浅析射频识别技术

浅析射频识别技术

作者：陆锌渤

来源：《中国新通信》 2018年第1期

【摘要】 射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification) 是一种非接触式的自动识别技术，它是兼具了实时、准确与快速等特点的新兴技术，在如今这愈加智能化的社会中有着重要的链接作用。本文简要阐述了射频识别技术的原理及其应用，具体研究内容包含如下方面：1）对射频识别技术原理及其发展历程的简介。2）分析无源、有源、半有源三类射频识别技术。3）介绍、分析射频识别技术的几个重要应用，包括电子不停车收费系统、电子溯源系统、物联网系统。4）讨论了射频识别技术在抗干扰、安全、标签安置、频率选择方面存在的发展难题。

【关键词】 射频识别技术 原理 ETC 物联网 发展难题

一、射频识别技术简介及其发展历程

1.1 射频识别技术及其工作原理

射频识别技术，即RFID(Radio Frequency Identification)，是一种高效的无线通信技术。它的工作过程即：利用无线电波，结合电磁感应技术，识别特定目标，并与其进行非接触信息交流。射频识别的无线系统通常有两个部分，即应答器与阅读器。应答器近年来又被称作标签或电子标签，每一个标签有一个独一无二的电子编码用于识别。电子标签的组成包括IC 芯片与通信天线。作为RFID 系统中的数据载体，标签在收到阅读器发出的查询信号时，能够将一部分能量信号转换为直流电流，以维持标签内部电路工作；同时对另一部分信号进行调制、处理，再对阅读器进行答复。阅读器又称读写器，包括天线、逻辑控制单元与射频接口三部分。作为RFID 系统的信息处理与控制中心，阅读器通过无线信号，完成对电子标签的供能与通信。阅读器与标签上的天线能够实现电磁波与电流信号的相互转化，因此，阅读器天线所构造的电磁场范围，即为阅读器的可读区域。

通常来说，射频识别技术具有如下特性：1）适用性：RFID 技术依靠电磁波，并不需要连接双方的物理接触。这使得它能够无视尘、雾、塑料、纸张、木材以及各种障碍物建立连接，直接完成通信。2）高效性：RFID 系统的读写速度极快，一次典型的RFID 传输过程通常不到100 毫秒。高频段的RFID 阅读器甚至可以同时识别、读取多个标签的内容，极大地提高了信息传输效率。3）独一性：每个RFID 标签都是独一无二的，通过RFID 标签与产品的一一对应关系，可以清楚的跟踪每一件产品的后续流通情况。4）简易性：RFID 标签结构简单，识别速率高、所需读取设备简单。尤其是随着NFC 技术在智能手机上逐渐普及，每个用户的手机都将成为最简单的RFID 阅读器。

1.2 射频识别技术发展历程

现代射频识别技术的应用最早可以追溯到上世纪50 年代，美国海军研究室开发的一套名为“辨别敌我系统”的无线识别技术。随后数十年间，制造业、物流业、仓储业等不同行业都纷纷对该技术展开了研究。在此阶段，射频识别技术从单纯的阅读器读取标签信息的单向过程，逐渐发展到了阅读器与标签进行双向信息交流的阶段。在90 年代，射频识别技术的标志性应用——电子不停车收费系统在北美与西欧得到了广泛的应用，使得大部分人第一次直观地感受到了射频识别技术所带来的极大便利，这也是进入新世纪以来，射频识别技术的相关研究与应用得到爆发性增长的一大原因。总的来说，射频识别技术的发展经历了以下过程：识别目标是否存在——读取目标所承载的信息——与目标进行高速双向信息交流。

