Transcript 射频识别技术
第四章 射频识别技术 主要内容 射频识别技术概述 射频识别技术的历史与发展 射频识别技术系统构成 射频识别技术的原理与特点 射频识别技术在国内外的应用 ERC射频识别技术 射频识别技术概述 射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技 术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识 别技术，射频识别技术是一项利用射频信 号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无 接触信息传递并通过所传递的信息达到识 别目的的技术。 射频的概念 射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表 示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围 从300KHz～30GHz之间。射频就是射频电流， 它是一种高频交流变化电磁波的简称。每 秒变化小于1000次的交流电称为低频电流， 大于10000次的称为高频电流，而射频就是 这样一种高频电流。 射频的概念 在电子学理论中，电流流过导体，导体周 围会形成磁场；交变电流通过导体，导体 周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。 在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被 地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁 波频率高于100khz时，电磁波可以在空气 中传播，并经大气层外缘的电离层反射， 形成远距离传输能力，我们把具有远距离 传输能力的高频电磁波称为射频，射频技 术在无线通信领域中被广泛使用。 射频识别技术的历史 1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术， 1948年奠定了射频识别技术的理论基础。 1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实 验室实验研究。 1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一 些应用尝试。 1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时 期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的 射频识别应用。 1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各 种规模应用开始出现。 1900-2000年：RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID 产品得到广泛采用。 射频识别技术的历史 1990-2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到 重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产 品逐渐成为人们生活中的一部分。 2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识 别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子 标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成 本不断降低，规模应用行业扩大。 至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯 片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、 无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体 的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。 射频识别技术的发展 在系统方面 在识读器方面 在射频标签方面 所需的功耗更低 技术更趋成熟 作用距离将更远 多功能读写 无线数据传输 脱机工作 多种数据接口等 低频近距离系统 更高的智能 安全特性 高频远距离系统 更加完善 成本更低 RFID的定义 RFID的定义 RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即 射频识别，俗称电子标签。 