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無線射頻識別技術及其應用和發展趨勢

時間:2015-04-09點擊數:2720

無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID),或稱射頻識別技術,是從二十世紀90年代興起的一項非接觸式自動識別技術。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信,以達到自動識別目標對象并獲取相關數據,具有精度高、適應環境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優點。


目前常用的自動識別技術中,條碼和磁卡的成本較低,但是都容易磨損,且數據量很??;接觸式IC卡的價格稍高些,數據存儲量較大,安全性好,但是也容易磨損,壽命短;而射頻卡實現了免接觸操作,應用便利,無機械磨損,壽命長,無需可見光源,穿透性好,抗污染能力和耐久性強,而且,可以在惡劣環境下工作,對環境要求低,讀取距離遠,無需與目標接觸就可以得到數據,支持寫入數據,無需重新制作新的標簽,可重復使用,并且使用了防沖撞技術,能夠識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡。


近年來,無線射頻識別技術在國內外發展很快,RFID產品種類很多,像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名廠家都生產RFID產品,并且各有特點,自成系列。RFID已被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域,例如汽車或火車等的交通監控系統、高速公路自動收費系統、物品管理、流水線生產自動化、門禁系統、金融交易、倉儲管理、畜牧管理、車輛防盜等。隨著成本的下降和標準化的實話,RFID技術的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢。


1. 無線射頻識別技術


1.1 RFID系統的組成及其工作原理


RFID系統因應用不同其組成會有所不同,但基本都由電子標簽(Tag)、閱讀器(Reader)和數據交換與管理系統(Processor)三大部分組成。電子標簽(或稱射頻卡、應答器等),由耦合元件及芯片組成,其中飽含帶加密邏輯、串行EEPROM(電可擦除及可編程式只讀存儲器)、微處理器CPU以及射頻收發及相關電路。電子標簽具有智能讀寫和加密通信的功能,它是通過無線電波與讀寫設備進行數據交換,工作的能量是由閱讀器發出的射頻脈沖提供。閱讀器,有時也被稱為查詢器、讀寫器或讀出裝置,主要由無線收發模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機的讀寫命令傳送到電子標簽,再把從主機發往電子標簽的數據加密,將電子標簽返回的數據解密后送到主機。數據交換與管理系統主要完成數據信息的存儲及管理、對卡進行讀寫控制等。


RFID系統的工作原理如下:閱讀器將要發送的信息,經編碼后加載在某一頻率的載波信號上經天線向外發送,進入閱讀器工作區域的電子標簽接收此脈沖信號,卡內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密,然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令,控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息,經加密、編碼、調制后通過卡內天線再發送給閱讀器,閱讀器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至中央信息系統進行有關數據處理;若為修改信息的寫命令,有關控制邏輯引起的內部電荷泵提升工作電壓,提供擦寫EEPROM中的內容進行改寫,若經判斷其對應的密碼和權限不符,則返回出錯信息。RFID基本原理框圖如圖1所示。


RFID系統中,閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內產生一個合適的能量場以激勵電子標簽。當當前有關的射頻約束下,歐洲的大部分地區各向同性有效輻射功率限制在500mW,這樣的輻射功率在870MHz,可近似達到0.7米。美國、加拿大以及其他一些國家,無需授權的輻射約束為各向同性輻射功率為4W,這樣的功率將達到2米的閱讀距離,在獲得授權的情況下,在美國發射30W的功率將使閱讀區增大到5.5米左右。


1.2 RFID技術的分類


RFID技術的分類方式常見的有下面四種:


根據電子標簽工作頻率的不同通??煞譃榈皖l(30kHz300kHz)、中頻(3MHz30MHz)和高頻系統(300MHz3GHz)。RFID系統的常見工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz,中頻13.56MHz,高頻860MHz930MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統特點是電子標簽內保存的數據量較少,閱讀距離較短,電子標簽外形多樣,閱讀天線方向性不強等。主要用于短距離、低成本的應用中,如多數的門禁控制、校園卡、煤氣表、水表等;中頻系統則用于需傳送大量數據的應用系統;高頻系統的特點是電子標簽及閱讀器成本均較高,標簽內保存的數據量較大,閱讀距離較遠(可達十幾米),適應物體高速運動,性能好。閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性,但其天線寬波束方向較窄且價格較高,主要用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合,多在火車監控、高速公路收費等系統中應用。


