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RFID技術(shù)及其所面臨的挑戰(zhàn)
引言
近年來(lái)，無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)逐漸成為一種主流應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)使快速物品識(shí)別成為可能。RFID技術(shù)與早期的條形碼識(shí)別技術(shù)不同，它不需要近距離使用讀碼器，通過(guò)射頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別。RFID標(biāo)簽還可以將產(chǎn)品生產(chǎn)商、產(chǎn)品類型以及環(huán)境變量等各種信息作為身份的標(biāo)識(shí)，不必像條形碼那樣使用斑馬線標(biāo)簽。另外，RFID系統(tǒng)還能從不同方向自動(dòng)識(shí)別RFID標(biāo)簽，與條形碼識(shí)別相比，極大提高了識(shí)別速率。
盡管RFID在誕生之初就展現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)，但其高昂的費(fèi)用阻礙了它在商業(yè)上的應(yīng)用。隨著電子工業(yè)的進(jìn)步、電子設(shè)備的集成化和小型化，使RFID設(shè)備成本逐步下降，因而使它具有了與傳統(tǒng)的條形標(biāo)簽相競(jìng)爭(zhēng)的能力。在某些大型商業(yè)場(chǎng)所，RFID對(duì)于商品監(jiān)管的優(yōu)勢(shì)是普通識(shí)別技術(shù)難以比擬的。
1、RFID原理
RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)電感耦合或電磁耦合自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。標(biāo)簽是RFID技術(shù)的關(guān)鍵部分。RFID標(biāo)簽含有一個(gè)發(fā)送應(yīng)答機(jī)，可以向RFID閱讀器發(fā)送特定信號(hào)，絕大多數(shù)的RFID標(biāo)簽都有一個(gè)ID序列號(hào)（如SKU碼）。閱讀器在收到ID號(hào)后可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索相關(guān)數(shù)據(jù)，并按指示進(jìn)行操作。RFID標(biāo)簽也可以具有可讀寫(xiě)的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)向不同閱讀器發(fā)送的信息，這些信息用于對(duì)貼附標(biāo)簽的物體進(jìn)行識(shí)別。RFID系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1 RFID系統(tǒng)原理
RFID標(biāo)簽按是否有源分為主動(dòng)式標(biāo)簽和被動(dòng)式標(biāo)簽。主動(dòng)式RFID標(biāo)簽自帶電源（如板載電池），被動(dòng)式標(biāo)簽的能源則利用電磁感應(yīng)通過(guò)讀寫(xiě)器獲取。同樣，讀寫(xiě)器也根據(jù)所讀取標(biāo)簽的類型分為主動(dòng)式讀寫(xiě)器和被動(dòng)式讀寫(xiě)器。
1.1 主動(dòng)式標(biāo)簽
主動(dòng)式標(biāo)簽內(nèi)部自帶電池進(jìn)行供電，具有可讀寫(xiě)的特性。由于自帶電源，主動(dòng)式標(biāo)簽?zāi)軅鬏斴^強(qiáng)信號(hào)，因而具有更遠(yuǎn)的讀寫(xiě)距離。但是板載電源會(huì)使標(biāo)簽體積變大而且更加昂貴，所以主動(dòng)RFID系統(tǒng)一般用于大型航空工具以及普通交通工具等的遠(yuǎn)距離識(shí)別。低功耗的主動(dòng)標(biāo)簽通常比一副撲克稍大。主動(dòng)標(biāo)簽可以在物體未進(jìn)入識(shí)別距離時(shí)處于休眠狀態(tài)。也可以處于廣播狀態(tài)持續(xù)向外廣播信號(hào)。
由于自帶電源，主動(dòng)標(biāo)簽?zāi)茉谳^高的頻率下工作，如455MHz、2.45GHz及5.8GHz等，這取決于實(shí)際的識(shí)別距離和存儲(chǔ)器需求。在這些頻率下，讀寫(xiě)器可以在20m～100m的范圍內(nèi)工作。
1.2 被動(dòng)式標(biāo)簽
被動(dòng)式標(biāo)簽內(nèi)部不帶電池，從讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的識(shí)別范圍后，標(biāo)簽通過(guò)天線感知電磁場(chǎng)變化，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽通過(guò)集成的電容保存產(chǎn)生的能量。當(dāng)電容蓄積了足夠的電荷后，RFID標(biāo)簽就可以利用電容提供的能量向讀寫(xiě)器發(fā)送帶有標(biāo)簽ID信息的調(diào)制信號(hào)。由于被動(dòng)式標(biāo)簽自身不帶電源，因而比主動(dòng)標(biāo)簽價(jià)格要低很多，在美國(guó)，通常一個(gè)標(biāo)簽花費(fèi)20美分左右。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以將標(biāo)簽做得更小、更便宜。由于價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，它比主動(dòng)式標(biāo)簽具有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
