RFID技术及其行业应用

1 RFID技术介绍 

1.1 RFID简介 

RFID技术。或称射频识别技术，是从2O世纪9o年代兴起的一项非接触式自动识别技术。 
它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术不受空间限制，可快速地进行物品追踪和数据交换。工作时，RFID标签与“识读器”的作用距离可达数米甚至数十米。通过对多种状态下(高速移动或静止)的远距离目标(物体、设备、车辆和人员)进行非接触式的信息采集，避免了由于接触不良所造成的读写错误等误操作，同时避免了灰尘、油污等外部恶劣环境对读写卡的影响。RF卡中存有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此终端可以同时处理多张卡片。由于RFID技术免除了跟踪过程中的人工干预。在节省大量人力的同时可极大的提高工作效率，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。 

1.2 RFID系统组成及工作原理 

RFID技术作为一种自动识别技术，其基本原理是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实现对被识别物体的自动识别。RFID系统因应用不同其组成会有所不同，但基本都由电子标签(Tag)、阅读器(Reader)和数据交换与应用系统三大部分组成。电子标签(或称射频卡、应答器等)，由耦合元件及芯片组成，其中包含带加密逻辑、串行EEPROM(电可擦除及可编程式只读存储器)、微处理器CPU以及射频收发及相关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它是通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器，有时也被称为查询器、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，将电子标签返回的数据解密后送到主机。 

RFID应用系统主要包括RFID识别系统与行业应用业务系统。RFID识别系统通过各种方式采集读头的信息，把信息传输给行业应用业务系统。 

RFID的工作原理是：阅读器在一个区域内发射电磁波(其区域大小取决于工作频率和天线尺寸)。而标签内有—个LC串联谐振电路，其频率与阅读器发射的频率相同。当标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的射频信号，卡内芯片中的有关电路就会对此信号进行调制、解码、解密。然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器。阅读器接收到标签的数据后，首先解码并进行错误校验来确定数据的有效性，然后将数据存储到阅读器内部的存储器中或送至中央信息系统进行有关数据处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压。提供擦写EEPROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。RFID基本原理框图如图1所示。 

                                          图1 RFID系统基本原理框图 


1．3 RFID系统的分类 

1．3．1射频电子标签的有源与无源 
射频电子标签可以分为有源的和无源的两种。有源射频电子标签使用标签内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米。这种电子标签的使用寿命与电池的寿命直接相关，导致它的使用寿命一般比较短。标签由于附带了电池，因此，有源标签的形体上要大一些并且价格也比较昂贵。无源射频电子标签不含有电池，利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量，它的重量轻、体积小，寿命也可以非常长，价格也相对比较便宜。但它的识别距离受限制，一般是几十厘米到几十米，且需要有较大的读写器发射功率。 
1．3．2 RFID 系统的工作频率 
通常读写器发送无线信号时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，基本上划分为4个范围：低频(3o一30oKHz)、中频(3～30MHz)、高频(300 MHZ～3GHZ)和微波(2A5 GHZ以上)。RFID系统的常见工作频率有低频125kHz、134．2kHz， 中频13,56MHz， 高频86oMHz一930MHz、微波2A5GHz、5．8GHz等。低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电子标签外形多样，阅读天线方向性不强等，主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据的应用系统；高频和微波系统的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的数据量较大，阅读距离较远(可达十几米)。适应物体高速运动，性能好。阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 
1-3-3射频电子标签的存储器类型 
根据射频标签内部使用存储器类型的不同可分为3种：可读写卡(RW)、一次写入多次读出卡(w0RM)和只读卡(RO)。RW卡一般比WORM卡和RO卡贵得多，如电话卡、信用卡等；WORM卡是用户可以一次性写入的卡。写入后数据不能改变，比RW 卡要便宜；RO卡存有— 个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。 

