基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID電子標(biāo)簽研究進(jìn)展?

黃玉蘭

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710121）

基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID電子標(biāo)簽研究進(jìn)展?

黃玉蘭??

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710121）

概述了國際上射頻識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)組織的發(fā)展過程，總結(jié)了電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的射頻識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽實(shí)施策略。目前信息技術(shù)已經(jīng)從人與人的通信，逐步擴(kuò)展到人與物、物與物的通信，國際上對(duì)物品的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展很快，RFID電子標(biāo)簽扮演了重要角色。電子標(biāo)簽是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基石，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的透明化追蹤，但也帶來了數(shù)據(jù)碰撞、保密性差等問題，通過采用防沖突機(jī)制和加密技術(shù)等，可以有效解決這些問題。利用RFID電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)物品識(shí)別具有十分重要的意義，可以極大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使信息技術(shù)發(fā)生根本性變革。

物聯(lián)網(wǎng)；RFID；電子標(biāo)簽；防沖突機(jī)制；加密技術(shù)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求達(dá)到一定階段的必然結(jié)果，已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的新趨勢［1－2］。物聯(lián)網(wǎng)突破了互聯(lián)網(wǎng)人與人通信的限制，通信能力擴(kuò)展到人與物、物與物，通過計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的實(shí)時(shí)交互，使網(wǎng)絡(luò)延伸到物體之上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤。在物聯(lián)網(wǎng)中，射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）的電子標(biāo)簽是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，能快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地完成物體信息的采集和傳輸，從而給物體賦予智能，最終構(gòu)成聯(lián)通萬事萬物的物聯(lián)網(wǎng)。

RFID電子標(biāo)簽在20世紀(jì)40年代產(chǎn)生，最初單純用于軍事領(lǐng)域，從20世紀(jì)90年代開始，在企業(yè)內(nèi)部等閉環(huán)內(nèi)逐步推廣使用。1999年，美國麻省理工學(xué)院提出了EPC系統(tǒng)，EPC系統(tǒng)利用RFID追蹤、管理物品，用電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)全球任何物理對(duì)象的唯一有效標(biāo)識(shí)。EPC系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)概念的最初來源，物聯(lián)網(wǎng)最初的基本思想是為每個(gè)物品提供一個(gè)電子標(biāo)簽，通過電子標(biāo)簽對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并將RFID電子標(biāo)簽與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，目標(biāo)是構(gòu)建全球的、開放的、物品標(biāo)識(shí)的物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，使RFID電子標(biāo)簽產(chǎn)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展［3－4］。2004年，EPC系統(tǒng)推出全球標(biāo)準(zhǔn)，第一代的EPC電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)EPCGen1完成，并在部分應(yīng)用中進(jìn)行了測試；2005年，EPC系統(tǒng)發(fā)布了電子標(biāo)簽的EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)，Gen2標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際中得到應(yīng)用。2009年，歐盟提出《物聯(lián)網(wǎng)——?dú)W洲行動(dòng)計(jì)劃》，列舉了14項(xiàng)行動(dòng)，其中重點(diǎn)提到了RFID技術(shù)。美國Forrester預(yù)測，到2020年，世界上“物物互聯(lián)”的業(yè)務(wù)，跟“人與人通信”的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30比1。歐洲EPOSS預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷4個(gè)階段，2010年之前RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010～2015年物體互聯(lián)，2015～2020年物體進(jìn)入半智能化，2020年之后物體進(jìn)入全智能化。在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID電子標(biāo)簽發(fā)展前景巨大，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響是不言而喻，通過電子標(biāo)簽將物品納入到物聯(lián)網(wǎng)的范疇，廣泛、透徹、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)與物品的通信，將是我們今后重要的研究內(nèi)容。

2 國際上RFID電子標(biāo)簽的發(fā)展

RFID電子標(biāo)簽涵蓋眾多技術(shù)，面向多領(lǐng)域應(yīng)用。為防止技術(shù)壁壘，促進(jìn)技術(shù)的合作和通用性，通過標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RFID電子標(biāo)簽的技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同。RFID電子標(biāo)簽?zāi)壳斑€沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，全球有多個(gè)射頻識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)化組織，制訂了多個(gè)RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)化體系，其中最重要的為ISO/IEC、EPCglobal和UID。RFID標(biāo)準(zhǔn)化組織主導(dǎo)著電子標(biāo)簽的發(fā)展趨勢，RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)之爭實(shí)質(zhì)上就是物品信息控制權(quán)之爭，關(guān)系著國家安全、戰(zhàn)略實(shí)施和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本利益，也促進(jìn)了RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的快速發(fā)展。

2.1 ISO/IEC電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展［5－6］

ISO/IEC是最早制定RFID電子標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)的組織，也是RFID電子標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)的主要制定機(jī)構(gòu)，目前大部分RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是由ISO/IEC下屬的技術(shù)委員會(huì)（TC）或分委員會(huì)（SC）制定的。ISO/IEC制定和發(fā)布的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)得到了各國的廣泛支持，已經(jīng)成為直接影響電子標(biāo)簽技術(shù)發(fā)展方向的重要國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RFID電子標(biāo)簽的技術(shù)特征、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)主要包括ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000等。

