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“RFID射频识别技术”简介与应用分析
2004-10-11
  RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写。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。该技术在世界范围内正被广泛的应用,而在我国起步较晚,与先进国家相比存在很大的差距。今年1月份,全球最大零售商沃尔玛公司向供应商发出最后通牒,要求从2005年1月1日开始,所有出口到美国的商品集装箱托盘都必须使用电子标签,而我国现在这项技术还处在研发阶段,研究和发展射频识别技术及其应用刻不容缓,任务紧迫。
  目前,我国射频识别技术及应用处于初级发展阶段,存在技术水平不高,标准规范不完整等诸多问题。同时,我国射频识别技术又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。相对与条码技术而言,射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一场技术革命。
  射频识别技术简介
  1、什么是射频识别技术
  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。
  射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成。电子标签内存有一定格式的电子数据,常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上,作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息,通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令,电子标签根据收到的阅读器的命令,将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下,利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
  电子标签具有各种各样的形状,但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求,必需根据系统的工作原理,即磁场耦合(变压器原理)还是电磁场耦合(雷达原理),设计合适的天线外形及尺寸。电子标签通常由标签天线(或线圈)及标签芯片组成。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来说,射频识别技术的核心在电子标签,阅读器是根据电子标签的设计而设计的。虽然,在射频识别系统中电子标签的价格远比阅读器低,但通常情况下,在应用中电子标签的数量是很大的,尤其是物流应用中,电子标签由可能是海量并且是一次性使用的,而阅读器的数量则相对要少的多。
  实际应用中,电子标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多标签识读特征等电学参数之外,还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标签分为无源标签(passive)、半无源标签(semi-passive)和有源标签(active)三种类型。无源标签没有内装电池,在阅读器的阅读范围之外时,标签处于无源状态,在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池,但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持,标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前,一直处于休眠状态,相当于无源标签。标签进入阅读器的阅读范围时,受到阅读器发出的射频能量的激励,进入工作状态时,用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。有源标签的工作电源完全由内部电池供给,同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量。
  射频识别系统的另一主要性能指标是阅读距离,也称为作用距离,它表示在最远为多远的距离上,阅读器能够可靠地与电子标签交换信息,即阅读器能读取标签中的数据。实际系统这一指标相差很大,取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、应用的需求等,范围从0~100m左右。典型的情况是,在低频125kHz、13.56MHz频点上一般均采用无源标签,作用距离在10~30cm左右,个别有到1.5m的系统。在高频UHF频段,无源标签的作用距离可达到3~10m。更高频段的系统一般均采用有源标签。采用有源标签的系统有达到作用距离至100m左右的报道。
  2、射频识别技术发展历史
  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”奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。
  射频识别技术的发展可按十年期划分如下:
  1940-1950年:雷达的改进和应用催生了射频识别技术,1948年奠定了射频识别技术的理论基础。
  1950-1960年:早期射频识别技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究。
  1960-1970年:射频识别技术的理论得到了发展,开始了一些应用尝试。
  1970-1980年:射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期,各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。
  1980-1990年:射频识别技术及产品进入商业应用阶段,各种规模应用开始出现。
  1990-2000年:射频识别技术标准化问题日趋得到重视,射频识别产品得到广泛采用,射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。
  2000年后:标准化问题日趋为人们所重视,射频识别产品种类更加丰富,有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展,电子标签成本不断降低,规模应用行业扩大。
  至今,射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。