二、三类射频识别技术

射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类，即无源RFID，有源RFID，与半有源RFID。

1、无源RFID。在三类RFID 产品中，无源RFID 出现时间最早，最成熟，其应用也最为广泛。在无源RFID 中，电子标签通过接受射频识别阅读器传输来的微波信号，以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，从而完成此次信息交换。因为省去了供电系统，所以无源RFID 产品的体积可以达到厘米量级甚至更小，而且自身结构简单，成本低，故障率低，使用寿命较长。但作为代价，无源RFID 的有效识别距离通常较短，一般用于近距离的接触式识别。无源RFID 主要工作在较低频段125KHz、13.56MKHz 等，其典型应用包括：公交卡、二代身份证、食堂餐卡等。

2、有源RFID。有源RFID 兴起的时间不长，但已在各个领域，尤其是在高速公路电子不停车收费系统中发挥着不可或缺的作用。有源RFID 通过外接电源供电，主动向射频识别阅读器发送信号。其体积相对较大。但也因此拥有了较长的传输距离与较高的传输速度。一个典型的有源RFID 标签能在百米之外与射频识别阅读器建立联系，读取率可达1,700 read/sec。有源RFID 主要工作在900MHz、2.45GHz、5.8GHz 等较高频段，且具有可以同时识别多个标签的功能。有源RFID 的远距性、高效性，使得它在一些需要高性能、大范围的射频识别应用场合里必不可少。

3、半有源RFID。无源RFID 自身不供电，但有效识别距离太短。有源RFID 识别距离足够长，但需外接电源，体积较大。而半有源RFID 就是为这一矛盾而妥协的产物。半有源RFID 又叫做低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID 产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入射频识别阅读器识别范围后，阅读器先现以125KHz 低频信号在小范围内精确激活标签使之进入工作状态，再通过2.4GHz微波与其进行信息传递。也即是说，先利用低频信号精确定位，再利用高频信号快速传输数据。其通常应用场景为：在一个高频信号所能所覆盖的大范围中，在不同位置安置多个低频阅读器用于激活半有源RFID 产品。这样既完成了定位，又实现了信息的采集与传递。

三、射频识别技术的具体应用

1、电子不停车收费系统。电子不停车收费系统(ElectronicToll Collection)，即ETC，是一种先进的高速公路路桥收费方式。在该系统中，车辆能够在缴费的同时保持一定速度通过收费站。ETC 的出现，大大提升了收费站的工作效率，解决了传统收费站中因需人工缴费，车辆不得不停下，造成的拥堵、燃油浪费等一系列问题。在智能交通领域中，ETC 拥有着相当重要的地位。ETC 系统的核心为车载单元OBU(OnBoard Unit)，而OBU 的关键部分就是采用射频识别技术，利用5.8GHz 微波与收费站路测单元建立联系。OBU 中储存有包括车型在内的该车辆的一系列信息，当车辆驶入ETC 车道后，射频识别阅读器读取OBU 中所储存的信息，再结合路测系统对车辆的检测结果，计算出收费金额。若路测系统的检测结果与OBU 中储存的一致，且用户银行账户余额足够支付应缴金额，则栏杆抬起，允许车辆通行，而同时相应的费用也会自动扣除，接着开始对下一辆车的收费工作。

