2.2 射频识别技术

射频识别技术即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，它是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读/写相关数据，而无须识别系统和特定目标之间建立机械或光学接触。

2.2.1 射频识别技术的发展、组成及工作原理

1.射频识别技术的发展

●1940—1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。

●1950—1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。

●1960—1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

●1970—1980年：射频识别技术和产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。

●1980—1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

●1990—2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛应用，它逐渐成为人们生活中的一部分。

●2000—2010年：标准化问题日益为人们重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用不断扩大。

●2010年以后：射频识别技术的理论得到丰富和完善，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。

2.射频识别技术的组成

RFID的基本组成部分有RFID标签、阅读器和天线。

（1）RFID标签

RFID标签俗称电子标签，也称应答器（Tag），异形标签及封装如图2-24所示。RFID标签根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，目前在物流中应用较多的是被动式标签。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通信，被动式RFID标签如图2-25所示。RFID标签中存储一个惟一编码，通常为64 bit、96 bit甚至更高，其地址空间远远超过条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。

（2）读写器

读写器也称阅读器或询问器（Reader），它是对RFID标签进行读/写操作的设备，通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成，读写器如图2-26所示。读写器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将具备更加强大的前端控制功能。在物联网中，读写器将成为同时具有通信、控制和计算功能的核心设备。

图2-24 异形标签及封装

图2-25 被动式RFID标签

图2-26 读写器

（3）天线

天线（Antenna）是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通信连接的设备。RFID系统中包括两类天线：一类是RFID标签上的天线（如图2-27所示）；另一类是读写器天线（如图2-28所示），既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。

图2-27 RFID标签上的天线

图2-28 远望谷读写器上的板状天线

3.射频识别技术的工作原理

RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，RFID技术的工作原理如图2-29所示。

从电子标签到读写器的通信和能量感应方式来看，RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合（即雷达原理模型），发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

图2-29 RFID技术的工作原理

电感耦合方式一般适用于中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作频率的远距离RFID系统。

2.2.2 射频识别技术的方案

1.射频识别技术的含义

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中。RFID技术可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷、方便。

2.射频识别别技术的特点和应用领域

射频识别技术的特点：具有非接触识别（识读距离可以从十厘米至几十米），可识别高速运动物体、抗恶劣环境、保密性强，可同时识别多个识别对象等。RFID应用的领域非常广泛，除了物流管理、医疗领域、货物和危险品的监控追踪管理、民航的行李托运及路桥的不停车收费等方面，图书馆、洗衣房和各种票务机构、邮政包裹识别、行李识别、动物身份标识、电子门票、RFID门禁控制识别、企事业单位员工识别等各行各业的发展都离不开RFID技术。射频识别技术与其他自动识别技术的比较见表2-4。

表2-4 射频识别技术与其他自动识别技术的比较

（续）

2.2.3 射频识别技术的标准

1.RFID标准概述

由于RFID的应用涉及众多行业，因此其相关的标准非常复杂。从类别看，RFID标准可以分为以下4类：技术标准（如RFID技术、IC卡标准等）；数据内容与编码标准（如编码格式、语法标准等）；性能与一致性标准（如测试规范等）；应用标准（如船运标签、产品包装标准等）。具体来讲，RFID相关的标准涉及电气特性、通信频率、数据格式和元数据、通信协议、安全、测试与应用等方面。

与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）和世界邮联（UPU）。此外其他的区域性标准化机构（如EPC Global、UID Center、CEN）、国家标准化机构（如BSI、ANSI、DIN）和产业联盟（如ATA、AIAG、EIA）等也制定了与RFID相关的区域、国家、产业联盟标准，并通过不同的渠道提升为国际标准。

从总体来看，目前RFID存在3个主要的技术标准体系：总部设在美国麻省理工学院（MIT）的自动识别中心（Auto-ID Center）、日本的泛在ID中心（Ubiquitous ID Center，UID）和ISO标准体系。注：“泛在”是无所不在的意思，或称普适。