  特别值得一提的是在1998年美国麻省理工学院的David Brock博士和Sanjay Sarma教授在喝咖啡聊天时,谈及物品自动识别技术手段问题时产生的从系统的角度来解决物品自动识别问题的灵感,由此导致了供应链中物品自动识别概念的一次革命,并最终在1999年10月1日正式创建Auto-ID Center非盈利性的开发组织。Auto-ID Center诞生后,迅速提出了产品电子代码EPC(Electronic Product Code)的概念以及物联网的概念与构架,并积极推进有关概念的基础研究与实验工作。可以说,EPC与物联网的概念将射频识别技术的应用推到了极致,对射频识别技术的发展与应用的推广起到了极大的推动作用。
  3、射频识别技术的发展
  射频识别技术的发展,一方面受到应用需求的驱动,另一方面射频识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说,射频识别技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说,射频识别技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用需求。
  射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括:芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。
  随着技术的不断进步,射频识别产品的种类将越来越丰富,应用也越来越广泛。可以预计,在未来的几年中,射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射频识别技术的发展将会在电子标签(射频标签)、阅读器、系统种类等方面取得新进展。
  在电子标签方面,电子标签芯片所需的功耗更低,无源标签、半无源标签技术更趋成熟。其作用距离将更远,无线可读写性能也将更加完善,并且能够适合高速移动物品识别,识别速度也将更加快,具有快速多标签读写功能。与此同时,在强场强下的自保护功能也会更加完善、智能性更强,成本更低。在读写器方面,多功能读写器,包括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作等功能将被更多的应用。同时,多种数据接口包括RS232,RS422/485,USB,红外,以太网口也将得到应用。而读写器将实现多制式多频段兼容,能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展,成本将更加低廉,应用范围更加广泛。在系统方面,低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性;高频远距离系统性能将更加完善,成本更低。而2.45GHz和5.8GHz系统将更加完善。同时,无芯片系统将逐渐得到应用。
  总而言之,射频识别技术未来的发展中,在结合其它高新技术,比如GPS、生物识别等技术,由单一识别向多功能识别方向发展的同时,将结合现代通信及计算机技术,实现跨地区、跨行业应用。
  射频识别技术应用分析
  1、应用领域分析:
  射频识别技术以其独特的优势,逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大,射频识别产品的成本将不断的降低,其应用将越来越广泛。表一列举了射频识别技术几个典型的应用。
  表一:射频识别技术典型应用对比
 
  2、国际国内射频识别技术应用状况对比
  射频识别技术在国外发展非常迅速,射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部,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:汽车、火车等交通监控;高速公路自动收费系统;停车场管理系统;物品管理;流水线生产自动化;安全出入检查;仓储管理;动物管理;车辆防盗等。而在我国,由于射频识别技术起步较晚,应用的领域不是很广,除了在中国铁路应用的车号自动识别系统外,主要应用仅限于射频卡。
  车辆自动识别方面,早在1995年北美铁路系统就采用了射频识别技术的车号自动识别标准,在北美150万辆货车、1400个地点安装了射频识别装置。近年来,澳大利亚开发了用于矿山车辆的识别和管理的射频识别系统。
  在高速公路收费及智能交通方面,香港“驾易通”采用的就是射频识别技术。装有射频标签的汽车能被自动识别,无须停车缴费,大大提高了行车速度和效率。虽然我国很多地区高速公路都采用了射频卡,但是大部分还是应用人工停车收费的方式。最近,锦山的一条高速公路上应用了射频卡自动收费,但是与香港“驾易通”相比,差距显而易见。利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向,人工收费包括IC卡的停车收费方式也终将被淘汰。
  在货物的跟踪、管理及监控方面,澳大利亚和英国的西思罗机场将射频识别技术应用于旅客行李管理中,大大提高了分拣效率,降低了出错率。在几年前,欧共体就要求从1997年开始生产的新车型必须具有基于射频识别技术的防盗系统。而我国铁路行包自动追踪管理系统还只是在计划推广之中,真正应用还要假以时日。
  在射频卡应用方面,1996年1月韩国就在汉城的600辆公共汽车上安装射频识别系统用于电子月票,实现了非现金结算,方便了市民出行。而德国汉莎航空公司则开始试用射频卡作为飞机票,改变了传统的机票购销方式,简化了机场人关的手续。在我国,射频卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。在未来的一、两年,我国射频卡应用最大的项目将是第二代公民身份证。
  在生产线的自动化及过程控制方面,德国BMW公司为保证汽车在流水线各位置准确的完成装配任务,将射频识别系统应用在汽车装配线上。而Motoro1a公司则采用了射频识别技术的自动识别工序控制系统,满足了半导体生产对于环境的特殊要求,同时提高了生产效率。在动物的跟踪及管理方面,许多发达国家采用射频识别技术,通过对牲畜个别识别,保证牲畜大规模疾病爆发期间对感染者的有效跟踪及对未感染者进行隔离控制。而在生产线的自动化及过程控制以及动物的跟踪及管理方面,我们离国际水平的差距就更大,甚至在有些方面根本就没有应用。
  总体而言,我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段,市场前景非常广阔。不久的将来,我国射频识别技术应用将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有所突破。实现射频识别技术在我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程,需要业内人士共同的努力。
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