长距离的HF频段的RFID技术被国外很少数的企业所垄断，如德国的FEIG公司；微 波频段的RFID技术处于起步阶段。1.2.2国内的发展情况在目前，RFID技术在我国的应用则主要集中体现在交通运输的行业中，较为成熟的应 用有:大连港的集装箱管理和全国铁路车号识别系统等。此外，在高速公路收费管理、车场 管理的应用也正在推广的过程当中。在我国，经济部技术处在九二年起究就开始了通过工程研究院的系统中心推动高频 RFID的研发计划，研发内容包括读写器和IC芯片等重要技术，如果能够完成对IC芯片的 技术开发，就可以使得RFID能适应多样化地应用。我国采用的RFID技术正在应用于第二代身份证的项目当中，它带动了国内数百家企业 进入该项技术领域当中，这些企业大部分集中在北京、上海等地，主要进行对中间件和电子 标签等的研发。1.3 RFID技术所具有的优势1. 电子标签可以重复利用：读写型电子标签可以重复地增删改除数据，可以回收和重新利 用，达到了节省开支和提高了效益的目的。2. 穿透性很好：射频信号能够将纸张、塑料、木材等非金属材料穿透。3. 远距离不接触式的识别：传统的条形码必须要对准才能读取,而电子标签则只要置于阅 读器产生的电磁场内部就可以进行读取数据，能够节省人力，适合与各种自动化设备配 合使用。4. 数据存储量很大：电子标签能够使物品携带更多的相关的信息，而且较大的存储量也能 够使得世界的每一个标签都拥有与众不同的ID。5. 不受恶劣环境的影响：电子标签对水、油污、灰尘等都有着较强的抗污染性,在黑暗和 恶劣的天气影响下,RFID系统仍然可以工作。6. 读取速度很快：RFID可一次能够处理多个标签，读取单个标签的时间与读取条形码也 会大大降低，它的读取效率要高的很多。7. 数据可以更新：对于读写型标签，其用户的数据部分可进行多次改写，能够方便数据更 新等操作，能够追踪商品在整个流水线上或者供应链上的状态。2 RFID系统的组成2.1 RFID的基本组成部分RFID 射频识别系统主要包括电子标签、阅读器、天线以及应用软件四部分。以下是该 系统的结构框图，如图1所示：图1 RFID系统结构框图从上图可以看出：在阅读器与电子标签的模块中均有数据的输入与输出，并且两大模块 中传输的还有能量与时钟。1 阅读器：读取（或写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。手持式是超市收 银员用的那种比较小；固定式则是物流公司在仓库入库物品时在门口摆置的不动的阅读器， 物体一扫而过，在瞬间即完成了扫描读入。控制模块射频收发模块接口模块应用程序图2 阅读器的工作模型2天线：在标签和读取器间传递射频的信号用的。3标签：标签是由耦合元件以及芯片所组成，每个标签具有唯一的一个电子编码，附着在物体上用来标识目标对象。图3显示的是阅读器查询标签示意图：天线图3 阅读器查询标签示意图4应用软件：应用软件则是RFID系统的一部分，针对不同需求从而进行开发的软件，它可 以通过阅读器对电子标签进行读写和控制，将收集到的数据进行处理和统计。我们教研室使 用的数据库是SQL Sever 2005，界面的设计使用的是C#.net。2.2 RFID标准体系结构数 据 对 象数据结构初始化防碰通信接口图4 RFID技术标准基本结构从该结构图中可以看出，技术参数涉及到设备、测试及实验、安全、协议、数据、通信 物理参数以及术语等。对于设备的要求要有封装。RFID的标准体系结构图如图5：图5 RFID标准体系结构从该结构图中可以看出，RFID的标准体系有技术标准和应用标准，技术标准涉及到术 语，物理参数等；应用标准则涉及到身份识别和交通等。2.3 RFID中间件在应用程序中能通过中间件能提供的通用应用程序接口使得API连接RFID阅读器并且 取走RFID电子标签得数据。RFID中间件在RFID标签和应用程序之间担任着桥梁的角色。通过这种方式，即使FRID阅读器种类或应用程序发生变化的时候，应用程序端则仍然 不需要进行任何修改，只需要对中间件进行相应的配置就可以，这样能分体现出了中间件的 灵活方便以及重要性。具体情况如图6所示：图6 RFID中间件在企业应用中的位置使用RFID的中间件能够给企业等带来的好处具体如下：1. 