“物聯(lián)網(wǎng)”推動RFID技術和通信網(wǎng)絡的發(fā)展*

黃 鵬1，楊云志，李元忠

(1.中國電信四川信產公司，成都 610040；2.中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

當前，各國政府領導人非常重視“物聯(lián)網(wǎng)”在經濟領域的作用，國內外一些權威人士紛紛就此發(fā)表高見，把“物聯(lián)網(wǎng)”說成是新的經濟增長點，是扭轉世界經濟危機的希望。2009年9月曾引起與“物聯(lián)網(wǎng)”概念和射頻識別相關企業(yè)(如廈門信達、新大陸、大唐電信、遠望谷)個股的漲停。在今年的“兩會”上，“物聯(lián)網(wǎng)”也成為代表們討論的熱點之一。

作為“物聯(lián)網(wǎng)”上游技術之一的超高頻(UHF)射頻識別(RFID)技術，具有識讀快速、方便、距離遠等特點，被認為是最具發(fā)展前途的信息技術之一。歐、美、日、韓等國政府以及世界零售業(yè)巨頭(如沃爾瑪、麥德隆)投入巨資推動RFID產品在“物聯(lián)網(wǎng)”應用的快速發(fā)展。美國軍需供應局全面導入RFID技術應用計劃，并建設了“軍事物流可視化管理系統(tǒng)”，成為美國全球戰(zhàn)斗保障系統(tǒng)(GCSS)的重要組成部分[1，2]。我國不少民營企業(yè)從20世紀90年代開始引進和應用RFID技術，其中“華虹”、“遠望谷”、“新源科技”、“三寶”、“先施”等公司先后開發(fā)生產出高頻(HF)RFID芯片、UHF無源電子標簽(簡稱“標簽”)、讀寫器、一體化讀寫手機(同時具有UHF-RFID讀寫、激光掃描、GPS定位和移動通信功能)和各種應用系統(tǒng)(見圖1)。2006年，國家科技部、信產部和發(fā)改委先后出臺多項政策和通知,推動RFID技術、產品及應用系統(tǒng)的發(fā)展。國內很多研究單位，如中國電子科技集團公司十四所、二十七所、三十所、五十四所、民航二所和國營783廠，特別是大的通信公司(如中興)先后加入到RFID產品及系統(tǒng)的開發(fā)，尋求新的市場份額。它們的介入，將大大促進“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。

UHF臺式讀寫器

一體化讀寫手機

各種UHF電子標簽

2 “物聯(lián)網(wǎng)”原理簡介

什么是“物聯(lián)網(wǎng)”？“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of Things)指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結合起來，組成一個巨大的網(wǎng)絡，然后將生活中的所有“物品”都納入這個網(wǎng)絡，方便識別和管理，其示意圖見圖2，該圖重點在與RFID和通信系統(tǒng)有關的部分?！拔锫?lián)網(wǎng)”利用傳感設備采集“物品”信息(包括位置、標簽信息)，通過互聯(lián)網(wǎng)與信息管理中心的數(shù)據(jù)庫進行信息交換?！盎ヂ?lián)網(wǎng)”的終端是人，“物聯(lián)網(wǎng)”的終端是物(品)。

國內外已生產集RFID讀寫、激光掃描、GPS定位、移動通信等多功能的一體化讀寫手機。人們可用這種手機對著“物品”，按“讀取”鍵，就可以讀到貼在該“物品”上的“標簽”(或條碼)的編號；再按“查詢”鍵，就可以查詢到該“物品”的相關信息(如性能、廠商、出廠日期、價格等)，并在手機屏上顯示；如果中意，按“采購”鍵，就可完成訂貨程序；當您回到家時，也許該“物品”已經“快遞”到您的家門口。不久的將來，可以借助這種多功能手機和通信網(wǎng)絡，巡視您家的室內外實時圖像，查看冰箱內食品的短缺和期限，遙控家用電器的開關，調節(jié)空調的溫度?！拔锫?lián)網(wǎng)”將會讓您的生活更便捷和舒適。

圖2 “物聯(lián)網(wǎng)”組成示意圖

3 “物聯(lián)網(wǎng)”的應用基礎

龐大的通信網(wǎng)絡和超大容量的數(shù)據(jù)庫是“物聯(lián)網(wǎng)”的應用基礎和平臺。

通信網(wǎng)絡包括短程通信(如ZigBee、WiFi、藍牙)、局域網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)(如CDMA、GPRS、3G)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等，它們是用戶與數(shù)據(jù)庫和商家進行交流的橋梁。 “物聯(lián)網(wǎng)”管理中心的數(shù)據(jù)庫將存儲全球上億種產品的各種數(shù)據(jù)，如性能、廠商、出廠日期、價格等。這些數(shù)據(jù)的全生命過程的管理，如產品信息采集、數(shù)字化、編碼、存儲、調用、更新、加密、刪除等，是一項非常復雜、細致的工作。