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破 性的技术： 第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条 形码那样只能识别一类物体； 第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数 据，而条形码必须靠激光来读取信息； 第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能 一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。 无线射频识别技术是一种非接触的自动识 别技术。它通过射频信号自动识别目标对 象并获取相关数据，识别工作无须人工干 预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可 识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 RFID系统组成框图 射频识别系统的组成 是射频系统中存储 可识别数据的电子装置 射频标签 对数据进行管理 和通信传输的设备 将射频标签中的信息 读出，或将射频所 需要的存储的信息 写入射频标签的 装置 射频识读器 计算机网络系统 RFID系统的组成 （1）射频标签（信号发射机）:由耦合元件及芯片 组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物 体上标识目标对象（相当于条码技术中的条码符 号，用来存储需要识别传输的信息，与条码不同 的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把 存储的信息主动发射出去）。 （2）射频识读器（信号接收机）：读取（有时还 可以写入）标签信息的设备。 （3）天线：天线是标签与阅读器之间传输数据的 发射、接收装置，用来传递射频信号。 （4）计算机网络 射频标签 射频标签 射频标签的组成 •调制器 •编码发生器 •时钟 •存储器 •天线 射频标签的分类 有无电源 •无源标签 •有源标签 工作方式 •主动式 •被动式 •半被动式 射频识读器 射频识读器是获取信息装置。射频标签和 射频识读器之间利用感应、无线电波或微 波进行非接触双向通信，可以实现对标签 识别码和内存数据的读出或写入操作。可 以是手持式或固定式。 典型的识读器包含有高频模块（发送和接 收器）、控制单元以及阅读器天线。 RFID技术的基本原理 RFID技术的基本原理 RFID技术的基本原理：标签进入磁场后， 接收解读器发出的射频信号，凭借感应电 流所获得的能量发送出存储在芯片中的产 品信息（Passive Tag，无源标签或被动标 签），或者主动发送某一频率的信号 （Active Tag，有源标签或主动标签）， 解读器读取信息并解码后，送至中央信息 系统进行有关数据处理。 射频识别系统的工作流程 射频标签：射频系统中可存储可识别数据 的电子装置。 射频识读器：将射频标签中的信息读出， 或将射频标签所需要存储的信息写入射频 标签的装置。 计算机系统：是对数据进行管理和通信传 输的设备。 射频识别系统的工作流程 射频识别系统工作流程（6步）： （1）射频识读器经过天线向外发射无线电载波信号。 （2）当射频标签进入发射天线的工作区时，射频标签被激活后即将自身 信息经天线发射出去。 （3）系统的接收天线接收到射频标签发出的载波信号，经天线的调节器 传给识读器。射频识读器对接到的信号进行解调解码，送后台计算机 控制器。 （4）计算机控制器根据逻辑运算判断射频标签的合法性，针对不同的设 定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。 （5）执行机构按计算机的指令动作。 （6）通过计算机通信网络将各个监控点连接，构成总控信息平台，根据 不同的项目可以设计不同的软件来实现不同的功能。 射频识别技术的特点 特点一： 特点二： 特点三： 特点四： 特点五： 特点六： 射频识别技术的应用领域 在国外的应用 物流配送 工业制造 机场行李管理 航班管理 射频识别技术的应用领域 防 伪 交 通 信息化 各类电子票证、身份证明、特殊商品防伪等 城市交通一卡通工程，铁路的调度和统计系统， 高速公路不停车收费系统 工业 制造 生产流水线控制，物料自动配送， 在制品和当前物料的自动核对 烟草成 品物流 监管 烟厂出产的每一箱产品都拥有唯一的 识别号和条码标签 港口车辆 出入 监管 进入港区的集装箱需要严格的核对查验， 最大限度地提高通过速度。 RFID在物流系统中的应用 高速公路自动收费及交通管理 高速公路收费存在的问题：一是交通堵塞， 收费站口，许多车辆要停车排队，成为交 通瓶颈问题；二是少数不法的收费员贪污 路费、使国家损失了相当的财政收入。 解决办法：利用RFID技术实现自动收费。 高速公路自动收费及交通管理 一般来说对于公路收费系统、车辆的大小和形状不同、需 要大约4米的读写距离和很快的读写速度、也就要求系统 的频率应该在900M Hz和2500MHz 。