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遠距離射頻識別系統(tǒng)及其應用前景

作者:張益強 鄭銘 張其善
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2005-05-19 10:18:28
摘要:本文介紹了射頻識別技術(shù)的發(fā)展其簡要工作原理、發(fā)展狀況和主要應用領(lǐng)域。
 摘要 本文介紹了射頻識別技術(shù)的發(fā)展其簡要工作原理、發(fā)展狀況和主要應用領(lǐng)域。

  關(guān)鍵詞 射頻識別 射頻卡 電子標簽

1 引言

  射頻識別技術(shù)(RFID,即Radio Frequency Identification)是從20世紀80年代走向成熟的一項自動識別技術(shù)。它利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別目的。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比,射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預,適合于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。射頻卡不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境,短距離的射頻卡可以在這樣的環(huán)境下替代條碼,用在工廠的流水線等場合跟蹤物體。長距離的產(chǎn)品多用于交通上,距離可達幾十米,可用在自動收費或識別車輛身份等場合。

2 射頻識別系統(tǒng)簡介

  射頻識別系統(tǒng)至少應包括以下兩個部分,一是讀寫器,二是電子標簽(或稱射頻卡、應答器等,本文統(tǒng)稱為電子標簽)。另外還應包括天線,主機等。

 ?。ㄒ唬┕ぷ黝l率

  射頻識別系統(tǒng)的工作頻率主要有125kHz、13.56MHz、869MHz、902~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等,允許的最大發(fā)射功率電平和頻率分配因國家和地區(qū)的不同而有所不同。其中125kHz系統(tǒng)主要應用在動物識別和商品流通等領(lǐng)域。13.56MHz系統(tǒng)一般應用在公共交通和門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域,其識別距離較近,一般為幾厘米(ISO14443標準)到幾十厘米(ISO15693標準),采用特殊制作的天線最大識別距離為1.5米左右。在UHF頻段(869MHz和902~928MHz),系統(tǒng)的識別距離遠,可從幾米到幾十米。UHF頻段的自動識別系統(tǒng)主要應用在高速公路收費、集裝箱識別和鐵路車輛的識別、跟蹤等業(yè)務中。2.45GHz系統(tǒng)被動式系統(tǒng)(無源標簽)一般可提供1米左右的識別距離,主動式系統(tǒng)(有源標簽)也可以達到十幾米的識別距離。5.8GHz系統(tǒng)主要應用在交通領(lǐng)域,目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)暫行標準也把此頻段作為車輛識別的系統(tǒng)標準。

 ?。ǘ㏕TF與RTF

  RTF(Reader Talks First,讀寫器先發(fā)言)和TTF(Tag Talks First,標簽先發(fā)言)是兩種讀寫器抗沖突協(xié)議方式。

  在一般狀態(tài)下,電子標簽處于‘等待’或稱為‘休眠’的工作狀態(tài),當電子標簽進入讀寫器的作用范圍時,檢測到一定特征的射頻信號,便從‘休眠’狀態(tài),轉(zhuǎn)到‘接收’狀態(tài),接收讀寫器發(fā)出的命令后,進行相應的處理,并將結(jié)果返回讀寫器。這類只有接收到讀寫器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)的電子標簽被稱為RTF(Reader Talk First,即讀寫器先發(fā)言)方式;與此相反,進入讀寫器的能量場即主動發(fā)送自身ID號的電子標簽被稱為TTF(Tag Talk First,即標簽先發(fā)言)方式。TTF和RTF協(xié)議相比,TTF方式的射頻卡具有識別速度快等特點,適用于需要高速應用的場合;另外,它在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健,在處理標簽數(shù)量動態(tài)變化的場合也更為實用。因此,更適于工業(yè)環(huán)境的跟蹤和追蹤應用。

