射频识别系统及其应用 一、射频识别技术的概念

张衍波

射频识别系统及其应用

一、射频识别技术的概念

射频识别技术（radio frequency identification, RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。与其它自动识别技术一样，射频识别技术也是由信息载体和信息获取装置组成的。其中信息载体是射频标签，获取信息装置为射频识读器。射频标签和射频识读器之间利用感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，实现数据交换，从而达到识别的目的。

二、射频识别系统的优点

目前在商品物流管理过程中，条形码是产品识别的主要手段，但条形码仍存在许多无法克服的缺点：条形码是只读的、需要对准标的、一次只能读一个、且容易破损；更重要的是目前全世界每年生产超过五亿种商品，而全球通用的商品条形码，由12位排列出来的条形码号码已经快要用光了。而RFID是可擦写的、使用时不需对准标的、同时可读取多个、坚固且可全天候使用，可不需人力介入操作。和传统条形码识别技术相比，RFID有以下优势：

1、快速扫描

条形码一次只能有一个条形码受到扫描； RFID辨识器可同时辨识读取数个 RFID标签。

2、体积小型化、形状多样化

RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外， RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

3、抗污染能力和耐久性

传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损； RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。

4、可重复使用

现今的条形码印刷上去之后就无法更改， RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。

5、穿透性和无屏障阅读

在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。

6、数据的记忆容量大

一维条形码的容量是 50Bytes，二维条形码最大的容量可储存 2至 3000字符， RFID最大的容量则有数 MegaBytes。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。

7、安全性

由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。

三、射频识别系统的构成及原理

1、射频识别系统的组成

从射频识别系统的工作原理来看，系统一般都有信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成，如图1-28所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsE15F.tmp.png图 射频系统组成

（1）信号发射机

在射频识别系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同形式存在，典型的形式是射频标签（Tag）。标签相当于条形码中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，另外，与条码不同的是标签必须能够自动或在外力作用下把存储的信息发射出去。标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电平集成电路。

按照不同的分类标准，标签可分为几种不同的类型。

①主动式标签（Active Tags）与被动式标签（Passive Tags）   

在实际应用中，必须给标签供电才能工作，它的电能消耗是非常低的（一般是百万分之一毫瓦级别）。按照标签获取电能的方式不同，可以把标签分成主动式标签与被动式标签。

主动式标签内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。另外，主动式标签可以通过设计电池的不同寿命，对标签的使用时间或使用次数进行限制，它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方，比如一年内，标签只允许读写有限次数。主动式标签的缺点主要是标签的使用寿命(3～10年)有限，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小，影响系统的正常工作。被动式标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流电路时给标签供电。

被动式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且被动式标签支持长时间的数据传输和户外性的数据存储。被动式标签的缺点主要是数据传输的距离要比主动式标签小。因为被动式标签依靠外部的电磁感应而供电，它的电能就比较弱，数据传输的距离和信号强度就受到限制，需要敏感性比较高的信号接收器(阅读器)才能可靠识读。

②只读标签与可读可写标签

根据内部使用存储器类型的不同，标签可以分成只读标签与可读可写标签。   

只读标签内部有只读存储器ROM（Read Only Memory）和随机存储器RAM（Random Access Memory）。ROM用于存储发射器操作系统说明和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元共同完成内部操作的控制功能，如响应延迟时间控制、数据流控制、电源开关控制等。另外，只读标签的ROM中还存储有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入ROM中，也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只简单地代表二进制中的“0”或“1”，也可以像二维条码那样，包含相当复杂、丰富的信息。但这种信息只能是一次写，多次读出。只读标签中的RAM用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外，只读标签中除了ROM和RAM外，一般还有缓冲存储器，用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。

可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外，还有非活  动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种，EEPROM(电司擦除可编程只读存储器)是比较常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以实现对原有数据的擦除及数据的重新写入。