ISO/IEC 14443是近耦合、非接觸、集成電路卡標(biāo)準(zhǔn)，最大的識(shí)讀距離一般不超過10 cm，是ISO/IEC早期制定的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也較為成熟。ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)采用13.56 MHz頻率，根據(jù)信號(hào)發(fā)送和接收方式的不同，ISO/IEC 14443－3定義了TYPE A和TYPE B兩種卡型，各地的公交卡、校園卡主要基于ISO/IEC 14443－A標(biāo)準(zhǔn)，中國第二代居民身份證基于ISO/IEC 14443－B標(biāo)準(zhǔn)。

ISO/IEC 15693是疏耦合、非接觸、集成電路卡標(biāo)準(zhǔn)，最大的識(shí)讀距離一般不超過1m，也是ISO/IEC早期制定的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也較為成熟。ISO/IEC 15693使用的頻率為13.56 MHz，設(shè)計(jì)簡單讓生產(chǎn)的成本比ISO/IEC 14443低，ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于進(jìn)出門禁控制和出勤考核等。

ISO/IEC 18000是備受關(guān)注的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)。由于不同頻段RFID電子標(biāo)簽在識(shí)讀速度、識(shí)讀距離和適用環(huán)境等方面存在較大差異，單一頻段的標(biāo)準(zhǔn)不能滿足各種應(yīng)用的需求，ISO/IEC 18000制定了多種頻段的空中接口協(xié)議，涵蓋了125～134 kHz、13.56 MHz、433.92 MHz、860～960 MHz、2.45 GHz等頻段內(nèi)的空中接口通信參數(shù)，識(shí)讀距離由幾厘米到幾十米，是基于物品管理的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC 18000－1規(guī)范了空中接口通信協(xié)議的基本內(nèi)容，包括通信參數(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)基本規(guī)則等，該內(nèi)容適合各個(gè)頻段，這樣每一個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不需要對(duì)相同內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)規(guī)定。ISO/IEC 18000－2適用于125～134 kHz，規(guī)定了電子標(biāo)簽和讀寫器之間通信的物理接口，規(guī)定了協(xié)議和指令以及多標(biāo)簽通信的防碰撞方法。ISO/IEC 18000－3適用于13.56 MHz，規(guī)定了電子標(biāo)簽與讀寫器之間的物理接口、協(xié)議、命令以及防碰撞方法，其中關(guān)于防碰撞協(xié)議可以分為兩種模式：模式1分為基本型與兩種擴(kuò)展型協(xié)議；模式2采用FTDMA協(xié)議，共有8個(gè)信道，適用于標(biāo)簽數(shù)量較多的情形。ISO/IEC 18000－7適用于433.92 MHz，屬于有源電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)讀范圍大，適用于大型固定資產(chǎn)的跟蹤。ISO/IEC 18000－6適用于860～960 MHz，包含Type A、Type B和Type C 3種無源標(biāo)簽的接口協(xié)議，通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10m，其中Type C是由EPCglobal起草的，并于2006年7月獲得批準(zhǔn)，它在識(shí)別速度、讀寫速度、數(shù)據(jù)容量、防碰撞、信息安全、頻段適應(yīng)能力和抗干擾等方面有較大提高。ISO/IEC 18000－4適用于微波2.45 GHz，該標(biāo)準(zhǔn)包括兩種模式：模式1是無源電子標(biāo)簽，工作方式為讀寫器先講；模式2是有源電子標(biāo)簽，工作方式為電子標(biāo)簽先講。

ISO/IEC早期制定的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)只是在行業(yè)或企業(yè)內(nèi)部使用，并沒有構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)的背景。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，兩個(gè)后起之秀EPCglobal和UID相繼提出了物聯(lián)網(wǎng)RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，于是ISO/IEC又制定了新的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)。由于ISO/IEC歷史悠久，有著天然的公信力，EPCglobal和UID也希望將自己的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)納入到ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)體系，目前EPCglobal專注于860～960 MHz頻段，UID專注于2.45 GHz和13.56 MHz頻段，而ISO/IEC在RFID電子標(biāo)簽的每個(gè)頻段都發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 EPCglobal電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展［7－9］

