RFID技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

趙 斌，張紅雨

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)，使用射頻電波識別敵機和友機[1]。RFID技術(shù)利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到自動識別的目的，該技術(shù)具有防水、耐高溫、使用壽命長、讀取距離遠、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量大、存儲信息可以隨意修改、可以識別高速運動中的物體，可識別多個標簽，可以在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。隨著該技術(shù)的不斷完善，在社會生產(chǎn)生活中的應(yīng)用將越來越廣泛。例如商品防偽，國防軍事，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT），智能交通，電子門票，身份識別和一卡通等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)主要由電子標簽，天線，讀寫器和主機組成。電子標簽（Tag），非接觸式IC卡，放在需要被識別的物體上，由耦合元件和芯片組成，標簽有內(nèi)置天線，可以發(fā)送和接收信號；天線（Antenna）：完成無線信號的發(fā)送和接收；讀寫器（Reader）可以發(fā)送和接收命令，并與主機通信，執(zhí)行主機命令；主機（Host）發(fā)送用戶命令和顯示接收數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)根據(jù)工作頻段和工作方式具有不同的性能，應(yīng)用于不同場合。

1）標簽 根據(jù)標簽是否有電源，分為有源和無源標簽；根據(jù)標簽的可讀寫性，分為只讀和讀寫標簽；根據(jù)調(diào)制方式，分為主動式、被動式和半主動式標簽；根據(jù)標簽和閱讀器發(fā)言順序，分為 RTF（Reader Talk First）和 TTF（Tag Talk First）；根據(jù)頻段的不同，分為低頻、高頻、超高頻和微波標簽。

2）天線 天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按其工作的頻段可分為短波、超短波、微波等天線；按方向性可分為全向、定向等天線；按外形可分為線狀、面狀等天線。

3）讀寫器 讀寫器是RFID系統(tǒng)的核心，其基本作用就是作為連接前向信道和后向信道的核心數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)。

讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)之間通信：讀寫器將標簽發(fā)來的調(diào)制信號，經(jīng)過解調(diào)解碼后，通過USB、串口、網(wǎng)口等，將得到的信息傳給應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)可以給讀卡器發(fā)送相應(yīng)的命令，控制讀寫器完成相應(yīng)的任務(wù)。讀寫器可以將其有效射頻范圍內(nèi)可以激活符合標準的多個電子標簽，可以同時識別多個標簽，具有防碰撞功能。

RFID系統(tǒng)基本工作原理是：閱讀器通過天線發(fā)出含有信息的一定頻率的調(diào)制信號；當電子標簽進入到閱讀器的工作區(qū)時，其天線通過耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而為電子標簽提供相應(yīng)的能量，此時標簽根據(jù)閱讀器發(fā)來的信息決定是否響應(yīng)，是否發(fā)送數(shù)據(jù)；當閱讀器接收到電子標簽發(fā)送過來的信號，經(jīng)過解調(diào)和解碼之后，將標簽內(nèi)部的數(shù)據(jù)識別出來。

1.2 RFID的工作頻率

射頻卷標的工作頻率不僅決定著射頻識別系統(tǒng)的工作原理（電感耦合還是電磁耦合）、識別距離，還決定著射頻標簽及讀寫器實現(xiàn)的難易程度和設(shè)備的成本。

從功能方面來看，RFID標簽主要分為3種：只讀卷標、可重寫卷標、帶微處理器卷標。只讀型卷標的結(jié)構(gòu)功能最簡單，包含的信息較少并且不能被更改；可重寫型卷標集成了容量為幾十字節(jié)到幾萬字節(jié)的閃存，卷標內(nèi)的信息能被更改或重寫；帶微處理器卷標依靠內(nèi)置式只讀存儲器中存儲的操作系統(tǒng)和程序來工作，出于安全的需要，許多標簽都同時具備加密電路。

工作在不同頻段或頻點上的射頻標簽具有不同的特點。射頻識別應(yīng)用占據(jù)的頻段或頻點在國際上有公認的劃分，即位于 ISM 波段 之中 。 典型工作頻 率 ：125、133 kHz，13.56、27.12、433、902～928 MHz，2.45、5.8 GHz等。

1）低頻段射頻標簽 其工作頻率范圍為30～300 kHz。典型工作頻率有125，133 kHz。低頻標簽一般為無源標簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時，低頻標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。低頻標簽的閱讀距離一般情況下小于1 m。