2.主要技术标准体系

（1）EPC Global

EPC Global是由美国统一代码协会（UCC）和国际物品编码协会（EAN）于2003年9月共同成立的非营利性组织，其前身是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非营利性组织自动识别中心。自动识别中心以创建物联网为使命，与众多成员企业共同制定一个统一的开放技术标准。其旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等100多家欧美零售流通企业，同时有IBM、微软、飞利浦和Auto-ID Lab等公司提供技术研究支持，目前EPC Global已在加拿大、日本、中国等国建立了分支机构，专门负责EPC码段在这些国家的分配与管理、EPC相关技术标准的制定、EPC相关技术在本国的宣传普及以及推广应用等工作。

EPC Global物联网体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPCIS服务器等部分构成。EPC赋予物品唯一的电子编码，其位长通常为64 bit或96 bit，也可扩展为256 bit。对不同的应用规定有不同的编码格式，主要存放企业代码、商品代码和序列号。最新的Gen2标准的EPC编码可兼容多种编码。

（2）uCode体系

日本在电子标签方面的发展始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON，T-En-gine是其核心的体系架构。在T-Engine论坛领导下，泛在ID中心于2003年3月成立，并得到日本政府经产和总务省以及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷和理光等重量级企业。

泛在ID中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码（uCode）、信息系统服务器、泛在通信器和uCode解析服务器4个部分构成。

uCode采用128 bit记录信息，提供了340×1036编码空间，并可以以128 bit为单元进一步扩展至256 bit、384 bit或512 bit。uCode能包容现有编码体系的元编码设计，以兼容多种编码，包括JAN、UPC、ISBN和IPv6地址，甚至电话号码。uCode标具有多种形式，包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等。泛在ID中心把标签进行分类，设立了9个级别的不同认证标准。

信息系统服务器存储并提供与uCode相关的各种信息。

泛在通信器主要由IC标签、标签读写器和无线广域通信设备等部分构成，用来把读到的uCode送至uCode解析服务器，并从信息系统服务器获得有关信息。

uCode解析服务器确定与uCode相关的信息存放在哪个信息系统服务器上。uCode解析服务器的通信协议为uCodeRP和eTP，其中eTP是基于eTron（PKI）的密码认证通信协议。

（3）ISO标准体系

国际标准化组织（ISO）以及其他国际标准化机构（例如国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）等，是RFID国际标准的主要制定机构。大部分RFID标准都是由ISO（或与IEC联合组成）的技术委员会（TC）或分技术委员会（SC）制定的。

3.RFID频率标准

就RFID的频率特性来看，RFID系统可以简单地分为低频（0～300 kHz）、高频（3～30 MHz）和超高频（300～960 MHz）以及微波系统（2.45～1000 GHz）。

低频系统一般工作在100～500kHz，常见的工作频率有125 kHz、134.2 kHz；高频系统工作在10～15 MHz，常见的高频工作频率为13.56 MHz；超高频工作频率为433～960 MHz，常见的工作频率为433 MHz、869.5 MHz和915.3 MHz；有些射频识别系统工作在5.8 GHz的微波段。

在低频段，常见的应用是航空和航海导航系统、定时信号系统以及军事上的应用。此外，在普通门禁上低频系统也得到了非常广泛的应用。高频应用范围为新闻广播、电信服务、电感射频识别、遥控系统、远距离控制模拟系统、无线电演示设备以及传呼台等，目前国内较大型的应用为二代身份证的应用和学生火车优待证的应用。超高频RFID产品被推荐应用在供应链管理上。但是，超高频技术对于金属等可导媒介完全不能穿透。实践证明，由于高湿物品、金属物品对超高频无线电波的吸收和反射特性，超高频RFID产品对于此类物品的跟踪与识读是完全失败的。微波主要应用于射频识别、遥测发射器与计算机的无线网络。采用双频技术的射频识别系统同时具有低频和高频系统的优点，能够广泛地运用在动物识别、导体材料干扰的环境及潮湿的环境等，例如托盘、集装箱、水果箱和食品罐头等物流供应链场合、动物识别、人员门禁和运动计时等。

2.2.4 射频识别技术的应用

1.安全防护领域

（1）门禁保安

将来的门禁保安系统均可应用射频卡，一卡可以多用，例如可以用作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等，目的都是识别人员身份、安全管理、收费等，好处是简化出入手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡，进出口有一台读写器，人员出入时自动识别身份，非法闯入会报警。安全级别要求高的地方还可以结合其他的识别方式，将指纹、掌纹或面部特征存入射频卡。