③标识标签与便携式数据文件

根据标签中存储器数据存储能力的不同，可以把标签分成仅用于标识目的的标识标签与便携式数据文件两种。

对于标识标签来说，在标签中存储一个数字或者多个数字、字母、字符串，目的是为了识别或者是进入信息管理系统中数据库的钥匙(Key)。条码技术中标准码制的号码，如EAN／UPC码，或者混合编码，或者标签使用者按照特别的方法编的号码，都可以存储在标识标签中。标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定的信息，只能在与系统相连接的主计算机数据库中进行查找。

顾名思义，便携式数据文件就是说标签中存储的数据非常大，可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的，标签中除了存储标识码外，还存储有大量的被标识项目其他的相关信息，如产品的价格、产地、制造商、制造日期、产品注意事项等关键信息。在实际应用中，关于被标识项目的所有的信息都是存储在标签中的，读标签就可以得到关于被标识项目的所有信息，而不用再连接到数据库进行信息读取。大大提高读取的速度，物品的信息说明一目了然。另外，随着标签存储能力的提高，可以提供组织数据的能力，在读标签的过程中，可以根据特定的应用目的控制数据的读出，实现在不同的情况下读出的数据部分不同。

（2）信号接收机

  在射频识别系统中，信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度有显著不同的。阅读器基本的功能就是提供标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验和更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者指导发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，阅读器即便在很短的时间、很小的空间都可阅读多个标签，一次可以同时处理200个以上标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。

（3）编程器

只有可读可写标签系统才需要编程器，编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线(Off—IAne)完成的，也就是预先在标签中写人数据，等到开始应用时直接把标签粘附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线(On—IAne)完成，尤其是在生产环境中作为交：巨式便携数据文件来处理时。

（4）天线

  天线是标签与阅渎器之间传输数据时的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。

2、射频识别系统的工作原理

射频识别系统工作过程中，通常由识读器在一个区域内发射射频能量形成电磁场，作用距离的大小取决于发射功率。标签通过这一区域时被触发，发送存储在标签中的数据，或根据识读器的指令改写存储在标签中的数据。识读器可接收标签发送的数据或向标签发送数据，并能通过标准接口与计算机网络进行通信。如图1-29所示，具体流程如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsE170.tmp.png

。

图  射频系统工作原理

（1）识读器经过发射天线向外发射无线电载波信号

（2）当射频标签进入发射天线的工作区时，射频标签被激活后即将自身信息经天线发射出去。

（3）系统的接收天线接收到射频标签发出的载波信号，经天线的调节器传给识读器。识读器对接到的信号进行解调解码，送后台计算机控制器。

（4）计算机控制器根据逻辑运算判断射频标签的合法性，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的动作。

（5）执行机构按计算机的指令动作。

（6）通过计算机通信网络将各个监控点连接起来．构成总控信息平台。根据不同的项目可以设计不同的软件来实现不同的功能。

四、射频识别技术在物流领域的应用

射频识别技术目前已经应用于各个领域，常见的有如下几个方面。

1、交通运输管理

高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一，它充分体现了非接触识别优势。在车辆高速通过收费站的同时自动完成缴费，解决交通瓶颈问题，避免拥堵，同时也防止了现金结算中贪污路费等问题。美国Amtch公司、瑞典Tagmaster公司都开发了用于高速公路收费的成套系统。

一般来说对于公路收费系统，根据车辆的大小和形状不同、需要大约4米的读写距离和很快的读写速度，也就要求系统的频率应该在9MHz和2500 MHz。射频卡一般在车的挡风玻璃后面。现在最现实的方案是将多车道的收费口分两个部分：自动收费口、人工收费口。天线架设在道路的上方。在距收费口约50~100米处，当车辆经过天线时，车上的射频卡被头顶上的天线接收到，判别车辆是否带有有效的射频卡。识读器指示灯指示车辆进人不同车道．人工收费口仍维持现有的操作方式，进人自动收费口的车辆，过路费款被自动从用户账户上扣除，且用指灯灯及蜂鸣器告诉司机收费是否完成，不用停车就可通过，挡车器将拦下恶意闯入的车辆。

