远距离射频识别系统及其应用前景

2019-11-03 10:39:31

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供稿：网友

张益强　郑铭　张其善

北京航空航天大学电子信息工程学院

　　摘要本文介绍了射频识别技术的发展其简要工作原理、发展状况和主要应用领域。

　　关键词射频识别射频卡电子标签

1 引言

　　射频识别技术（RFID，即Radio Frequency Identification）是从20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别目的。和传统的磁卡、IC卡相比，射频卡最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适合于实现系统的自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。射频卡不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，短距离的射频卡可以在这样的环境下替代条码，用在工厂的流水线等场合跟踪物体。长距离的产品多用于交通上，距离可达几十米，可用在自动收费或识别车辆身份等场合。

2 射频识别系统简介

　　射频识别系统至少应包括以下两个部分，一是读写器，二是电子标签（或称射频卡、应答器等，本文统称为电子标签）。另外还应包括天线，主机等。

　　（一）工作频率

　　射频识别系统的工作频率主要有125kHz、13.56MHz、869MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。其中125kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域。13.56MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域，其识别距离较近，一般为几厘米（ISO14443标准）到几十厘米（ISO15693标准），采用特殊制作的天线最大识别距离为1.5米左右。在UHF频段（869MHz和902～928MHz），系统的识别距离远，可从几米到几十米。UHF频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。2.45GHz系统被动式系统（无源标签）一般可提供1米左右的识别距离，主动式系统（有源标签）也可以达到十几米的识别距离。5.8GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。

　　（二）TTF与RTF

　　RTF（Reader Talks First，读写器先发言）和TTF（Tag Talks First，标签先发言）是两种读写器抗冲突协议方式。

　　在一般状态下，电子标签处于‘等待’或称为‘休眠’的工作状态，当电子标签进入读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从‘休眠’状态，转到‘接收’状态，接收读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF（Reader Talk First，即读写器先发言）方式；与此相反，进入读写器的能量场即主动发送自身ID号的电子标签被称为TTF（Tag Talk First，即标签先发言）方式。TTF和RTF协议相比，TTF方式的射频卡具有识别速度快等特点，适用于需要高速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用。

　　（三）有源和无源标签

　　射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两类。无源标签所需工作能量需要从读写器发出的射频波束中获取能量，经过整流、存储后提供电子标签所需的工作电压。与有源标签相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。缺点是读写器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。然而，目前的集成电路设计技术能使所需工作电压进一步降低至1V甚至0.42V，这使得无源RFID系统可以达到20米以上的识别距离。这在不同的无线电规则限制情况下，可以满足大部分实际应用系统的需要。有源标签本身带有微型电池，由于不需要射频供电，其识别距离更远，读写器需要的功率较小。

3 射频识别技术发展状况

　　射频识别技术在国外发展很快，RFID产品种类很多，像德州仪表、Motoro1a、Phllips等世界著名厂家都生产RFID产品，并且各有特点，自成系列。我国在这方面起步较晚，但经过几年的努力已经开发出了自主知识产权的产品。

　　RFID技术在传感器网络方面的应用被美《商业周刊》评为将掀起新产业浪潮的未来四大高技术之一。据有关权威资料统计，射频识别产品在全世界的销量、1993年为990万套，1994年就猛增到2030万套，1997年有关产品的销量将为9810万套。而在全世界范围内射频产品的销售额，1989年为0.81亿美元，1992年为1.41亿美元、1997年为4.33亿美元，1999年则为6.85亿美元，其中在1992-1999年间射频识别产品在全世界销售额的年平均增长率达25.3%。ABI估计，到2008年，RFID电子标签、阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至30亿美元。由此可见，射频识别技术具有广阔的市场前景。

　　一项由麻省理工学院（MIT）和IBM针对自动化识别系统（Auto-ID）与新型无线射频识别技术目前企业使用现状的调查报告显示：“自动化识别系统”将成为供应链管理的有力工具，有71%的企业将于2005年底前应用自动化识别系统；而有75%的制造业则会在2006年底前应用这种系统。美麻省理工学院（MIT）在芝加哥召开的EPC研讨会上首次公开展示其研发了近5年的EPC网络（Electronic PRoduct Code，即电子产品编码）。这种下一代条形码系统可用一块微芯片替换目前大多数商品上的黑色条形码。目前这种电子标签的价格约为50美分，随着应用市场的进一步扩大，价格将逐步降为25美分甚至5美分。

4 主要应用领域

　　射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域,甚至军事用途，在伊拉克战争期间，美国军方大量使用了该项技术，用装入袖口中的RFID芯片跟踪受伤的士兵。射频识别技术主要应用领域有如下一些方面：

　　（一）在商业供应链的应用

　　全世界最大的零售商沃尔码要求它前一百家大的供应商必需在2005年前为RFID技术的应用做好准备。专业人士预测，到2012年，RFID芯片的价格将降到比一粒米还便宜，还可以印在产品的包装盒上，也能印在价格标签上。依靠RFID系统跟踪商店的库存和收支情况，一清二楚。如果你是顾客，当你拿起商品要走出大门的时候，设在入口处的RFID发射接收器就能立即计算出你的购买总额，并从你钱包中的RFID信用卡上减去相应的金额，毋须劳你自己动手。

