RFID技术的应用及发展

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  射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术起源于第二次世界大战,使用射频电波识别敌机和友机。RFID技术利用无线射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到自动识别的目的,该技术具有防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以识别高速运动中的物体,可识别多个标签,可以在恶劣环境下工作等优点。随着该技术的不断完善,在社会生产生活中的应用将越来越广泛。例如商品防伪,国防军事,物联网(Internet of Things,IOT),智能交通,电子门票,身份识别和一卡通等领域。

  1 系统简介

  1.1 系统组成

  RFID系统主要由电子标签,天线,读写器和主机组成。电子标签(Tag),非接触式IC卡,放在需要被识别的物体上,由耦合元件和芯片组成,标签有内置天线,可以发送和接收信号;天线(Antenna):完成无线信号的发送和接收;读写器(Reader)可以发送和接收命令,并与主机通信,执行主机命令;主机(Host)发送用户命令和显示接收数据。RFID系统根据工作频段和工作方式具有不同的性能,应用于不同场合。

  1)标签 根据标签是否有电源,分为有源和无源标签;根据标签的可读写性,分为只读和读写标签;根据调制方式,分为主动式、被动式和半主动式标签;根据标签和阅读器发言顺序,分为RTF(Reader Talk First)和TTF(Tag Talk First);根据频段的不同,分为低频、高频、超高频和微波标签。

  2)天线 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按其工作的频段可分为短波、超短波、微波等天线;按方向性可分为全向、定向等天线;按外形可分为线状、面状等天线。

  3)读写器 读写器是RFID系统的核心,其基本作用就是作为连接前向信道和后向信道的核心数据交换环节。

  读写器与应用系统之间通信:读写器将标签发来的调制信号,经过解调解码后,通过USB、串口、网口等,将得到的信息传给应用系统。应用系统可以给读卡器发送相应的命令,控制读写器完成相应的任务。读写器可以将其有效射频范围内可以激活符合标准的多个电子标签,可以同时识别多个标签,具有防碰撞功能。

  RFID系统基本工作原理是:阅读器通过天线发出含有信息的一定频率的调制信号;当电子标签进入到阅读器的工作区时,其天线通过耦合产生感应电流,从而为电子标签提供相应的能量,此时标签根据阅读器发来的信息决定是否响应,是否发送数据;当阅读器接收到电子标签发送过来的信号,经过解调和解码之后,将标签内部的数据识别出来。

  1.2 RFID的工作频率

  射频卷标的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理(电感耦合还是电磁耦合)、识别距离,还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。

  从功能方面来看,RFID标签主要分为3种:只读卷标、可重写卷标、带微处理器卷标。只读型卷标的结构功能最简单,包含的信息较少并且不能被更改;可重写型卷标集成了容量为几十字节到几万字节的闪存,卷标内的信息能被更改或重写;带微处理器卷标依靠内置式只读存储器中存储的操作系统和程序来工作,出于安全的需要,许多标签都同时具备加密电路。

  工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分,即位于ISM波段之中。典型工作频率:125、133 kHz,13.56、27.12、433、902~928 MHz,2.45、5.8 GHz等。

  1)低频段射频标签 其工作频率范围为30~300 kHz。典型工作频率有125,133 kHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1 m。

  2)中高频段射频标签 中高频段射频标签的工作频率一般为3~30 MHz。典型工作频率为13.56 MHz。该频段的射频标签,从射频识别应用角度来说,因其工作原理与低频卷标完全相同,即采用电感耦合方式工作。另外,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也称为高频标签。中频标签一般采用无源设计,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。中频标签的有效阅读距离一般情况下小于1 m,其典型应用有电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗等。

  3)超高频与微波标签 超高频与微波频段的射频标签,简称为微波射频卷标,其典型工作频率为433.92、862(902)~928 MHz,2.45、5.8 GHz。微波射频卷标可分为有源卷标与无源卷标两类。工作时,射频卷标位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1 m,典型情况为4~6 m,最大可达10 m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签才可被读/写。

  1.3 RFID防冲突算法

  1.3.1 防冲突的多址接入方式

  RFID的多址接入方式主要有3类:

  1)空分多址(SDMA)空分多址通过采用智能天线阵技术降低了对单个阅读器识别距离的要求,空分多址对于UHF和微波频率更有实用价值。目前RFID空分多址技术已被成功应用在马拉松赛事,通过给每个运动员配置1个电子标签,用标签检测运动员的到达时间。

  2)频分多址(FDMA) 通过给阅读器分配不同估道,降低阅读器之间发生冲突的概率。

  3)时分多址(TDMA) 基于TDMA方式的防冲突协议已被大多数国际标准采纳,其中ALOHA协议和二进制树协议就采用TDMA方式。

  1.3.2 RFID防冲突算法的新进展

  防冲突算法是RFID解决多目标识别的关键技术,具体可分为标签防冲突和阅读器防冲突2大类型。当阅读器信号范围内存在多个标签,同一时刻有2个或以上的标签向阅读器发送信息时,就会产生标签冲突,解决途径是使用Aloha或二进制树搜索防冲突算法。Aloha防冲突算法由于延迟时间和检测时间是随机分布的,是一种不确定性算法,可分为非时隙、时隙以及自适应Aloha防冲突算法,其中自适应Aloha方法的信道利用率最高。先对标签的数量进行动态估计,然后根据一定的优化准适应选取延迟时间和帧长,其优点是能显著提高识别速率,缺点是复杂度明显提高。基于Aloha协议的防冲突算法不能完全解决冲突,可能存在“标签饥饿”问题,即某特定标签在很时间都没有被识别。

  2 RFID信息安全

  RFID的保密性相对于条码识别等传统的识别系统具有较好的保密性,但是其数据非常容易受到攻击,主要是芯片以及芯片在读写数据的过程中容易被他人攻击。所以,保护存储在RFID芯片数据的安全是一个关键的问题。最新的RFID标准重新设计了UHF空中接口协议,该协议用于管理从标签到读卡器的数据的移动,为芯片中存储的数据提供了一些保护措施。新标准采用“一个安全的链路”,保护被动标签免于受到大多数攻击行为。当数据被写入卷标时,数据在经过空中接口时被伪装。从卷标到读卡器的所有数据都被伪装,所以当读卡器在从卷标读或者写数据时数据不会被截取。一旦数据被写入卷标,数据就会被锁定,这样只可以读取数据,而不能被改写,就是具有人们常说的只读功能。

  没有可靠安全机制,对于只读标签中的数据信息无法进行很好的保密,对于可读可写标签,还存在电子标签上的信息被恶意更改的隐患。如果电子标签中的信息被窃取甚至恶意更改,将来可能带来无法估量的损失。

  解决这些安全问题的一个途径就是研究RFID标签加密技术。加密技术可用来防止未授权的窥探者取得或篡改电子标签信息,但目前只有少数RFID芯片能够处理压入加密钥等较复杂的工作。此外,能够处理这些工作的RFID标签,都是市面上最昂贵的产品。因此,目前的RFID技术要想在对信息有保密要求的军事等项目展开应用还存在着障碍。从国家安全的高度考虑,应该积极开发自己的RFID加密技术。

  新的EPCgolbal超频第二代协议标准增强了无源标签的安全性能。据EPCglobal产品管理总监Sue Hutchinson介绍,新标准不仅提供了密码保护,而且能对数据从标签传输到读取器的过程进行加密,而不是对标签上的数据进行加密。

  隐私安全问题主要体现在RFID标签上。一种想法是“软屏蔽器”(soft blocker)。它能加大对顾客的隐私偏好的保护,不过这是在商品已经购买之后。在销售点,顾客会出示其会员卡,通过这张卡就能看到其隐私偏好的数据。“商品购买之后,销售点就会立即对隐私数据进行更新,保证这些数据不会被某些读取器读取,比如供应链读取器。”RSA实验室RFID解决方案构架师Dan Bailey说。软屏蔽器可能是解决RFID标签隐私问题的一个好办法,在EPCglobal第二代标签中就加入了这种功能。

  借鉴其他网络技术。在零售商店中,或者在货物从一个地点运输到另一个地点的过程中,有很多机会可以覆盖甚至修改RFID标签上的数据。这种漏洞在公司用来处理贴有RFID标签的货箱、托盘或其他货物的网络上同样存在。这些网络分布在公司的配送中心、仓库或商店的后台。未经安全处理的无线网络,给拦截数据带来了机会。而在RFID读取器的后端是非常标准化的互联网基础设施,因此,RFID后端的网络存在的安全问题及其机会和互联网是一样的。