1．4 RFID作为换代性标识技术的优点

1．4．1数据存储量大：其他自动识别技术品种中，数据容量最大的二维条形码(PDF417)．最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少。而RFID标签存储容量是2的94次方以上(近万字)，它彻底抛弃了条形码的种种限制，使世界上的每一种物体都可拥有独一无二的标识符。 
1．4．2读写速度快：采用非接触方式，无方向性要求，标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，通常在几毫秒就完成一次读写，采用的防冲撞机制，使之可同时处理多个标签，实现批量识别，最多同时识别可达每秒50个，并能在运动中进行识别。 
1.4．3数据安全性高：RFID是按照国际统一的电子产品代码的编码制在出厂前就固化在芯片中的、不重复4o位的惟一识别内码．不可复制和更改。数据可以加密，扇区可以独立一次锁定，并能根据用户锁定重要信息。该技术很难被仿冒、侵入。使用国产芯片更安全。 
1.4.4物理性能优越：可以储存永久性数据和非永久性数据。在可重写存储器内的信息更改自如。数据可动态更新，反复使用(擦写10万次，读无限)，使用寿命长(10年或读写10万次)，耐高低温(工作温度一25℃一75℃)。能适应各种工作环境和工作条件，尤其适用于油污、粉尘、放射等恶劣环境。 
1．4．5读写方便：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行，无源远距离读写，读写距离最远可达1．5m。采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30m以上。 
1．4．6防冲突：电子标签中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此阅读器可以“同时”处理多张非接触式射频卡，一次可处理200个以上。 

2 RFID技术的应用 

目前RFID技术主要应用在以下几个方面。 
物流管理：对货物从生产、存储、运输、上架到最后销售的全程跟踪； 
资产定位：跟踪管理公司的贵重财物； 
交通运输：高速公路和停车场的收费系统； 
人员跟踪：对在危险地区工作的人员进行实时跟踪和定位； 
生产监控：整个产品生产流程的各个环节均被置于严密的监控和管理之下； 
根据RFID发展方向，现对RFID技术在几个行业中的应用作下介绍。 

2．1 RFID技术在煤矿上的应用 

2.1．1在煤矿安全监控中的应用 
射频识别系统可以作为煤矿安全管理的子系统，负责井下人员及设备安全监测工作。在坑道、作业面的交叉道口安装读卡器，入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带或佩戴有电子标签的安全帽。电子标签也可以安装在符合条件的井下移动设备上。系统通过阅读器识别卡号信息，记录持卡人或者被检测设备的经过地点、时间、活动轨迹等事实信息，监督无关^、员和非法人员进入坑道或作业面，还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。 
2．1．2在煤矿机车调度中的应用 
目前RFID技术用于机车定位跟踪系统已比较成熟，采用可读写标签时刻将有关信息下载至标签的内存中。以便准确的了解机车在任一时刻的位置，在任何时候都能动态的调整机车的启程和到站时间，并且提高机车对不能预见情况的反应，从而实现煤矿机车智能集中调度。 
2．1．3在煤炭企业物资供应管理中的应用 
通过在物资上安装电子标签，可以方便、快捷地跟踪物资信息，同时建立物资供应监控网络，实时监控企业的物资运输、仓储、装卸、加工、整理、配送、调度等，进行有效资源整合，从而实现企业物资信息化管理的零等待、零库存目标。 

射频识别技术在井下应用中的优点是： 
2．1．3．1电子标签封装形式多，抗环境影响能力强； 
2．1．3．2电子标签携带方便、操作简单，阅读器可在5m以上的距离实现对标签的自动识别，符合井下作业设备力求简单、方便的要求； 
2．1．3．3 RFID技术安全可靠性高，理论上不会对井下作业产生危险。 

2．2 RFID技术在交通管理中的应用 

2．2．1 停车场收费系统 
停车场收费管理及车辆控制系统应用于停车场收费管理与进出车辆控制。车主无需停车即可进入停车场，通过电脑自动识别持卡人身份，确定对车是放行或拦截，为车主通行及物业管理提供了极大的方便。系统适用于大、中、小型停车场单出／A口、双出／A口停车场，单向、双向出／人的停车场。 
将RFID标签安装在车辆的前挡风玻璃上，在停车场的人口处安装RFID读头。在正常工作时，当车辆通过阅读器时，阅读器会读取标签中的内容并将读取的信息传输到计算机内。当电子标签有效时，道闸自动打开。 
2．2．2车辆管理系统 
在要管理的车辆上安装电子标签，并通过识别设备的安装可以对车辆的调度和运行进行监控。例如1999年l0月正式启动的铁道部铁路车号自动识别系统，就是一个将电子标签应用于车辆物流管理的实例。在该项目中，通过将超高频率的电子标签安装在全部50辆货车上，使得铁道部及时准确地采集列车车次、车号和到发信息，能加快实现全路货车、机车、列车、集装箱跟踪管理，满足了管理系统对列车、车辆等基础信息的需求，最终使铁路运输实现了现代化管理。 