物聯(lián)網(wǎng)起源于EPC系統(tǒng)。2003年11月，EAN和UCC聯(lián)合收購EPC，正式成立了EPCglobal。EPC-global在美國（麻省理工學(xué)院）、英國、日本、韓國、中國、澳大利亞和瑞士建立了7個(gè)Auto-ID實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)EPC技術(shù)的后續(xù)研究。EPCglobal得到了沃爾瑪、可口可樂、寶潔和Tesco等100多個(gè)國際大公司的支持，中國物品編碼中心（ANCC）也積極參與到EPC的標(biāo)準(zhǔn)推廣工作中來。EPCglobal要為全球每個(gè)物品建立開放的標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，以EPC技術(shù)構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”，通過EPCglobal網(wǎng)絡(luò)提高全球物品貿(mào)易單元信息的透明度與可視性，建立全球物品自動(dòng)即時(shí)識(shí)別和信息共享的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2004年，EPCglobal完成了第一代電子產(chǎn)品編碼技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn)，并在部分應(yīng)用中完成了測試。2005年，全球零售巨頭沃爾瑪將EPC技術(shù)搬出實(shí)驗(yàn)室，EPC技術(shù)在商業(yè)上得到了實(shí)際應(yīng)用。2005年，EPCglobal發(fā)布了電子標(biāo)簽的EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)。2006年，沃爾瑪要求供應(yīng)商采用EPC Gen2標(biāo)簽。2007年，EPCglobal批準(zhǔn)了網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的EPCIS規(guī)范，EPC系統(tǒng)作為全球物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)日趨成熟。

EPC電子標(biāo)簽有Gen和Class兩個(gè)不同的概念，EPC標(biāo)簽的Gen是指主要版本號(hào)，EPC標(biāo)簽的Class描述的是標(biāo)簽的基本功能。EPC Gen1標(biāo)準(zhǔn)是EPC射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)，主要是為了測試EPC技術(shù)的可行性；EPCGen2標(biāo)準(zhǔn)主要是為使這項(xiàng)技術(shù)與實(shí)踐結(jié)合，滿足現(xiàn)實(shí)的需求。為了降低成本，EPC標(biāo)簽通常是被動(dòng)式電子標(biāo)簽，根據(jù)功能級(jí)別的不同，EPC標(biāo)簽可以分為Class 0、Class 1、Class 2、Class 3和Class 4共5類。例如，EPC Class1 Gen2標(biāo)簽指的是EPC第2代Class1類別的標(biāo)簽，這是目前使用最多的EPC電子標(biāo)簽。

EPC原來有4個(gè)不同的電子標(biāo)簽制造標(biāo)準(zhǔn)，分別為英國大不列顛科技集團(tuán)（BTG）的ISO/IEC 18000 6A標(biāo)準(zhǔn)、美國Intermec科技公司（Intermec Technologies Corp.）的ISO/IEC 18000 6B標(biāo)準(zhǔn)、美國Matrics公司（現(xiàn)在已經(jīng)被美國訊寶科技公司以2.3億美元收購）的Class 0標(biāo)準(zhǔn)和Alien Technology公司的Class 1標(biāo)準(zhǔn)。上述每家公司都擁有自己電子標(biāo)簽產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)專利，EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)是在整合上述4個(gè)標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的前提下產(chǎn)生的，同時(shí)EPCGen2標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了上述4個(gè)標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)。EPC Gen2是指符合“EPC Radio Frequency Identity Protocols/Class 1 Generation2 UHF/RFID/Protocol for Communications at 860～960 MHz”規(guī)范的標(biāo)簽，詳細(xì)規(guī)范了第2代EPC標(biāo)簽與讀寫器之間的通信，其中空中接口協(xié)議綜合了ISO/IEC 18000 6A和ISO/IEC 18000 6B的特點(diǎn)和長處，并進(jìn)行了一系列的修正和擴(kuò)充，在物理層數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式和防碰撞算法等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了改進(jìn)，并促使ISO/IEC 18000 6C標(biāo)準(zhǔn)在2006年7月發(fā)布。

EPCGen2標(biāo)簽主要面向托盤級(jí)別的應(yīng)用，不能用于識(shí)別單個(gè)物品。首先是因?yàn)闃?biāo)簽面積較大（主要是標(biāo)簽的天線尺寸大），大致超過了12.9 cm2；另外就是因?yàn)镚en2標(biāo)簽相互干擾。將來EPCGen3標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)單品的識(shí)別與追蹤，解決EPCGen2技術(shù)所無法解決的問題，這也是EPCglobal電子標(biāo)簽的發(fā)展方向。

2.3 UID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

UID是日本的射頻識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)組織，在日本產(chǎn)經(jīng)省、總務(wù)省及各大企業(yè)的支持下，UID于2002年12月成立。UID主要由日系廠商組成，如NEC、日立、索尼、三菱、夏普、富士通和東芝等，還有少數(shù)其他國家的廠商，如微軟、三星和LG等。

日本的電子標(biāo)簽與歐美相比，在使用的無線頻段、信息位數(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域等有許多不同點(diǎn)。日本的電子標(biāo)簽主要采用2.45 GHz和13.56 MHz頻段；歐美的EPC電子標(biāo)簽主要采用860/960 MHz頻段。日本的電子標(biāo)簽信息位數(shù)為128位；EPC標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽信息位數(shù)為96位。日本的電子標(biāo)簽可以用于庫存管理、信息發(fā)送、信息接收以及產(chǎn)品和零部件的跟蹤管理等；EPC標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽側(cè)重于物流管理和庫存管理等。日本的電子標(biāo)簽強(qiáng)調(diào)前端的微型化與集成，它采用的是始于20世紀(jì)80年代中期的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（TRON），從而保證了信息具有防復(fù)制和防偽造的特性；EPC標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽采用業(yè)務(wù)鏈方式，面向企業(yè)，面向產(chǎn)品信息的流動(dòng)，比較強(qiáng)調(diào)組網(wǎng)，在美國要建立一個(gè)全球物品網(wǎng)絡(luò)中心。