公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面，例如计算机、传真机、文件、复印机或其他实验室用品上。该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产，可以跟踪一个物品从某一建筑离开，或是用报警的方式限制物品离开某地。结合GPS系统利用射频卡，还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。

（2）汽车防盗

汽车防盗是RFID较新的应用，目前已经开发出了足够小的、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡。它需要在汽车上装有读写器，当钥匙插入到点火器中时，读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的特定信号，汽车的引擎将不会发动。使用这种电子验证的方法，汽车的中央计算机也就能容易防止盗车贼短路点火。

另一种汽车防盗系统是司机自己带有一个射频卡，其发射范围是在司机座椅45～55cm以内，读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的ID号时汽车引擎才能启动。该防盗系统还有另一个强大的功能：倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭，这时读写器就需要读取另一个有效的ID号；假如司机将该射频卡带离汽车，这样读写器不能读到有效的ID号，引擎就会自动关闭，同时触发报警装置。

（3）电子物品监视系统

使用电子物品监视系统（Electronic Article Surveillance，EAS）的目的是防止商品被盗。整个系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为1 bit（即开或关）的射频卡，和商店出口处的读写器。射频卡在安装时被激活，在激活状态下，射频卡接近扫描器时会被探测到，同时会报警。如果商品被购买，由销售人员用专用工具拆除射频卡（典型的是在服装店里），或者用磁场使射频卡失效，或者直接破坏射频卡本身的电特性。现在EAS系统已被广泛使用，据估计每年全球要消耗60亿套EAS。

2.商品生产销售领域

（1）生产线自动化

用RFID技术在生产流水线上实现自动控制、监视，提高了生产率，改进了生产方式，节约了成本，生产流水线上的RFID系统如图2-30所示。

德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡，以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车是基于用户提出的要求式样生产的。用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需要车的颜色、引擎型号和轮胎式样等。这样一来，汽车装配流水线上就要装配上百种式样的宝马汽车，如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统很难完成这样复杂的任务。宝马公司在其装配流水线上配有RFID系统，使用可重复使用的射频卡，该射频卡上带有汽车所需的所有详细的要求，在每个工作点处都有读写器，这样可以保证汽车在各个流水线位置能毫不出错地完成装配任务。

图2-30 生产流水线上的RFID系统

（2）产品防伪

伪造在世界各地都是令人头疼的问题，将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低，且难于伪造。射频卡的成本相对便宜，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步。射频卡本身有内存，可以储存、修改与产品有关的数据，有利于销售商使用；其体积十分小，便于产品封装。像计算机、激光打印机、电视等产品都可使用。例如五粮液在酒瓶盖上集成小型超高频电子标签，实现酒类防伪功能，五粮液防伪如图2-31所示。

图2-31 五粮液防伪

（3）服装销售

PVC吊牌标签应用于服装零售管理，用粘贴，捆绑，扎带等方法跟物品结合使用，提升库存盘点效率。符合EPC C1G2（ISO 18000-6C）标准，工作频率为860～960 MHz，可在全球范围内使用。该标签是由PVC材料封闭，其中RFID的芯片将存储唯一标识以及其他更新信息。

RFID带锁标签应用在服装领域的特殊标签，它把防盗和销售管理两个功能相结在一起，通过钉子跟物品组合在一起，工作频率为860～960 MHz。该标签需要专门的工具才能取下能起到很好的防盗作用，单个成本高但是标签可重复使用（如图2-32RFID带锁标签所示）。

3.管理与数据统计领域

（1）畜牧管理

该领域的发展起步于赛马的识别，是用小玻璃封装射频卡植于动物皮下。射频卡大约10厘米长，内有一个线圈，约1000圈的细线绕在铁氧体上，读/写距离是十几厘米。之后，从赛马识别发展到了识别牲畜，牲畜的识别提供了现代化管理牧场的方法，如图2-33所示。

