无线射频识别技术及其应用和发展趋势

    关键词：RFID 电子标签 阅读器 典型产品

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），或称射频识别技术，是从二十世纪90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，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。

目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且数据量很小；接触式IC卡的价格稍高些，数据存储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短；而射频卡实现了免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性强，而且，可以在恶劣环境下工作，对环境要求低，读取距离远，无需与目标接触就可以得到数据，支持写入数据，无需重新制作新的标签，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。

近年来，无线射频识别技术在国内外发展很快，RFID产品种类很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名厂家都生产RFID产品，并且各有特点，自成系列。RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本的下降和标准化的实话，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趁势。

1 无线射频识别技术

1.1 RFID系统的组成及其工作原理

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）和数据交换与管理系统（Processor）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，其中饱含带加密逻辑、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。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等。

RFID系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、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，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后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。

在RFID系统中，阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励电子标签。当当前有关的射频约束下，欧洲的大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW，这样的辐射功率在870MHz，可近似达到0.7米。美国、加拿大以及其他一些国家，无需授权的辐射约束为各向同性辐射功率为4W，这样的功率将达到2米的阅读距离，在获得授权的情况下，在美国发射30W的功率将使阅读区增大到5.5米左右。

1．2 RFID技术的分类

RFID技术的分类方式常见的有下面四种：

根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频（30kHz～300kHz）、中频（3MHz～30MHz）和高频系统（300MHz～3GHz）。RFID系统的常见工作频率有低频125kHz、134.2kHz，中频13.56MHz，高频860MHz～930MHz、2.45GHz、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。

根据电子标签的不同可分为可读写卡（RW）、一次写入多次读出卡（WORM）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卡存有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。

根据电子标签的有源和无源又可分为有源的和无源的。有源电子标签使用卡内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限（3～10年），且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读器的发射功率大。

根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式（Active tag）和被动式（Passive tag）。主动式的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的应用中，距离较远（可达30米）；被动式的电子标签，使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通的应用中使用。

1．3 RFID技术标准

目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO11784和ISO11785，用于非接触智能卡的ISO10536（Close coupled cards）、ISO 15693（Vicinity cards）、ISO14443(Proximity cards)，用于集装箱识别的ISO 10374等。目前国际上制定RIFD标准的组织比较著名的有三个：ISO，以美国为首的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划。下面对常见的几个标准加以简介。

ISO 11784和ISO 11785技术标准：

ISO 11784和ISO 11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管状、卫标或项圈等。代码结构为64位，其中的27至64位可由各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2kHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示，应答器件采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。

    ISO 10536、ISO 15693和ISO14443技术标准：

ISO 10536标准发展于1992年1995年间，由于这种卡的成本高，与接触式IC卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。ISO 14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，通信速率为106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。TYPE A采用开关键控（On-Off keying）的Manchester编码，TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。TYPE B与TYPE A相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。RFID的核心是防冲撞技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测协议，而TYPE B通信系列命令序列完成防冲撞。ISO 15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。

ISO 18000技术标准：

ISO 18000是一系列标准，此标准是目前较新的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。ISO 18000-6基本上是整合了一些现有RFID厂商的减速器规格和EAN-UCC所提出的标签架构要求而订出的规范。ISO 18000只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于EPC。

2 RFID的典型产品介绍

通常RFID的产品按其使用功能可以分为身份识别ID卡、消费IC、物流标记卡、远距离识别卡等。目前各家厂商的RFID产品在功能上各有侧重；瑞士EM公司的ID卡主要用于身份识别，荷兰Philips公司的Mifare One卡主要用于消费，美国TI公司的标签卡主要用于物流，瑞典TagMaster公司的远距离卡主要用于停车人员物资远距离识别等。

3 应用和发展趋势

当前RFID应用和发展面临着几个关键问题是标准、成本、技术和安全。

3．1 标准

目前行业标准以及相关产品标准还不统一，电子标准签迄今为止全球也还没有正式形成一个统一的（包括各个频段）国际标准。标准（特别是关于数据格式定义的标准）的不统一是制约RFID发展的重要因素，而数据格式的标准问题又涉及到各个国家自身的利用和安全。标准的不统一也使当前各个厂家推出的RFID产品互不兼容，这势必阻碍了未来RFID产品的互通和发展，因此，如何使这些标准相互兼容，让一个RFID产品能顺利地在民办范围中流通是当前重要而紧迫的问题。目前，很多国家都正在抓紧时间制定各自的标准，我国电子标签技术还正处在研发阶段。

3．2 成本

目前美国一个电子标签最低的价格是20美分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降到10美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。随着技术的不断提升和在各大行业的日益推广，RFID的各个组成部分，包括电子标签、阅读器和天线等，制造成本都有望大幅度降低。

3．3 技术

虽然在RFID电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但总体上产品技术还不够成熟，还存在较高的差错率（RFID被误读的比率有时高达20%），在集成应用中也还需要攻克大量的技术难题。

3．4 安全

当前广泛使用的无源RFID系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，RFID数据还容易受到攻击，主要是因为RFID芯片本身，以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。此外，还有识别率的问题，由于液体和金属制口等对无线电信号的干扰很大，RFID标签的准确识别率目前还只有80%左右，离大规模实际应用所要求的成熟程度也还有一定差距。

从总体上而方，RFID技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将大量来自完成不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。RFID技术所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理速度，有效跟踪物流动态等，目前RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。2004年11月初，美国《VAR Vusiness》杂志完成的一项技术状况调查报告，评出了2005年“七大热门科技走向”，其中把射频识别技术（RFID）作为2005年科技业的突破性技术。美国沃尔玛及美国国防部等正在推进全面导入RFID的计划，许多高科技公司也正在开发RFID专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔，微软，甲骨文和SUN等。ABI估计，到2008年，RFID电子标签、阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至30亿美元，RFID技术市场在未来五年内将有数万亿美元的市场空间。