 ?。ㄈ┯性春蜔o源標簽

  射頻識別系統(tǒng)按電子標簽的供電方式可分為有源標簽和無源標簽兩類。無源標簽所需工作能量需要從讀寫器發(fā)出的射頻波束中獲取能量,經(jīng)過整流、存儲后提供電子標簽所需的工作電壓。與有源標簽相比,具有成本低、不需要維護、使用壽命長等特點。缺點是讀寫器要發(fā)射更大的射頻功率,識別距離相對較近等。然而,目前的集成電路設計技術(shù)能使所需工作電壓進一步降低至1V甚至0.42V,這使得無源RFID系統(tǒng)可以達到20米以上的識別距離。這在不同的無線電規(guī)則限制情況下,可以滿足大部分實際應用系統(tǒng)的需要。有源標簽本身帶有微型電池,由于不需要射頻供電,其識別距離更遠,讀寫器需要的功率較小。

3 射頻識別技術(shù)發(fā)展狀況

  射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展很快,RFID產(chǎn)品種類很多,像德州儀表、Motoro1a、Phllips等世界著名廠家都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品,并且各有特點,自成系列。我國在這方面起步較晚,但經(jīng)過幾年的努力已經(jīng)開發(fā)出了自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

  RFID技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡方面的應用被美《商業(yè)周刊》評為將掀起新產(chǎn)業(yè)浪潮的未來四大高技術(shù)之一。據(jù)有關(guān)權(quán)威資料統(tǒng)計,射頻識別產(chǎn)品在全世界的銷量、1993年為990萬套,1994年就猛增到2030萬套,1997年有關(guān)產(chǎn)品的銷量將為9810萬套。而在全世界范圍內(nèi)射頻產(chǎn)品的銷售額,1989年為0.81億美元,1992年為1.41億美元、1997年為4.33億美元,1999年則為6.85億美元,其中在1992-1999年間射頻識別產(chǎn)品在全世界銷售額的年平均增長率達25.3%。ABI估計,到2008年,RFID電子標簽、閱讀器和相關(guān)軟件與服務的銷售額可望增至30億美元。由此可見,射頻識別技術(shù)具有廣闊的市場前景。

  一項由麻省理工學院(MIT)和IBM針對自動化識別系統(tǒng)(Auto-ID)與新型無線射頻識別技術(shù)目前企業(yè)使用現(xiàn)狀的調(diào)查報告顯示:“自動化識別系統(tǒng)”將成為供應鏈管理的有力工具,有71%的企業(yè)將于2005年底前應用自動化識別系統(tǒng);而有75%的制造業(yè)則會在2006年底前應用這種系統(tǒng)。美麻省理工學院(MIT)在芝加哥召開的EPC研討會上首次公開展示其研發(fā)了近5年的EPC網(wǎng)絡(Electronic Product Code,即電子產(chǎn)品編碼)。這種下一代條形碼系統(tǒng)可用一塊微芯片替換目前大多數(shù)商品上的黑色條形碼。目前這種電子標簽的價格約為50美分,隨著應用市場的進一步擴大,價格將逐步降為25美分甚至5美分。

4 主要應用領(lǐng)域

  射頻識別技術(shù)被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、防偽等眾多領(lǐng)域,甚至軍事用途,在伊拉克戰(zhàn)爭期間,美國軍方大量使用了該項技術(shù),用裝入袖口中的RFID芯片跟蹤受傷的士兵。射頻識別技術(shù)主要應用領(lǐng)域有如下一些方面:

  (一)在商業(yè)供應鏈的應用

  全世界最大的零售商沃爾碼要求它前一百家大的供應商必需在2005年前為RFID技術(shù)的應用做好準備。專業(yè)人士預測,到2012年,RFID芯片的價格將降到比一粒米還便宜,還可以印在產(chǎn)品的包裝盒上,也能印在價格標簽上。依靠RFID系統(tǒng)跟蹤商店的庫存和收支情況,一清二楚。如果你是顧客,當你拿起商品要走出大門的時候,設在入口處的RFID發(fā)射接收器就能立即計算出你的購買總額,并從你錢包中的RFID信用卡上減去相應的金額,毋須勞你自己動手。