企业可以根据自身的业务需求以及实际的使用情况，通过自行配置的RFID中间件参数 的方式能将所需要的数据导入应用软件,这样能够充分体现了 RFID中间件灵活的特点。2. 当企业的应用软件发生一些变化时，RFID数据的导入只需要通过更改RFID中间件的设 置就可以了。3. 如果需要增加RFID阅读器的数量，则企业只需要对RFID中间件进行一些相关设置就可 以了，并不需更改任何相关的程序，减少了不必要的麻烦，省时省力。4. 它缩短了 RFID应用的实施周期，企业可直接将RFID的有关数据进行导入。2.4 RFID中间件的功能和特点RFID的中间件具备以下几个功能：1. 数据的安全。对于RFID涉及的安全领域，需要对于RFID的中间件能够对电子标签内部 的数据信息进行一些相应的实施保护，并且能够通过一些合法手段来对数据进行采集、 处理。2. 数据的读写功能。RFID的中间件能提供统一的API,完成数据的读写操作，中间件需要 有一定的适应性，使它能够支持不同协议的产品。3. 数据的分发。阅读器读取数据有需要同时用在多个应用软件中，中间件则应该具备通过 数据的分发，使数据分别发送到各软件的功能。4. 数据的过滤。阅读器是不断地从标签中读取数据的，因此在一定时间内会积累大量的重 复数据，此时数据的过滤就显得很重要，可以通过过滤将用户不重要的数据进行消除。RFID中间件具有以下的一些特点：1. 数据流RFID 中间件具有数据的读写功能、过滤功能、分发功能以及安全性功能等特点，便于 将数据信息传输到应用软件中。2. 处理流RFID 中间件具有程序逻辑功能、存储功能以及再传输的功能，所以有数据流设计与管 理的能力，将提供顺序的信息流。3. 独立于架构RFID中间件具有独立性，使其能介于RFID阅读器和应用软件之间，与多个RFID阅读 器和应用软件进行连接，减轻架构复杂性。4. 基于标准中间件的各个环节表示了相关标准和规范，其中包括RFID事件过滤和采集接口、阅读 器访问协议以及管理连接、EPCIS信息查询接口等。2.5 RFID中间件架构随着近年来应用软件的增加，不可能为每一个应用软件都编写相应的适配器，基于这种 情形，考虑的是采用厂商提供的基于标准规格的射频识别技术的中间件。这样依赖，即使存 储RFID标签的应用软件改为其他软件的代替，此时应用软件不需要做任何修改。它是通过RFID阅读器厂商提供的API，编写能够满足阅读器读取数据的需要的适配器, 从而将其传输道系统的应用软件当中，达到与应用软件连接的目的。图7所示的为RFID的 中间架构架：图7 RFID中间件构架3 RFID技术的基本工作原理一套完整的RFID系统，是由Reader （阅读器）与Tag （电子标签）和Transponder （应 答器）及应用软件系统三个部分所组成，他的工作原理是：Reader发射出特定频率的无线 电波的能量，给Transponder，用来驱动Transponder，而电路将送出内部的数据，此时Reader 依序接收数据，解读数据，从而将其送给应用程序做一些相应的处理。图8所示的为RFID 的工作原理图：图8 RFID的工作原理图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，此时阅读器能够通过耦合 给无源应答器(Passive transponder)提供能量和以及时序等相关内容。在实际应用中， 可进一步通过Ethernet等实现对物体识别信息的采集、处理以及远程传送等。应答器是它 的系统的主要应用的信息载体，目前市场上的应答器大多由耦合原件(包括线圈、微带天线 等)和微芯片组成的无源应用单元。阅读器能够根据结构、技术的不同，RFID系统信息能够控制和处理信息中心。它的阅 读器通常由收发模块、耦合模块、接口单元和控制模块组成。4 RFID标签的类别RFID的电子标签具体分为被动式，主动式以及半被动式三种类型。4.1 被动式被动式的电子标签内部没有能够提供供电的电源。他的内部集成电路主要是通过接收到 电磁波进行的驱动，这些电磁波都是由RFID读取器来发出的。当标签接收到了足够强度的 讯号时，才可以向读取器发出一些相关数据。这些数据不仅包括ID号，而且还可以包括预 先存在于标签内EEPROM中的数据。