射频卡一般在车的 挡风玻璃后面 ，现在最现实的方案是将多车道的收费口 分两个部分：自动收费口、入工收费口。天线架设在道路 的上方。在距收费口约50-100米处，当车辆经过天线时， 车上的射频卡被头顶上的天线接收到，判别车辆是否带有 有效的射频卡。读写器指示灯指示车辆进人不同车道，人 工收费口仍维持现有的操作方式，进入自动收费口的车辆， 养路费款被自动从用户帐户上扣除，且用指示灯及蜂鸣器 告诉司机收费是否完成，不用停车就可通过，挡车器将拦 下恶意闯入的车辆。 生产线自动化 生产线自动化 在生产流水线上用RFID技术，可以实现自 动控制、监视、提高生产率，改进生产方 式，节约成本。 比如：宝马公司在装配流水线上配有RFID 系统，射频标签上带有详细的汽车所需的 所有要求，在每个工作点处装有读写器， 这样就能保证汽车在各个流水线位置处毫 不出错的完成装配任务。 仓储管理 仓储管理 将RFID系统用于智能仓库货物管理， RFID完成有效地解决了仓库里与货物流动 有关的信息管理，增加了一天内处理货物 的件数，并能及时掌控这些货物的一切信 息。 RFID在集装箱跟踪管理上的应用 RFID在集装箱跟踪管理上的应用 超高频RFID技术具有识别距离长、识别 物体速度高、系统成本低等特点。 RFID识别系统在集装箱上的应用是将标 签粘贴或者镶嵌在集装箱或者托盘上，伴 随着集装箱或者托盘走过集装箱的整个生 命周期。 运用RFID进行水果等食品的跟踪 运用RFID进行水果等食品的跟踪 在鲜果的供应上，从鲜果产地到最终消费 者之间的供应链全过程也可以采用RFID来 进行跟踪管理，以保证鲜果的品质和鲜度。 将标签贴在或者镶嵌在水果箱上，标签 可以通过入口处的悬空读头、叉车读头或 者手持机来识别，读取的信息将被实时的 送到显示器或者数据库中。 在军事物流上的应用 在军事物流上的应用 射频识别技术在军事物流领域应用有着良 好的发展前景。在军事物资保障中应用 RFID技术，实现物资保障从供应地到需求 地的全程可视，实现对战场在途物资的实 时追踪和指挥控制，改善军队的物资保障 现状 。 RFID帮助德国物流商记录货物 减少货物丢失 矿山井下人员跟踪定位 条形码技术和射频识别技术的比较 RFID射频技术与条形码，从概念上来说， 两者很相似，目的都是快速准确地确认追 踪目标物体；从技术上来说，他们是两种 不同的技术，有不同的适用范围（有时会 有重叠）。两者之间最大的区别是条形码 是“可视技术”，扫描仪在人的指导下工 作，只能接收它视野范围内的条形码；相 比之下，射频识别不要求看见目标，射频 标签只要在接受器的作用范围内就可以被 读取。 电子标签RFID对比条形码优势 传统条形码识别技术相比，RFID有以下优势： 1.快速扫描 条形码一次只能有一个条形码受到扫 描； RFID辨识器可同时辨识读取数个 RFID标签。 2.体积小型化、形状多样化 RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需 为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品 质。此外， RFID标签更可往小型化与多样形态发 展，以应用于不同产品。 电子标签RFID对比条形码优势 3.抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染， 但 RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗 性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸 箱上，所以特别容易受到折损； RFID卷标是将数 据存在芯片中，因此可以免受污损。 4.可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改， RFID标 签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储 存的数据，方便信息的更新。 电子标签RFID对比条形码优势 5.穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下， RFID能够穿透纸张、木材和 塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透 性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有 物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。 6.数据的记忆容量大 一维条形码的容量是 50Bytes，二维条形码最大 的容量可储存 2至 3000字符， RFID最大的容量 则有数 MegaBytes。随着记忆载体的发展，数据 容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的 资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求 也相应增加。 