图2-32 RFID带锁标签

图2-33 牲畜的识别

（2）运动计时

在马拉松比赛中，由于人员太多，有时第一个出发的人和最后一个出发的人能相隔40分钟，如果没有一个精确的计时装置就会出现差错。射频卡应用于马拉松比赛中，运动员在自己的鞋带上很方便地系上射频卡，在比赛的起跑线和终点线处放置带有微型天线的小垫片。当运动员越过此垫片时，计时系统便会接收运动员所带的射频卡发出的ID号，并记录当时的时间。这样，每个运动员都会有自己的起始时间和结束时间，不会出现不公平竞争的可能性。在比赛路线中，如果每隔5千米就设置这样一个垫片，还可以很方便地记录运动员在每个阶段所用的时间，运动计时设备如图2-34所示。

RFID还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。在跑道下面按照一定的距离间隔埋入一系列天线，这些天线与读写器相连，而射频卡安装到赛车前方。当赛车每越过一个天线时，赛车的ID号和时间就被记录下来，并存储到中央计算机内。这样到比赛结束时，每个参赛选手都将会有一个准确的比赛结果。

4.交通运输领域

（1）高速公路自动收费及交通管理

高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之一。目前，中国的高速公路发展非常快，而高速公路收费却存在一些问题：一是在收费站口，许多车辆要停车排队，成为交通瓶颈问题；二是少数不法的收费员贪污路费，使国家损失了相当的财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上，能够充分体现它非接触识别的优势——让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费，同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。利用射频识别技术不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向；人工收费，包括IC卡的停车收费方式，终将会被淘汰。预计在未来10年内，高速公路自动收费系统将有数十亿元的需求。高速公路自动收费系统如图2-35所示。

图2-34 运动计时设备

图2-35 高速公路自动收费系统

在城市交通方面，解决交通日趋拥挤问题不能只依赖于修路。加强交通的指挥、控制、疏导，提高道路的利用率，深挖现有交通潜能也是非常重要的；而基于RFID技术的交通管理系统可实现自动查处违章车辆、记录违章情况。另外，公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息，会给乘客带来很大的方便。

（2）火车和货运集装箱的识别

在火车运营中，使用RFID系统很大的优势在于：火车是按既定路线运行的，因此肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据，能够得到火车的身份、监控火车的完整性，以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故，同时能在车站将车厢重新编组。起初的努力是用超音波和雷达测距系统读出车厢侧面的条码，现在被RFID系统取代。射频卡一般安在车厢顶部，读写器安在铁路沿线，这样就可以得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息，火车和货运集装箱的识别如图2-36所示。

图2-36 火车和货运集装箱的识别示意图

5.物流领域的应用

RFID作为物联网的核心技术之一，进入物流领域逐步替代商品条形码，对现有的物流领域带来全新的技术应用，由于RFID技术具有非接触、自动识别和操作便捷等优点，所以非常适用于物料跟踪、运载工具和货架识别等场合。RFID在作业管理方面的应用表现在运输与配送管理、仓储与物料管理和流通加工管理3个方面。RFID使整个物流作业管理能够迅速而准确地跟踪各个作业环节的实时状况，从而进行最优化的作业管理。

（1）运输与配送管理

运输与配送管理用于实现可视化管理和实时跟踪。RFID技术的应用使得货物在运输和配送的各个环节都处在一个广阔的物联网中，所处的状态和位置都可以准确而又实时的获得，从而实现了可视化的管理。同时对可能发生意外的环节进行跟踪，实现动态的管理，不仅提高了运输和配送的效率，而且降低了出错的几率。RFID在区域配送中心的应用如图2-37所示。

图2-37 RFID技术在区域配送中心的应用

（2）仓储与物料管理

仓储与物料管理用于实现空间的优化利用和物料的合理配置。原材料、零部件、半成品和产成品等各种物料的信息的记录都可以通过自动扫描完成，从而省去了烦琐的检验、记录、清点等大量需要人力的工作。仓储中心可以通过RF系统实时获得需要入库和出库的物料的信息，从而减少了10%～30%的安全库存量，实现了仓储空间的优化及物料的合理配置。RFID在仓储中的应用如图2-38所示。

图2-38 RFID在仓储中的应用

（3）流通加工管理

流通加工管理用于实现智能化管理和最优化加工。流通加工管理中应用RFID技术可以实现流水线的自动化和智能化，从而提高流通加工效率、节约成本。通过RFID卡还可以准确获得加工产品的具体信息，可以满足用户定制的需求，实现最优化加工。