2）中高頻段射頻標簽 中高頻段射頻標簽的工作頻率一般為3～30 MHz。典型工作頻率為13.56 MHz。該頻段的射頻標簽，從射頻識別應(yīng)用角度來說，因其工作原理與低頻卷標完全相同，即采用電感耦合方式工作。另外，根據(jù)無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也稱為高頻標簽。中頻標簽一般采用無源設(shè)計，其工作能量同低頻標簽一樣，也是通過電感（磁）耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。中頻標簽的有效閱讀距離一般情況下小于1 m，其典型應(yīng)用有電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜等。

3）超高頻與微波標簽 超高頻與微波頻段的射頻標簽，簡稱為微波射頻卷標，其典型工作頻率為433.92、862（902）～928 MHz，2.45、5.8 GHz。微波射頻卷標可分為有源卷標與無源卷標兩類。工作時，射頻卷標位于閱讀器天線輻射場的遠區(qū)場內(nèi)，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1 m，典型情況為4～6 m，最大可達10 m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標簽才可被讀/寫。

1.3 RFID防沖突算法

1.3.1 防沖突的多址接入方式[2]

RFID的多址接入方式主要有3類：

1）空分多址（SDMA）空分多址通過采用智能天線陣技術(shù)降低了對單個閱讀器識別距離的要求，空分多址對于UHF和微波頻率更有實用價值。目前RFID空分多址技術(shù)已被成功應(yīng)用在馬拉松賽事，通過給每個運動員配置1個電子標簽，用標簽檢測運動員的到達時間。

2）頻分多址（FDMA）通過給閱讀器分配不同佶道，降低閱讀器之間發(fā)生沖突的概率。

3）時分多址（TDMA）基于TDMA方式的防沖突協(xié)議已被大多數(shù)國際標準采納，其中ALOHA協(xié)議和二進制樹協(xié)議就采用TDMA方式。

1.3.2 RFID防沖突算法的新進展

防沖突算法是RFID解決多目標識別的關(guān)鍵技術(shù)，具體可分為標簽防沖突和閱讀器防沖突2大類型。當閱讀器信號范圍內(nèi)存在多個標簽，同一時刻有2個或以上的標簽向閱讀器發(fā)送信息時，就會產(chǎn)生標簽沖突，解決途徑是使用Aloha或二進制樹搜索防沖突算法。Aloha防沖突算法由于延遲時間和檢測時間是隨機分布的，是一種不確定性算法，可分為非時隙、時隙以及自適應(yīng)Aloha防沖突算法，其中自適應(yīng)Aloha[2]方法的信道利用率最高。先對標簽的數(shù)量進行動態(tài)估計，然后根據(jù)一定的優(yōu)化準適應(yīng)選取延遲時間和幀長，其優(yōu)點是能顯著提高識別速率，缺點是復雜度明顯提高。基于Aloha協(xié)議的防沖突算法不能完全解決沖突，可能存在 “標簽饑餓”問題，即某特定標簽在很時間都沒有被識別。

2 RFID信息安全

RFID的保密性相對于條碼識別等傳統(tǒng)的識別系統(tǒng)具有較好的保密性，但是其數(shù)據(jù)非常容易受到攻擊，主要是芯片以及芯片在讀寫數(shù)據(jù)的過程中容易被他人攻擊。所以，保護存儲在RFID芯片數(shù)據(jù)的安全是一個關(guān)鍵的問題。最新的RFID標準重新設(shè)計了UHF空中接口協(xié)議，該協(xié)議用于管理從標簽到讀卡器的數(shù)據(jù)的移動，為芯片中存儲的數(shù)據(jù)提供了一些保護措施。新標準采用“一個安全的鏈路”，保護被動標簽免于受到大多數(shù)攻擊行為。當數(shù)據(jù)被寫入卷標時，數(shù)據(jù)在經(jīng)過空中接口時被偽裝。從卷標到讀卡器的所有數(shù)據(jù)都被偽裝，所以當讀卡器在從卷標讀或者寫數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)不會被截取。一旦數(shù)據(jù)被寫入卷標，數(shù)據(jù)就會被鎖定，這樣只可以讀取數(shù)據(jù)，而不能被改寫，就是具有人們常說的只讀功能。

