RFID技術的簡介和應用前景

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術起源于第二次世界大戰(zhàn)，使用射頻電波識別敵機和友機。RFID技術利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到自動識別的目的，該技術具有防水、耐高溫、使用壽命長、讀取距離遠、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量大、存儲信息可以隨意修改、可以識別高速運動中的物體，可識別多個標簽，可以在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。隨著該技術的不斷完善，在社會生產(chǎn)生活中的應用將越來越廣泛。例如商品防偽，國防軍事，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT），智能交通，電子門票，身份識別和一卡通等領域。

1 系統(tǒng)簡介

1．1 系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)主要由電子標簽，天線，讀寫器和主機組成。電子標簽（Tag），非接觸式IC卡，放在需要被識別的物體上，由耦合元件和芯片組成，標簽有內(nèi)置天線，可以發(fā)送和接收信號；天線（Antenna）：完成無線信號的發(fā)送和接收；讀寫器（Reader）可以發(fā)送和接收命令，并與主機通信，執(zhí)行主機命令；主機（Host）發(fā)送用戶命令和顯示接收數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)根據(jù)工作頻段和工作方式具有不同的性能，應用于不同場合。

1）標簽 根據(jù)標簽是否有電源，分為有源和無源標簽；根據(jù)標簽的可讀寫性，分為只讀和讀寫標簽；根據(jù)調(diào)制方式，分為主動式、被動式和半主動式標簽；根據(jù)標簽和閱讀器發(fā)言順序，分為RTF（Reader Talk First）和TTF（Tag Talk First）；根據(jù)頻段的不同，分為低頻、高頻、超高頻和微波標簽。

2）天線 天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按其工作的頻段可分為短波、超短波、微波等天線；按方向性可分為全向、定向等天線；按外形可分為線狀、面狀等天線。

3）讀寫器 讀寫器是RFID系統(tǒng)的核心，其基本作用就是作為連接前向信道和后向信道的核心數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)。

讀寫器與應用系統(tǒng)之間通信：讀寫器將標簽發(fā)來的調(diào)制信號，經(jīng)過解調(diào)解碼后，通過USB、串口、網(wǎng)口等，將得到的信息傳給應用系統(tǒng)。應用系統(tǒng)可以給讀卡器發(fā)送相應的命令，控制讀寫器完成相應的任務。讀寫器可以將其有效射頻范圍內(nèi)可以激活符合標準的多個電子標簽，可以同時識別多個標簽，具有防碰撞功能。

RFID系統(tǒng)基本工作原理是：閱讀器通過天線發(fā)出含有信息的一定頻率的調(diào)制信號；當電子標簽進入到閱讀器的工作區(qū)時，其天線通過耦合產(chǎn)生感應電流，從而為電子標簽提供相應的能量，此時標簽根據(jù)閱讀器發(fā)來的信息決定是否響應，是否發(fā)送數(shù)據(jù)；當閱讀器接收到電子標簽發(fā)送過來的信號，經(jīng)過解調(diào)和解碼之后，將標簽內(nèi)部的數(shù)據(jù)識別出來。

1．2 RFID的工作頻率

射頻卷標的工作頻率不僅決定著射頻識別系統(tǒng)的工作原理（電感耦合還是電磁耦合）、識別距離，還決定著射頻標簽及讀寫器實現(xiàn)的難易程度和設備的成本。

從功能方面來看，RFID標簽主要分為3種：只讀卷標、可重寫卷標、帶微處理器卷標。只讀型卷標的結構功能最簡單，包含的信息較少并且不能被更改；可重寫型卷標集成了容量為幾十字節(jié)到幾萬字節(jié)的閃存，卷標內(nèi)的信息能被更改或重寫；帶微處理器卷標依靠內(nèi)置式只讀存儲器中存儲的操作系統(tǒng)和程序來工作，出于安全的需要，許多標簽都同時具備加密電路。

工作在不同頻段或頻點上的射頻標簽具有不同的特點。射頻識別應用占據(jù)的頻段或頻點在國際上有公認的劃分，即位于ISM波段之中。典型工作頻率：125、133 kHz，13．56、27．12、433、902～928 MHz，2．45、5．8 GHz等。