UID采用Ucode識(shí)別碼，Ucode標(biāo)簽泛指所有包含Ucode碼的設(shè)備。Ucode標(biāo)簽具有多個(gè)性能參數(shù)，包括成本、安全性能、傳輸距離和數(shù)據(jù)空間等。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)Ucode標(biāo)簽的性能參數(shù)要求也不相同，有些應(yīng)用需要成本低廉，有些應(yīng)用需要犧牲成本來保證較高的安全性，所以需要對(duì)Ucode標(biāo)簽進(jìn)行分級(jí)。目前Ucode標(biāo)簽主要分為9類，包括光學(xué)性ID標(biāo)簽（Class0）、低檔RFID標(biāo)簽（Class1）、高檔RFID標(biāo)簽（Class2）、低檔RFID智能標(biāo)簽（Class3）、高檔RFID智能標(biāo)簽（Class4）、低檔有源標(biāo)簽（Class5）、高檔有源標(biāo)簽（Class6）、安全盒（Class7）和安全服務(wù)器（Class8）。

日本的電子標(biāo)簽強(qiáng)調(diào)信息的獲取和分析，強(qiáng)調(diào)電子標(biāo)簽與讀寫器的功能，但信息傳輸網(wǎng)絡(luò)多種多樣。相比之下，EPC標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽強(qiáng)調(diào)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，電子標(biāo)簽自身攜帶的信息較少。日本希望自己掌握物品信息的控制權(quán)，不過分依賴互聯(lián)網(wǎng)，這種信息安全的意識(shí)甚至主導(dǎo)了日本電子標(biāo)簽的發(fā)展方向，這一點(diǎn)值得我國借鑒。

3 我國RFID電子標(biāo)簽的發(fā)展［10－11］

2006年6月9日，我國由科學(xué)技術(shù)部等15個(gè)部委聯(lián)合發(fā)布了《中國射頻識(shí)別技術(shù)政策白皮書》，建立了我國RFID系統(tǒng)構(gòu)架模型，給出了RFID發(fā)展優(yōu)先級(jí)列表，為國家的宏觀決策提供技術(shù)依據(jù)，為RFID的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供指南。我國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1所示，分為基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

圖1 我國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.1 China′s RFID standard system

考慮到RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用的具體情況，我國需要按照系統(tǒng)性、銜接性、自主性、兼容性制定電子標(biāo)簽的發(fā)展策略。制定RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的各個(gè)組成要素，協(xié)調(diào)和統(tǒng)一各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問題。RFID電子標(biāo)簽包括前端數(shù)據(jù)采集和編碼結(jié)構(gòu)等環(huán)節(jié)，要充分考慮這些環(huán)節(jié)的銜接性，以保證標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)揮綜合作用。要建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先吸收我國自主的專利技術(shù)，維護(hù)國家安全。自主性并不意味著排斥國外的先進(jìn)技術(shù)，在制定我國RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，這樣不僅保護(hù)用戶利益，而且有利于我國RFID產(chǎn)品的出口。

2007年，我國發(fā)布了應(yīng)用于高速公路收費(fèi)的RFID國家標(biāo)準(zhǔn)《電子收費(fèi)專用短程通信》，該標(biāo)準(zhǔn)以我國無線電管委會(huì)為道路運(yùn)輸電子收費(fèi)分配的5.8 GHz載波頻率為基礎(chǔ)，制定了一系列包含RFID電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的不停車收費(fèi)短程通信國家標(biāo)準(zhǔn)。2006年，我國發(fā)布了RFID國家標(biāo)準(zhǔn)《動(dòng)物射頻識(shí)別代碼結(jié)構(gòu)》，該標(biāo)準(zhǔn)用于RFID電子標(biāo)簽編碼，具有國際流通的功能，適用于家畜、動(dòng)物的識(shí)別，也適用于動(dòng)物管理相關(guān)信息的處理和交換。2002年，鐵道部發(fā)布了RFID行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路機(jī)車車輛自動(dòng)識(shí)別設(shè)備技術(shù)條件》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于鐵路機(jī)車車輛自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和檢驗(yàn)，規(guī)定了鐵路機(jī)車與地面自動(dòng)識(shí)別設(shè)備、電子標(biāo)簽、車載編程器的技術(shù)要求，還規(guī)定了電子標(biāo)簽、標(biāo)簽編程設(shè)備、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測設(shè)備的基本功能。

