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RFID技术及其所面临的挑战
引言
近年来，无线射频识别（RFID）技术逐渐成为一种主流应用技术，该技术使快速物品识别成为可能。RFID技术与早期的条形码识别技术不同，它不需要近距离使用读码器，通过射频信号，可以实现远距离识别。RFID标签还可以将产品生产商、产品类型以及环境变量等各种信息作为身份的标识，不必像条形码那样使用斑马线标签。另外，RFID系统还能从不同方向自动识别RFID标签，与条形码识别相比，极大提高了识别速率。
尽管RFID在诞生之初就展现出很大优势，但其高昂的费用阻碍了它在商业上的应用。随着电子工业的进步、电子设备的集成化和小型化，使RFID设备成本逐步下降，因而使它具有了与传统的条形标签相竞争的能力。在某些大型商业场所，RFID对于商品监管的优势是普通识别技术难以比拟的。
1、RFID原理
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合自动识别目标对象，并获取相关数据。标签是RFID技术的关键部分。RFID标签含有一个发送应答机，可以向RFID阅读器发送特定信号，绝大多数的RFID标签都有一个ID序列号（如SKU码）。阅读器在收到ID号后可以从数据库中检索相关数据，并按指示进行操作。RFID标签也可以具有可读写的存储器，用于存储向不同阅读器发送的信息，这些信息用于对贴附标签的物体进行识别。RFID系统原理如图1所示。
图1 RFID系统原理
RFID标签按是否有源分为主动式标签和被动式标签。主动式RFID标签自带电源（如板载电池），被动式标签的能源则利用电磁感应通过读写器获取。同样，读写器也根据所读取标签的类型分为主动式读写器和被动式读写器。
1.1 主动式标签
主动式标签内部自带电池进行供电，具有可读写的特性。由于自带电源，主动式标签能传输较强信号，因而具有更远的读写距离。但是板载电源会使标签体积变大而且更加昂贵，所以主动RFID系统一般用于大型航空工具以及普通交通工具等的远距离识别。低功耗的主动标签通常比一副扑克稍大。主动标签可以在物体未进入识别距离时处于休眠状态。也可以处于广播状态持续向外广播信号。
由于自带电源，主动标签能在较高的频率下工作，如455MHz、2.45GHz及5.8GHz等，这取决于实际的识别距离和存储器需求。在这些频率下，读写器可以在20m～100m的范围内工作。
1.2 被动式标签
被动式标签内部不带电池，从读写器产生的磁场中获得工作所需的能量。当标签进入读写器的识别范围后，标签通过天线感知电磁场变化，由电磁感应产生感应电流，标签通过集成的电容保存产生的能量。当电容蓄积了足够的电荷后，RFID标签就可以利用电容提供的能量向读写器发送带有标签ID信息的调制信号。由于被动式标签自身不带电源，因而比主动标签价格要低很多，在美国，通常一个标签花费20美分左右。随着微电子技术的不断进步，可以将标签做得更小、更便宜。由于价格上的优势，它比主动式标签具有更广的应用领域。
除了价格低之外，被动标签还非常小。但目前的天线技术会限制标签的大小，标签越大有效识别距离越远。目前的被动标签一般都只有2K左右的内存，由于内存有限，除了存储ID信息和一些历史信息外，不能存储特别复杂的有用信息，因而在一定程度上限制了其应用领域。随着RFID技术的不断进步，标签能存储的信息容量将会不断增加，从而能存储较复杂的信息。
被动标签与读写器之间通信的ID信息一般通过高频和低频方式调制实现。在低频调制方式下（低于100MHz），标签电容配合电感线圈，根据标签ID信息改变信号强度，并向外辐射，变化的快慢受调制频率的影响。在高频（高于100MHz）方式下，标签使用背向散射方式发送信号，这使得天线在内部电路的影响下是变阻抗的。当阻抗发生改变时，天线会向外辐射射频信号，读写器便可以获取并解调信号。被动标签工作频率一般为128kHz、13.6MHz、915MHz以及2.45GHz等，识别距离因而在几十cm到几m不等。系统频率的选取一般由环境因素、传输介质及识别范围需求所决定。
2、RFID应用
近年来，随着RFID技术的成熟，其应用范围越来越广泛，已产生深远影响。其中最广泛的应用包括供应链管理、安全领域及重要事物和人物的追踪。
2.1 供应链管理
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。美国食品及药物管理局（FDA）希望通过RFID标签来确保处方药品的合法性。在这套系统中，每种药品流动都会带有具有唯一序列号的只读RFID标签。供应商可以在流通过程追踪其走向，同时在顾客购买确认时，能准确判断该种药物是否来自合法的供应商以及是否由合法零售商销售。尽管FDA认为很难在如此巨大而复杂的处方药品供应链中实现这套系统，但FDA会不断投资，并计划在2008初步实现该系统。
RFID技术还可以辅助实现供应链管理的自动化。如果零售商店和相关仓库的货物拥有RFID标签，零售商店就可以通过数据库知道自己拥有那些货物。当零售商店通过仓库系统提取货物时，一旦货物在提取处出现储量不足时，仓库管理系统可以通过货物RFID的相关信息自动从仓库调取所需货物。该系统已在世界零售巨商沃尔玛得到实现。
2.2 安全和身份识别