1）低頻段射頻標簽 其工作頻率范圍為30～300 kHz。典型工作頻率有125，133 kHz。低頻標簽一般為無源標簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時，低頻標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。低頻標簽的閱讀距離一般情況下小于1 m。

2）中高頻段射頻標簽 中高頻段射頻標簽的工作頻率一般為3～30 MHz。典型工作頻率為13．56 MHz。該頻段的射頻標簽，從射頻識別應用角度來說，因其工作原理與低頻卷標完全相同，即采用電感耦合方式工作。另外，根據(jù)無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也稱為高頻標簽。中頻標簽一般采用無源設計，其工作能量同低頻標簽一樣，也是通過電感（磁）耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。中頻標簽的有效閱讀距離一般情況下小于1 m，其典型應用有電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜等。

3）超高頻與微波標簽 超高頻與微波頻段的射頻標簽，簡稱為微波射頻卷標，其典型工作頻率為433．92、862（902）～928 MHz，2．45、5．8 GHz。微波射頻卷標可分為有源卷標與無源卷標兩類。工作時，射頻卷標位于閱讀器天線輻射場的遠區(qū)場內(nèi)，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1 m，典型情況為4～6 m，最大可達10 m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標簽才可被讀／寫。

1．3 RFID防沖突算法

1．3．1 防沖突的多址接入方式

RFID的多址接入方式主要有3類：

1）空分多址（SDMA）空分多址通過采用智能天線陣技術降低了對單個閱讀器識別距離的要求，空分多址對于UHF和微波頻率更有實用價值。目前RFID空分多址技術已被成功應用在馬拉松賽事，通過給每個運動員配置1個電子標簽，用標簽檢測運動員的到達時間。

2）頻分多址（FDMA） 通過給閱讀器分配不同估道，降低閱讀器之間發(fā)生沖突的概率。

3）時分多址（TDMA） 基于TDMA方式的防沖突協(xié)議已被大多數(shù)國際標準采納，其中ALOHA協(xié)議和二進制樹協(xié)議就采用TDMA方式。

1．3．2 RFID防沖突算法的新進展

防沖突算法是RFID解決多目標識別的關鍵技術，具體可分為標簽防沖突和閱讀器防沖突2大類型。當閱讀器信號范圍內(nèi)存在多個標簽，同一時刻有2個或以上的標簽向閱讀器發(fā)送信息時，就會產(chǎn)生標簽沖突，解決途徑是使用Aloha或二進制樹搜索防沖突算法。Aloha防沖突算法由于延遲時間和檢測時間是隨機分布的，是一種不確定性算法，可分為非時隙、時隙以及自適應Aloha防沖突算法，其中自適應Aloha方法的信道利用率最高。先對標簽的數(shù)量進行動態(tài)估計，然后根據(jù)一定的優(yōu)化準適應選取延遲時間和幀長，其優(yōu)點是能顯著提高識別速率，缺點是復雜度明顯提高?；贏loha協(xié)議的防沖突算法不能完全解決沖突，可能存在“標簽饑餓”問題，即某特定標簽在很時間都沒有被識別。

2 RFID信息安全

RFID的保密性相對于條碼識別等傳統(tǒng)的識別系統(tǒng)具有較好的保密性，但是其數(shù)據(jù)非常容易受到攻擊，主要是芯片以及芯片在讀寫數(shù)據(jù)的過程中容易被他人攻擊。所以，保護存儲在RFID芯片數(shù)據(jù)的安全是一個關鍵的問題。最新的RFID標準重新設計了UHF空中接口協(xié)議，該協(xié)議用于管理從標簽到讀卡器的數(shù)據(jù)的移動，為芯片中存儲的數(shù)據(jù)提供了一些保護措施。新標準采用“一個安全的鏈路”，保護被動標簽免于受到大多數(shù)攻擊行為。當數(shù)據(jù)被寫入卷標時，數(shù)據(jù)在經(jīng)過空中接口時被偽裝。從卷標到讀卡器的所有數(shù)據(jù)都被偽裝，所以當讀卡器在從卷標讀或者寫數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)不會被截取。一旦數(shù)據(jù)被寫入卷標，數(shù)據(jù)就會被鎖定，這樣只可以讀取數(shù)據(jù)，而不能被改寫，就是具有人們常說的只讀功能。