我國RFID電子標(biāo)簽的發(fā)展注重識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體，注重遠(yuǎn)程讀取，注重同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)，并注重與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)銜接。為此，信息產(chǎn)業(yè)部2007年4月20日制定了《800/900 MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定》，分配了840～845 MHz和920～925 MHz為RFID電子標(biāo)簽的具體使用頻率，RFID電子標(biāo)簽按照微功率、短距離無線電設(shè)備管理，這項(xiàng)規(guī)定可以避免國內(nèi)技術(shù)開發(fā)和市場應(yīng)用混亂狀況，有助于形成合力，增強(qiáng)競爭力。

4 RFID電子標(biāo)簽存在的問題與對(duì)策［12－14］

4.1 電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞，需要防沖突機(jī)制

在RFID中，經(jīng)常有多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)要求與讀寫器通信，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常發(fā)生碰撞，因此需要防沖突機(jī)制。解決防沖突問題需要用到多路存取法，多路存取法主要有空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法和碼分多路法。根據(jù)電子標(biāo)簽與讀寫器之間的通信特點(diǎn)，在RFID中主要采用時(shí)分多路法，通過防碰撞算法解決數(shù)據(jù)碰撞問題。

ALOHA算法是最基本的防碰撞算法，它的本質(zhì)是分離電子標(biāo)簽的應(yīng)答時(shí)間，使電子標(biāo)簽在不同的時(shí)隙發(fā)送應(yīng)答。ALOHA算法是一種隨機(jī)接入算法，電子標(biāo)簽一旦進(jìn)入讀寫器的閱讀區(qū)域，就自動(dòng)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，隨即電子標(biāo)簽和讀寫器間開始通信，一旦發(fā)生碰撞，一般采取退避原則，等待下一循環(huán)周期再發(fā)送應(yīng)答。分析表明，ALOHA算法的信道吞吐率S與幀產(chǎn)生率G之間的關(guān)系為S＝G e－2G，計(jì)算可以得出，當(dāng)G＝0.5時(shí)，S＝18.4％，ALOHA算法信道利用率不高。

目前防碰撞算法有ALOHA算法、時(shí)隙ALOHA算法、二進(jìn)制樹型搜索算法、修剪枝的二進(jìn)制樹型搜索算法等，每種算法都有各自的特點(diǎn)。

因此，防沖突機(jī)制必須采取防碰撞算法。目前需要對(duì)防碰撞算法做進(jìn)一步研究，目標(biāo)是使系統(tǒng)的吞吐率及信道的利用率更高，需要的時(shí)隙更少，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率更高，能夠更好地解決RFID電子標(biāo)簽的碰撞問題。

4.2 電子標(biāo)簽保密性差，需要加密技術(shù)

隨著RFID電子標(biāo)簽的深入推廣，其保密問題也日益突出，例如2009年歐盟提出的《物聯(lián)網(wǎng)——?dú)W洲行動(dòng)計(jì)劃》，就特別關(guān)注安全與隱私問題。RFID是一個(gè)開放的無線系統(tǒng)，數(shù)據(jù)容易讓外界竊取，因此電子標(biāo)簽需要加密技術(shù)。

RFID電子標(biāo)簽按芯片的類型分為存儲(chǔ)型、邏輯加密型和CPU型。RFID電子標(biāo)簽的安全屬性與標(biāo)簽分類直接相關(guān)，一般來說存儲(chǔ)型電子標(biāo)簽安全等級(jí)最低，邏輯加密型居中，CPU型最高。存儲(chǔ)型電子標(biāo)簽沒有做特殊的安全設(shè)置，不需要安全認(rèn)證即可讀出數(shù)據(jù)；邏輯加密型電子標(biāo)簽具備一定強(qiáng)度的安全設(shè)置，內(nèi)部采用了邏輯加密電路及密鑰算法；CPU型電子標(biāo)簽在安全方面做得最多，芯片內(nèi)部的操作系統(tǒng)本身采用了安全的體系設(shè)計(jì)，并且在應(yīng)用方面設(shè)計(jì)有密鑰文件和認(rèn)證機(jī)制，比前兩種RFID電子標(biāo)簽的安全模式有了極大的提高。

數(shù)據(jù)加密有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全性，但同時(shí)其復(fù)雜的算法和流程也大大提高了電子標(biāo)簽的成本。對(duì)一些低成本的電子標(biāo)簽，它們往往受成本嚴(yán)格的限制而難以實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的密碼機(jī)制。

因此，綜合采取多種措施提高電子標(biāo)簽的安全性是目前面臨的課題，可以采用一些物理方法限制電子標(biāo)簽的功能，防止部分安全威脅。電子標(biāo)簽物理安全機(jī)制包括讀寫距離控制機(jī)制、主動(dòng)干擾法、自毀機(jī)制、休眠機(jī)制和靜電屏蔽法等。