根據電子標簽的不同可分為可讀寫卡(RW)、一次寫入多次讀出卡(WORM)和只讀卡(RO)。RW卡一般比WORM卡和RO卡貴得多,如電話卡、信用卡等;WORM卡是用戶可以一次性寫入的卡,寫入后數據不能改變,比RW卡要便宜;RO卡存有一個唯一的號碼,不能逐改,保證了安全性。


根據電子標簽的有源和無源又可分為有源的和無源的。有源電子標簽使用卡內電流的能量、識別距離較長,可達十幾米,但是它的壽命有限(310年),且價格較高;無源電子標簽不含電池,它接收到閱讀器(讀出裝置)發出的微波信號后,利用閱讀器發射的電磁波提供能量,一般可做到免維護、重量輕、體積小、壽命長、較便宜,但它的發射距離受限制,一般是幾十厘米,且需要閱讀器的發射功率大。


根據電子標簽調制方式的不同還可分為主動式(Active tag)和被動式(Passive tag)。主動式的電子標簽用自身的射頻能量主動地發送數據給讀寫器,主要用于有障礙物的應用中,距離較遠(可達30米);被動式的電子標簽,使用調制散射方式發射數據,它必須利用閱讀器讀寫器的載波調制自己的信號,適宜在門禁或交通的應用中使用。


1.3 RFID技術標準


目前常用的RFID國際標準主要有用于對動物識別的ISO11784ISO11785,用于非接觸智能卡的ISO10536Close coupled cards)、ISO 15693Vicinity cards)、ISO14443(Proximity cards),用于集裝箱識別的ISO 10374等。目前國際上制定RIFD標準的組織比較著名的有三個:ISO,以美國為首的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center,而這三個組織對RFID技術應用規范都有各自的目標與發展規劃。下面對常見的幾個標準加以簡介。


ISO 11784ISO 11785技術標準:


ISO 11784ISO 11785分別規定了動物識別的代碼結構和技術準則,標準中沒有對應答器樣式尺寸加以規定,因此可以設計成適合于所涉及的動物的各種形式,如玻璃管狀、衛標或項圈等。代碼結構為64位,其中的2764位可由各個國家自行定義。技術準則規定了應答器的數據傳輸方法和閱讀器規范。工作頻率為134.2kHz,數據傳輸方式有全雙工和半雙工兩種,閱讀器數據以差分雙相代碼表示,應答器件采用FSK調制,NRZ編碼。由于存在較長的應答器充電時間和工作頻率的限制,通信速率較低。


ISO 10536、ISO 15693ISO14443技術標準:


ISO 10536標準發展于19921995年間,由于這種卡的成本高,與接觸式IC卡相比優點很少,因此這種卡從未在市場上銷售。ISO 14443ISO 15693標準在1995年開始操作,其完成則是在2000年之后,二者皆以13.56MHz交變信號為載波頻率。ISO 15693讀寫距離較遠,而ISO 14443讀寫距離稍近,但應用較廣泛。目前的第二代電子身份證采用的標準是ISO 14443 TYPE B協議。ISO 14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協議,通信速率為106kbit/s,它們的不同主要在于載波的調制深度及位的編碼方式。TYPE A采用開關鍵控(On-Off keying)的Manchester編碼,TYPE B采用NRZ-LBPSK編碼。TYPE BTYPE A相比,具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力列強的優點。RFID的核心是防沖撞技術,這也是和接觸式IC卡的主要區別。ISO 14443-3規定了TYPE ATYPE B的防沖撞機制。二者防沖撞機制的原理不同,前者是基于位沖撞檢測協議,而TYPE B通信系列命令序列完成防沖撞。ISO 15693采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞機制。防沖撞機制使得同時處于讀寫區內的多張卡的正確操作成為可能,既方便了操作,也提高了操作的速度。


