浅谈引领物联网时代的先锋--RFID

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。 射频识别技术（Radio Frequency Identification,缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别技术的理论基础。

不同频段的RFID产品会有不同的特性，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

RFID技术发展趋势

一、国外应用现状

1991年海湾战争中，美军的后勤供给发生了严重问题。据美国媒体报道，美军向海湾地区运送了4万个集装箱，由于集装箱里面的物资明细不清楚，有2.5万个必须由人工开封，清点登记后，重新加入到物流中，浪费了人力和时间。

美国国防部吸取了海湾战争中的沉痛教训，与Savi技术公司签订关于RFID标签、固定、移动、手持的RFID读写器以及相关的硬件、软件和专业服务的合约，在世界50个国家850个军事基地建立了世界最大的无线射频网络货物追踪系统，实现实时的数据自动采集、聚合、恢复与服务。

这项技术在2003年第二次海湾战争中得到了很好验证。由于美军建立了无线网射频络货物追踪系统，军需物资运送状况有了彻底的改变。

另外，在供应链管理领域，RFID技术也备受青睐。被美国《商业周刊》称为全球企业新独裁者，连续多年荣登《财富》杂志全球500强企业的零售巨头Wal-Mart百货公司，于2003年11月5日，在位于美国阿肯色州罗杰市的总部召开会议，宣布到2005年末，要求全球100家最大的供应商供给Wal-Mart的商品都要应用RFID技术。

RFID技术的应用，给Wal-Mart和上下游供应商带来了无限商机。它使货物不会存在仓库里而无人知晓，数据库中记录的货物数量与实际库存量精确相符，与贸易伙伴之间的货物传送信息能够自动、准确地完成。店员能够及时准确的了解什么商品需要补货，该商品放在仓库的什么位置，是什么种类，数量是多少等。其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作， 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。

世界各地的零售巨头们继沃尔玛之后，德国的麦德龙、英国最大的连锁超市集团Tesco、美国的Tar-get、Albertsons也陆续宣布了导入RFID计划。

2004年1月，日本货物铁道（JR货物），在日本全国约140个全货物车站同时导入了RFID技术；同年12月，新东京国际空港（成田空港）、日本航空公司和宅急便公司联合进行了RFID加附在顾客行李箱的试验。香港、新加坡、旧金山、温哥华等国际空港也陆续进行了相关的实验。

二、国内应用现状

1992年工研院开始研发RFID技术，2003年成功举办了RFID商业应用发展策略论坛，2006年6月，中国发布了《中国RFID技术政策白皮书》。

目前，香港的八通达卡是当今最成功的非接触式多功能智能卡，其应用范围有停车场、便利商店、快餐店、电影院、自动贩卖机、游泳池、住宅、保全系统及校园通系统等。

根据工信部相关报道，2005年我国RFID市场规模已经达到36.9亿元，2006年增加接近60亿元，2008年RFID相关产值达到80亿元左右。据相关部门预测，中国的RFID市场在今后数年将稳步增长，到2011年将达到118.1亿美元。

我国RFID技术在政府的推动下，已经在很多领域已经得到初步应用。在公共交通管控、高速公路收费、动植物电子标志、食品、药品、邮件实时状态跟踪管理以及物流、供应链管理等领域均已先后启动了RFID技术应用试点项目；各类电子证照与重要商品防伪、各类IC卡应用开辟了广阔市场空间，奠定了我国RFID产业与应用的基础。虽然RFID产业在我国起步较晚，但是经过近些年的发展，目前我国在技术研发、制造、工艺设计、系统集成与应用等各环节已初具规模。其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作， 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。

基于RFID技术构建港湾物联网系统的探讨

港湾是国际物流的集散地，是国际海运的交通枢纽。据2009年6月中国物流与采购联合会统计，国际运输方面，全球国际海运货运量52亿吨，我国货运量占世界海运量的84%左右。因此，港湾的建设和安全保障，是体现出一个国家的经济实力和国际竞争力的核心。但是，价格、速度、安全保障、高效率、高水平的服务一直是困扰港湾发展的要因。本文稿以此为蓝本，探讨应用RFID技术，构建物联网系统（Internetofthings），来解决以上问题。

物联网从网络结构上看，是通过因特网（Internet）将众多RFID应用系统连接起来，并在广域网范围内对物品身份进行识别的分布式系统。因特网则是借助物联网协议将因特网的边界延伸到世间万物。

在本稿中的物联网是以RFID技术为核心，将物品和物联网绑定的技术手段之一，是一个以计算机网络、GPS（GlobalPositioningSystem）等先进的通讯技术组成的庞大的系统。