除了價(jià)格低之外，被動(dòng)標(biāo)簽還非常小。但目前的天線技術(shù)會(huì)限制標(biāo)簽的大小，標(biāo)簽越大有效識(shí)別距離越遠(yuǎn)。目前的被動(dòng)標(biāo)簽一般都只有2K左右的內(nèi)存，由于內(nèi)存有限，除了存儲(chǔ)ID信息和一些歷史信息外，不能存儲(chǔ)特別復(fù)雜的有用信息，因而在一定程度上限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。隨著RFID技術(shù)的不斷進(jìn)步，標(biāo)簽?zāi)艽鎯?chǔ)的信息容量將會(huì)不斷增加，從而能存儲(chǔ)較復(fù)雜的信息。
被動(dòng)標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間通信的ID信息一般通過(guò)高頻和低頻方式調(diào)制實(shí)現(xiàn)。在低頻調(diào)制方式下（低于100MHz），標(biāo)簽電容配合電感線圈，根據(jù)標(biāo)簽ID信息改變信號(hào)強(qiáng)度，并向外輻射，變化的快慢受調(diào)制頻率的影響。在高頻（高于100MHz）方式下，標(biāo)簽使用背向散射方式發(fā)送信號(hào)，這使得天線在內(nèi)部電路的影響下是變阻抗的。當(dāng)阻抗發(fā)生改變時(shí)，天線會(huì)向外輻射射頻信號(hào)，讀寫(xiě)器便可以獲取并解調(diào)信號(hào)。被動(dòng)標(biāo)簽工作頻率一般為128kHz、13.6MHz、915MHz以及2.45GHz等，識(shí)別距離因而在幾十cm到幾m不等。系統(tǒng)頻率的選取一般由環(huán)境因素、傳輸介質(zhì)及識(shí)別范圍需求所決定。
2、RFID應(yīng)用
近年來(lái)，隨著RFID技術(shù)的成熟，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，已產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。其中最廣泛的應(yīng)用包括供應(yīng)鏈管理、安全領(lǐng)域及重要事物和人物的追蹤。
2.1 供應(yīng)鏈管理
在供應(yīng)鏈管理中，RFID標(biāo)簽可以用于追蹤物品在整個(gè)供應(yīng)鏈中的流向，追蹤從供應(yīng)商到零售商的所有物流過(guò)程。還可以對(duì)物品進(jìn)行售后追蹤，從顧客付費(fèi)開(kāi)始，中央數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)記錄其流動(dòng)過(guò)程，制造商、零售商可以事后查詢其流向，從而有效進(jìn)行定位、投遞確認(rèn)及防盜。
RFID在供應(yīng)鏈的另一個(gè)應(yīng)用就是確保供應(yīng)鏈的合法性。美國(guó)食品及藥物管理局（FDA）希望通過(guò)RFID標(biāo)簽來(lái)確保處方藥品的合法性。在這套系統(tǒng)中，每種藥品流動(dòng)都會(huì)帶有具有唯一序列號(hào)的只讀RFID標(biāo)簽。供應(yīng)商可以在流通過(guò)程追蹤其走向，同時(shí)在顧客購(gòu)買(mǎi)確認(rèn)時(shí)，能準(zhǔn)確判斷該種藥物是否來(lái)自合法的供應(yīng)商以及是否由合法零售商銷(xiāo)售。盡管FDA認(rèn)為很難在如此巨大而復(fù)雜的處方藥品供應(yīng)鏈中實(shí)現(xiàn)這套系統(tǒng)，但FDA會(huì)不斷投資，并計(jì)劃在2008初步實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。
RFID技術(shù)還可以輔助實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈管理的自動(dòng)化。如果零售商店和相關(guān)倉(cāng)庫(kù)的貨物擁有RFID標(biāo)簽，零售商店就可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)知道自己擁有那些貨物。當(dāng)零售商店通過(guò)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)提取貨物時(shí)，一旦貨物在提取處出現(xiàn)儲(chǔ)量不足時(shí)，倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)可以通過(guò)貨物RFID的相關(guān)信息自動(dòng)從倉(cāng)庫(kù)調(diào)取所需貨物。該系統(tǒng)已在世界零售巨商沃爾瑪?shù)玫綄?shí)現(xiàn)。
