短程通信和射頻識別技術(shù)的應(yīng)用*

李元忠，林睿南，朱 宏，李 朗

短程通信和射頻識別技術(shù)的應(yīng)用*

李元忠**1，林睿南2，朱 宏1，李 朗1

（1.四川新源現(xiàn)代智能科技有限公司，成都 610041；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249）

短程通信和射頻識別技術(shù)分屬物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層和感知層，具有部分共同特點。介紹了這兩項技術(shù)（包括自行開發(fā)的專利技術(shù)和創(chuàng)新基金項目相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)）在管理對象的信息數(shù)字化、防偽、交通信號控制、海關(guān)和油氣儲運的可視化管理中的應(yīng)用情況，指出它們還可以推廣應(yīng)用于物流、城市交通及車輛監(jiān)控等工程中。

物聯(lián)網(wǎng)；短程通信；射頻識別；視頻識別；無源電子標(biāo)簽；電子智能鎖；工程應(yīng)用

1　引 言

美國和日本在短程通信（Short Range Communication，SRC）和射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，分別制定了超高頻RFID的ISO-18000-6B/C標(biāo)準(zhǔn)和專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)生產(chǎn)了相關(guān)的芯片、模塊、設(shè)備和系統(tǒng)及其軟件。在20世紀(jì)90年代，國內(nèi)工作的重點在技術(shù)引進(jìn)和二次集成及其工程應(yīng)用方面。

SRC技術(shù)以其安裝方便和易于聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，向各領(lǐng)域滲透，包括嵌入個人電腦、手持終端、手機(jī)、GPS設(shè)備（模塊）等眾多民用產(chǎn)品里，實現(xiàn)無線上網(wǎng)、電子商務(wù)、網(wǎng)上購物、在途車輛實時通信和導(dǎo)航、獲取路況和氣象信息等，給人們的工作和生活帶來了太多的便利。

SRC技術(shù)的種類很多，包括藍(lán)牙（Bluetooth）、通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）、無線寬帶（Wireless Fideliry，WIFI）、紫蜂（Zigbee）、DSRC和高頻（超高頻和微波）RFID等，其中WIFI、ZIGBEE和超高頻RFID應(yīng)用最為廣泛［1］。

SRC和RFID技術(shù)及其產(chǎn)品是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成，它們的載頻都是射頻信號；在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它們的角色可以互相轉(zhuǎn)換。例如：433 MHz的SRC和5 800 MHz的DSRC，既可用作短程通信，也可用在不停車電子收費（Electronic Toll Collection，ETC）系統(tǒng)。

SRC、RFID和物聯(lián)網(wǎng)的其他傳感技術(shù)（如特殊二維碼、電子地磅、視頻識別等）的綜合比對，可提高管理對象的防偽能力。本文所舉實例中包括已獲批的、自行開發(fā)和正在申報的專利技術(shù)。這些內(nèi)容，現(xiàn)有文獻(xiàn)少有報道。

2　短程通信和RFID技術(shù)的特點［1］

電磁波是能量波，它包括聲波、無線電波和光波。無線電波的頻率范圍從9 kHz～3×105GHz。無線電波傳播的距離有遠(yuǎn)有近，大于10 km的屬于遠(yuǎn)程通信，小于1 km的為短程通信。

用于通信系統(tǒng)的無線電波包括載波和調(diào)制波。從時域上看，未被調(diào)制的載波是等幅、周期變化的連續(xù)波；當(dāng)調(diào)制波按某種調(diào)制方式（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相）調(diào)制載波后，載波的幅度（或頻率、相位）將隨時間發(fā)生變化。從頻域上看，未被調(diào)制的載波是一條獨立的載波譜線；當(dāng)調(diào)制波按調(diào)幅（或調(diào)頻、調(diào)相）調(diào)制載波后，在載波譜線的兩側(cè)對稱地出現(xiàn)無數(shù)調(diào)制波的譜線，這些譜線與載波譜線的頻差為調(diào)制波頻率的1～n倍。也就是說，被調(diào)制后的信號頻譜擴(kuò)展了（調(diào)幅波只有3條譜線）。為了提高無線電波在傳播過程中的抗干擾能力，常采用跳頻擴(kuò)展頻譜（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS）和直接序列擴(kuò)展頻譜（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）的調(diào)制方式。RFID常采用FHSS調(diào)制，而Zigbee常采用DSSS調(diào)制。