“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，將為通信產業(yè)、數(shù)據(jù)庫和接口轉換模塊產品(如RS232、USB等)以及軟件的開發(fā)生產廠商帶來巨大的市場和商機。

值得一提的是，UHF-RFID和超高頻移動通信的頻段有所覆蓋，因此在芯片、模塊開發(fā)生產的儀器、設備和工藝有所兼容，可以降低開發(fā)生產成本。

4 RFID技術在“物聯(lián)網(wǎng)”大規(guī)模應用的瓶頸

RFID技術大規(guī)模應用于市場，一是物流領域(“物聯(lián)網(wǎng)”)，二是郵政管理，三是車輛監(jiān)管。物流領域包括商品零售供應鏈、工業(yè)和軍事物流。工業(yè)物流管理主要包括航空行李、航材、鋼鐵、煙草、酒類等領域的物流管理以及海關通關車輛(集裝箱)的監(jiān)管。2006年中國有1 000多家企業(yè)每年為“沃爾瑪”提供價值約180億美元的貨物。如果說“沃爾瑪”是RFID物流市場的推動者之一，那么我國將是RFID技術在物流應用的最大潛在市場之一。我國已成為世界制造大國，大中型企業(yè)的信息化管理水平不僅是改變傳統(tǒng)產業(yè)的銳利武器，還是企業(yè)集聚優(yōu)勢、提高自身競爭力、融入經濟全球化的戰(zhàn)略選擇，而RFID技術正是提高企業(yè)物流信息化管理水平的重要手段。

“物聯(lián)網(wǎng)”給RFID產業(yè)帶來很大的市場空間，但是，我國RFID產品在物流領域的應用市場并不理想，原因何在？據(jù)統(tǒng)計，RFID系統(tǒng)成本的60%～70%在“標簽”，特別是UHF-RFID“標簽”的價格是制約它在物流市場大規(guī)模應用的“瓶頸”。價高難以形成規(guī)模市場；反過來，沒有規(guī)模市場又難以降低產品成本，這是一對矛盾。有專家認為，價格的底線是：“標簽”的價格應小于所安裝“物品”價格的1%。對于車輛或武器裝備，這個底線不是門坎，但是對于物流中的普通“商品”，它就是難以逾越的高臺階。

5 擴大RFID技術在“物聯(lián)網(wǎng)”市場規(guī)模的措施[3-7]

“物聯(lián)網(wǎng)”概念推動我國RFID技術的發(fā)展，作為回應，我們應該采取哪些措施來擴大RFID產品及其系統(tǒng)在“物聯(lián)網(wǎng)”中的應用市場呢？

5.1 “組合識別”是擴大UHF-RFID產品在“物聯(lián)網(wǎng)”市場規(guī)模的措施

所謂“組合識別”，是將UHF和HF“標簽”及條形碼(一維或多維)用于同一項物流管理系統(tǒng)中。采用“組合識別”的系統(tǒng)，其讀寫器也應具有讀取UHF和HF“標簽”及條碼數(shù)據(jù)信息的能力。

這種“組合識別”既完成對各類“物品”的識別，又降低系統(tǒng)的成本，從而加速RFID技術在物流領域的應用。

物流倉庫管理中，在倉庫的貨架和地面，安裝UHF“標簽”(稱為“坐標位置標簽”)，組成位置矩陣，不同位置的“標簽”，其識別地址(ID)號不同。當同時讀到“坐標位置標簽”、物品或托盤上“標簽”的ID號時，就能確定該物品或托盤所在的位置(如第幾行，第幾列，哪個貨架的第幾層)。為節(jié)省成本，在貨箱上安裝HF“標簽”，在“物品”上安裝條碼。這里所說的倉庫管理就是“組合識別”的實例，見圖3。圖中包括上述各種“標簽”、條碼以及安裝在叉車上的多功能一體化讀寫器、天線。

圖3 物流倉庫管理示意圖

5.2 “多種多樣”的“標簽”適應各種“物品”