4.3 電子標(biāo)簽體積大、成本高，要采取天線新工藝

電子標(biāo)簽由芯片和天線組成，如圖2所示，芯片用來存儲(chǔ)物品的數(shù)據(jù)，天線用來收發(fā)無線電波。電子標(biāo)簽的芯片很小，厚度一般不超過0.35mm；電子標(biāo)簽的天線尺寸要比芯片大許多，天線的形狀與頻率等有關(guān)，封裝后的電子標(biāo)簽尺寸可以小到2mm，也可以像居民身份證那么大。

圖2 電子標(biāo)簽的組成Fig.2 The composition of electronic tag

傳統(tǒng)的電子標(biāo)簽天線制作工藝主要有線圈繞制法和蝕刻法。線圈繞制法主要工作在低頻（125～134 kHz）和高頻（13.56 MHz），低頻時(shí)線圈的匝數(shù)一般在幾百到上千，高頻時(shí)線圈的匝數(shù)一般在幾到幾十，這種方法的缺點(diǎn)是成本高、生產(chǎn)速度慢。天線的蝕刻法主要工作在高頻（13.56 MHz），制造良率較高，天線性能優(yōu)異且穩(wěn)定，但這種方法的缺點(diǎn)是成本太高、產(chǎn)能低下。

為降低成本，提高電子標(biāo)簽的普及率，需要采用天線制作的新工藝。天線印刷法是近年來發(fā)展起來的新工藝，這種制作工藝用導(dǎo)電油墨印制天線，可以用于大量制造13.56 MHz和UHF頻段的RFID電子標(biāo)簽。傳統(tǒng)的金屬天線工藝復(fù)雜，消耗金屬材料，成本較高。用導(dǎo)電油墨印制的天線，是利用高速的印刷方法制成，高效快速，成本較低。

天線印刷法的缺點(diǎn)是電阻大，附著力低，耐用年限較短。因此，提高天線印刷法的工藝水平，開發(fā)新的導(dǎo)電油墨，降低成本，延長耐用年限，是電子標(biāo)簽天線的發(fā)展方向。

4.4 需要尋找新工作原理的標(biāo)簽

標(biāo)簽是攜帶物品信息的數(shù)據(jù)載體，根據(jù)工作原理的不同，標(biāo)簽這個(gè)數(shù)據(jù)載體可以劃分為兩大類，一類是以電子電路為理論基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)載體，另一類是利用物理效應(yīng)進(jìn)行工作的數(shù)據(jù)載體。當(dāng)標(biāo)簽利用物理效應(yīng)進(jìn)行工作時(shí)，屬于無芯片的標(biāo)簽，這類標(biāo)簽主要采用“聲表面波器件”的方式工作。

聲表面波（SAW）是傳播于壓電晶體表面的機(jī)械波，利用聲表面波技術(shù)制造標(biāo)簽，近年來已經(jīng)成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。SAW標(biāo)簽有許多優(yōu)點(diǎn)：SAW標(biāo)簽讀取范圍大且可靠，讀取范圍可達(dá)數(shù)米；SAW標(biāo)簽可使用在金屬和液體產(chǎn)品上；SAW標(biāo)簽芯片與天線匹配簡單，制作工藝成本低；SAW標(biāo)簽不僅能識(shí)別靜止物體，而且能識(shí)別速度達(dá)300 km/h的高速運(yùn)動(dòng)物體；SAW標(biāo)簽可在高溫度差（－100℃～300℃）、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。目前，日本已經(jīng)在2.45 GHz采用SAW標(biāo)簽。

綜合考慮，不僅需要發(fā)展以電子電路為理論基礎(chǔ)的電子標(biāo)簽，而且需要發(fā)展利用物理效應(yīng)進(jìn)行工作的標(biāo)簽。大力開發(fā)SAW標(biāo)簽，使SAW標(biāo)簽?zāi)茉诙鄠€(gè)頻段使用，是標(biāo)簽發(fā)展的一個(gè)選擇。

5 電子標(biāo)簽的發(fā)展趨勢［15－16］

5.1 體積更小，成本更低

由于實(shí)際應(yīng)用的限制，一般要求電子標(biāo)簽的體積比標(biāo)記的物品小。這樣，體積非常小的物品以及其他一些特殊的應(yīng)用場合，就對(duì)電子標(biāo)簽提出了更小、更易于使用的要求。

從長遠(yuǎn)來看，電子標(biāo)簽（特別是超高頻、遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽）在未來幾年內(nèi)將逐漸成熟，成為繼手機(jī)、身份證、公交卡之后又一個(gè)具有廣闊前景和巨大容量的應(yīng)用。研究表明，當(dāng)電子標(biāo)簽使用數(shù)量以10億計(jì)時(shí)，用戶希望每個(gè)電子標(biāo)簽低于5美分，這就對(duì)電子標(biāo)簽的成本提出了更高的要求。

因此，要對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行小型化、低成本設(shè)計(jì)，使電子標(biāo)簽滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用要求，使成本不再是推廣電子標(biāo)簽的障礙。

5.2 無源性能更加完善，作用距離更遠(yuǎn)

