射频识别（RFID）技术初探

射频识别（RFID）技术初探
郑欢
（华中科技大学电子与信息工程系，武汉，430000）
摘要： RFID将成为未来信息社会建设的一项重要技术。本文主要介绍了射频识别技术（RFID）的概念及其基本工作原理，对其应用和和发展原理也作了简单的介绍。最后，在介绍了射频识别技术的基础上，分析了RFID普及开来面临的一些问题，尤其是安全问题。
关键字  射频识别（RFID） ；原理； 发展；安全机制

中图分类号：TP27       文献标识码：B

Brief Introduction to the Radio Frequency Identification
ZHENG Huan
(Department of Electronics and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China)
Abstract Building information societies, RFID will be an important technique in the future.This article mainly introduced the Radio Frequency Identification(RFID) the wireless communication concept and it’s the basic ptinciple of the work,has also made the simple introduction to the RFID application and the prospects for development.Finally,based on the introduction of the concept of the RFID,some of the difficulty in the way of  promote this technology was analized,especially in the security.
Keyword  Radio Frequency Identification (RFID)；elements；development；Security mechanism
引言
 射频识别RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，作为实体，它是利用无线射频技术对物体对象进行非接触式和即时自动识别的无线通信信息系统。
 RFID 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术的进步，RFID 应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。
 RFID 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。
 目前，RFID 已成为IT 业界的研究热点，被视为IT 业的下一个“金矿”。各大软硬件厂商，包括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP 等在内的各家企业都对RFID 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域，以Wal-Mart、UPS、Gillette 等为代表的大批企业已经开始准备采用RFID 技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务。在标签领域，RFID 标签与条码相比，具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、外形多样、工作环境适应性强和可重复使用等多种优势。

