淺析物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展瓶頸

【摘要】通過(guò)對(duì)無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的介紹，說(shuō)明無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，分析無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)主要的技術(shù)發(fā)展方向，針對(duì)當(dāng)前RFID技術(shù)的研究關(guān)鍵點(diǎn)，指出了RFID技術(shù)需要突破的技術(shù)瓶頸，提出把握RFID技術(shù)發(fā)展瓶頸的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；RFID；技術(shù)方向；發(fā)展瓶頸

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)是近年來(lái)在高技術(shù)領(lǐng)域頻繁出現(xiàn)的熱門詞匯，物聯(lián)網(wǎng)所指未來(lái)高度智能化的，能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、物與物以及人與物之間相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)眾多的智能業(yè)務(wù)配置，能夠做到廣泛的全球覆蓋，能夠做到人和物全面接入網(wǎng)絡(luò)的情境，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)信息資源的最優(yōu)智能應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，借助無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并完成信息交換和認(rèn)知成為一項(xiàng)重要的技術(shù)手段，RFID技術(shù)溯源最早可至二戰(zhàn)時(shí)期，在20世紀(jì)90年代才逐漸應(yīng)用開，2000年以后呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。美國(guó)國(guó)防部自2005年起對(duì)所有軍需物資使用RFID技術(shù)進(jìn)行標(biāo)記和識(shí)別，美國(guó)最大的零售商沃爾瑪要求所有供應(yīng)商采用RFID技術(shù)對(duì)商品進(jìn)行標(biāo)識(shí)和管理。中國(guó)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)政策白皮書對(duì)RFID技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)、中國(guó)發(fā)展RFID技術(shù)戰(zhàn)略、中國(guó)RFID技術(shù)發(fā)展及優(yōu)先應(yīng)用領(lǐng)域、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略和宏觀環(huán)境建設(shè)構(gòu)建了政策指導(dǎo)框架，積極引導(dǎo)中國(guó)的RFID技術(shù)發(fā)展。

2.RFID技術(shù)

2.1 RFID技術(shù)定義

RFID是英文“Radio Frequency Identi-fication”的縮寫，意指無(wú)線射頻識(shí)別，是以具有一定頻率的無(wú)線通信電磁波來(lái)完成自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)。RFID是一種無(wú)線電應(yīng)用技術(shù)，在非接觸狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤，以及目標(biāo)信息的數(shù)據(jù)讀寫。RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速化多目標(biāo)的數(shù)據(jù)讀寫，可以在非視距范圍內(nèi)完成移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位和長(zhǎng)期跟蹤，可以借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)追蹤管理，識(shí)別和跟蹤的過(guò)程在無(wú)人操控狀態(tài)下自動(dòng)完成，這項(xiàng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。

2.2 RFID技術(shù)應(yīng)用

完整的RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽（Tag）、天線（Antenna）、閱讀器（Reader），以閱讀器通過(guò)天線讀取電子標(biāo)簽中的信息，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理工作可以通過(guò)后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成。RFID系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)鏈的追蹤管理；在超市零售業(yè)可以實(shí)現(xiàn)商品實(shí)時(shí)管理及消費(fèi)引導(dǎo)；在交通領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和門禁、收費(fèi)管理；在軍事領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)物資調(diào)配和防偽保密；在食品和藥品領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地溯源及安全監(jiān)管；在畜牧業(yè)和采礦業(yè)可實(shí)現(xiàn)定位跟蹤等功能。比如：當(dāng)我們?cè)诔匈?gòu)物時(shí)，放入購(gòu)物車的食品可以通過(guò)購(gòu)物車上的顯示屏告知我們食品的安全溯源、營(yíng)養(yǎng)成份、保存及烹飪方法，并按照不同的烹飪方法提示配料食材及其在超市中的位置，智能的引導(dǎo)我們至商品貨架配齊烹飪所需其他食材，結(jié)賬時(shí)沒(méi)有等待直接回家，購(gòu)物清單通過(guò)手機(jī)確認(rèn)完成在線銀行信用支付，這其中就包含著重要的RFID技術(shù)支撐。利用RDID技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、Ad-Hoc等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)，共同實(shí)現(xiàn)起人類智能信息化的未來(lái)。