目前125～134 kHz和13.56 MHz的電子標(biāo)簽基本是采用電感耦合的方式進(jìn)行工作，電子標(biāo)簽無源，電子標(biāo)簽的能量來自于讀寫器的耦合，但電子標(biāo)簽的作用距離較近（小于1 m）。

860～960 MHz的電子標(biāo)簽基本是采用電磁反向散射方式工作，電子標(biāo)簽也無源，但電子標(biāo)簽的作用距離可以達(dá)到10m，是實(shí)現(xiàn)無源遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取的重要方式。

因此，860～960 MHz是完善電子標(biāo)簽無源性能的主要頻段。無源電子標(biāo)簽的工作距離主要限制在能量供電上，隨著低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)簽的工作電壓將進(jìn)一步降低，所需功耗應(yīng)降到μW級(jí)以下，作用距離應(yīng)達(dá)到幾十米以上。這需要更加完善電子標(biāo)簽的無源性能設(shè)計(jì)，使其讀寫性能、誤碼率和抗干擾性能在無源的前提下達(dá)到更好。

5.3 同時(shí)識(shí)別更多的電子標(biāo)簽

在RFID中，經(jīng)常會(huì)涉及大量物品需要同時(shí)識(shí)別，這會(huì)導(dǎo)致兩種情況，一種是一個(gè)讀寫器周圍有多個(gè)電子標(biāo)簽，另一種是一個(gè)電子標(biāo)簽周圍有多個(gè)讀寫器。

當(dāng)一個(gè)讀寫器的作用范圍有多個(gè)電子標(biāo)簽時(shí)，RFID希望能同時(shí)識(shí)別更多的電子標(biāo)簽，但這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生碰撞。為解決電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞，ISO/IEC 18000－6標(biāo)準(zhǔn)從最初的ISO/IEC 18000－6 A型，到之后的ISO/IEC 18000－6 B型，再到現(xiàn)在的ISO/IEC 18000－6 C型，已經(jīng)演進(jìn)了防沖突協(xié)議。

當(dāng)近距離布局多個(gè)RFID讀寫器，會(huì)導(dǎo)致電子標(biāo)簽接收到的命令相互干擾。在歐洲的ETSI標(biāo)準(zhǔn)中，讀寫器與電子標(biāo)簽通信前每隔100ms探測一次信道的狀態(tài)，采用載波偵聽的方式來解決沖突。在EPC的標(biāo)準(zhǔn)中，在頻率譜上將讀寫器傳輸和電子標(biāo)簽傳輸分離開，這樣讀寫器僅與讀寫器發(fā)生沖突，電子標(biāo)簽僅與電子標(biāo)簽發(fā)生沖突，簡化了問題。

因此，為同時(shí)識(shí)別更多的電子標(biāo)簽，必須在更多的標(biāo)準(zhǔn)中尋求更為恰當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，以實(shí)現(xiàn)快速、多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)讀/寫的功能。

5.4 智能性更強(qiáng)，保護(hù)隱私更完善

在某些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域中，需要對(duì)RFID電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格加密，這就需要智能性更強(qiáng)、加密特性更完善的電子標(biāo)簽。

隱私保護(hù)是RFID電子標(biāo)簽需要提供的。電子標(biāo)簽典型應(yīng)用的場景包括：在醫(yī)生采集患者信息時(shí)，需要保護(hù)患者的身份隱私和體征敏感數(shù)據(jù)隱私；在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，需要保護(hù)采集對(duì)象（如熊貓）的位置隱私和數(shù)量隱私；在智能交通領(lǐng)域，需要保護(hù)交通工具的身份隱私和位置隱私等。保護(hù)隱私可以采用KILL命令、主動(dòng)干擾等手段，還需要開發(fā)其他各種手段。

隨著電子標(biāo)簽的深入推廣，安全與隱私問題已經(jīng)成為制約RFID電子標(biāo)簽發(fā)展的主要因素之一，研究新的安全措施，防止隱私泄露，是電子標(biāo)簽必須解決的問題。

5.5 特殊環(huán)境下可以使用

電子標(biāo)簽處于讀寫器發(fā)射的電磁輻射中，這樣電子標(biāo)簽有可能處于非常強(qiáng)的能量場中。如果電子標(biāo)簽接收的電磁能量很強(qiáng)，會(huì)在標(biāo)簽上產(chǎn)生很高的電壓。為了保護(hù)標(biāo)簽芯片不受損害，必須加強(qiáng)電子標(biāo)簽在強(qiáng)磁場下的自保護(hù)功能。

電子標(biāo)簽有時(shí)會(huì)處于有耗媒質(zhì)中。當(dāng)無線電波遇到潮濕媒質(zhì)（如潮濕木材）、有機(jī)物質(zhì)（如各種動(dòng)物）或水產(chǎn)品時(shí)，電波將出現(xiàn)損耗；當(dāng)無線電波遇到金屬（如銅、鋁、鐵）時(shí)，電波將出現(xiàn)非常大的損耗。為使電子標(biāo)簽?zāi)茉谟泻拿劫|(zhì)中使用，就必須降低工作頻率，或開發(fā)抗金屬標(biāo)簽。