　　值得关注的是，微软公司决定加入发展射频识别技术的阵营，为催生这种货物流向追踪技术助一臂之力。IBM帮助麦德龙集团未来商店建立零售业科技新标准。

　　（二）安全、防伪方面的应用

　　伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题，现在应用的防伪技术如全息防伪等技术同样也被不法分子伪造。将射频识别技术应用在防伪的领域有它自身的技术优势，它具有成本低但却很难伪造的优点。利用这种技术不用改变现行的数据管理体制，唯一的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。

　　欧洲中央银行准备在欧元中嵌入极小的射频识别电子标签。其主要目的是识别钞票真伪，防止伪造钞票。同时，射频识别标签还能够记录钞票交割的细节，可以跟踪非法交易，防止洗钱行为。使用射频识别芯片还能够简化、加快记帐等银行的日常处理工作。使用这种标签，一叠钞票能够从一个阅读器通过就能够统计出总数来，就像使用射频识别标签的系统跟踪存货一样。

　　（三）、车辆管理系统

　　1、高速公路自动收费及交通管理

　　高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。目前中国的高速公路发展非常快，地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件，而高速公路收费却存在一些问题，一是交通堵塞，在收费站口，许多车辆要停车排队交费，成为交通瓶颈问题；二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。

　　1996年、佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费，明显地提高车辆通过率，缓解公路瓶颈。车辆可以在250公里的时速下用少于0.5毫秒的时间被识别，并且正确率达99.95%。上海也安装了基于RFID技术的自动收缴养路费系统。广州也尝试在开放的高速公路上用RFID系统对高速行驶的车辆进行自动收费。

　　2、停车场智能化管理系统

　　无需停车，系统自动识别车辆的合法性，完成放行（禁止）、纪录等管理功能。节约进出场的时间、提高工作效率，杜绝管理费的流失。

　　3、营区、重要部门车辆管理

　　政府机关、公安、军事部门、机关大院等重要部门的车辆出入，根据保密级别可设置不同权限，允许进入不同区域。对于安装假牌、假证的车辆，无法混入，有效的保障了重要部门的安全。

　　4、城市车辆动态管理　　对道路交通流量实时监控、统计、调度；车辆闯红灯记录报警；被盗（可疑）车辆报警、跟踪；特殊车辆跟踪；肇事逃逸车辆排查等等。有趣的是，英国计划在汽车上装此类芯片，超速将被自动“举报”。

　　5、公共交通电子车票

　　射频识别系统，特别是非接触IC卡应用潜力最大的领域之一就是公共交通领域。使用非接触式IC卡作为电子车票，具有使用方便、可以缩短交易时间，降低运营成本等优势。韩国汉城在1996年就采用了这一系统。目前，北京的公交车如719、749路等公交车也都加装了电子车票收费系统，将很快投入运营。

　　(四) 、人员的管理

　　1、实现公安、交警机动巡逻人员的动态管理，加强对巡逻交警（巡警）的监督和调度，提高公安警力对突发事件的机动反应能力。

　　2、人员身份自动识别、门禁管理系统

　　将来的门禁保安系统均可应用射频卡，一卡可以多用，比如作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等等，人员出入时自动识别身份，非法闯人会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式，将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。

　　（五）、物流管理

　　1、铁路货运编组调度系统

　　火车按既定路线运行，读写器安在铁路沿线，就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。通过读到的数据，能够得到火车的身份、监控火车的完整性，以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故，同时在车站能将车厢重新编组。

　　2、集装箱识别系统

　　将记录有集装箱位置、物品类别、数量等数据的标签安装在集装箱上，借助射频识别技术，就可以确定集装箱在货场内的确切位置，在移动时可以将更新的数据写入射频卡（电子标签）。系统还可以识别未被允许的集装箱移动，有利于管理和安全。

　　3、邮件、邮包的自动分拣系统

　　射频识别技术已经被成功应用到邮政领域的邮包的自动分拣系统中，它具有非接触、非视线数据传输的特点，所以包裹传送中可以不考虑包裹的方向性问题。另外，当多个目标同时进入识别区域时，可以同时识别，大大提高货物分拣能力和处理速度。另外，由于电子标签可以记录包裹的所有特征数据，更有利于提高邮包分拣的准确性。

　　4、还可用于重要物资的防盗与管理；军事物资运输的全程监控等。

5 结论

　　射频识别技术在中国起步较晚，但是它的发展潜力是巨大的，前景非常诱人。射频识别也可用于更为广泛的领域，如美国准备把这项技术用于反恐，在现代军事领域也有其独特的应用。在信息社会，对于各种信息的获取及处理要求快速、准确。在不久的将来RFID技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活、改善我们的生活。

参考文献

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　　[4] 沈宇超，沈树群，“射频识别技术及其发展现状” , 《电子技术应用》, 1999年第1期。

　　[5] 国际标准组织发布协议草案ISO/IEC 18000系列，编号ISO/IEC JTC 1/SC 31/WG 4 N652R.2003.2

　　张益强，男，1974年4月出生，河北定州人，北京航空航天大学信息与通信专业博士研究生，主要研究方向，射频识别。

----《中国数据通信》