常用短程通信技術(shù)的工作頻率、調(diào)制方式、使用標(biāo)準(zhǔn)、作用距離、數(shù)據(jù)率等技術(shù)特點和主要應(yīng)用領(lǐng)域見表1。需要說明的是：RFID技術(shù)既是短程通信技術(shù)，也是射頻識別技術(shù)；短程通信和RFID技術(shù)遵循各自的標(biāo)準(zhǔn)；RFID常用3種標(biāo)準(zhǔn)（ISO14443、EPC、ISO18000-6B/C）工作于不同頻段；藍(lán)牙、GPRS、CDMA、WIFI常與移動通信或與傳感器結(jié)合使用。

RFID常采用工業(yè)、科研及醫(yī)療（Industrial Scientific and Medical，ISM）頻段。不同的應(yīng)用，選用不同工作頻段和標(biāo)準(zhǔn)，如：用于公交、身份證、校園一卡通等，選用13.56 MHz、ISO14443國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品；用于物流、ETC、車輛自動識別（Automatic Vehicle Identification，AVI）、門禁、停車場管理等，選用915 MHz、ISO/18000-6B/C（EPC）和美國ANSI NCITS256標(biāo)準(zhǔn)（T6標(biāo)準(zhǔn)）；2.45 GHz-FCC/ITS標(biāo)準(zhǔn)在歐洲應(yīng)用較多；5.8 GHz的DSRC標(biāo)準(zhǔn)主要在日本應(yīng)用。

隨著短程通信技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用模塊不斷推陳出新，主要組成包括射頻前端、微控制器、I/O接口以及嵌入式軟件等；工作頻段多為ISM（433/ 868/915/2 450 MHz）頻段。選用短程通信模塊，除考慮成本外，要注意它的發(fā)射功率（大于等于+10 dBmW）、接收靈敏度（小于等于-105 dBmW）和睡眠電流（小于等于0.1 μA）等技術(shù)參數(shù)。

3　短程通信和RFID技術(shù)在系統(tǒng)工程的應(yīng)用舉例

受篇幅限制，本文只舉短程通信和RFID技術(shù)在交通、海關(guān)、油氣儲運工程及其防偽的應(yīng)用。

3.1 RFID技術(shù)在管理對象信息數(shù)字化中的應(yīng)用［2-4］

很多行業(yè)都在建設(shè)本領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)。實現(xiàn)信息化管理，首先要完成管理對象信息的數(shù)字化。管理對象的信息很多，應(yīng)優(yōu)選主要內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字化。例如：物流管理對象是包裝箱的“運單”（“箱單”），選其編號、收發(fā)地址、貨主及收貨人姓名、手機(jī)號、包裝箱箱號及其貨物重量等，建立基礎(chǔ)信息表，并按規(guī)定的編碼方法，將信息數(shù)字化。碼管和卡管分系統(tǒng)是商品物流“運單”（“箱單”）信息數(shù)字化的工具。

碼管和卡管分系統(tǒng)采用特殊二維碼識別和RFID技術(shù)，由專用識讀器、超高頻RFID讀寫器及其天線、交換機(jī)、操作計算機(jī)、碼管工作站、打印機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1　碼管和卡管分系統(tǒng)組成圖Fig.1　Composition of bar management and tag management subsystem

在物流包裝箱內(nèi)側(cè)貼裝RFID無源電子標(biāo)簽（簡稱“標(biāo)簽”），每個“標(biāo)簽”都有一個唯一的識別地址（ID）號，出廠前被鎖死，不可修改。采用防拆技術(shù)，“標(biāo)簽”貼裝在管理對象后，不可拆卸，一拆即毀，不可恢復(fù)。

在物流“運單”（“箱單”）上粘貼特殊二維碼（含專有圖案），它采用含有特殊物質(zhì)的油墨，通過操作計算機(jī)和打印機(jī)，打印在專用紙上。專用紙很薄，其粘力很強(qiáng)，粘貼在“運單”（“箱單”）后，不能撕扯，一扯即壞。特殊二維碼和專有圖案看似一般的二維碼，但是只能用專用識讀器解讀，并顯現(xiàn)其真實信息；否則會發(fā)出報警提示。

