射頻識別
1.什么是射頻識別?
RFID是射頻識別技術的英文(Radio Frequency Identification)的縮寫,又稱電子標簽,射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術,射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。
無線射頻識別技術(RFID)已經(jīng)成為一個很熱門的話題。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預測,RFID技術市場將在未來五年內(nèi)在新的產(chǎn)品與服務上帶來30至100億美金的商機,隨之而來的還有服務器、資料儲存系統(tǒng)、資料庫程序、商業(yè)管理軟件、顧問服務,以及其他電腦基礎建設的龐大需求?;蛟S這些預測過于樂觀,但RFID將會成為未來的一個巨大市場是毫無疑問的。許多高科技公司正在加緊開發(fā)RFID專用的軟件和硬件,這些公司包括英特爾、微軟、甲骨文、SAP和SUN,而最近全球最大的零售商沃爾瑪?shù)囊豁?要求其前100家供應商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤和包裝箱時使用 RFID技術,2006年1月前在單件商品中使用這項技術"的決議,把RFID再次推到了聚光燈下。因此可以說無線射頻識別技術(RFID)正在成為全球熱門新科技。
2.射頻識別技術發(fā)展歷史
從信息傳遞的基本原理來說,射頻識別技術在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞),在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型 (雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識別技術的理論基礎。
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射頻識別技術的發(fā)展可按十年期劃分如下:
- 1940-1950年:雷達的改進和應用催生了射頻識別技術,1948年奠定了射頻識別技術的理論基礎。
- 1950-1960年:早期射頻識別技術的探索階段,主要處于實驗室實驗研究。
- 1960-1970年:射頻識別技術的理論得到了發(fā)展,開始了一些應用嘗試。
- 1970-1980年:射頻識別技術與產(chǎn)品研發(fā)處于一個大發(fā)展時期,各種射頻識別技術測試得到加速。出現(xiàn)了一些最早的射頻識別應用。
- 1980-1990年:射頻識別技術及產(chǎn)品進入商業(yè)應用階段,各種規(guī)模應用開始出現(xiàn)。
- 1990-2000年:射頻識別技術標準化問題日趨得到重視,射頻識別產(chǎn)品得到廣泛采用,射頻識別產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分。
- 2000年后:標準化問題日趨為人們所重視,射頻識別產(chǎn)品種類更加豐富,有源電子標簽、無源電子標簽及半無源電子標簽均得到發(fā)展,電子標簽成本不斷降低,規(guī)模應用行業(yè)擴大。
至今,射頻識別技術的理論得到豐富和完善。單芯片電子標簽、多電子標簽識讀、無線可讀可寫、無源電子標簽的遠距離識別、適應高速移動物體的射頻識別技術與產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實并走向應用。
3.RFID系統(tǒng)的特點
- (一)射頻技術的特點
射頻識別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是非接觸識別,它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽,并且閱讀速度極快,大多數(shù)情況下不到100毫秒。有源式射頻識別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點??捎糜诹鞒谈櫤途S修跟蹤等交互式業(yè)務。
目前,制約射頻識別系統(tǒng)發(fā)展的主要問題是不兼容的標準。射頻識別系統(tǒng)的主要廠商提供的都是專用系統(tǒng),導致不同的應用和不同的行業(yè)采用不同廠商的頻率和協(xié)議標準,這種混亂和割據(jù)的狀況已經(jīng)制約了整個射頻識別行業(yè)的增長。許多歐美組織正在著手解決這個問題,并已經(jīng)取得了一些成績。標準化必將刺激射頻識別技術的大幅度發(fā)展和廣泛應用。
- (二)射頻技術在物流管理中的適用性