3.RFID所涉及的主要技術(shù)方向

3.1 RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

RFID的標(biāo)準(zhǔn)化工作最早在1995年就開始進(jìn)行了研究，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）組織聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)開展此項(xiàng)工作，委員會(huì)的成員來(lái)自不同的企業(yè)、各類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化組織和不同國(guó)家，代表著各方的利益。ISO/IEC出臺(tái)的RFID標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注基本的模塊構(gòu)建、空中接口、涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的具體實(shí)施等方面的問(wèn)題。ISO/IEC出臺(tái)的一系列RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要可以分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)四大類，另外還包含一些規(guī)范。從ISO/IEC制訂的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，是在RFID編碼、空中接口協(xié)議、讀寫器協(xié)議等基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)之上，定義了使用條件、標(biāo)簽尺寸、標(biāo)簽粘貼位置、數(shù)據(jù)內(nèi)容格式、使用頻段等具體性能要求，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域在包括數(shù)據(jù)完整性、人工識(shí)別等其他功能方面制定了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC所制訂的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最大意義在于通用性，它提供了一個(gè)基本框架，在保證互通與互操作性的原則之上兼顧不同應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用領(lǐng)域的具體實(shí)現(xiàn)要求。

EPC Global是美國(guó)統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì)（UCC）和國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)（EAN）在美國(guó)麻省理工學(xué)院Auto-ID Center基礎(chǔ)之上組建的全球第二大RFID標(biāo)準(zhǔn)化組織，該中心與眾多企業(yè)成員共同制訂了EPC Global技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注點(diǎn)在于“物聯(lián)網(wǎng)”自動(dòng)識(shí)別基礎(chǔ)架構(gòu)和標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)載體及其內(nèi)容，在開放技術(shù)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)的基礎(chǔ)體系上，實(shí)現(xiàn)商品信息的交換與共享，面向物流供應(yīng)鏈解決透明性和追蹤性。EPC Global致力于建立面向全球電子標(biāo)簽用戶的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，由于其成員企業(yè)大多來(lái)自歐美地區(qū)且得到了IBM、Microsoft、Philips等眾多國(guó)際巨頭的支持，因此在業(yè)界成為事實(shí)上的最大標(biāo)準(zhǔn)而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，EPC Global也將自身的部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提交給ISO以期成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從而使自身技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

世界第三大RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是由日本政府經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省牽頭成立的泛在中心（Ubiquitous ID Center）負(fù)責(zé)起草的，其技術(shù)聯(lián)盟成員主要是日本廠商，涵蓋電子、信息、包裝、物流、印刷等多個(gè)行業(yè)，泛在中心（Ubiquitous ID Center）是日本電子標(biāo)簽RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織。泛在中心（Ubiquitous ID Center）組織及其成員拒絕EPC Global技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該組織制定的RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也構(gòu)建了一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，擁有自己的ucode編碼系統(tǒng)，保持自主獨(dú)立又不失兼容性，該體系的關(guān)注點(diǎn)更加重視網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用體系的安全性能。

除了這三大RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織，國(guó)際上還有AIM-global即全球自動(dòng)識(shí)別組織和第三世界標(biāo)準(zhǔn)組織IP-X共同推進(jìn)建設(shè)人類未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系。

3.2 電子標(biāo)簽的成本

電子標(biāo)簽的成本對(duì)于RFID技術(shù)的推廣具有極其重要的影響，一旦擁有價(jià)格低廉的電子標(biāo)簽，將可以迅速推廣應(yīng)用。在RFID系統(tǒng)中使用的電子標(biāo)簽分為主動(dòng)式電子標(biāo)簽（即有源電子標(biāo)簽）和被動(dòng)式電子標(biāo)簽（即無(wú)源電子標(biāo)簽）。主動(dòng)式電子標(biāo)簽一般配有電池作為電源，所存數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，因而包含更多信息以實(shí)現(xiàn)較多功能且識(shí)別的空間范圍也相對(duì)較大；缺點(diǎn)在于體積較大、價(jià)格較高，且電池壽命由標(biāo)簽功耗決定。被動(dòng)式電子標(biāo)簽體積小成本低便于應(yīng)用，但功能有限，包含信息量較小，識(shí)別距離較短。受成本因素的制約，目前實(shí)際所用電子標(biāo)簽以被動(dòng)式無(wú)源電子標(biāo)簽為多。影響電子標(biāo)簽價(jià)格的因素很多，但最主要的是材料及電子元器件，電子標(biāo)簽的體積和功耗也是影響價(jià)格的重要因素，一般而言技術(shù)體系相同且兼容性好的電子標(biāo)簽因批量較大往往可以降低單個(gè)電子標(biāo)簽的價(jià)格。