RFID的工作原理
 （1）一般的RFID系统组成：
 
读写器(Reader) 读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
天线(Antenna) 在标签和读取器间传递射频信号。
标签(Tag) 由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。
 （2）RFID系统的工作原理：
 电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。(在以上基本配置之外，还应包括相应的应用软件
 RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。
 （3）RFID系统的工作频率：
 通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。常见的工作频率有低频125kHz、134.2kHz及13.56MHz等等。低频系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作频率有：125KHz、225KHz、13.56M等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、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（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。
频段 描述 作用距离 穿透能力
125~134KHz 低频（LF） 45cm 能穿透大部分物体
13.553~13.567MHz 高频（HF） 1~3m 勉强能穿透金属和液体
400~1000MHz 超高频（UHF） 3~9m 穿透能力较弱
2.45GHz 微波（Microwave） 3m 穿透能力最弱
 高频系统一般指其工作频率大于400MHz， 典型的工作频段有：915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的基本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（可达几米至十几米）， 适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。
 （4）RFID标签类型
 RFID标签分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Active tags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池不能长久使用，能量耗尽后需更换电池。
 无源电子标签在接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。
 按照存储的信息是否被改写，标签也被分为只读式标签（read only）和可读写标签（read and write） 只读式标签内的信息在集成电路生产时即将信息写入，以后不能修改，只能被专门设备读取；可读写标签将保存的信息写入其内部的存贮区，需要改写时也可以采用专门的编程或写入设备擦写。一般将信息写入电子标签所花费的时间远大于读取电子标签信息所花费的时间，写入所花费的时间为秒级，阅读花费的时间为毫秒级。
RFID技术特点及优势
 RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。
 主要有以下几个方面特点：
读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；
识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；
数据容量大：数据容量最大的二维条形码(PDF417)，最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K；
使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；
标签数据可动态更改：利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；
更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；
动态实时通信：标签以与每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。
RFID 技术标准
    RFID 的标准化是当前亟需解决的重要问题，各国及相关国际组织都在积极推进RFID 技术标准的制定。目前，还未形成完善的关于RFID 的国际和国内标准。RFID 的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部分。其中标识编码规范包括标识长度、编码方法等；操作协议包括空中接口、命令集合、操作流程等规范。当前主要的RFID 相关规范有欧美的EPC 规范、日本的UID（Ubiquitous ID）规范和ISO 18000系列标准。其中ISO 标准主要定义标签和阅读器之间互操作的空中接口。
    EPC 规范由Auto-ID 中心及后来成立的EPCglobal 负责制定。Auto-ID 中心于1999年由美国麻省理工大学（MIT）发起成立，其目标是创建全球“实物互联”网（internet ofthings），该中心得到了美国政府和企业界的广泛支持。2003 年10 月26 日，成立了新的EPCglobal 组织接替以前Auto-ID 中心的工作，管理和发展EPC 规范。关于标签，EPC 规范已经颁布第一代规范。
 UID（Ubiquitous ID）规范由日本泛在ID 中心负责制定。日本泛在ID 中心由T-Engine论坛发起成立，其目标是建立和推广物品自动识别技术并最终构建一个无处不在的计算环境。该规范对频段没有强制要求，标签和读写器都是多频段设备，能同时支持13.56MHz 或2.45GHz 频段。UID 标签泛指所有包含ucode 码的设备，如条码、RFID 标签、智能卡和主动芯片等，并定义了9 种不同类别的标签。
RFID应用现状和前景分析
 　RFID技术早在二战时就已被美军应用，但到了2003年该技术才开始吸引众人的目光。在国外，射频识别技术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，如交通监控，机场管理，高速公路自动收费，停车场管理，动物监管，物品管理，流水线生产自动化，车辆防盗等等，安全出入检查。在国内，RFID产品市场十分巨大，该技术主要应用于高速公路自动收费、公交电子月票系统、人员识别与物资跟踪、生产线自动化控制、仓储管理、汽车防盗系统、铁路车辆和货运集装箱的识别等。
 　RFID技术在长期以来之所以没有得到广泛应用，价格是主要的制约因素。自RFID技术出现以来，其生产成本一直居高不下。此外，不成熟的应用技术环境以及缺乏统一的技术标准是RFID至今才得到重视的重要原因。RFID技术的成功应用，不仅需要硬件(标签和阅读器等)制造、无线数据通讯与网络、数据加密、自动数据收集与数据挖掘等技术，还必须与企业的企业资源计划（ERP）、仓库管理系统（WMS）和运输管理系统（TMS）结合起来，同时需要统一的标准以保证企业间的数据交换和协同工作，否则就很难充分实现这项技术带来的利益。所幸的是，新的制造技术的快速发展使得RFID的生产成本不断降低；无线数据通讯、数据处理和网络技术的发展都已经日益成熟，而且在SAP和IBM等IT技术巨头的直接推动下，其支持技术已经达到了实际应用水平。可以说，RFID的软件和硬件技术应用环境日渐成熟，为大规模的实际应用奠定了基础。
 　2003年6月，在美国芝加哥市召开的零售业系统展览会上，沃尔玛作出了一项重大决议，要求其最大的100个供应商从2005年1月开始在供应的货物包装箱（或货盘）上粘贴RFID标签，并逐渐扩大到单件商品。如果供应商们在2008年还达不到这一要求，就可能失去为沃尔玛供货的资格。沃尔玛决定将采用RFID技术最终取代目前广泛使用的条码技术，成为第一个公布正式采用该技术时间表的企业。与此同时，美国国防部也发布了其RFID实施计划，以支持该技术的发展。IBM、SAP、微软等IT巨头纷纷以重金投入到该项技术及其解决方案的开发研究中。
 　20年前，正是由于沃尔玛等企业的大力推动，条码技术才得以快速普及并取得空前的成功。沃尔玛也在此基础上借助其强大的信息技术，在供应链与物流管理领域形成了无可比拟的竞争优势，迅速崛起。20年后的今天，为了巩固和扩大其竞争优势，沃尔玛将采用RFID技术取代条码技术，这必将给业界带来一场重大革命，同时将对社会经济和人们生活产生重大影响。RFID技术将迎来前所未有的发展机遇，同时也将拥有广阔的市场前景。
RFID 的应用
RFID技术应用领域极其广泛，本文着重探讨若干典型应用领域
典型应用领域
车辆自动识别管理  铁路车号自动识别是射频识别技术最普遍的应用。
高速公路收费及智能交通系统 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，它充分体现了非接触识别的优势。在车辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高了车行速度，避免拥堵，提高了收费结算效率。
货物的跟踪、管理及监控  射频识别技术为货物的跟踪、管理及监控提供了快捷、准确、自动化的手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪管理应用。
仓储、配送等物流环节  射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多成功的应用。随着射频识别技术在开放的物流环节统一标准的研究开发，物流业将成为射频识别技术最大的受益行业。
电子钱包、电子票证  射频识别卡是射频识别技术的一个主要应用。射频识别卡的功能相当于电子钱包，实现非现金结算。目前主要的应用在交通方面。
生产线加工过程自动控制  主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，实现自动控制、监视，提高生产效率，节约成本。
动物跟踪和管理  射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采用射频识别技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化管理牲畜的目的，同时为食品安全提供了保障。射频识别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到达时间。
RFID面临的一些问题
　　尽管寄托着来自四面八方的厚望，RFID所面临的重重难题仍令人不能轻松，而一旦这些问题有了明确的答案，RFID在各个地区、各个行业的全面启动则指日可待。
　　(1)成本的下降
　　对RFID系统来说，成本仍是首要的问题。对RFID技术进行试点的METRO集团也认为，要在其连锁店内进一步普及，还有待成本的进一步降低，通过RFID进行连锁店的内部联网，才能够真正实现其技术价值。
　　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，包括卷标、读取器和天线，制造成本都有望大幅降低。此外，著名顾问公司麦肯锡也指出，厂商不能仅仅对于RFID未来可能出现的价格下跌而翘首以待，事实上，要应用这项技术，还需要对企业资源规划(ERP)进行软件方面的升级，而这部分也很有可能花费不菲。
　　(2)国际标准的制定与推行
　　标准化是推动产品在市场上广泛适用的一条必经之路，然而，射频识别读取机与标签的技术却迟迟难以统一，因此无法一体适用。不同制造商所开发的卷标通信协议，适用于不同的频率，且封包格式不一。就目前看来，现在普遍使用的134KHz和13.56MHz因传输距离不够长而限制了阅读器和RFID标签间的传输距离，使得若干标签不能有效地被读取，而跨越UHF频段的最大问题是既有之绝大多数的RFID系统和卷标供货商，以及设备无法支持UHF频段。也因此，各公司、自动识别中心与国际标准组织都正致力于订定射频识别标签的标准，以求所有的标签能与任何读取机兼容。
　　(3)可能引起隐私权、安全的问题
　　根据RFID Journal和市场研究机构ABI共同进行的一项名为"RFID Journal Live"的调查，采用RFID技术最大的好处是可以对企业的供应链进行透明管理，有效降低成本。但是，电子标签所携带的标签信息泄漏也可能导致物品所有者面临各种隐私（位置隐私和个人信息隐私）威胁。
 例如，攻击者可以根据标签的相关信息对标签的位置和行踪进行有目的跟踪，从而获知标签拥有者的行踪或供应链中的重要商业信息，也可能会泄露个人信息隐私包括与个人相关的纳税、医疗或者购买记录、消费习惯等信息等。
 