物流管理的本質(zhì)是通過對物流全過程的管理,實現(xiàn)降低成本和提高服務水平兩個目的。如何以正確的成本和正確的條件,去保證正確的客戶在正確的時間和正確的地點,得到正確的產(chǎn)品,成為物流企業(yè)追求的最高目標。為此,掌握存貨的數(shù)量、形態(tài)和分布,提高存貨的流動性就成為物流管理的核心內(nèi)容。一般來說,企業(yè)存貨的價值要占企業(yè)資產(chǎn)總額的25%左右,占企業(yè)流動資產(chǎn)的50%以上。所以物流管理工作的核心就是對供應鏈中存貨的管理。
在運輸管理方面采用射頻識別技術,只需要在貨物的外包裝上的安裝電子標簽,在運輸檢查站或中轉設置閱讀器,就可以實現(xiàn)資產(chǎn)的可視化管理。在運輸過程中,閱讀器將電子標簽的信息通過衛(wèi)星或電話線傳輸?shù)竭\輸部門的數(shù)據(jù)庫,電子標簽每通過一個檢查站,數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)就得到更新,當電子標簽到達終點時,數(shù)據(jù)庫關閉。與此同時,貨主可以根據(jù)權限,訪問在途可視化網(wǎng)頁,了解貨物的具體位置,這對提高物流企業(yè)的服務水平有著重要意義。
4.RFID的工作原理及組成
1、工作原理
RFID的工作原理是:標簽進入磁場后,如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號,就能憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(即 Passive Tag,無源標簽或被動標簽),或者主動發(fā)送某一頻率的信號(即Active Tag,有源標簽或主動標簽),閱讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。
RFID技術由Auto-ID中心開發(fā),其應用形式為標記(tag)、卡和標簽(label)設備。標記設備由RFID芯片和天線組成,標記類型分為三種:自動式,半被動式和被動式?,F(xiàn)在市場上開發(fā)的基本上是被動式RFID標記,因為這類設備造價較低,且易于配置。被動標記設備運用無線電波進行操作和通信,信號必須在識別器允許的范圍內(nèi),通常是10英尺(約3米)。這類標記適合于短距離信息識別,如一次性剃須刀或可移動刀片包裝盒這類小商品。 RFID芯片可以是只讀的,也可是讀/寫方式,依據(jù)應用需求決定。被動式標記設備采用E2PROM(電擦寫可編程只讀存儲器),便于運用特定電子處理設備往上面寫數(shù)據(jù)。一般標記設備在出廠時都設定為只讀方式。Auto-ID規(guī)范中還包含有死鎖命令,以在適當情形下阻止跟蹤進程。
Auto-ID中心開發(fā)的電子產(chǎn)品代碼(EPC)規(guī)范能識別目標,以及所有與目標相關的數(shù)據(jù)。EPC系統(tǒng)運用正確的數(shù)據(jù)庫鏈接到EPC碼,廠商和零售商能依據(jù)權限進行查詢、管理和變更操作。一旦標記貼到產(chǎn)品或設備上,RFID識別器便能讀取存儲于標記中的數(shù)據(jù)。Auto-ID計劃將EPC系統(tǒng)發(fā)展成為全球標準,該標準主要包括:識別目標的特定代碼(EPC);定義數(shù)據(jù)的所有者(EPC管理器);定義代碼及標記的其余信息;定義貨物參數(shù),如庫存單元號;將EPC代碼轉換為Internet地址 (目標命名服務ONS);對目標進行描述(物理置標語言PML);聚集和處理RFID數(shù)據(jù)(專家軟件);分配給每類目標的特定號碼(串行號);用于互操作性的規(guī)范最小集(標記及識別規(guī)范),采用RFID技術最大的好處是可以對企業(yè)的供應鏈進行透明管理,有效地降低成本。
2、RFID系統(tǒng)的組成
射頻識別系統(tǒng)至少應包括以下兩個部分,一是讀寫器,二是電子標簽(或稱射頻卡、應答器等,本文統(tǒng)稱為電子標簽)。另外還應包括天線,主機等。RFID系統(tǒng)在具體的應用過程中,根據(jù)不同的應用目的和應用環(huán)境,系統(tǒng)的組成會有所不同,但從RFID系統(tǒng)的工作原理來看,系統(tǒng)一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線幾部分組成。下面分別加以說明:
① 信號發(fā)射機
在RFID系統(tǒng)中,信號發(fā)射機為了不同的應用目的,會以不同的形式存在,典型的形式是標簽(TAG)。標簽相當于條碼技術中的條碼符號,用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?,另外,與條碼不同的是,標簽必須能夠自動或在外力的作用下,把存儲的信息主動發(fā)射出去。