3.3 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)干擾

RFID技術(shù)使用多種頻段用于數(shù)據(jù)通信，完成電子標(biāo)簽的識(shí)別及其數(shù)據(jù)的讀寫功能。因其使用非接觸的通信方式，以電磁波作為傳輸媒介并將自由空間作為傳輸信道，所以一般運(yùn)用電感耦合原理或反向散射工作原理，具體采用的頻段和運(yùn)用的原理依據(jù)應(yīng)用需求和應(yīng)用領(lǐng)域而決定。電磁波在空間傳播時(shí)，由于反射、折射、散射和吸收現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致?lián)p耗而引起信號(hào)的衰減，又因存在多徑效應(yīng)的原因而產(chǎn)生時(shí)延，并且室內(nèi)空間環(huán)境和室外空間環(huán)境都具有很大的隨機(jī)性，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_很難在固定條件的模型里進(jìn)行分析。另外，由于空間的開放性，實(shí)際中存在的各種電磁波信號(hào)，也對(duì)空間傳輸信道產(chǎn)生著各類干擾。在RFID系統(tǒng)中，由于標(biāo)簽數(shù)量眾多，當(dāng)閱讀器發(fā)送信號(hào)后，來(lái)自不同標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)也互相干擾，甚至于運(yùn)用多個(gè)閱讀器時(shí)，閱讀器相互之間也存在干擾，理論上說(shuō)越龐大的RFID系統(tǒng)，自身存在的干擾問(wèn)題就越為復(fù)雜和突出。因這些原因，最終在數(shù)據(jù)讀寫的傳輸過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)漏讀、無(wú)法識(shí)別等種種故障現(xiàn)象。

3.4 數(shù)據(jù)碰撞

在很多RFID系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合里，往往需要在極短的時(shí)間片段（秒級(jí)）里對(duì)數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作，信號(hào)傳輸在時(shí)間域上存在著重疊，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題。數(shù)據(jù)碰撞的問(wèn)題本質(zhì)上是信道共享的問(wèn)題，在信道共享的問(wèn)題上，一般采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）四種方式解決，但在RFID系統(tǒng)中受制于功耗及其他因素影響，F(xiàn)DMA、SDMA、CDMA三種方式并不適用。目前廣泛使用的基本都是基于TDMA方式的防沖突算法來(lái)解決數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題，一種是基于二進(jìn)制數(shù)的確定性算法，還有一種是基于ALOHA的不確定性算法。二進(jìn)制數(shù)的確定性算法防沖突能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令都比較簡(jiǎn)單，但支持的存儲(chǔ)容量小，搜索時(shí)間也需要優(yōu)化；ALOHA的不確定性算法識(shí)別速率高，但復(fù)雜度明顯且不能完全解決沖突，存在“標(biāo)簽餓死”的問(wèn)題。算法的優(yōu)化和研究在RFID系統(tǒng)中，成為解決數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題從而完成多目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)。

3.5 數(shù)據(jù)安全

RFID系統(tǒng)大量使用電子標(biāo)簽，在這種環(huán)境下企業(yè)的商業(yè)機(jī)密、國(guó)家的安全問(wèn)題都有可能泄露，安全威脅主要來(lái)自標(biāo)簽威脅、網(wǎng)絡(luò)威脅和數(shù)據(jù)威脅。RFID標(biāo)簽的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和電源供給都比較有限，越便宜的電子標(biāo)簽計(jì)算能力越弱，對(duì)安全威脅的防護(hù)也越差。由于采用無(wú)線通信的方式，在某些介質(zhì)可穿透的狀態(tài)下，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)50米以上的通信信道，不法分子可以利用技術(shù)手段盜取標(biāo)簽信息，通過(guò)隱蔽方式對(duì)電子標(biāo)簽或者是讀取電子標(biāo)簽信息的閱讀器發(fā)動(dòng)攻擊或者截獲信息。對(duì)于電子標(biāo)簽本身而言，具有多次讀寫功能的電子標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)用便捷，但也存在更大隱患，安全策略保護(hù)顯得尤為重要；對(duì)于無(wú)線通信信道而言，容易遭受非法截取通信數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，容易遭到攻擊而產(chǎn)生通信鏈路堵塞或受到欺騙；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接而言，易于遭受來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的各種攻擊。RFID系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安全方面應(yīng)當(dāng)保證機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性、防欺騙的真實(shí)性和通信信息的隱私性。