ISO 18000技術標準:


ISO 18000是一系列標準,此標準是目前較新的標準,原因是它可用于商品的供應鏈,其中的部分標準也正在形成之中。ISO 18000-6基本上是整合了一些現有RFID廠商的減速器規格和EAN-UCC所提出的標簽架構要求而訂出的規范。ISO 18000只規定了空氣接口協議,對數據內容和數據結構無限制,因此可用于EPC。


2. RFID的典型產品介紹


通常RFID的產品按其使用功能可以分為身份識別ID卡、消費IC、物流標記卡、遠距離識別卡等。目前各家廠商的RFID產品在功能上各有側重;瑞士EM公司的ID卡主要用于身份識別,荷蘭Philips公司的Mifare One卡主要用于消費,美國TI公司的標簽卡主要用于物流,瑞典TagMaster公司的遠距離卡主要用于停車人員物資遠距離識別等。


3. 應用和發展趨勢


當前RFID應用和發展面臨著幾個關鍵問題是標準、成本、技術和安全。


3.1 標準


目前行業標準以及相關產品標準還不統一,電子標準簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個統一的(包括各個頻段)國際標準。標準(特別是關于數據格式定義的標準)的不統一是制約RFID發展的重要因素,而數據格式的標準問題又涉及到各個國家自身的利用和安全。標準的不統一也使當前各個廠家推出的RFID產品互不兼容,這勢必阻礙了未來RFID產品的互通和發展,因此,如何使這些標準相互兼容,讓一個RFID產品能順利地在民辦范圍中流通是當前重要而緊迫的問題。目前,很多國家都正在抓緊時間制定各自的標準,我國電子標簽技術還正處在研發階段。


3.2 成本


目前美國一個電子標簽非常低的價格是20美分左右,這樣的價格是無法應用于某些價值較低的單件商品,只有電子標簽的單價下降到10美分以下,才可能大規模應用于整箱整包的商品。隨著技術的不斷提升和在各大行業的日益推廣,RFID的各個組成部分,包括電子標簽、閱讀器和天線等,制造成本都有望大幅度降低。


3.3 技術


雖然在RFID電子標簽的單項技術上已經趨于成熟,但總體上產品技術還不夠成熟,還存在較高的差錯率(RFID被誤讀的比率有時高達20%),在集成應用中也還需要攻克大量的技術難題。


3.4 安全


當前廣泛使用的無源RFID系統還沒有非??煽康陌踩珯C制,無法對數據進行很好的保密,RFID數據還容易受到攻擊,主要是因為RFID芯片本身,以及芯片在讀或者寫數據的過程中都很容易被黑客所利用。此外,還有識別率的問題,由于液體和金屬制口等對無線電信號的干擾很大,RFID標簽的準確識別率目前還只有80%左右,離大規模實際應用所要求的成熟程度也還有一定差距。


從總體上而方,RFID技術已經逐步發展成為一個獨立的跨學科的專業領域,它將大量來自完成不同專業領域的技術綜合到一起:如高頻技術、電磁兼容性、半導體技術、數據保護和密碼學、電信、制造技術和許多專業領域。RFID技術所能應用和發揮效應的主要方面包括節省人工成本,提高作業精確性,加快處理速度,有效跟蹤物流動態等,目前RFID技術已被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。200411月初,美國《VAR Vusiness》雜志完成的一項技術狀況調查報告,評出了2005年“七大熱門科技走向”,其中把射頻識別技術(RFID)作為2005年科技業的突破性技術。美國沃爾瑪及美國國防部等正在推進全面導入RFID的計劃,許多高科技公司也正在開發RFID專用的軟件和硬件,這些公司包括英特爾,微軟,甲骨文和SUN等。ABI估計,RFID技術市場在未來五年內將有數萬億美元的市場空間。

(作者:admin)

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