射频识别(RFID)技术研究现状及发展展望

2009-10-15 15:51:00 来源:支点网
技术/方案频道文章B

1.引言
    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。

    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;RFID 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知 和支票防伪等多种应用领域。

    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,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。

    因此,分析RFID技术现状,并展望其未来无疑将非常重要。

2.研究现状
    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。

2.1 RFID 技术标准
    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。

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    EPC 规范由Auto-ID 中心及后来成立的EPCglobal 负责制定。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26 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。 

     UID(Ubiquitous ID)规范由日本泛在ID 中心负责制定。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。

2.2 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。

2.2.1 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1为RFID 频段特性表。

2.2.2 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,采用倒F 型天线解决金属表面的反射问题等。

    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。 [nextpage]

2.2.3 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。

2.2.4 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:

(1)保证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;

(2)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;
(3)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;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;

(4)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。

2.3 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。

2.3.1 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。

2.3.2 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。 [nextpage]

2.3.3 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,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 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。但是可以相信,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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[责任编辑:蒋丽萍]

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