通過專用識讀器、超高頻RFID讀寫器及其天線和操作計算機(jī)，將“運單”（“箱單”）的編號及其相關(guān)數(shù)字化信息、特殊二維碼的碼號和“標(biāo)簽”的識別地址（ID）號一起寫入工作站。這些信息被稱為特殊二維碼和“標(biāo)簽”的“靜態(tài)數(shù)據(jù)信息”。“靜態(tài)數(shù)據(jù)信息”與其管理對象是唯一對應(yīng)的，這種唯一對應(yīng)關(guān)系是管理對象防偽的基礎(chǔ)。

碼管和卡管分系統(tǒng)還分別完成特殊二維碼和“標(biāo)簽”的制作、信息寫入、修改、更新和淘汰、發(fā)卡、裝卡、驗卡、掛失、回收和注銷等“全生命”過程的跟蹤管理。

3.2特殊二維碼、RFID和電子地磅所采集信息的比對［2］

隨著網(wǎng)購快速普及，假冒商品相應(yīng)滋生，給物流市場的正常發(fā)展和人們的利益帶來很大的損失。

采用物聯(lián)網(wǎng)中的多種傳感技術(shù)，包括RFID、特殊二維碼和電子地磅等，對物流商品及其“運單”（“箱單”）的信息進(jìn)行采集、識別，并通過智能控制器及其嵌入比對過濾軟件進(jìn)行管理，如圖2所示。

圖2　智能控制器及其綜合對比Fig.2　Intelligent controller and its comprehensive comparison

如前所述，在物流包裝箱內(nèi)側(cè)貼裝超高頻RFID“標(biāo)簽”，在物流“運單”（“箱單”）上粘貼特殊二維碼（含專有圖案）。超高頻RFID讀寫器采集和識別包裝箱上的“標(biāo)簽”數(shù)據(jù)信息；專用識讀器采集和識別物流“運單”（“箱單”）上的特殊二維碼（含專有圖案）數(shù)據(jù)信息；電子地磅采集包裝箱及其貨物的重量信息；智能控制器及其比對過濾模塊（含軟件），將上述信息、智能控制器數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的特殊二維碼和“標(biāo)簽”的“靜態(tài)數(shù)據(jù)信息”，進(jìn)行綜合比對過濾；由比對結(jié)果判斷這些信息是否相符，如果相符，該“運單”（“箱單”）被放行；如有不符，“系統(tǒng)”將會報警，該商品或集裝箱被攔截，并接受檢查和處理。

特殊二維碼和RFID標(biāo)簽的比對過濾技術(shù)項目正在申報專利。

3.3RFID/VFID綜合比對技術(shù)在車輛防偽中的應(yīng)用［2-5］

RFID/VFID綜合比對過濾系統(tǒng)由RFID分系統(tǒng)、VFID分系統(tǒng)、智能控制器、語音提示、LED顯示、電源等組成。RFID分系統(tǒng)包括“標(biāo)簽”、讀寫器及其天線；VFID分系統(tǒng)包括高清攝像機(jī)及其數(shù)字信號處理DSP模塊（其中嵌入有號牌識別算法軟件）、補(bǔ)光燈、車道線圈、車輛檢測器等，如圖3所示。

圖3　嵌入式RFID/VFID比對過濾模塊組成圖Fig.3　Composition of embeded RFID/VFID comparison filtering module

RFID分系統(tǒng)采集安裝在車輛上的“標(biāo)簽”的數(shù)據(jù)信息，提取車牌號信息；VFID分系統(tǒng)通過高清攝像機(jī)采集車輛的圖像信息，并通過號牌識別軟件提取車牌號信息。

在智能控制器配置RFID/VFID綜合比對過濾模塊，將兩種識別技術(shù)提取的車牌號信息，進(jìn)行綜合比對過濾。如果車輛的號牌是克隆的，該系統(tǒng)能判斷號牌的真?zhèn)尾l(fā)出報警。