沒有可靠安全機制，對于只讀標簽中的數(shù)據(jù)信息無法進行很好的保密，對于可讀可寫標簽，還存在電子標簽上的信息被惡意更改的隱患。如果電子標簽中的信息被竊取甚至惡意更改，將來可能帶來無法估量的損失。

解決這些安全問題的一個途徑就是研究RFID標簽加密技術。加密技術可用來防止未授權的窺探者取得或篡改電子標簽信息，但目前只有少數(shù)RFID芯片能夠處理壓入加密鑰等較復雜的工作。此外，能夠處理這些工作的RFID標簽，都是市面上最昂貴的產(chǎn)品。因此，目前的RFID技術要想在對信息有保密要求的軍事等項目展開應用還存在著障礙。從國家安全的高度考慮，應該積極開發(fā)自己的RFID加密技術。

新的EPCgolbal超頻第二代協(xié)議標準增強了無源標簽的安全性能。據(jù)EPCglobal產(chǎn)品管理總監(jiān)Sue Hutchinson介紹，新標準不僅提供了密碼保護，而且能對數(shù)據(jù)從標簽傳輸?shù)阶x取器的過程進行加密，而不是對標簽上的數(shù)據(jù)進行加密。

隱私安全問題主要體現(xiàn)在RFID標簽上。一種想法是“軟屏蔽器”（soft blocker）。它能加大對顧客的隱私偏好的保護，不過這是在商品已經(jīng)購買之后。在銷售點，顧客會出示其會員卡，通過這張卡就能看到其隱私偏好的數(shù)據(jù)?！吧唐焚徺I之后，銷售點就會立即對隱私數(shù)據(jù)進行更新，保證這些數(shù)據(jù)不會被某些讀取器讀取，比如供應鏈讀取器?！盧SA實驗室RFID解決方案構架師Dan Bailey說。軟屏蔽器可能是解決RFID標簽隱私問題的一個好辦法，在EPCglobal第二代標簽中就加入了這種功能。

借鑒其他網(wǎng)絡技術。在零售商店中，或者在貨物從一個地點運輸?shù)搅硪粋€地點的過程中，有很多機會可以覆蓋甚至修改RFID標簽上的數(shù)據(jù)。這種漏洞在公司用來處理貼有RFID標簽的貨箱、托盤或其他貨物的網(wǎng)絡上同樣存在。這些網(wǎng)絡分布在公司的配送中心、倉庫或商店的后臺。未經(jīng)安全處理的無線網(wǎng)絡，給攔截數(shù)據(jù)帶來了機會。而在RFID讀取器的后端是非常標準化的互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，因此，RFID后端的網(wǎng)絡存在的安全問題及其機會和互聯(lián)網(wǎng)是一樣的。

在讀取器后端的網(wǎng)絡中，完全可以借鑒現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡的各種安全技術。解決辦法是，確保網(wǎng)絡上的所有閱讀器在傳送信息給中間件（中間件再把信息傳送給企業(yè)系統(tǒng)）之前都必須通過驗證，并且確保閱讀器和后端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流是加密的。部署RFID閱讀器時應采取一些非常切合實際的措施，確保驗證后方可連入企業(yè)網(wǎng)絡，并且不會因為傳輸而被其他人竊取重要信息。比如，基于Symbol Technologies和ThingMa-gic等公司的技術的閱讀器支持標準的網(wǎng)絡技術，包括防止未授權者訪問的內(nèi)置驗證方法。

為了防止有人竊聽RFID閱讀器發(fā)出的功率較高的信號，采用名為“無聲爬樹”的反竊聽技術的方法。Burt Kaliski表示，在RFID無線接口的限制范圍內(nèi)，這種方法可確保閱讀器絕不重復發(fā)送標簽上的信息。RFID標簽上的數(shù)字不是由閱讀器播送，而是被間接引用，接收端中間件知道該如何解釋這些數(shù)字，而竊聽者卻不知道。

“透明”引發(fā)的數(shù)據(jù)危機雖然RFID技術的應用提高了整個供應鏈的透明度，但由此也引發(fā)了人們對數(shù)據(jù)安全的擔憂。企業(yè)對數(shù)據(jù)需要有很強的安全感，對于企業(yè)而言，他們的數(shù)據(jù)包括與他們業(yè)務相關的信息數(shù)據(jù)，不再僅僅是他們自己的數(shù)據(jù)，也是他們貿(mào)易伙伴的數(shù)據(jù)。