  值得關(guān)注的是,微軟公司決定加入發(fā)展射頻識別技術(shù)的陣營,為催生這種貨物流向追蹤技術(shù)助一臂之力。IBM幫助麥德龍集團未來商店建立零售業(yè)科技新標準。

  (二)安全、防偽方面的應用

  偽造問題在世界各地都是令人頭疼的問題,現(xiàn)在應用的防偽技術(shù)如全息防偽等技術(shù)同樣也被不法分子偽造。將射頻識別技術(shù)應用在防偽的領(lǐng)域有它自身的技術(shù)優(yōu)勢,它具有成本低但卻很難偽造的優(yōu)點。利用這種技術(shù)不用改變現(xiàn)行的數(shù)據(jù)管理體制,唯一的產(chǎn)品標識號完全可以做到與已用數(shù)據(jù)庫體系兼容。

   歐洲中央銀行準備在歐元中嵌入極小的射頻識別電子標簽。其主要目的是識別鈔票真?zhèn)?,防止偽造鈔票。同時,射頻識別標簽還能夠記錄鈔票交割的細節(jié),可以跟蹤非法交易,防止洗錢行為。使用射頻識別芯片還能夠簡化、加快記帳等銀行的日常處理工作。使用這種標簽,一疊鈔票能夠從一個閱讀器通過就能夠統(tǒng)計出總數(shù)來,就像使用射頻識別標簽的系統(tǒng)跟蹤存貨一樣。

   (三)、車輛管理系統(tǒng)

  1、高速公路自動收費及交通管理

  高速公路自動收費系統(tǒng)是RFID技術(shù)最成功的應用之一。目前中國的高速公路發(fā)展非???,地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的先決條件就是有便利的交通條件,而高速公路收費卻存在一些問題,一是交通堵塞,在收費站口,許多車輛要停車排隊交費,成為交通瓶頸問題;二是少數(shù)不法的收費員貪污路費、使國家損失了財政收入。RFID技術(shù)應用在高速公路自動收費上能夠充分體現(xiàn)它非接觸識別的優(yōu)勢。讓車輛高速通過收費站的同時自動完成收費。同時可以解決收費員貪污路費及交通擁堵的問題。

  1996年、佛山市政府安裝了RFID系統(tǒng)用于自動收取路橋費,明顯地提高車輛通過率,緩解公路瓶頸。車輛可以在250公里的時速下用少于0.5毫秒的時間被識別,并且正確率達99.95%。上海也安裝了基于RFID技術(shù)的自動收繳養(yǎng)路費系統(tǒng)。廣州也嘗試在開放的高速公路上用RFID系統(tǒng)對高速行駛的車輛進行自動收費。

  2、停車場智能化管理系統(tǒng)

  無需停車,系統(tǒng)自動識別車輛的合法性,完成放行(禁止)、紀錄等管理功能。節(jié)約進出場的時間、提高工作效率,杜絕管理費的流失。

  3、營區(qū)、重要部門車輛管理

  政府機關(guān)、公安、軍事部門、機關(guān)大院等重要部門的車輛出入,根據(jù)保密級別可設置不同權(quán)限,允許進入不同區(qū)域。對于安裝假牌、假證的車輛,無法混入,有效的保障了重要部門的安全。

  4、城市車輛動態(tài)管理  對道路交通流量實時監(jiān)控、統(tǒng)計、調(diào)度;車輛闖紅燈記錄報警;被盜(可疑)車輛報警、跟蹤;特殊車輛跟蹤;肇事逃逸車輛排查等等。有趣的是,英國計劃在汽車上裝此類芯片,超速將被自動“舉報”。

  5、公共交通電子車票

  射頻識別系統(tǒng),特別是非接觸IC卡應用潛力最大的領(lǐng)域之一就是公共交通領(lǐng)域。使用非接觸式IC卡作為電子車票,具有使用方便、可以縮短交易時間,降低運營成本等優(yōu)勢。韓國漢城在1996年就采用了這一系統(tǒng)。目前,北京的公交車如719、749路等公交車也都加裝了電子車票收費系統(tǒng),將很快投入運營。