沒有可靠安全機制，對于只讀標簽中的數(shù)據(jù)信息無法進行很好的保密，對于可讀可寫標簽，還存在電子標簽上的信息被惡意更改的隱患。如果電子標簽中的信息被竊取甚至惡意更改，將來可能帶來無法估量的損失。

解決這些安全問題的一個途徑就是研究RFID標簽加密技術(shù)。加密技術(shù)可用來防止未授權(quán)的窺探者取得或篡改電子標簽信息，但目前只有少數(shù)RFID芯片能夠處理壓入加密鑰等較復雜的工作。此外，能夠處理這些工作的RFID標簽，都是市面上最昂貴的產(chǎn)品。因此，目前的RFID技術(shù)要想在對信息有保密要求的軍事等項目展開應(yīng)用還存在著障礙。從國家安全的高度考慮，應(yīng)該積極開發(fā)自己的RFID加密技術(shù)。

新的EPCgolbal超頻第二代協(xié)議標準增強了無源標簽的安全性能。據(jù)EPCglobal產(chǎn)品管理總監(jiān)Sue Hutchinson介紹，新標準不僅提供了密碼保護，而且能對數(shù)據(jù)從標簽傳輸?shù)阶x取器的過程進行加密，而不是對標簽上的數(shù)據(jù)進行加密。

隱私安全問題主要體現(xiàn)在RFID標簽上。一種想法是“軟屏蔽器”（soft blocker）。它能加大對顧客的隱私偏好的保護，不過這是在商品已經(jīng)購買之后。在銷售點，顧客會出示其會員卡，通過這張卡就能看到其隱私偏好的數(shù)據(jù)?！吧唐焚徺I之后，銷售點就會立即對隱私數(shù)據(jù)進行更新，保證這些數(shù)據(jù)不會被某些讀取器讀取，比如供應(yīng)鏈讀取器?！盧SA實驗室RFID解決方案構(gòu)架師Dan Bailey說。軟屏蔽器可能是解決RFID標簽隱私問題的一個好辦法，在EPCglobal第二代標簽中就加入了這種功能。

借鑒其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在零售商店中，或者在貨物從一個地點運輸?shù)搅硪粋€地點的過程中，有很多機會可以覆蓋甚至修改RFID標簽上的數(shù)據(jù)。這種漏洞在公司用來處理貼有RFID標簽的貨箱、托盤或其他貨物的網(wǎng)絡(luò)上同樣存在。這些網(wǎng)絡(luò)分布在公司的配送中心、倉庫或商店的后臺。未經(jīng)安全處理的無線網(wǎng)絡(luò)，給攔截數(shù)據(jù)帶來了機會。而在RFID讀取器的后端是非常標準化的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，因此，RFID后端的網(wǎng)絡(luò)存在的安全問題及其機會和互聯(lián)網(wǎng)是一樣的。

在讀取器后端的網(wǎng)絡(luò)中，完全可以借鑒現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各種安全技術(shù)。解決辦法是，確保網(wǎng)絡(luò)上的所有閱讀器在傳送信息給中間件（中間件再把信息傳送給企業(yè)系統(tǒng)）之前都必須通過驗證，并且確保閱讀器和后端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流是加密的。部署RFID閱讀器時應(yīng)采取一些非常切合實際的措施，確保驗證后方可連入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并且不會因為傳輸而被其他人竊取重要信息。比如，基于Symbol Technologies和ThingMagic等公司的技術(shù)的閱讀器支持標準的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括防止未授權(quán)者訪問的內(nèi)置驗證方法。

為了防止有人竊聽RFID閱讀器發(fā)出的功率較高的信號，采用名為“無聲爬樹”的反竊聽技術(shù)的方法。Burt Kaliski表示，在RFID無線接口的限制范圍內(nèi)，這種方法可確保閱讀器絕不重復發(fā)送標簽上的信息。RFID標簽上的數(shù)字不是由閱讀器播送，而是被間接引用，接收端中間件知道該如何解釋這些數(shù)字，而竊聽者卻不知道。

“透明”引發(fā)的數(shù)據(jù)危機雖然RFID技術(shù)的應(yīng)用提高了整個供應(yīng)鏈的透明度，但由此也引發(fā)了人們對數(shù)據(jù)安全的擔憂。企業(yè)對數(shù)據(jù)需要有很強的安全感，對于企業(yè)而言，他們的數(shù)據(jù)包括與他們業(yè)務(wù)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，不再僅僅是他們自己的數(shù)據(jù)，也是他們貿(mào)易伙伴的數(shù)據(jù)。