4.RFID技術(shù)發(fā)展需要突破的瓶頸

目前，RFID所涉及的主要技術(shù)方向，雖然都在快速度的發(fā)展，但仍然存在方方面面的瓶頸，從目前看來(lái)主要存在以下問(wèn)題。

對(duì)于RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上目前難以做到統(tǒng)一，使得產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用定位比較混亂，主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在推廣方面都試圖不斷強(qiáng)化自身影響力，尤其看中中國(guó)未來(lái)的RFID技術(shù)推廣，一度曾出現(xiàn)ISO/IEC、EPC Global、UID、AIM-global、IP-X五大組織負(fù)責(zé)或領(lǐng)導(dǎo)人幾乎同時(shí)出現(xiàn)在北京和中國(guó)RFID領(lǐng)域相關(guān)負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)接洽的情況，試圖通過(guò)中國(guó)的加盟而強(qiáng)化自身在RFID技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)地位。對(duì)于中國(guó)而言，也在積極謀求自身的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立，以保護(hù)自身的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全利益。因此，RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一存在一個(gè)推廣瓶頸的問(wèn)題。

對(duì)于電子標(biāo)簽而言，高存儲(chǔ)容量意味著多功能，低功耗意味著標(biāo)簽小型化，直接制約著電子標(biāo)簽的成本。另一方面，統(tǒng)一而廣泛應(yīng)用，意味著電子標(biāo)簽數(shù)量的巨大化，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)電子標(biāo)簽數(shù)量足夠大時(shí)，單個(gè)電子標(biāo)簽的成本就可以快速降低。按一般價(jià)格測(cè)算，大約單個(gè)電子標(biāo)簽價(jià)格在5美分左右時(shí)，全球RFID電子標(biāo)簽市場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)井噴，并且大量快速應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。就目前而言，電子標(biāo)簽的價(jià)格還比較高，功能簡(jiǎn)單的電子標(biāo)簽仍在數(shù)十美分的價(jià)格區(qū)間，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制約著系統(tǒng)內(nèi)電子標(biāo)簽的數(shù)量，難以做到廣泛兼容，統(tǒng)一困難使價(jià)格難以下降，半導(dǎo)體電路性能方面也存在影響，不同廠家的芯片使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，也影響價(jià)格。

對(duì)于空間中的數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題，可以通過(guò)技術(shù)手段加以克服，但是往往以犧牲性能為代價(jià)，現(xiàn)實(shí)中的情況和數(shù)據(jù)模型的建立之間任然存在差異，甚至于某些場(chǎng)合難以完成識(shí)別，系統(tǒng)容量超過(guò)一定數(shù)值，信號(hào)干擾就呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)幾近崩潰，高速度狹小空間范圍內(nèi)的大容量識(shí)別難以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題，現(xiàn)有的算法總存在一些不足，目前許多機(jī)構(gòu)積極研究高效算法來(lái)處理電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題，此類問(wèn)題也成為當(dāng)前RFID技術(shù)一項(xiàng)重要的研究熱點(diǎn)，防沖突的確定性算法和非確定性算法都有待進(jìn)一步突破。

對(duì)于RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，在具體實(shí)現(xiàn)中是以物理方法和密碼方法兩種方式來(lái)解決的。加密技術(shù)對(duì)于電子標(biāo)簽的成本和功耗都存在要求，越安全的數(shù)據(jù)加密算法，意味著需要占據(jù)更大的電子標(biāo)簽存儲(chǔ)空間，如何在成本和安全性能中求得最佳平衡點(diǎn)，也是需要不斷突破的問(wèn)題。

5.結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線射頻識(shí)別RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的總體發(fā)展中具有重要的研究?jī)r(jià)值，從目前應(yīng)用研究的情況來(lái)看，已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)技術(shù)發(fā)展方向。準(zhǔn)確把握當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的瓶頸，對(duì)于積極開展RFID技術(shù)研究，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：金瑋（1980—），男，江蘇南京人，碩士，講師，現(xiàn)供職于南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制系電子教研室，主要研究方向：寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。