② 信號接收機
在RFID系統(tǒng)中,信號接收機一般叫做閱讀器。根據(jù)支持的標簽類型不同與完成的功能不同,閱讀器的復雜程度是顯著不同的。閱讀器基本的功能就是提供與標簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另外,閱讀器還提供相當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼?,還必須含有一定的附加信息,如錯誤校驗信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結構編制在一起,并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達閱讀器的信息被正確的接收和譯解后,閱讀器通過特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次,或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號,這就是"命令響應協(xié)議"。使用這種協(xié)議,即便在很短的時間、很小的空間閱讀多個標簽,也可以有效地防止"欺騙問題"的產(chǎn)生。
③ 編程器
只有可讀可寫標簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標簽寫入數(shù)據(jù)的裝置。編程器寫入數(shù)據(jù)一般來說是離線(OFF-LINE)完成的,也就是預先在標簽中寫入數(shù)據(jù),等到開始應用時直接把標簽黏附在被標識項目上。也有一些RFID應用系統(tǒng),寫數(shù)據(jù)是在線(ON-LINE)完成的,尤其是在生產(chǎn)環(huán)境中作為交互式便攜數(shù)據(jù)文件來處理時。
④ 天線
天線是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應用中,除了系統(tǒng)功率,天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收,需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行設計、安裝。
5.RFID系統(tǒng)的分類
根據(jù)RFID系統(tǒng)完成的功能不同,可以粗略地把RFID系統(tǒng)分成四種類型:EAS系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、定位系統(tǒng)。
1、EAS技術
ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE(EAS)是一種設置在需要控制物品出入的門口的RFID技術。這種技術的典型應用場合是商店、圖書館、數(shù)據(jù)中心等地方,當未被授權的人從這些地方非法取走物品時,EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。在應用EAS技術時,首先在物品上粘付EAS標簽,當物品被正常購買或者合法移出時,在結算處通過一定的裝置使EAS標簽失活,物品就可以取走。物品經(jīng)過裝有EAS系統(tǒng)的門口時,EAS裝置能自動檢測標簽的活動性,發(fā)現(xiàn)活動性標簽EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。EAS技術的應用可以有效防止物品的被盜,不管是大件的商品,還是很小的物品。應用EAS技術,物品不用再鎖在玻璃櫥柜里,可以讓顧客自由地觀看、檢查商品,這在自選日益流行的今天有著非常重要的現(xiàn)實意義。典型的EAS系統(tǒng)一般由三部分組成,1)附著在商品上的電子標簽,電子傳感器;2)電子標簽滅活裝置,以便授權商品能正常出入;3)監(jiān)視器,在出口造成一定區(qū)域的監(jiān)視空間。
EAS系統(tǒng)的工作原理是:在監(jiān)視區(qū),發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射器與接受器一般安裝在零售店、圖書館的出入口,形成一定的監(jiān)視空間。當具有特殊特征的標簽進入該區(qū)域時,會對發(fā)射器發(fā)出的信號產(chǎn)生干擾,這種干擾信號也會被接收器接收,再經(jīng)過微處理器的分析判斷,就會控制警報器的鳴響。根據(jù)發(fā)射器所發(fā)出的信號不同以及標簽對信號干擾原理不同,EAS可以分成許多種類型。關于EAS技術最新的研究方向是標簽的制作,人們正在討論EAS標簽能不能象條碼一樣,在產(chǎn)品的制作或包裝過程中加進產(chǎn)品,成為產(chǎn)品的一部分。