2.2 安全和身份識(shí)別
RFID還可以廣泛應(yīng)用于安全和個(gè)人身份識(shí)別。通常是將RFID標(biāo)簽集成到ID卡，用于門(mén)禁系統(tǒng)的身份識(shí)別。很多大型企業(yè)都在公司大樓的入口處安裝RFID讀寫(xiě)器，一旦員工通過(guò)就能很快自動(dòng)識(shí)別。在身份識(shí)別方面，RFID卡大有替代普通磁條ID卡的趨勢(shì)。普通磁條ID卡十分容易磨損且信息容易在外界影響下丟失，而RFID卡則更加耐用，同時(shí)可以存儲(chǔ)更多的有用信息。
另外，在支付方面RFID也有廣泛應(yīng)用。通過(guò)在用卡或其他支付設(shè)備中安裝RFID讀寫(xiě)器件，能很快實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。有的支付卡直接通過(guò)RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了支付功能，如美國(guó)華盛頓特區(qū)的城市智能旅行卡。
RFID還可貼附在鑰匙上，特別適用于汽車(chē)防盜。因?yàn)樽x寫(xiě)器只識(shí)別貼有正確RFID標(biāo)簽的鑰匙，即使使用別的鑰匙打開(kāi)了汽車(chē)，但由于標(biāo)簽信息不匹配，RFID系統(tǒng)可以切斷電源使汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)，從而有效防止通過(guò)盜配鑰匙偷竊汽車(chē)的情況出現(xiàn)。
2.3 移動(dòng)追蹤
移動(dòng)物體很容易攜帶RFID標(biāo)簽，可以利用攜帶在某個(gè)移動(dòng)物體上的RFID標(biāo)簽中的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的追蹤。目前，美國(guó)的一些醫(yī)院已經(jīng)將RFID標(biāo)簽應(yīng)用于新生嬰兒的護(hù)理中。通過(guò)RFID）標(biāo)簽?zāi)苡行Т_認(rèn)新生兒的身份，防止嬰兒的誤領(lǐng)。另外，利用標(biāo)簽可以監(jiān)控嬰兒在醫(yī)院的行蹤，一旦發(fā)現(xiàn)嬰兒離開(kāi)監(jiān)控有效區(qū)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，從而防止陌生人未經(jīng)允許帶走小孩。醫(yī)院還可以使用標(biāo)簽追蹤醫(yī)療設(shè)備和儀器的移動(dòng)情況，進(jìn)行有效管理。圖書(shū)館也可以利用標(biāo)簽，有效管理大量圖書(shū)，對(duì)圖書(shū)進(jìn)行規(guī)整分類。
3、RFID面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)
3.1 隱私問(wèn)題
隨著RFID逐漸廣泛使用，它越來(lái)越得到人們的關(guān)注。很多社會(huì)人士、技術(shù)人員以及支持保護(hù)個(gè)人隱私者等都開(kāi)始對(duì)RFID的使用提出置疑。保護(hù)隱私支持者們認(rèn)為，很多企業(yè)在使用RFID標(biāo)簽追蹤商品流向的同時(shí)，也在無(wú)意中泄漏了顧客隱私。很多涉及保密的組織也開(kāi)始關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵谫?gòu)買(mǎi)物品時(shí)他們的身份已經(jīng)與物品鏈接，一旦再次通過(guò)某些商場(chǎng)或中心時(shí)，自己的身份就有可能被嵌入在服裝或隨身物品上的RFID）標(biāo)簽泄漏。
像RFID標(biāo)簽這種基于無(wú)線傳輸技術(shù)的產(chǎn)品存在一個(gè)與生俱來(lái)的缺點(diǎn)，那就是它通過(guò)不可見(jiàn)的無(wú)線信道進(jìn)行信息交換，因此很難判斷標(biāo)簽在什么時(shí)候向外發(fā)送信息。如果很多商品上都貼有RFID標(biāo)簽，從商店的角度來(lái)說(shuō)，管理商品很方便，不管是分類還是快速收費(fèi)或防止盜竊都很容易。但一旦商品出售后，若附在上面的RFID標(biāo)簽沒(méi)有去掉，買(mǎi)主的身份就很容易被泄漏。還有可能帶來(lái)更多危害，如行竊者可以通過(guò)RFID讀寫(xiě)器得到貼附標(biāo)簽的物品的價(jià)值，從而判斷買(mǎi)主的經(jīng)濟(jì)條件，為作案帶來(lái)便利。
為了解決上述問(wèn)題，EPCglobal公司提出了一個(gè)方案，采用“kill switches”技術(shù)，可以在貼有RFID標(biāo)簽的物品完成交易后，通過(guò)激活開(kāi)關(guān)，將標(biāo)簽置入死鎖狀態(tài)，那么標(biāo)簽就不再向外發(fā)送信號(hào)。同樣，RSA公司也開(kāi)發(fā)了一種阻塞器標(biāo)簽（bloking tag），它利用了EPCglobal公司提出的防碰撞協(xié)議。這種標(biāo)簽采用的是一種混淆信息的技術(shù)，將所有可能被閱讀器接收到信息的RFID標(biāo)簽一次提供給閱讀器。因?yàn)殚喿x器一次只能與一個(gè)標(biāo)簽交換數(shù)據(jù)，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)回應(yīng)閱讀器的查詢時(shí)，閱讀器就只能偵測(cè)到一次沖突。此后閱讀器會(huì)試圖與每個(gè)標(biāo)簽單獨(dú)通信，詢問(wèn)標(biāo)簽的每個(gè)bit位，這時(shí)Block標(biāo)簽也會(huì)同時(shí)發(fā)送一個(gè)0bit和一個(gè)1bit回答詢問(wèn)，這樣閱讀器就無(wú)法得到正確數(shù)據(jù)。