該技術(shù)已獲得發(fā)明專利（證書號：201210012527.7），當(dāng)年屬國內(nèi)領(lǐng)先水平，它是創(chuàng)新基金項目“基于物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的保稅物流園區(qū)綜合化管理系統(tǒng)”（項目編號：11XXCY013）的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)已在深圳海關(guān)車輛自動識別管理系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.4Zigbee模塊在無線交通信號控制中的應(yīng)用［5］

Zigbee技術(shù)具有短程通信技術(shù)的優(yōu)點，采用直接序列擴(kuò)頻抗干擾工作方式，通過接口模塊和控制模塊進(jìn)行加密。它的發(fā)射功率視所要求的作用距離（數(shù)十米至數(shù)公里）而定，可與計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)相連，完成信息交換；也可以與控制模塊相連，完成對交通信號燈的控制。它使用世界通用頻段，不需繳納運營費。

在不便布線的路口和橋梁，采用無線交通信號控制系統(tǒng)完成交通信號控制。該系統(tǒng)由AC-DC和DC-AC光耦-固態(tài)控制開關(guān)、Zigbee模塊及其天線、交通信號控制機(jī)、交通信號燈等組成，如圖4所示。

圖4　無線交通信號控制系統(tǒng)組成圖Fig.4　Composition of wireless traffic signal control system

Zigbee模塊由接口模塊、存儲器、微控制器、射頻收發(fā)模塊和嵌入軟件組成；在存儲器和微控制器中設(shè)置有地址碼，對應(yīng)各組紅綠燈。無線交通信號控制系統(tǒng)接收交通控制中心的指令，控制路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換，保證城市交通的通暢。

3.5Zigibee模塊在海關(guān)和石油領(lǐng)域中的應(yīng)用［5-8］

在海關(guān)物流保稅園區(qū)自動識別管理系統(tǒng)中，為防止車輛轉(zhuǎn)關(guān)途中走私（或偷油）現(xiàn)象的發(fā)生，采用了電子智能鎖，鎖閉通關(guān)車輛上的集裝箱；在油氣儲運自動識別管理系統(tǒng)中，電子智能鎖鎖閉油罐車的油箱，防止運輸途中私自卸油。電子智能鎖內(nèi)置有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、Zigbee及其加密的微控制器、控制開關(guān)、GPRS等模塊、鋰電池和鎖具等。Zigbee具有“叫醒”功能，沒有收到信號時，該模塊處于“睡眠”狀態(tài)，電流很?。ú淮笥?.1 μA）；收到信號時，該模塊被“叫醒”，開始工作。

Zigbee模塊在其微控制器內(nèi)設(shè)有加密的鎖號（地址碼），相當(dāng)于有源RFID“標(biāo)簽”的識別地址（ID）號。該模塊的功能兼顧有源RFID“標(biāo)簽”和短程通信的功能，既能完成有源RFID“標(biāo)簽”的識別功能，又能完成短程通信的功能（包括發(fā)出開鎖和關(guān)鎖的指令）。短程通信模塊的加密鎖號與所安裝的油罐車的車牌號捆綁在一起，建立唯一對應(yīng)關(guān)系，并存入系統(tǒng)管理中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)采集到油罐車的車牌號就能知道安裝在油罐車上的智能鎖的鎖號。

GPS模塊采集智能鎖的位置信息，通過短程通信模塊、手機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心進(jìn)行信息交換；信息管理中心通過GPS和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）實時跟蹤、顯示車輛（或油罐車）的行駛路線，并在電子地圖上顯示。

授權(quán)管理員按車輛（或油罐車）預(yù)先規(guī)定的行駛路線、行駛時間以及信息回傳間隔對電子智能鎖進(jìn)行設(shè)置，如果電子地圖上顯示的結(jié)果與預(yù)設(shè)路線出現(xiàn)偏離、超時或擅自開鎖行為，系統(tǒng)都會報警。

管理員配備有手持終端，手持終端包括GPS模塊和Zigbee模塊。油罐車到達(dá)終點，管理員通過手持終端，讀取有源“標(biāo)簽”的信息，如果無誤，手持終端會給短程通信模塊發(fā)出開鎖信號；否則不能開鎖，并發(fā)出報警。