在城市交通方面，交通的状况日趋拥挤，解决交通问题不能只依赖于修路、加强交通的指挥、控制、疏导，提高道路的利用率，深挖现有交通潜能也是非常重要的手段。而基于RFID技术的实时交通督导和最佳路线电子地图很快将成为现实。用RFID技术实时跟踪车辆，通过交通控制中心的网络在各个路段向司机报告交通状况，指挥车辆绕开堵塞路段，并用电子地图实时显示交通状况。能够使得交通流量均匀，大大提高道路利用率。还可用于车辆特权控制，在信号灯处给警车、应急车辆、公共汽车等行驶特权；自动查处违章车辆．记录违章情况。另外、公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息，给乘客很大的方便。用RFID技术能使交通的指挥自动化、法制化，有助于改善交通状况。

2、生产线的自动化及过程控制

RFID技术用于生产线实现自动控制，监控质量，改进生产方式，提高生产率。如用于汽车装配生产线。国外许多著名轿车像奔驰、宝马都可以按用户要求定制，也就是说从流水线开下来的每辆汽车都是不一样的，没有一个高度组织，复杂的控制系统很难胜任这样复杂的任务。德国宝马公司在汽车装配线上配有RFID系统，以保证汽车在流水线各位置处毫不出错地完成装配任务。

在工业过程控制中，很多恶劣的、特殊的环境都采用了RFID技术，摩托罗拉、SGSTHOMSON等集成电路制造商采用加人了RFID技术的自动识别工序控制系统，满足了半导体生产对于超净环境的特殊要求，而像其他自动识别技术，如条码在如此苛刻的化学条件和超净环境下就无法工作了。

3、物品跟踪与管理

很多货物运输需准确地知道它的位置，像运钞车、危险品等，滑线安装的RFID设备可跟踪运输的全过程，有些还结合GPS系统实施对物品的有效跟踪。RFID技术用于商店，可防止某些贵重物品被盗，如电子物品监视系统EAS。

电子物品监视系统(electronic article surveillance，EAS)是一种设置在需要控制物品出入的门口的RFID技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告，在应用EAS技术时，首先在物品上粘附EAS标签，当物品被正常购买或者合法移出时，在结算处通过一定的装置使EAS标签失活．物品就可以取走。物品经过装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警告。EAS技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，还是很小的物品。应用EAS技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。典型的EAS系统一般由三部分组成，附着在商品上的电子标签，电子传感器；电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出人；监视器，在出口造成一定区域的监视空间。

EAS系统的工作原理是：在监视区，发射器以一定的频率向接收器发射信号。发射器与接受器一般安装在零售店、图书馆的出人口，形成一定的监视空间，当具有特殊特征的标签进入该区域时，会对发射器发出的信号产生干扰，这种干扰信号也会被接收器接收，再经过微处理器的分析判断，就会控制警报器的鸣响。

RFID技术可用于动物跟踪，研究动物生活习性，例如：新加坡利用RFID技术研究鱼的洄游特性等。RFID还用于标识牲畜、提供了现代化管理牧场的手段，还有将RFID技术用于信鸽比赛、**识别等、以准确测定到达时间。

4、仓储管理

在仓库里，射频技术最广泛的使用是存取货物与库存盘点，它能用来实现自动化的存货和取货等操作。在整个仓库管理中，通过将供应链计划系统所制定的收货计划、取货计划、装运计划等与射频识别技术相结合，能够高效地完成各种业务操作，如指定堆放区域、上架／取货与补货等。这样，增强了作业的准确性和快捷性，提高了服务质量，降低了成本，节省劳动力（8%～35%）和库存空间，同时减少了整个物流中由于商品误置、送错、偷窃、损害和库存、出货错误等造成的损耗。

RFID技术的另一项好处就是在库存盘点时降低人力。RFID的设计就是要让商品的登记自动化，盘点时不需要人工的检查或扫瞄条码，更加快速准确，并且减少了损耗。RFID解决方案可提供有关库存情况的准确信息，管理人员可由此快速识别并纠正低效率运作情况，从而实现快速供货，并最大限度地减少储存成本。