3 RFID技術的研究現(xiàn)狀

至今，RFID技術已經(jīng)在很多領域中得到應用。射頻識別技術在國外發(fā)展得很快，RFID產(chǎn)品種類很多。在市場需求方面，世界上最頂尖的零售業(yè)巨頭沃爾瑪、Tesco、麥德龍要求其供應商提供的商品必須有RFID標簽；在中間軟件開發(fā)上，有微軟、甲骨文（Oracle）、Sun等IT巨頭宣布進軍RFID的軟件開發(fā)；在硬件設備供應上，Motorola、Alien、飛利浦、德州儀器、IBM等宣布針對日益成熟的RFID智能卡市場進行戰(zhàn)略聯(lián)盟；在技術標準方面，各國及相關國際組織都在積極推進RFID技術標準的制定，但是目前還沒有形成統(tǒng)一的國際標準，當前主要的標準有歐美的EPC規(guī)范，日本的UID（Ubiquitous ID）規(guī)范和ISO18000系列標準。

中國近年來也一直在大力發(fā)展RFID技術。目前，國內(nèi)RFID產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本建立，主要集中在上海、深圳、北京等地，其中上海以芯片為主（如復旦微電子、上海華虹等），而深圳則以封裝、應用占優(yōu)勢（如先施、遠望谷等），北京在系統(tǒng)集成方案等方面得到快速發(fā)展。

在實際應用方面，深圳先施科技推出眾多UHF頻段RFID讀寫器產(chǎn)品，其主力產(chǎn)品一體化讀寫器在國內(nèi)停車場占有率居第1位；深圳遠望谷瞄準鐵道系統(tǒng)的鐵路車號識別的應用，開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)應用于鐵路系統(tǒng)；江蘇瑞福開發(fā)的UHF頻段RFID讀寫器在車輛管理、智能交通等領域有較好的應用。

雖然國內(nèi)RFID技術在這幾年來取得了長足的進步，但是RFID技術的發(fā)展還任重道遠，現(xiàn)在，射頻識別技術在中國仍然處于一個剛剛起步的階段，其發(fā)展?jié)摿薮?，前景誘人。

4 RFID應用現(xiàn)狀

4．1 RFID技術與無線傳感器技術結合

與無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）的結合，使RFID技術的發(fā)展向前一大步，電子標簽結合無線傳感器網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，但是電子標簽并不僅僅是無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點，因為在電子標簽和無線傳感器之間沒有一個自組織網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳遞；然而傳感器網(wǎng)絡能夠及時地傳遞電子標簽的詳細信息，傳感器網(wǎng)絡開發(fā)才剛剛起步，而傳感器網(wǎng)絡也有助于RFID技術的進一步發(fā)展。

RFID技術和無線傳感器技術結合，在協(xié)作式多邊定位算法（coIlaborative multilatemtion）的基礎上，融入網(wǎng)絡節(jié)點簇集的思想和迭代循環(huán)的思想，利用多個節(jié)點的定位信息來對未知節(jié)點進行定位，參與定位的節(jié)點越多，定位的精確度越高。同時應用迭代循環(huán)求精的方法進一步提高定位的精確度。

傳感器網(wǎng)絡一般不關心節(jié)點的位置，因此對節(jié)點一般都不采用全局標識，而RFID技術對節(jié)點的標識有著得天獨厚的優(yōu)勢，將二者結合共同組成網(wǎng)絡可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當需要具體考慮到某個具體節(jié)點的信息的時候，也可以利用RFID的標識功能輕松地找到節(jié)點的位置。

4．2 RFID技術和NFC

近距離無線通信技術（Near Field Communication，NFC）是由Philips公司發(fā)起的，由Nokia，Sony等公司聯(lián)合推出的一項新的無線通信技術。起初，這項技術只是將RFID技術與網(wǎng)絡技術簡單的合并，但是現(xiàn)在已經(jīng)演變成為一種短距離無線通信技術，其發(fā)展相當迅速，NFC工作在13．56 MHz，數(shù)據(jù)速率為106，212，424 Kb／s。最大通信距離為20 cm，傳輸速率取決于傳輸距離。NFC符合ISO18092和ECMA340定義的標準，而且兼容ISO14443標準，NXP公司的MIFARE和Sony公司的FliCa都兼容。