所謂“多種多樣”的“標簽”，是指不同識別速度、不同識別距離、安裝于不同“物品”表面的“標簽”：

(1)高可靠、防拆加密、快速(≥60 km/h)、長距離(≥20 m)識別的UHF-RFID“標簽”，用于對車輛、集裝箱、大型武器裝備的識別。這種“標簽”價格較高，主要用于軍事物流、部分工業(yè)物流和重要部位的車輛監(jiān)管等；

(2)慢速、長距離(≥10 m)UHF-RFID“標簽”，用于工業(yè)物流和倉庫門禁等；

(3)近距離(≤0.1 m)HF-RFID“標簽”，用于一般“物品”的識別；

(4)能安裝于金屬表面和其它特殊介質的“標簽”。

物流管理的物資不同，其表面介質不同，如汽車擋風玻璃、包裝箱紙質面、鋼材金屬面等。安裝于不同介質表面，長距離識別UHF-RFID無源“標簽”的微帶天線及基片材料是不同的。

5.3 多功能讀寫器讀取各種“標簽”或條碼的信息

(1)一體化讀寫手機

一體化讀寫手機攜帶方便，能機動、近距離地讀取UHF和HF“標簽”以及條碼的數(shù)據(jù)信息；配置通信模塊和接口(如WiFi或GPRS或CDMA)完成短程和遠程通信；配置GPS模塊，通過通信模塊將位置信息傳給管理中心，完成定位。

(2)多功能臺式讀寫器

它能遠距離、快速讀取“物品”上的UHF“標簽”的信息；配置有多種控制模塊，能控制多種外部設備，如電動欄桿、信號燈、報警器、顯示牌等，適用于RFID固定站和移動查驗車。

6 信息安全和唯一性是特殊物流管理的需要

在軍事和工業(yè)物流的應用中，要求保護用戶信息機密，防范對“標簽”及其系統(tǒng)的攻擊；在海關車輛和集裝箱監(jiān)管應用中，要求保證車輛(集裝箱)與“標簽”的唯一對應關系，防止通關車輛(集裝箱)的走私。為滿足這些高端應用要求，RFID技術將采用哪些手段呢？

6.1 “標簽”加密

在“標簽”芯片存儲器中，一般有12個字節(jié)是芯片的識別地址(ID)號，它在出廠時被鎖死，不能更改，全世界唯一。交用戶使用后，用戶可在存儲器的其它空間，寫入“物品”的部分相關信息及加密信息，并與ID號捆綁在一起，難以解密，再加上防拆技術的應用，從而實現(xiàn)“標簽”與“物品”之間的唯一對應關系。這些措施已成功用于多種應用系統(tǒng)中。

6.2 RFID芯片、讀寫器和系統(tǒng)安全技術的應用

上述加密技術是成熟的安全措施，適用于一般的民用。對于軍事物流的應用，還必須對RFID芯片和系統(tǒng)采取更嚴格的安全措施。

(1)“標簽”的密碼設置

密碼協(xié)議是“標簽”芯片安全研究的重點，國內外廠商都在抓緊這項艱巨的開發(fā)工作，設置“標簽”記憶體密碼和記憶體開關(鍵)就是硬件解決方案之一。這項工作已在HF“標簽”上首先實現(xiàn)，UHF“標簽”不久也會成功。

(2)讀寫器保護功能的設置

讀寫器發(fā)送解鎖密碼之前，讓“標簽”的數(shù)據(jù)處于鎖定狀態(tài)；它也可清除“標簽”的數(shù)據(jù)。用這種硬件方案，實現(xiàn)讀寫器對“標簽”數(shù)據(jù)的保護功能。

(3)系統(tǒng)軟件加密

可采用流密碼加密或其它加密方法，對系統(tǒng)的信息進行加密。流密碼加密是指將明文信息逐位加密成密文的單鑰體制。偽噪聲編碼加密就是硬件方法之一，其優(yōu)點在于它的形成方式和結構的多樣化、軟件化，它還可隨時變換密鑰，增強抗干擾能力。

7 結束語

我國“物聯(lián)網(wǎng)”的規(guī)模和管理水平，與我國在世界經濟的地位不相適應。我們試圖借“物聯(lián)網(wǎng)”的熱潮和《電訊技術》平臺，與廣大從事RFID技術的業(yè)者交流討論，以擴大RFID產品在“物聯(lián)網(wǎng)”特別是軍事和工業(yè)“物聯(lián)網(wǎng)”市場應用的規(guī)模，推動RFID技術和經濟發(fā)展。

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