  (四) 、人員的管理

  1、實現(xiàn)公安、交警機動巡邏人員的動態(tài)管理,加強對巡邏交警(巡警)的監(jiān)督和調(diào)度,提高公安警力對突發(fā)事件的機動反應能力。

  2、人員身份自動識別、門禁管理系統(tǒng)

   將來的門禁保安系統(tǒng)均可應用射頻卡,一卡可以多用,比如作工作證、出入證、停車卡、飯店住宿卡甚至旅游護照等等,人員出入時自動識別身份,非法闖人會有報警。安全級別要求高的地方、還可以結(jié)合其它的識別方式,將指紋、掌紋或顏面特征存入射頻卡。

 ?。ㄎ澹?、物流管理

  1、鐵路貨運編組調(diào)度系統(tǒng)

  火車按既定路線運行,讀寫器安在鐵路沿線,就可得到火車的實時信息及車廂內(nèi)裝的物品信息。通過讀到的數(shù)據(jù),能夠得到火車的身份、監(jiān)控火車的完整性,以防止遺漏在鐵軌上的車廂發(fā)生撞車事故,同時在車站能將車廂重新編組。

  2、集裝箱識別系統(tǒng)

  將記錄有集裝箱位置、物品類別、數(shù)量等數(shù)據(jù)的標簽安裝在集裝箱上,借助射頻識別技術(shù),就可以確定集裝箱在貨場內(nèi)的確切位置,在移動時可以將更新的數(shù)據(jù)寫入射頻卡(電子標簽)。系統(tǒng)還可以識別未被允許的集裝箱移動,有利于管理和安全。

  3、郵件、郵包的自動分揀系統(tǒng)

  射頻識別技術(shù)已經(jīng)被成功應用到郵政領(lǐng)域的郵包的自動分揀系統(tǒng)中,它具有非接觸、非視線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c,所以包裹傳送中可以不考慮包裹的方向性問題。另外,當多個目標同時進入識別區(qū)域時,可以同時識別,大大提高貨物分揀能力和處理速度。另外,由于電子標簽可以記錄包裹的所有特征數(shù)據(jù),更有利于提高郵包分揀的準確性。

  4、還可用于重要物資的防盜與管理;軍事物資運輸?shù)娜瘫O(jiān)控等。

5 結(jié)論

  射頻識別技術(shù)在中國起步較晚,但是它的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?,前景非常誘人。射頻識別也可用于更為廣泛的領(lǐng)域,如美國準備把這項技術(shù)用于反恐,在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域也有其獨特的應用。在信息社會,對于各種信息的獲取及處理要求快速、準確。在不久的將來RFID技術(shù)就將同其它識別技術(shù)一樣深入我們的生活、改善我們的生活。

參 考 文 獻

  [1] C.; Declercq, M.; Joehl, N.; Curty, J.-P. Dehollain, "A global survey on short range low power wireless data transmission architec- tures for ISM applications." Semiconductor Conference, 2001. CAS 2001 Proceedings. International , Volume: 1 , 2001 Page(s): 117 -126 vol.1

  [2] Rao, K.V.S., "An overview of backscattered radio frequency identification system (RFID) ", Microwave Conference, 1999 Asia Pa- cific , Volume: 3 , 1999 ,Page(s): 746 -749 vol.3.

  [3] Passive RFID Basics. Pete Sorrells ,Microchip Technology Inc.

  [4] 沈宇超,沈樹群,“射頻識別技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀” , 《電子技術(shù)應用》, 1999年 第1期。

  [5] 國際標準組織發(fā)布協(xié)議草案ISO/IEC 18000系列,編號ISO/IEC JTC 1/SC 31/WG 4 N652R.2003.2

  張益強,男,1974年4月出生,河北定州人,北京航空航天大學信息與通信專業(yè)博士研究生,主要研究方向,射頻識別。


----《中國數(shù)據(jù)通信》