實(shí)際上，很多因?yàn)镽FID標(biāo)簽所涉及到的隱私問(wèn)題都是可以解決的。由于現(xiàn)有RFID識(shí)別技術(shù)的限制，標(biāo)簽的識(shí)別距離還十分有限，要做到在遠(yuǎn)離某人視距范圍的汽車(chē)或大樓中通過(guò)讀寫(xiě)器來(lái)讀取某人的標(biāo)簽信息基本上是不可能的。并且，微弱射頻信號(hào)在障礙的阻擋下也會(huì)使讀寫(xiě)器無(wú)法識(shí)別，因此，RFID技術(shù)應(yīng)該是安全的。但在有些情況下，如在通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)或付費(fèi)系統(tǒng)時(shí)，用戶的個(gè)人信息及相關(guān)信息都有可能泄漏。隨著天線技術(shù)和IC技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)距離識(shí)別終會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，建立一種能有效保護(hù)隱私的機(jī)制是必不可少的。
3.2 安全性問(wèn)題
安全性是另一個(gè)倍受使用者關(guān)注的問(wèn)題。例如，一些公司采用RFID技術(shù)對(duì)貨物的供應(yīng)鏈進(jìn)行管理，但它并不希望其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手能通過(guò)貨物上的標(biāo)簽追蹤到貨物的行蹤及貨物種類。同樣，一些帶有與用戶金融信息有關(guān)的設(shè)備如果使用了RFID標(biāo)簽，那么與用戶帳戶相關(guān)的信息也應(yīng)該得到保護(hù)。
為此，研究人員提出了一些加密算法，用于標(biāo)簽對(duì)讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，只對(duì)通過(guò)身份認(rèn)證的讀寫(xiě)器傳送信息。在認(rèn)證過(guò)程中，標(biāo)簽需要記錄通過(guò)認(rèn)證的讀寫(xiě)器的ID號(hào)，讀寫(xiě)器也應(yīng)以廣播的形式向標(biāo)簽發(fā)送ID號(hào)。為了保證自身ID號(hào)不被其他攻擊者截獲，讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間必須實(shí)現(xiàn)加密傳送。一旦標(biāo)簽對(duì)讀寫(xiě)器的認(rèn)證沒(méi)有通過(guò)，標(biāo)簽將拒絕傳送所存儲(chǔ)的信息。但是，這種帶密鑰的認(rèn)證策略同樣會(huì)受到中間人扮演攻擊、重放攻擊等方式的攻擊。
3.3 RFID融合問(wèn)題
RFID技術(shù)面臨的另一個(gè)問(wèn)題是如何將RFID技術(shù)融合到現(xiàn)有系統(tǒng)中。很多研發(fā)部門(mén)都希望通過(guò)RFID中間件解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)中間件提供的接口，將RFID系統(tǒng)與已有的后端系統(tǒng)相連。中間件能解決現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一帶來(lái)的問(wèn)題。利用中間件，可將前端讀寫(xiě)器收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成滿足后端設(shè)備要求的數(shù)據(jù)格式，這樣就能為用戶帶來(lái)很大的靈活性。很多RFID中間件系統(tǒng)都帶有掛鉤技術(shù)，用來(lái)連接操作監(jiān)視器，用戶可以對(duì)所使用的標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同樣，中間件也具有連接讀寫(xiě)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的能力。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了RFID技術(shù)應(yīng)用及所面臨的挑戰(zhàn)。作為一種存在很久的技術(shù)，RFID擁有廣闊的市場(chǎng)前景。盡管面對(duì)很多挑戰(zhàn)，不管是來(lái)自技術(shù)上還是觀念上的，RFID以其與生具有的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多企業(yè)和用戶的支持。在未來(lái)的生產(chǎn)線自動(dòng)化、倉(cāng)儲(chǔ)管理、電子物品監(jiān)視系統(tǒng)、貨運(yùn)集裝箱的識(shí)別以及城市管理等方面，RFID一定有著更廣泛的應(yīng)用。