3 RFID技術(shù)的研究現(xiàn)狀

至今，RFID技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展得很快，RFID產(chǎn)品種類很多。在市場需求方面，世界上最頂尖的零售業(yè)巨頭沃爾瑪[3]、Tesco、麥德龍要求其供應(yīng)商提供的商品必須有RFID標簽；在中間軟件開發(fā)上，有微軟、甲骨文（Oracle）、Sun等IT巨頭宣布進軍RFID的軟件開發(fā)；在硬件設(shè)備供應(yīng)上，Motorola、Alien、飛利浦、德州儀器、IBM等宣布針對日益成熟的RFID智能卡市場進行戰(zhàn)略聯(lián)盟；在技術(shù)標準方面，各國及相關(guān)國際組織都在積極推進RFID技術(shù)標準的制定，但是目前還沒有形成統(tǒng)一的國際標準，當前主要的標準有歐美的EPC規(guī)范，日本的UID（Ubiquitous ID）規(guī)范和ISO18000系列標準。

中國近年來也一直在大力發(fā)展RFID技術(shù)。目前，國內(nèi)RFID產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本建立，主要集中在上海、深圳、北京等地，其中上海以芯片為主（如復旦微電子、上海華虹等），而深圳則以封裝、應(yīng)用占優(yōu)勢（如先施、遠望谷等），北京在系統(tǒng)集成方案等方面得到快速發(fā)展。

在實際應(yīng)用方面，深圳先施科技推出眾多UHF頻段RFID讀寫器產(chǎn)品，其主力產(chǎn)品一體化讀寫器在國內(nèi)停車場占有率居第1位；深圳遠望谷瞄準鐵道系統(tǒng)的鐵路車號識別的應(yīng)用，開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)；江蘇瑞福開發(fā)的UHF頻段RFID讀寫器在車輛管理、智能交通等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用。

雖然國內(nèi)RFID技術(shù)在這幾年來取得了長足的進步，但是RFID技術(shù)的發(fā)展還任重道遠，現(xiàn)在，射頻識別技術(shù)在中國仍然處于一個剛剛起步的階段，其發(fā)展?jié)摿薮?，前景誘人。

4 RFID應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 RFID技術(shù)與無線傳感器技術(shù)結(jié)合

與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）[4]的結(jié)合，使RFID技術(shù)的發(fā)展向前一大步，電子標簽結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，但是電子標簽并不僅僅是無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因為在電子標簽和無線傳感器之間沒有一個自組織網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳遞；然而傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠及時地傳遞電子標簽的詳細信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)才剛剛起步，而傳感器網(wǎng)絡(luò)也有助于RFID技術(shù)的進一步發(fā)展。

RFID技術(shù)和無線傳感器技術(shù)結(jié)合，在協(xié)作式多邊定位算法（collaborative multilatemtion）的基礎(chǔ)上，融入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點簇集的思想和迭代循環(huán)的思想，利用多個節(jié)點的定位信息來對未知節(jié)點進行定位，參與定位的節(jié)點越多，定位的精確度越高。同時應(yīng)用迭代循環(huán)求精的方法進一步提高定位的精確度。

傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心節(jié)點的位置，因此對節(jié)點一般都不采用全局標識,而RFID技術(shù)對節(jié)點的標識有著得天獨厚的優(yōu)勢，將二者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當需要具體考慮到某個具體節(jié)點的信息的時候，也可以利用RFID的標識功能輕松地找到節(jié)點的位置。

4.2 RFID技術(shù)和NFC

近距離無線通信技術(shù)（Near Field Communication，NFC）是由Philips公司發(fā)起的，由Nokia，Sony等公司聯(lián)合推出的一項新的無線通信技術(shù)[5]。起初，這項技術(shù)只是將RFID技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡單的合并，但是現(xiàn)在已經(jīng)演變成為一種短距離無線通信技術(shù)，其發(fā)展相當迅速，NFC工作在13.56 MHz，數(shù)據(jù)速率為106，212，424 Kb/s。最大通信距離為20 cm，傳輸速率取決于傳輸距離。NFC符合ISO18092和ECMA340定義的標準，而且兼容ISO14443標準，NXP公司的MIFARE和Sony公司的FliCa都兼容。