被动式的电子标签价格低廉，无需电源，体积小巧。目前在市场上的RFID的电子标签 则主要是被动式的。4.2 主动式主动式电子标签本身具有内部电源的供应器，用来供应内部的IC所需电源从而产生对 外的一些讯号。主动式标签具有较大的记忆体容量以及较长的读取距离用来储存读取器所传 送来的一些相关的附加信息。RFID技术包括了一整套信息技术基础设施，包括：(1) 射频识别读写设备与相应的信息服务系统，例如存销系统等。(2) 射频识别标签，主要存有识别代码的大规模集成线路芯片以及收发天线，目前 在市场上主要为无源式的，使用时的电能来源于天线接收到的无线电波能量。4.3 半主动式半主动式很类似于被动式，只不过它多了一块儿小型的电池，电力恰好能够驱动标签的 IC,使得IC处于工作的状态。其好处在于，天线可以不用管接收电磁波，作为回传信号之 用。5 工作频率目前RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的等，不同频段的RFID产品会有不同 的特性。5.1 低频（从 125KHz 到 135KHz）该频率主要是通过电感耦合的方式进行的一些相关的工作，在感应器线圈和读写器线圈 之间存在着有关变压器耦合的作用。通过读写器的相关交变场的作用使其在感应器的天线中 能够感应的电压可以被整流，这样可以使供电电压使用。特性：1. 除了金属材料等的一些相关影响外，一般低频系统能够穿过任意材料的物品但是却不会 降低它的最大的可能的读取距离。2. 工作在低频的读写器在整个地球上没有任何特殊的许可限制。3. 低频产品有不同的封装形式。最好的封装形式的缺点就是它的价格太贵，但是有10 年以上的使用寿命。4. 工作在低频的感应器的工作频率从120KHz至134KHz。该频段的波长约为2500m.5.2 高频（ 13.56MHz）该频率的感应器将不再需要线圈来对它进行一些绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制 作天线。感应器通常的情况下通过负载调制的方式来进行相关工作。也就是通过感应器上的 负载电阻的接通和断开，从而促使读写器天线上的电压发生一些变化变化，这样能够实现用 远距离的感应器来对天线电压等进行振幅调制的作用。如果人们使用数据控制负载电压的接 通以及断开，则这些数据就能够从感应器传输很快传到读写器。特性：1. 除了金属材料之外，该频率的波长可以穿过绝大多数的材料，但是会降低读取距离。感 应器往往需要离开金属一段距离。2. 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。3. 该系统具有防冲撞的良好特性，能够同时读取很多个电子标签。4. 感应器通常以电子标签的形式存在。5.3 超高频（从 860MHz 到 960MHz 之间）超高频系统将通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快的。超高频段的读取距 离比较远，无源的将能达到10m左右。它主要是通过电容耦合方式来进行实现。特性：1. 该频段有较好的读取的距离，但是对于读取区域则是很难进行定义的。2. 具有特别高的数据传输的速率，它在很短的时间内可以读取大量的有关的电子标签。3. 超高频频段的电波不能通过很多种应用材料，尤其是水，灰尘等物质。但对于那些高频 段的电子标签来说，该频段的标签无需与金属分开。4. 电子标签的天线通常则是有长条状的和标签状的两种形式。天线则有线性和圆极化两种 不同形状的设计，满足不同的应用的市场的需求。5.4 有源 RFID 技术（2.45GHz、5.8G）有源的RFID具备的是传输数据量大、通信距离长、可靠性高、低发射功率和兼容性好 等特点，它与无源的RFID相比，在技术上有着明显的优势。RFID技术的基本思想是：通过采用先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备在不 同状态下的自动识别与管理。作为射频识别技术的一种新兴的自动识别技术，它在中国拥有着比较大的发展的可能空 间。射频识别技术在无线电技术等方面的有着具体应用与发展。