 此外，RFID还需要防护一些自身的安全问题：重写标签以窜改物品信息；使用特制设备伪造标签应答欺骗读写器以制造物品存在的假相；根据RFID 前后向信道的不对称性远距离窃听标签信息；通过干扰RFID 工作频率实施拒绝服务攻击；通过发射特定电磁波破坏标签等。
 
参考文献
Klaus Finkenzeller著 陈大才译 射频识别（RFID）技术[M] 北京：电子工业出版社，2001。
王宏，RFID自动识别设备的分类及选型初探，《微机算计信息》（测控自动化）2005年第21卷第1期
RFID Regulations and Standards，http://www.epcglobalinc.org
Matt Reynolds ，Agile Reader Reference Platform，ThingMagic LLC/Auto－ID Center
吴泽海等，一种UHF频段RFID读写器的硬件设计与实现，《电子技术与应用》2005年第1期
Royal Air Force. History: 1940. http://www.raf.mod.uk/history/line1940.html
http://www.informationweek.com
http://www.rfidjournal.com
Vince Stanford ：Pervasive Computing Goes the Last Hundred Feet with RFID Systems，pervasive computing ，April-June 2003 （Vol. 2, No. 2）, pp. 9-14
Roy Want：Enabling Ubiquitous Sensing with RFID，Computer，April 2004（Vol. 37, No. 4）, pp. 84-86
李泉林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].RFID技术与应用,2006,1:51～62.
 

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