  在读取器后端的网络中,完全可以借鉴现有的互联网络的各种安全技术。解决办法是,确保网络上的所有阅读器在传送信息给中间件(中间件再把信息传送给企业系统)之前都必须通过验证,并且确保阅读器和后端系统之间的数据流是加密的。部署RFID阅读器时应采取一些非常切合实际的措施,确保验证后方可连入企业网络,并且不会因为传输而被其他人窃取重要信息。比如,基于Symbol Technologies和ThingMa-gic等公司的技术的阅读器支持标准的网络技术,包括防止未授权者访问的内置验证方法。

  为了防止有人窃听RFID阅读器发出的功率较高的信号,采用名为“无声爬树”的反窃听技术的方法。Burt Kaliski表示,在RFID无线接口的限制范围内,这种方法可确保阅读器绝不重复发送标签上的信息。RFID标签上的数字不是由阅读器播送,而是被间接引用,接收端中间件知道该如何解释这些数字,而窃听者却不知道。

  “透明”引发的数据危机虽然RFID技术的应用提高了整个供应链的透明度,但由此也引发了人们对数据安全的担忧。企业对数据需要有很强的安全感,对于企业而言,他们的数据包括与他们业务相关的信息数据,不再仅仅是他们自己的数据,也是他们贸易伙伴的数据。

  3 RFID技术的研究现状

  至今,RFID技术已经在很多领域中得到应用。射频识别技术在国外发展得很快,RFID产品种类很多。在市场需求方面,世界上最顶尖的零售业巨头沃尔玛、Tesco、麦德龙要求其供应商提供的商品必须有RFID标签;在中间软件开发上,有微软、甲骨文(Oracle)、Sun等IT巨头宣布进军RFID的软件开发;在硬件设备供应上,Motorola、Alien、飞利浦、德州仪器、IBM等宣布针对日益成熟的RFID智能卡市场进行战略联盟;在技术标准方面,各国及相关国际组织都在积极推进RFID技术标准的制定,但是目前还没有形成统一的国际标准,当前主要的标准有欧美的EPC规范,日本的UID(Ubiquitous ID)规范和ISO18000系列标准。

  中国近年来也一直在大力发展RFID技术。目前,国内RFID产业链已经基本建立,主要集中在上海、深圳、北京等地,其中上海以芯片为主(如复旦微电子、上海华虹等),而深圳则以封装、应用占优势(如先施、远望谷等),北京在系统集成方案等方面得到快速发展。

  在实际应用方面,深圳先施科技推出众多UHF频段RFID读写器产品,其主力产品一体化读写器在国内停车场占有率居第1位;深圳远望谷瞄准铁道系统的铁路车号识别的应用,开发的产品已经应用于铁路系统;江苏瑞福开发的UHF频段RFID读写器在车辆管理、智能交通等领域有较好的应用。

  虽然国内RFID技术在这几年来取得了长足的进步,但是RFID技术的发展还任重道远,现在,射频识别技术在中国仍然处于一个刚刚起步的阶段,其发展潜力巨大,前景诱人。

  4 RFID应用现状

  4.1 RFID技术与无线传感器技术结合

  与无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的结合,使RFID技术的发展向前一大步,电子标签结合无线传感器网络,无线传感器网络发送数据,但是电子标签并不仅仅是无线传感器的网络节点,因为在电子标签和无线传感器之间没有一个自组织网络进行数据传递;然而传感器网络能够及时地传递电子标签的详细信息,传感器网络开发才刚刚起步,而传感器网络也有助于RFID技术的进一步发展。

  RFID技术和无线传感器技术结合,在协作式多边定位算法(coIlaborative multilatemtion)的基础上,融入网络节点簇集的思想和迭代循环的思想,利用多个节点的定位信息来对未知节点进行定位,参与定位的节点越多,定位的精确度越高。同时应用迭代循环求精的方法进一步提高定位的精确度。

  传感器网络一般不关心节点的位置,因此对节点一般都不采用全局标识,而RFID技术对节点的标识有着得天独厚的优势,将二者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷,既可以将网络的主要精力集中到数据上,当需要具体考虑到某个具体节点的信息的时候,也可以利用RFID的标识功能轻松地找到节点的位置。