4　結(jié)束語

短程通信和射頻識別技術(shù)有著各自的特點，分屬物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層和感知層。它們也有某些共同特點，在某些應(yīng)用場合，其角色可以互相轉(zhuǎn)換，甚至“一肩兩挑”。

本文綜述了短程通信和射頻識別技術(shù)及其在系統(tǒng)工程中成功應(yīng)用的案例，不是理論分析和具體方案設(shè)計，僅供工程技術(shù)人員參考。

本文中所述短程通信和射頻識別技術(shù)在交通、海關(guān)、油氣儲運和防偽方面成功應(yīng)用的實例，包括創(chuàng)新基金項目所開發(fā)的專利技術(shù)，可以推廣應(yīng)用于物流、鐵路集裝箱集散中心、城市交通及車輛監(jiān)控、油氣管道可視化管理等系統(tǒng)工程中。

［1］ 黃鵬，楊云志，李元忠，等.“物聯(lián)網(wǎng)”推動RFID技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展［J］.電訊技術(shù)，2010，50（3）：85-88.

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李元忠（1940—），男，湖北監(jiān)利人，1963年于中國科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為西南石油大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院客座教授、中國管理技術(shù)研究院特約研究員，主要研究方向為航空電子系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、RFID系統(tǒng)和設(shè)備及電子標(biāo)簽，已獲2項發(fā)明專利；

LI Yuanzhong was born in Jianli，Hubei Province，in 1940.He received the B.S.degree from University of Science and Technology of China in 1963.He is now a visiting professor at School of Computer Science，Southwest Petroleum U-niversity and guest researcher at Chinese Management Technology Research Academy.His research concerns avionics sestem，the Internet of Things，RFID system and electronic tags.He has received two invention patents.

Email：superfly28@sina.com

林睿南（1991—），男，2014年于西南石油大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為油氣儲運管理；

LIN Ruinan was born in 1991.He receiced the B.S.degree from Southwest Petroleum University in 2014.He is now a graduate student.His research concerns management of oil and gas storage and transportation.

Email：346723256@qq.com

朱 宏（1972—），男，四川仁壽人，1996年于四川大學(xué)應(yīng)用物理系獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為車輛自動識別系統(tǒng)和電子收費系統(tǒng)等方面的軟件設(shè)計；

ZHU Hong was born in Renshou，Sichuan Province，in 1972. He received the M.S.degree from Sichuan University in 1996.He is now an engineer.His research concerns software design for vehicle autoidentification system and electronic toll system.

Email：zhuhong_cn@163.com

李 朗（1983—），男，四川南充人，碩士研究生、工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、生物電子系統(tǒng)。

LI Lang was born in Nanchong，Sichuan Province，in 1983.He is now a graduate student and also an engineer.His research concerns Internet of things，biological electronic technology and so on.

Email：402545189@qq.com

Applications of Short Range Communication and RFID Technology

LI Yuanzhong1，LIN Ruinan2，ZHU Hong1，LI Lang1
（1.Sichuan Neosource Intel-Tech Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China；
2.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Bejing 102249，China）

Short range communication（SRC）and radio frequency identification（RFID）technology individually belong to transmission and perception layer of the internet of things（IOT）and they have some common characteristics.This paper introduces applications of the two technology，including self-developed patented technology and innovation fund projects related key technologies，in the management object information digitization，security，traffic signal control，visualization management of customs and oil&gas storage and transportation.It points out that the two technology can also find wide applications in logistics，city transportation and vehicles monitoring.

Internet of Things；short range communication；radio frequency identification；video frequency identification；passive electronic tag；electronic smart lock；engineering application

**通信作者:superfly28@sina.com superfly28@sina.com

TN92

A

1001-893X（2016）08-0944-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.08.020

2016-02-26；

2016-05-18

date:2016-02-26；Revised date:2016-05-18

引用格式:李元忠，林睿南，朱宏，等.短程通信和射頻識別技術(shù)的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2016，56（8）：944-948.［LI Yuanzhong，LIN Ruinan，ZHU Hong，et al.Applications of short range communication and RFID technology［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（8）：944-948.］