在物联网中，每个物品均被赋予唯一的ID,这个ID是存储在和物品绑定的电子标签中。与条形码（BarCode）相比，RFID技术特性具有独特的优势（详见表1）。

本文稿是以出口海运为假定。港湾在物联网系统的支持下，把货物的信息（企业名、地址、电话、商品ID、日期、商品批号）写入电子标签中，然后与货物绑定。

一、港湾作业的特点

为了有效地利用RFID技术，对港湾作业特点进行了分析，归纳如下（如图1所示）。

（一）跨国间的物流：港湾是国际贸易货物的集散地，货物都是来自不同的国家及地区。

（二）货物容积大：受理的货物是20尺或40尺（Feet）的集装箱，需要广阔的空间和堆场来保管。

（三）安全保障：防止集装箱的丢失、被盗和损坏及内场危险物（***或高险化学品等）。

（四）自然环境恶劣：风雨、海水、温湿度、盐雾、日晒等自然因素。

二、RFID的应用方法

根据港湾作业特点，提议港湾应用UHF频段的RFID技术，UHF频段具有识别距离长、快速识别移动物体、成本低等特点，是港湾管理最理想的选择。

□标签贴附在托盘、包装箱、集装箱上，进行规格、序列号等信息的自动存储和传递。

□对电子标签的要求

□Code（编码）体系国际标准化（如EPC标准）

□利用UHF频段的电子标签，识别距离长、高速识别移动物体、成本低且耐用性好

□在恶劣的自然环境下确保正常射频质量的电子标签

□与GPS系统相连接，预防异常行为发生。

在港湾操作管理过程中，最关键的环节就是集装箱的跟踪管理，以及如何防止集装箱的丢失、被盗和损坏。进入港区的集装箱就相当于一张动态物流全景图，通过这张图，各环节操作人员可以获得更快、更精确的实时信息，操作人员只要输入绑定货物的ID号码，就可以在显示器上把货物信息尽现眼底，不用到处去找货物在什么位置。

物联网系统的操作如图2所示。港湾闸口上方设置射频读写器，运送货车通过闸口时，读写器会自动识别和读取绑定在集装箱上的电子标签（商品信息、货物数量、出库者信息、入库者信息、发货单号）信息，通过无线LAN传输给中央服务器，进行数据处理和保存。系统确定无误后，把货物的信息自动上传到监管部门，监管部门根据信息指令把货物分拨到指定的仓位。

码头的龙门吊上同时装有射频读写器和GPS装置，操作人员根据信息指令，在每一个操作环节开始和结束，都要对集装箱上的电子标签扫描，然后，通过无线LAN把信息上传至中央服务器进行数据处理和保存。在船上，同时安装高性能的RFID系统，即RFID芯片中装有传感器，可以记录物品所处的温度、湿度、日照等环境信息。物联网系统和中间件处于DCM三层架构的中上层和顶层，如果把物联网系统和一个人体做比较，感知层好比人体的四枝，传输层好比人的身体，那么应用层就好比人的大脑。物联网系统软件和中间件是物联网系统的灵魂和中枢神经，这应该是国内外业界的共识。这也是为什么泛在计算，智慧地球等概念是由作为一个软件和IT服务商的IBM提出的原因。 物联网系统在港湾物流中应用的价值从以下三方面得到认证：

1、物联网系统能够对集装箱进行跟踪，减少丢失、被盗和损坏，从而提高了安全保障。

2、物联网系统能够对货物集装箱全程追踪，并及时传递货物的动态信息给上下游客户，提高了港湾的服务质量。

3、物联网系统能够及时、准确地把货物信息提供给作业者，减少了遗漏和错误的发生，大幅提高工作效率，降低港湾的运营成本以及缩短货船的滞港时间。

RFID系统的基本结构和种类

一、RFID系统的基本结构

RFID系统一般由电子标签（Tag）、读写器（Reader）和信息处理系统三部分组成。电子标签主要是由IC芯片和天线（Antenna）构成。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 在耦合方式（电感-电磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、从射频卡到阅读器的数据传输方法（负载调制、反向散射、高次谐波）以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。

读写器由环形天线、控制模块和收发装置组成。分为手持和固定两种，收发装置和计算机或编程逻辑控制器（PLC）连接从而实现相互信息交换（RFID系统结构参照图3）。

当电子标签进入可识别区域后，读写器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。最常见的是被动射频（PassiveTag,无源型标签）系统，当读写器在同一磁场区感应到RFID标签的电波时，读写器主动发出电波，标签从电波中获得电流能量激活标签中的IC芯片电路，

根据读写器的要求，标签传出相应数码信号给读写器，读写器把接收到的数码信号解密，转换成相关信息。由终端设备通过无线或有线（LANLocalAreaNetwork）传输给中央计算机处理这些数据，从而进行管控。（Tag的基本结构参照图4）。