6 RFID应用实例主要阐述基于RFID技术在零售业的物流分析。6.1零售业物流应用RFID技术的必要性使用RFID技术所带来的效益不仅是局限于零售本身所带来的效益，利用RFID技术创建 一个新的收益流，政府机构能较少亏损增强安全保障，物流公司、图书馆系统可以减少存货 方面的开支等。RFID在零售业中应用RFID技术可以产生如下的收益：1. 增加项目安全性：标签项则允许物体在一个指定的范围或设备中被追踪RFID技术还 可以提高存货管理的效率。存货管理对于零售商来说往往是耗时耗力耗财的事情。2. 序列化数据：每一件物品都有其唯一的一个标识码，所以很方便将该商品与其它商品区 别开。3. 实时的信息流：改变一个项目的状态，可以很快地在整个供应链中得到快速的更新。4. 减少人工参与：RFID技术能够自动的追踪物体，不需要人工的计数、获取数据和条码 扫描，能够节省劳动力成本与人为错误等。RFID技术提供了实时的可视化的技术，存货管理者能够运用该项技术进行实时的监控 存货的供应。这样能够减少存货成本，使存货量始终维持在一个最佳的水平，避免了缺货等 现象。6.2为何要用RFID技术替代现有的技术现在存在的问题是：为什么零售业改变现有的技术是采用了 RFID技术？ RFID技术与现 有的条码技术、非接触式的存储器很相似。使用新技术，可以带来财务上的收益（比如节省 资金），或是由于技术原因（比如能够解决一些应用在现有技术而无法解决的现实的问题）。 RFID与其他自动识别技术相比，有着显著的优势。6.3 RFID技术在零售业中应用在零售行业己经开始使用的RFID技术。智能货架是一种货架，它可以预防产品缺货的现象的发生。这个货架结合了RFID的阅 读器。每个单元货架都有一个RFID的标签，允许阅读器追踪其产品的库存量。智能货架的目的主要是随时支持补充货物，保持货架永远不会断货。智能货架在很多零 售企业和图书馆中已经得到了广泛的应用。它对于顾客等都很有帮助。一方面，它为顾客提 供了产品的信息；另一方面，它为零售的业主提供了商品库存信息，能够对商品进行准确的 定位。标记集装箱、货箱：此项应用已经被Target和Mar-Mart等零售商所应用。几乎每天， 世界上的大部分零售商们都会对RFID技术有新应用。这些应用的目的都在于更好地和更有 效的为他们服务。这些技术的使用将不会受到任何限制，它可以使顾客感觉购物更有效、更 简单。7 RDID应用系统的发展趋势可以预测未来的射频识别系统将会拥有如下的技术发展趋势。1. 系统兼容性更强大：目前由于标准的不统一，许多家厂商的产品之间会互不兼容。因此 这就要求了系统能够具有很强大的兼容性，这样才能够兼容处理多家厂商的产品。2. 系统网络化：许多应用场合是需要将不同系统所采集到的数据进行统一的处理，然后再 提供给用户们使用，这就需要将射频识别系统能够进行网络化的管理，目的是实现系统 的远程控制管理。3. 系统数据量更大：将来的射频识别系统将会处理大量的数据，因此这就需要系统具有更 强的数据的存储能力和数据的处理能力。4. 系统高频化：超高频射频识别系统有着比低频系统无可比拟的优点（如体积小巧、识别 距离远、可重复读写、无法伪造等），因此，随着制造成本的降低，超高频系统的应用 将会更加的广泛。结束语我国的射频识别技术和应用都还处于比较初级的发展阶段，现存的技术水平不高，标准 规范不完整等存在很多的问题。但与此同时，我国射频识别技术又拥有着广阔的发展前景以 及巨大的市场发展的潜力。射频识别技术的发展以及应用的推广将会是我国自动识别行业的 一场非常技术性的革命，能够实现射频识别技术在我国比较成熟的应用和全面的应用将会是 一个非常长的过程。RFID是一项蓬勃发展的新的技术，射频识别技术在未来的发展模式中，结合一些其他 的相关的高新技术（如生物识别等技术），由单一的识别向多功能的识别方向发展，再将结 合现代通信及计算机技术，将会实现跨地区和跨行业应用，相信RFID技术拥有着巨大的发 展的潜力。参考文献1 徐济仁等射频识别技术及应用发展J.新技术，2009.1:21-26.XUJiren . 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