RFID还可以广泛应用于安全和个人身份识别。通常是将RFID标签集成到ID卡，用于门禁系统的身份识别。很多大型企业都在公司大楼的入口处安装RFID读写器，一旦员工通过就能很快自动识别。在身份识别方面，RFID卡大有替代普通磁条ID卡的趋势。普通磁条ID卡十分容易磨损且信息容易在外界影响下丢失，而RFID卡则更加耐用，同时可以存储更多的有用信息。
另外，在支付方面RFID也有广泛应用。通过在用卡或其他支付设备中安装RFID读写器件，能很快实现身份识别。有的支付卡直接通过RFID标签实现了支付功能，如美国华盛顿特区的城市智能旅行卡。
RFID还可贴附在钥匙上，特别适用于汽车防盗。因为读写器只识别贴有正确RFID标签的钥匙，即使使用别的钥匙打开了汽车，但由于标签信息不匹配，RFID系统可以切断电源使汽车无法启动，从而有效防止通过盗配钥匙偷窃汽车的情况出现。
2.3 移动追踪
移动物体很容易携带RFID标签，可以利用携带在某个移动物体上的RFID标签中的信息实现对物体的追踪。目前，美国的一些医院已经将RFID标签应用于新生婴儿的护理中。通过RFID）标签能有效确认新生儿的身份，防止婴儿的误领。另外，利用标签可以监控婴儿在医院的行踪，一旦发现婴儿离开监控有效区，系统将会报警，从而防止陌生人未经允许带走小孩。医院还可以使用标签追踪医疗设备和仪器的移动情况，进行有效管理。图书馆也可以利用标签，有效管理大量图书，对图书进行规整分类。
3、RFID面临的问题与挑战
3.1 隐私问题
随着RFID逐渐广泛使用，它越来越得到人们的关注。很多社会人士、技术人员以及支持保护个人隐私者等都开始对RFID的使用提出置疑。保护隐私支持者们认为，很多企业在使用RFID标签追踪商品流向的同时，也在无意中泄漏了顾客隐私。很多涉及保密的组织也开始关注这个问题，因为在购买物品时他们的身份已经与物品链接，一旦再次通过某些商场或中心时，自己的身份就有可能被嵌入在服装或随身物品上的RFID）标签泄漏。
像RFID标签这种基于无线传输技术的产品存在一个与生俱来的缺点，那就是它通过不可见的无线信道进行信息交换，因此很难判断标签在什么时候向外发送信息。如果很多商品上都贴有RFID标签，从商店的角度来说，管理商品很方便，不管是分类还是快速收费或防止盗窃都很容易。但一旦商品出售后，若附在上面的RFID标签没有去掉，买主的身份就很容易被泄漏。还有可能带来更多危害，如行窃者可以通过RFID读写器得到贴附标签的物品的价值，从而判断买主的经济条件，为作案带来便利。
为了解决上述问题，EPCglobal公司提出了一个方案，采用“kill switches”技术，可以在贴有RFID标签的物品完成交易后，通过激活开关，将标签置入死锁状态，那么标签就不再向外发送信号。同样，RSA公司也开发了一种阻塞器标签（bloking tag），它利用了EPCglobal公司提出的防碰撞协议。这种标签采用的是一种混淆信息的技术，将所有可能被阅读器接收到信息的RFID标签一次提供给阅读器。因为阅读器一次只能与一个标签交换数据，当多个标签同时回应阅读器的查询时，阅读器就只能侦测到一次冲突。此后阅读器会试图与每个标签单独通信，询问标签的每个bit位，这时Block标签也会同时发送一个0bit和一个1bit回答询问，这样阅读器就无法得到正确数据。
实际上，很多因为RFID标签所涉及到的隐私问题都是可以解决的。由于现有RFID识别技术的限制，标签的识别距离还十分有限，要做到在远离某人视距范围的汽车或大楼中通过读写器来读取某人的标签信息基本上是不可能的。并且，微弱射频信号在障碍的阻挡下也会使读写器无法识别，因此，RFID技术应该是安全的。但在有些情况下，如在通过门禁系统或付费系统时，用户的个人信息及相关信息都有可能泄漏。随着天线技术和IC技术的发展，远距离识别终会成为现实，建立一种能有效保护隐私的机制是必不可少的。
3.2 安全性问题
安全性是另一个倍受使用者关注的问题。例如，一些公司采用RFID技术对货物的供应链进行管理，但它并不希望其他竞争对手能通过货物上的标签追踪到货物的行踪及货物种类。同样，一些带有与用户金融信息有关的设备如果使用了RFID标签，那么与用户帐户相关的信息也应该得到保护。
为此，研究人员提出了一些加密算法，用于标签对读写器实现身份认证，只对通过身份认证的读写器传送信息。在认证过程中，标签需要记录通过认证的读写器的ID号，读写器也应以广播的形式向标签发送ID号。为了保证自身ID号不被其他攻击者截获，读写器与标签之间必须实现加密传送。一旦标签对读写器的认证没有通过，标签将拒绝传送所存储的信息。但是，这种带密钥的认证策略同样会受到中间人扮演攻击、重放攻击等方式的攻击。
3.3 RFID融合问题
RFID技术面临的另一个问题是如何将RFID技术融合到现有系统中。很多研发部门都希望通过RFID中间件解决这个问题，通过中间件提供的接口，将RFID系统与已有的后端系统相连。中间件能解决现有标准不统一带来的问题。利用中间件，可将前端读写器收到的数据转换成满足后端设备要求的数据格式，这样就能为用户带来很大的灵活性。很多RFID中间件系统都带有挂钩技术，用来连接操作监视器，用户可以对所使用的标签进行实时监控。同样，中间件也具有连接读写器和数据库的能力。
4、结束语
本文介绍了RFID技术应用及所面临的挑战。作为一种存在很久的技术，RFID拥有广阔的市场前景。尽管面对很多挑战，不管是来自技术上还是观念上的，RFID以其与生具有的优点得到了越来越多企业和用户的支持。在未来的生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及城市管理等方面，RFID一定有着更广泛的应用。