电子标签RFID对比条形码优势 7.安全性 由于 RFID承载的是电子式信息，其数据内 容可经由密码保护，使其内容不易被伪造 及变造。 条形码技术和射频识别技术的比较 条形码本身还具有其他缺点，如果标签被 划破，污染或是脱落，扫描仪就无法辨认 目标。条形码只能识别生产者和产品，并 不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产 品包装上的条形码都一样，无法辨认哪些 产品先过期；更重要的是目前全世界每年 生产超过五亿种商品，而全球通用的商品 条形码，由十二位排列出来的条形码号码 已经快要用光了。 条形码技术和射频识别技术的比较 除此之外，它们还有如下主要区别：标签的作用 不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波 传输，而条形码必须在视野之内。由于条形码成 本较低，有完善的标准体系，已在全球散播，所 以已经被普遍接受，从总体来看，射频技术只被 局限在有限的市场份额之内。 由于组成部分不同，智能标签要比条形码贵得多， 条形码的成本就是条形码纸张和油墨成本，而有 内存芯片的主动射频标签价格在2美元以上，被动 射频标签的成本也在1美元以上。但是没有内置芯 片的标签价格只有几美分。 RFID的应用层次 RFID的应用包括底层的RFID数据获取层、 中间的PLC/PC层、更高的MES层、最高的 EPC层和全球EPC集成，如图4-7所示。 4.2 EPC射频识别技术 EPC产生的背景与发展 EPC系统的构成 EPC系统的工作流程 EPC系统在国际上的测试 4.2 EPC射频识别技术 RFID技术是利用无线射频信号进行非接触 双向通信，实现自动识别与数据交换。简 单的RFID系统由标签、识读器和天线三部 分组成。 EPC（电子产品代码）标签是装载识别信息的载 体，依附在商品上；它是物联网的心脏，保证对 单个物品的标识和识别。 EPC射频识别技术 EPC取自英文Electronic Product Code,译 为产品电子代码。EPC系统是在计算机互 联网的基础上，利用射频识别（RFID）、 无线数据通信等技术，构造的一个覆盖世 界上万事万物的实物互联网（Internet of Things）,旨在提高现代物流、供应链管理 水平、降低成本，被誉为是一项具有革命 性意义的现代物流信息管理新技术。 EPC射频识别技术 EPC概念的提出源于射频识别技术的发展和计算 机网络技术的发展。 射频识别技术的优点在于可以无接触的方式实现 远距离、多标签甚至在快速移动的状态下进行自 动识别。 计算机网络技术的发展，尤其是互联网技术的发 展使得全球信息传递的即时性得到了基本保证。 在此基础上，人们大胆设想将这两项技术结合起 来应用于物品标识和物流供应链的自动追踪管理。 由此，诞生了EPC。 EPC射频识别技术 人们设想为世界上的任何一件物品都赋予 一个唯一的编号，EPC标签即是这一编号 的载体，当EPC标签贴在物品上或内嵌在 物品中的时候，即将该物品与EPC标签中 的唯一编号（标准说法是“产品电子代码” 或“EPC代码”）建立起了一对一的对应 关系。 EPC射频识别技术 EPC标签从本质上来说是一个电子标签，通过射 频识别系统的电子标签读写器可以实现对EPC标 签内存信息的读取。读写器获取的EPC标签信息 源源不断地汇入互联网EPC系统的PML服务器中。 这样的一种景象表现了如下一些未来状况： ·EPC标签无所不在，数量巨大，定位于一次 赋予物品伴随物品终生； ·EPC标签读写器无所不在，但数量远少于 EPC标签，定位于数据采集设备工具； ·EPC标签与读写器遵循尽可能统一的国际标 准，以满足大限度的兼容性和低成本要求； 1、EPC 产生的背景与发展 条码的缺点： （1）条码只能识别一类产品（批次），而无 法识别单个产品； （2）条码是可视传播技术。 （3）如果印有条码的横条被撕裂、污损或脱 落，就无法扫描这些商品。 2、EPC系统的构成 EPC系统是一个非常先进的、综合性的和 复杂的系统。其最终目标是为每一单品建 立全球的、开放的标识标准。它由全球产 品电子代码（EPC）体系、射频识别系统 及信息网络系统三部分组成，主要包括六 个方面如表1所示。 2.1全球产品电子代码编码体系 全球产品电子代码EPC编码体系是新一代 的与GTIN兼容的编码标准，它是全球统一 标识系统的拓展和延伸，是全球统一标识 系统的重要组成部分，是EPC系统的核心 与关键。EPC代码是由标头、管理者代码、 对象分类代码、序列号等数据字段组成的 一组数字。具有科学性、兼容性、全面性、 合理性、国际性、无歧视性等特性。 2.2射频识别系统 EPC射频识别系统是实现EPC代码自动采集的功能模块， 由射频标签和射频识读器组成。射频标签是产品电子代码 （EPC）的载体，附着于可跟踪的物品上，在全球流通。 射频识读器与信息系统相连，是读取标签中的EPC代码并 将其输入网络信息系统的设备。