因此，必須加強(qiáng)電子標(biāo)簽在特殊環(huán)境下的設(shè)計(jì)，使電子標(biāo)簽處于強(qiáng)磁場或有耗媒質(zhì)中能正常工作，滿足資產(chǎn)管理、安全防偽、倉儲(chǔ)物流、工業(yè)制造等更多領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

5.6 具有附加功能

在某些應(yīng)用中，需要準(zhǔn)確尋找某一個(gè)電子標(biāo)簽，這時(shí)標(biāo)簽需要有附屬功能，如蜂鳴器或指示燈等。當(dāng)給特定的電子標(biāo)簽發(fā)送指令時(shí)，電子標(biāo)簽便會(huì)發(fā)出聲光指示，這樣就可以在大量的目標(biāo)中尋找特定的電子標(biāo)簽了。

電子標(biāo)簽與傳感器相連，將大大擴(kuò)展電子標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征之一是全面感知，全面感知不僅要求標(biāo)識(shí)物體，而且要求感知物體。電子標(biāo)簽的主要功能是標(biāo)識(shí)物體，如果電子標(biāo)簽再帶有傳感器的功能，可以將標(biāo)識(shí)與感知合二為一。

因此，需要開發(fā)各種具有附加功能的電子標(biāo)簽，使電子標(biāo)簽有更廣泛的應(yīng)用范圍，使電子標(biāo)簽更符合物聯(lián)網(wǎng)的需求。

6 結(jié)束語

將物品納入到網(wǎng)絡(luò)的管控之中是信息技術(shù)的發(fā)展方向，RFID電子標(biāo)簽使這種理想成為現(xiàn)實(shí)。全球RFID電子標(biāo)簽的激烈競爭首先表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的制定上，ISO/IEC、EPCglobal、UID將標(biāo)準(zhǔn)視為參與國際競爭的重要手段，僅EPCglobal的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有6 000多項(xiàng)專利，標(biāo)準(zhǔn)之爭實(shí)質(zhì)上就是物品信息控制權(quán)之爭，我國應(yīng)盡早、全面地制定RFID標(biāo)準(zhǔn)體系。RFID電子標(biāo)簽通過防碰撞算法、加密技術(shù)、采取新工藝、研究新的工作原理等手段，使工作距離增大，功耗、體積和價(jià)格降低，可滿足各種工作環(huán)境和多卡操作的要求，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)感知層識(shí)別物體、采集信息的目的?？梢灶A(yù)見，RFID電子標(biāo)簽正帶來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的技術(shù)革命，成為國際競爭的重要目標(biāo)，可以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，并成為物聯(lián)網(wǎng)這世界信息技術(shù)第三次浪潮的基石。下一步研究的主要內(nèi)容是我國RFID電子標(biāo)簽與國際標(biāo)準(zhǔn)的兼容、電子標(biāo)簽天線的新工藝和SAW標(biāo)簽的技術(shù)分析。

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黃玉蘭（1964—），女，山東沂水人，分別于1986年和1989年獲西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別、射頻與微波電路。

HUANG Yu-lan was born in Yishui，Shandong Province，in 1964.She received the B.S.degree and the M.S.degree from Xidian University in 1986 and 1989，respectively.She is now an associate professor.Her research concerns Internet of Things，RFID and RF and microwave circuit.

Email：huangyulan10＠sina.com

Research Progress of RFID Tag Based on Internet of Things

HUANG Yu-lan
（School of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China）

The developmentprocess of international RFID（Radio Frequency Identification）standardsorganizations is overviewed，the key technology and development prospects of the tag are summarized，the implementation strategy of RFID tag based on Internet of Things（IOT）is presented.At present，information technology has developed from human communication toward object communication，automatic recognition technology has developed rapidly，and RFID tag has played an important role.Tag is the cornerstone of Internetof Things，and tag can be achieved on the items of the transparent tracing，but there are also data collision and poor confidentiality. Through the use of anti-collision mechanism and encryption，these problems can be effectively solved.Using RFID tag to realize object identification has very important significance，which can greatly promote the development of Internet of Things，and make information technology change fundamentally.

Internet of Things（IOT）；RFID；electronic tag；anti-collisionmechanism；encryption technology

TN911；TP393

A

1001－893X（2013）04－0522－08

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.04.029

2012－11－28；

2013－03－14 Received date：2012－11－28；Revised date：2013－03－14

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（11JK1022）；西安郵電大學(xué)基金資助項(xiàng)目（KJA201103）

Foundation Item：The Research Projectof Departmentof Education of ShaanxiProvince（11JK1022）；The Research Projectof Xi'an University of Posts and Telecommunications（KJA201103）

??通訊作者：huangyulan10＠sina.com Corresponding author：huangyulan10＠sina.com