RFID技術(shù)針對物流、交通、零售等多種行業(yè)，而NFC專門針對消費類電子產(chǎn)品，也可以說NFC是RFID技術(shù)的一種，是更加專門化的RFID技術(shù)，二者是密不可分的，NFC技術(shù)的普及需要RFID技術(shù)的支持，NFC技術(shù)支持移動支付業(yè)務(wù)，NFC手機與模塊結(jié)合，手機也具有支付功能，手機可兼容多種功能，比如城市一卡通?？罩邢螺d（Over-The-Air，OTA）技術(shù)是通過移動通信的空中接口對手機卡上的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)進行遠程管理。使用內(nèi)置NFC功能的手機可以坐公交、購物、就餐、充當電子錢包等等，使日常生活更加方便快捷，2006年Nokia與廈門移動公司和Philips公司合作啟動了全國首個NFC支付試點測試[7-9]，同年Nokia與銀聯(lián)商務(wù)公司在上海啟動了第2個NFC測試點。NFC技術(shù)可以很好地解決實時和現(xiàn)場支付等，使用更加方便、快捷，所以NFC技術(shù)擁有很好的市場前景。

盡管如此，由于NFC是RFID技術(shù)的一個演變，所以其生產(chǎn)成本和相關(guān)的國際標準也會受到RFID技術(shù)的影響，目前，該技術(shù)得到了世界各國政府部門的大力支持，Nokia等全球知名企業(yè)也投入了大量的資源進行開發(fā)，在未來的幾十年，NFC技術(shù)和RFID技術(shù)必將走進每個人的生活。

4.3 RFID技術(shù)與3G

RFID技術(shù)應(yīng)用到3G手機上可以實現(xiàn)實時的信息傳遞和上傳下載，在手機上查閱機票，天氣信息，交通路況等信息。未來RFID技術(shù)與3G技術(shù)的進一步發(fā)展將使人們的生活更加方便快捷。RFID和3G技術(shù)在物流運輸過程中的應(yīng)用可以有效地解決貨物丟失的問題。但是其應(yīng)用成本較高，一般的企業(yè)難以承擔，有待于技術(shù)水平的進一步提高，大規(guī)模的應(yīng)用，降低成本。

5 RFID應(yīng)用前景展望及未來的研究方向

目前，國際上許多大型軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商已經(jīng)開始進軍 RFID軟件領(lǐng)域，SAP、Manhattan Associates、IBM 公司以及其他一些公司都將推出各自的解決方案[6]。而國內(nèi)的技術(shù)力量還比較薄弱，很多廠商都將注意力放在RFID芯片技術(shù)上，對RFID的后端應(yīng)用軟件以及對電子標簽在流通中的管理軟件的關(guān)注還比較少。這需要放眼長遠，時刻關(guān)注應(yīng)用發(fā)展的進展及研究方向，將RFID的推廣應(yīng)用真正落到實處[7]。

據(jù)調(diào)查，2003年非商標類RFID適應(yīng)器的產(chǎn)量是3億單位，2004年可增加到10億單位，商標類RFID卡將會從2003年的3億單位增加到2010年的650億單位。據(jù)IDC的預測，到2008年，僅用于在零售供應(yīng)鏈中跟蹤貨物的RFID市場的規(guī)模就將接近13億美元。對于未來可能成為全球制造業(yè)中心的我國，RFID的市場應(yīng)用更是無可限量。RFID與手機的結(jié)合使用，展現(xiàn)了一項新的應(yīng)用領(lǐng)域，當把智能手機或電腦手機做成讀碼器，使RFID能進入到人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钪校梢韵胂?，其市場將會是多么的巨大。Nokia公司最近研制出適用于5140GSM手機的移動RFID工具包，說明RFID的大規(guī)模商用并不比3G的應(yīng)用遙遠。值得注意的是，為適應(yīng)RFID廣泛應(yīng)用而建立的RFID支持驗證平臺，還需要有一個隨時隨地可接觸到的網(wǎng)絡(luò)，也就是一個開放的，全球地址唯一的Ineternet。因而IPv6也將是RFID所必需的。RFID技術(shù)不像條碼把產(chǎn)品條碼號暴露在外面會引起不安全性。采用條碼標簽的庫存管理，和RFID相比既費時，成本也不低，藍牙技術(shù)可能是一種解決方案，但它適用于少量的高頻帶應(yīng)用，卻不能做到RFID適宜于在1小時內(nèi)可支持幾百個低頻帶傳輸?shù)膽?yīng)用。

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