  4.2 RFID技术和NFC

  近距离无线通信技术(Near Field Communication,NFC)是由Philips公司发起的,由Nokia,Sony等公司联合推出的一项新的无线通信技术。起初,这项技术只是将RFID技术与网络技术简单的合并,但是现在已经演变成为一种短距离无线通信技术,其发展相当迅速,NFC工作在13.56 MHz,数据速率为106,212,424 Kb/s。最大通信距离为20 cm,传输速率取决于传输距离。NFC符合ISO18092和ECMA340定义的标准,而且兼容ISO14443标准,NXP公司的MIFARE和Sony公司的FliCa都兼容。

  RFTD技术针对物流、交通、零售等多种行业,而NFC专门针对消费类电子产品,也可以说NFC是RFID技术的一种,是更加专门化的RFID技术,二者是密不可分的,NFC技术的普及需要RFID技术的支持,NFC技术支持移动支付业务,NFC手机与模块结合,手机也具有支付功能,手机可兼容多种功能,比如城市一卡通。空中下载(Over-The-Air,OTA)技术是通过移动通信的空中接口对手机卡上的数据和业务进行远程管理。使用内置NFC功能的手机可以坐公交、购物、就餐、充当电子钱包等等,使日常生活更加方便快捷,2006年Nokia与厦门移动公司和Philips公司合作启动了全国首个NFC支付试点测试,同年Nokia与银联商务公司在上海启动了第2个NFC测试点。NFC技术可以很好地解决实时和现场支付等,使用更加方便、快捷,所以NFC技术拥有很好的市场前景。

  尽管如此,由于NFC是RFID技术的一个演变,所以其生产成本和相关的国际标准也会受到RFID技术的影响,目前,该技术得到了世界各国政府部门的大力支持,Nokia等全球知名企业也投入了大量的资源进行开发,在未来的几十年,NFC技术和RFID技术必将走进每个人的生活。

  4.3 RFID技术与3G

  RFID技术应用到3G手机上可以实现实时的信息传递和上传下载,在手机上查阅机票,天气信息,交通路况等信息。未来RFID技术与3G技术的进一步发展将使人们的生活更加方便快捷。RFID和3G技术在物流运输过程中的应用可以有效地解决货物丢失的问题。但是其应用成本较高,一般的企业难以承担,有待于技术水平的进一步提高,大规模的应用,降低成本。

  5 RFID应用前景展望及未来的研究方向

  目前,国际上许多大型软件开发商和系统集成商已经开始进军RFID软件领域,SAP、Manhattan Associates、IBM公司以及其他一些公司都将推出各自的解决方案。而国内的技术力量还比较薄弱,很多厂商都将注意力放在RFID芯片技术上,对RFID的后端应用软件以及对电子标签在流通中的管理软件的关注还比较少。这需要放眼长远,时刻关注应用发展的进展及研究方向,将RFID的推广应用真正落到实处。

  据调查,2003年非商标类RFID适应器的产量是3亿单位,2004年可增加到10亿单位,商标类RFID卡将会从2003年的3亿单位增加到2010年的650亿单位。据IDC的预测,到2008年,仅用于在零售供应链中跟踪货物的RFID市场的规模就将接近13亿美元。对于未来可能成为全球制造业中心的我国,RFID的市场应用更是无可限量。RFID与手机的结合使用,展现了一项新的应用领域,当把智能手机或电脑手机做成读码器,使RFID能进入到人们日常的工作和生活中,可以想像,其市场将会是多么的巨大。Nokia公司最近研制出适用于5140GSM手机的移动RFID工具包,说明RFID的大规模商用并不比3G的应用遥远。值得注意的是,为适应RFID广泛应用而建立的RFID支持验证平台,还需要有一个随时随地可接触到的网络,也就是一个开放的,全球地址唯一的Ineternet。因而IPv6也将是RFID所必需的。RFID技术不像条码把产品条码号暴露在外面会引起不安全性。采用条码标签的库存管理,和RFID相比既费时,成本也不低,蓝牙技术可能是一种解决方案,但它适用于少量的高频带应用,却不能做到RFID适宜于在1小时内可支持几百个低频带传输的应用。