射频识别技术在交通管理应用中的优点是 
2.2.2.1标签可以并行读取，速度高达每秒钟200-300； 
2.2.2.2运动中读取速度快，车速达到20公里/小时仍可准确读取； 
2.2.2.3标签体积小，薄如纸，非常便于和其他装置配合； 
2.2.2.4使用寿命长，耐侯性非常好。 

2.3 RFID技术在钢铁厂中的应用 

2.3.1 在生产自动控制中的应用 
在钢铁厂的生产过程中，对生产机车或设备的自动定位控制是很重要的。在以往的控制方案中采用的各种技术存在受环境和物体表面影响大或读取数据的距离有限或造价和运行费用高等缺陷。而RFID技术对环境适应能力强，可抵御灰尘、油污、振动或遮挡物的等的干扰，实现全天候工作。并且电子标签内可存储的数据多，数据读取距离远，数据读取精确度高。这些技术特点使得RFID技术可以很好地应用在生产自动 
控制中。例如：在某钢厂的焦化三大机车自动控制系统中，将写有炉号信息的电子标签安装在推焦车、拦焦车、加煤车的轨道的关键位置上，当装有阅读器的推焦车、拦焦车、加煤车经过这些标签时可以读取到标签内的数据并将其上传至主控计算机中。主控计算机根据这些数据再来精确控制机车的运行状态。该系统自实行以来大大提高了焦化生产的自动化程度，避免了人为的操作失误，提高了劳动生产率。 

2,3．2在产品整线生产信息管理中的应用 
在某些产品(如大方坯与圆钢筋)的表面放置电子标签，可读取产品在生产流水线上通过每一道工序的信息和数据，并将该信息转化成计算机能识别的数据格式后提供给监控平台，以实现生产线上的产品自动跟踪管理。RFID系统在整个工作过程中可做到基本不需要人工参与，系统自动化程度高，电子标签可反复读写100，000次以上，因此能节省大虽人力和物力。 

2,4工程中的实施要点 

在工程实施中，天线位置的摆放地点及方向对整个RFID系统的应用效果有很大的影响。天线设置地点附近不能有强的辐射干扰，对于覆盖区域不能有死角，必要时可以放置多个天线。同时如果同一点有进和出的方向区分则要注意负责两个方向的天线间不能有重叠区域。 

由于天线和阅读器之间的信号在线路上传输衰减很快，因此天线和阅读器间的信号线不宜超过3米。这就必须在工程中不仅要考虑天线的摆放位置同时还要考虑阅读器的位置。如果阅读器放置在室外或环境恶劣的地方，必须作好防雷、防水、防尘等防护工作。天线与阅读器间的传输线、阅读器到后台终端的传输线以及电源线缆也要有相应的保护。 

在使用电子标签时要注意标签使用的环境不能影响到标签的正常工作。如将无源标签贴放在车的玻璃上时，贴放的玻璃不能有金属车膜。如果无法避免环境对标签的影响就必须对标签进行特殊的封装。 

参考文献 
[1]缪健，熊孟英．无线射频识别技术RFID及应用【J】-科技和产业，2005，1 1：54． 
[2]左娅佳，曹志章．RFID技术在医院管理领域的应用[J]．中国医院管理，2005，9：42． 
[3]刘丽力，姚萌．基于射频识别技术的煤矿安全智能化监控系统[J]世界电子元器件，2004，9． 
[4]董彬，崔雪梅，常春 RFID技术在焦化三大机车自动控制中的应用[J].冶金自动化,2004,3:39-40