2、电子溯源。电子溯源技术对于监控产品生产、运输、销售等方面的整个过程都具有重要意义。该技术的核心在于，在产品包装上安装一个射频识别标签，其中储存有该产品的生产地、运输过程等信息。该技术的实现并不复杂，但效果极其明显。产品从原料采集、生产、运输到销售的每一个环节都有RFID 标签追踪并被实时备份。电子溯源本身并不能使产品变得更好，但其可以阻止问题产品的持续扩散。一旦有产品质量问题出现，通过产品溯源系统，可以精确追踪到问题产品的流通，并快速查清问题所在，对问题产品进行查封、召回等工作，从而将其危害最大程度的减小。在各种产品溯源领域中，最值得关注的是食品溯源系统。食品由于其不可替代性，消费者对食品安全有着极高的要求。又兼之我国近年来食品安全问题频发，社会对食品溯源体系的重视程度已越来越高。以猪肉制品溯源系统为例。在饲养阶段饲养员给生猪佩戴RFID 标签，通过手持终端准确掌握饲料信息、用药记录、防疫信息等；在屠宰加工阶段，屠宰场在收购、登记生猪后读取RFID 标签，确认牲畜检疫合格后再进行宰杀。宰杀完成后复检，在RFID 标签中注明猪肉重量、屠宰单位、日期；在流通阶段，配送员利用RFID 阅读器读取运载车辆RFID 标签，确认车辆已经检疫消毒，然后进行肉品装车。装车完毕后，RFID 标签中记录下装车时间、出发地、目的地；最终进入销售环节，消费者通过读取RFID 标签即可获得猪肉的饲养、屠宰、配送信息。但到目前为止，由于成本、消费者观念等问题的影响，以RFID 标签为载体的电子溯源体系在国内还并没有得到广泛的应用。

3、物联网。物联网是网络条件发展到一定阶段后的必然产物。物联网的本质即将几乎任何物品通过互联网连接起来，从而实现人与物、物与物的通信以及信息交换。而射频识别技术正是构建物联网系统的关键技术之一。物联网系统可分为感知层、网络层、应用层三部分，感知层对外界环境的识别是系统的基础，网络层为一个可供信息传递的平台，应用层则是最终成果的体现。其中，网络层与射频识别技术的关系最为密切。在网络层中，各个设备通过射频识别技术实现数据与控制指令的接收与传递，大量的电子标签、阅读器构成一个庞大的信息散布网络，向下获取传感器所获得的数据，向上将数据传递给应用层的处理器、效应器，最终实现一个完整的物联网系统。以智能家居为例。在智能家居系统中，用户以手机作为控制终端，通过RFID 技术连接各带有RFID 模块的家用电器，从而实现诸如远程遥控、计划开关等功能。

四、射频识别技术的发展难题

1、抗干扰问题。理论上，阅读器与标签的是以一问一答的方式实现连接。但在实际应用中，如果同时存在多个阅读器或多个标签，则有可能会出现重复询问或重复应答的情况，这被称作阅读冲突。阅读冲突在RFID 系统中是致命的，其所造成的漏读、误读标签现象，将会严重影响RFID 系统的正常运转。目前存在着多种解决这一问题的方案，主要的有分割信道和帧隙方法：分割信道，即对阅读器到标签方向的下行信道与标签到阅读器方向的上行信道采用不同的频率，这样即可有效地避免信号之间的干扰。而帧隙方法，则是利用阅读器向外发送的信号中存在着时隙的特点，标签接收信号后，利用阅读器查询信号中的时隙来完成应答过程，但这种方法对系统的信息传递速率有一定影响，且不适用于标签数量极多的情景。

2、安全问题。RFID 标签，尤其是目前应用最为广泛的无源RFID 标签，有着一定安全隐患。无源RFID 标签由于自身并不供电，因此对所有持有阅读器的人都是开放的。攻击者可以轻而易举地获取标签中的信息，包括大量个人信息与商业数据，甚至对其进行重写、篡改。不仅如此，如果攻击者将恶意代码写入RFID 标签中，当有阅读器识别该标签时，由于缺乏相关安全措施，恶意代码将毫无阻碍地进入阅读器所处系统之中，攻击者也将获得对该系统的控制权限。3、标签性价比和粘贴位置问题。RFID 标签是射频识别技术中的核心元件之一。其中有源RFID 标签性能、可靠性较强，但价格昂贵难以推广；无源RFID 标签价格低廉，但相应的，可靠性不如前者，因此如何取得RFID 标签在性能和价格之间的平衡是目前人们急需解决的问题。对于应用于金属材质或液体环境的产品而言，标签的正确粘贴也是个大问题。如果不能将标签置于恰当的位置上，则金属或液体的反射会产生极其严重的干扰与误读现象。