2、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是使用帶有RFID閱讀器的手持式數(shù)據(jù)采集器采集RFID標簽上的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)具有比較大的靈活性,適用于不宜安裝固定式RFID 系統(tǒng)的應用環(huán)境。手持式閱讀器(數(shù)據(jù)輸入終端)可以在讀取數(shù)據(jù)的同時,通過無線電波數(shù)據(jù)傳輸方式(RFDC)實時地向主計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù),也可以暫時將數(shù)據(jù)存儲在閱讀器中,在一批一批地向主計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。
3、物流控制系統(tǒng)
在物流控制系統(tǒng)中,固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區(qū)域,并且閱讀器直接與數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)相連,信號發(fā)射機是移動的,一般安裝在移動的物體、人上面。當物體、人流經(jīng)閱讀器時,閱讀器會自動掃描標簽上的信息并把數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)存儲、分析、處理,達到控制物流的目的。
4、定位系統(tǒng)
定位系統(tǒng)用于自動化加工系統(tǒng)中的定位以及對車輛、輪船等進行運行定位支持。閱讀器放置在移動的車輛、輪船上或者自動化流水線中移動的物料、半成品、成品上,信號發(fā)射機嵌入到操作環(huán)境的地表下面。信號發(fā)射機上存儲有位置識別信息,閱讀器一般通過無線的方式或者有線的方式連接到主信息管理系統(tǒng)。
6.射頻識別的應用
射頻識別技術可應用的領域十分廣泛,主要決定因素是該項技術在相應領域中的經(jīng)濟效益。經(jīng)常提到的具體應用包括:
- 鈔票及產(chǎn)品防偽技術
- 身份證、通行證(包括門票)
- 電子收費系統(tǒng),如香港的八達通與臺灣的悠游卡、臺灣通
- 家畜或野生動物識別
- 病人識別及電子病歷
- 物流管理, RFID 技術可以實現(xiàn)從商品設計、原材料采購、半成品與制成品之生產(chǎn)、運輸、倉儲、配送、銷售,甚至退貨處理與售后服務等所有供應鏈環(huán)節(jié)之即時監(jiān)控,準確掌握產(chǎn)品相關資訊,諸如各類、生產(chǎn)商、生產(chǎn)時間、地點、顏色、尺寸、數(shù)量、到達地、接收者等
- 行李分揀
在整個電子商務領域,許多人把射頻識別技術看作為繼互聯(lián)網(wǎng)和移動通信兩大技術大潮后的又一次大潮。但是目前RFID在中國大陸、香港、臺灣的發(fā)展遠遠落后于美國及歐洲,需要非常的努力方能趕上這次“新的浪潮”。
射頻識別芯片植入人體
美國食物及藥物管理局允許 VeriChip 公司把 RFID 芯片直接移植到人體內(nèi),讓使用者沒需攜帶卡片也可被識別[1]。此外,也有個人Geek將RFID植入體內(nèi),控制自己的電子設備[2]。
金屬及液體環(huán)境對RFID的影響
RFID超高頻(UHF)標簽因電磁反向散射(Backscatter)特點,對金屬(Metal)和液體(Liquid)等環(huán)境比較敏感,可導致這種工作頻率的被動標簽(Passive tag)難以在具有金屬表面的物體或液體環(huán)境下進行工作,但此類問題隨著技術的發(fā)展已得到完全解決,例如,韓碩(SONTEC)標簽公司即研發(fā)出能夠在金屬或液體環(huán)境下進行完好讀取應用的被動標簽產(chǎn)品,以方便在上述環(huán)境或應用情形下部署RFID。
總之,一套完整的RFID系統(tǒng)解決方案包括標簽設計及制作工藝、天線設計、系統(tǒng)中間件研發(fā)、系統(tǒng)可靠性研究、讀卡器設計和示范應用演示六部分??梢詮V泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理和身份認證等多個領域,而在倉儲物流管理、生產(chǎn)過程制造管理、智能交通、網(wǎng)絡家電控制等方面更是引起了眾多廠商的關注。