RFTD技術針對物流、交通、零售等多種行業(yè)，而NFC專門針對消費類電子產(chǎn)品，也可以說NFC是RFID技術的一種，是更加專門化的RFID技術，二者是密不可分的，NFC技術的普及需要RFID技術的支持，NFC技術支持移動支付業(yè)務，NFC手機與模塊結合，手機也具有支付功能，手機可兼容多種功能，比如城市一卡通?？罩?a href="http://srfitnesspt.com/soft/special/" target="_blank">下載（Over-The-Air，OTA）技術是通過移動通信的空中接口對手機卡上的數(shù)據(jù)和業(yè)務進行遠程管理。使用內(nèi)置NFC功能的手機可以坐公交、購物、就餐、充當電子錢包等等，使日常生活更加方便快捷，2006年Nokia與廈門移動公司和Philips公司合作啟動了全國首個NFC支付試點測試，同年Nokia與銀聯(lián)商務公司在上海啟動了第2個NFC測試點。NFC技術可以很好地解決實時和現(xiàn)場支付等，使用更加方便、快捷，所以NFC技術擁有很好的市場前景。

盡管如此，由于NFC是RFID技術的一個演變，所以其生產(chǎn)成本和相關的國際標準也會受到RFID技術的影響，目前，該技術得到了世界各國政府部門的大力支持，Nokia等全球知名企業(yè)也投入了大量的資源進行開發(fā)，在未來的幾十年，NFC技術和RFID技術必將走進每個人的生活。

4．3 RFID技術與3G

RFID技術應用到3G手機上可以實現(xiàn)實時的信息傳遞和上傳下載，在手機上查閱機票，天氣信息，交通路況等信息。未來RFID技術與3G技術的進一步發(fā)展將使人們的生活更加方便快捷。RFID和3G技術在物流運輸過程中的應用可以有效地解決貨物丟失的問題。但是其應用成本較高，一般的企業(yè)難以承擔，有待于技術水平的進一步提高，大規(guī)模的應用，降低成本。

5 RFID應用前景展望及未來的研究方向

目前，國際上許多大型軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商已經(jīng)開始進軍RFID軟件領域，SAP、Manhattan Associates、IBM公司以及其他一些公司都將推出各自的解決方案。而國內(nèi)的技術力量還比較薄弱，很多廠商都將注意力放在RFID芯片技術上，對RFID的后端應用軟件以及對電子標簽在流通中的管理軟件的關注還比較少。這需要放眼長遠，時刻關注應用發(fā)展的進展及研究方向，將RFID的推廣應用真正落到實處。

據(jù)調(diào)查，2003年非商標類RFID適應器的產(chǎn)量是3億單位，2004年可增加到10億單位，商標類RFID卡將會從2003年的3億單位增加到2010年的650億單位。據(jù)IDC的預測，到2008年，僅用于在零售供應鏈中跟蹤貨物的RFID市場的規(guī)模就將接近13億美元。對于未來可能成為全球制造業(yè)中心的我國，RFID的市場應用更是無可限量。RFID與手機的結合使用，展現(xiàn)了一項新的應用領域，當把智能手機或電腦手機做成讀碼器，使RFID能進入到人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钪?，可以想像，其市場將會是多么的巨大。Nokia公司最近研制出適用于5140GSM手機的移動RFID工具包，說明RFID的大規(guī)模商用并不比3G的應用遙遠。值得注意的是，為適應RFID廣泛應用而建立的RFID支持驗證平臺，還需要有一個隨時隨地可接觸到的網(wǎng)絡，也就是一個開放的，全球地址唯一的Ineternet。因而IPv6也將是RFID所必需的。RFID技術不像條碼把產(chǎn)品條碼號暴露在外面會引起不安全性。采用條碼標簽的庫存管理，和RFID相比既費時，成本也不低，藍牙技術可能是一種解決方案，但它適用于少量的高頻帶應用，卻不能做到RFID適宜于在1小時內(nèi)可支持幾百個低頻帶傳輸?shù)膽谩?/p>