二、电子标签的种类

按照RFID标签的能量供给方式，RFID标签可分为有源标签和无源标签；按照RFID工作时使用的无线电频率，RFID系统可分为低频、高频、超高频和微频。有源的标签是通过标签内置电池的能量主动发送信息。电波识别距离较长，可达几十米或百米，内附高性能的传感器（sensor），使用寿命有限且价格较高，每个标签在10美元~15美元左右，由于内置电池，体积较大，不适用制作类似于身份证、交通卡等卡片标签。无源的标签是标签内没有电池，利用读取器发射电波通过磁场能量的耦合作用被动的发送信息。

RFID的基本原理

一、RFID使用的电波

在了解RFID的基本原理之前，有必要对RFID使用的电波进行说明。在电波法中，频率3000GHz以下的电波被定义为电波。电波分为长波、中波、短波、超短波（VHF）、极超短波（UHF），根据应用领域分配频段。

电波和光有一个共同的特性，运行速度相同（30万Km/S）。如果把电波用频率来表示，波的运行周期被称为波长。

例如：电波在1秒间反复振动频率用f表示：

f=30万Hz

1周期的波长用λ表示

λ=30万Km/30Hz=1Km

波长（λ）1Km的电波，相当于1周期运行1Km.

f=300MHz时

λ=30万Km/s÷300MHz

=（3×108m/s）÷（3×108Hz）

=1m

二、无线射频技术通讯原理

了解了RFID使用的电波后，对无线射频技术通讯原理的说明就会很容易。无线射频技术是起源于无线电波通讯原理，把数码信号转换成电波，传达信息是0和1的两个数值作为数码信号发送或接受。因此，无线射频的工作原理可分为以下三种类型：电感耦合型、电感有向耦合型、微波型。

电感耦合型。依据的是电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。

电感有向耦合型。依据的是电波的空间传播规律发射出去的电波，碰到目标后反射，同时带回目标信息。电感有向耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。

为避免各国无线电频率使用标准不一，国际上大多遵守国际电信联合会（ITU）的规范。目前，RFID使用的频段有135KHz、13.56MHz、433.92MHz、860M~960MHz（UHF）、2.45GHz以及5.8GHz等6种。

读写器通过自身天线发射出电波来诱导磁界内的电子标签，电子标签内的环形天线接受读写器的电感信号后耦合，完成信息交换。无源电子标签凭借环形天线上的感应电流获得能量，启动标签控制电路和射频电路，发送出电子标签存储器（IC芯片）内的数据。有源标签主动发送频率信号。读写器的CPU（CentralProcessingUnit）通过环形天线接受标签发射出信号进行解码后，通过读写器的终端将信息发送到计算机等应用系统，进行数据处理。

RFID的特点和展望

一、非接触识别

非接触识别是无线射频技术的最大亮点。条形码是在不受污染和破损的前提下，逐一读取数据信息；可是电子标签是利用无线电波技术，无论是装在箱子还是其他容器里，表面受到污染也没有关系。

二、高信赖性和耐环境性

标签与读写器之间无机械接触，避免了由于接触不良所造成的读写错误等操作，即使在标签上染上灰尘、油污（水）等外部恶劣环境下也不影响读写数据。

三、可改写信息

条形码录入的数据不可更改，电子标签不同于条形码，根据业务要求，可进行数据加写或改写。但是，也有不能加写或改写数据的，要根据使用的用途来决定。

四、信息容量大

标签信息容量可根据需要来决定，一般有96bit或128bit的信息量。

现行的JAN/EAN/UPC条形码，其容量不过几十个字符，容量最大的二维条形码最多也只能存储千个数字，容量有限。未来物品所需储存的信息量大，RFID的容量完全可以满足。用一个形象的比喻，RFID能为全球每一粒大米付一个码，它能容纳2的96次方个码，即268亿个码。

五、可一次性识别处理多个标签

现行的条形码只能逐一读取信息，电子标签能防止标签之间出现数据干扰，因此，读写器可一次性识别处理多个标签。

六、重复使用性

由于标签为电子数据，可以反复被覆写，进行通信。因此，可以将回收的标签重复使用。如果是被动式标签，不需要电池就可以使用，不需要维护和保养。

从目前的情况来看，RFID市场尽管已有了很大的发展，在商品防伪、汽车防盗、电子票证、食品药品安全监管、工农业生产管理、智能交通及现代物流和供应链管理等诸多领域得到了应用并被市场认可，但还是处于初级发展阶段。

这些问题都在一定程度上阻碍了RFID的发展，只有解决了这些问题，RFID技术才能更好的推广和发展。目前，无线通讯、数据处理和网络技术已经基本成熟，在各国政府的推动下，RFID支持技术会日益完善，它将极大地促进相关应用产品性能的提高。

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