EPC系统射频标签与射频 识读器之间利用无线感应方式进行信息交换，具有以下特 点： ◇ 非接触识别； ◇ 可以识别快速移动物品； ◇ 可同时识别多个物品等。 EPC射频识别系统为数据采集最大限度的降低了人工 干预，实现了完全自动化，是“物联网”形成的重要环节。 2.3信息网络系统 信息网络系统由本地网络和全球互联网组 成，是实现信息管理、信息流通的功能模 块。 EPC系统的信息网络系统是在全球互联网 的基础上，通过EPC中间件以及对象命名 称解析服务（ONS）和实体标记语言 （PML）实现全球“实物互联”。 2.3.1 Savant 系统 Savant系统-物联网的神经系统 Savant是用来加工和处理来自识读器的所有 信息和事件流的软件，是连接识读器和企业应用 程序的纽带。 它要对EPC进行过滤、分组和计数，以减少发 往信息网络系统的数据量，并防止错误识读、漏 读或多读信息。 物联网 ONS（对象 名称服务） EPC信 息服务 其他 Savant 其他 服务 具体程序模块采 用的其他服务 SAVANT 识读器 识读器 识 读 器 接 口 图2 SAVANT内部结构 程序模块 应 用 程 序 接 口 企业应用 程序 企业应用 程序 物联网 IS IS 美国 国家中心 新英格兰地区 中西部地区 波士顿 商店 ES 普洛维登斯 商店 ES 采集实时EPC 数据的Savant 纽约 商店 ES 华盛顿 商店 ES ES IS 芝加哥 商店 图 3 SAVANT内部结构 识读器 2.3.2ONS（对象名称解析服务） ONS的作用是将一个EPC(电子产品代码)映射 成一个或多个URI(统一资源定位符),通过这些 URI可以查找到在PML（产品标识语言）服务 器上产品的详细信息。是联系前台Savant 软件和后台PML服务器的枢纽，并且设计 与架构都以因特网DNS为基础。 物联网 ONS工作过程 标签 1.EPC 标签识读器 2.EPC 本地服务器 3.EPC 本地ONS解算器 4.EPC域名 6.IP地址 5.PML服务 器IP地址 ONS服务器 基础架构 7.与PML 服务器建立 连接 PML服务器 2.3.3PML（物理标记语言） PML 是物联网中的通用语言，用来定义物理对象 的数据。它以可扩展标志语言XML的语法为基础。 PML服务器内部存放了制造商生产的所有物品相 关数据信息的PML文件。 物联网 标签-识读器 的基层设备 已探测到的 EPC标签 Savant 与ONS通讯来获得 与所探测到的EPC 相关的PML页面 ONS（对象 名称服务） PML-Server 查找符合此EPC的 PML-server地址 请求PML数据 处理从EPC标签新 读取到的数据 发布新数据 图 EPC信息获取流程图 返回所请求 EPC数据 处理新读取 到的EPC标签 3.EPC系统工作流程 在由EPC标签、读写器、EPC中间件、Internet、ONS服 务器、PML服务器以及众多数据库组成的实物互联网中， 读写器读出的EPC只是一个信息参考（指针），由这个信 息参考从INTERNET找到IP地址并获取该地址中存放的相 关的物品信息，并采用分布式的EPC中间件处理由识读器 读取的一连串EPC信息。由于在标签上只有一个EPC代码， 计算机需要知道与该EPC匹配的其它信息，这就需要ONS 来提供一种自动化的网络数据库服务，计算机需要知道与 该EPC匹配的其他信息，这就需要ONS来提供一种自动化 的网络数据库服务，EPC中间件将EPC传给ONS，ONS 指示EPC中间件到一个保存着产品文件的PML服务器查找， 该文件可由EPC中间件复制，因而文件中的产品信息就能 传到供应链上，EPC系统的工作流程如下图所示。 4.EPC系统在国际上的测试 测试的三个阶段 世界各国的推动 EPC与射频识别技术的关系 射频识别（Radio Frequency Identification，以下简称 RFID）技术是利用射频信号及其空间耦合和传输特性进 行的非接触双向通信，实现对静止或移动物体的自动识别， 并进行数据交换的一项自动识别技术。20世纪90年代开始 应用于物品跟踪等民用领域。RFID具有识读距离远、识 读速度快、不受环境限制、可读写性好、可同时识读多个 物品等优点，随着RFID技术的不断进步，成本的不断降 低，RFID技术开始进入物流、供应链管理领域。目前 RFID在汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统， 仓储管理，安全检查，车辆防盗等方面得到应用，从而引 起全球各界的广泛关注。 EPC与射频识别技术的关系 射频识别系统的数据存储在射频标签之中，其能 量供应以及与读写器之间的数据交换不是通过电 流而是通过磁场或电磁场进行的。射频识别系统 包括射频标签和读写器两个部分。射频标签贴在 产品或安装在产品或物品上，有射频读写器读取 存储于标签中的数据。由于RFID可以用来追踪和 管理几乎所有物理对象，越来越多零售商和制造 商都在关心和支持这项技术的发展与应用。 EPC与射频识别技术的关系 采用RFID最大的好处是可以对企业的供应 链进行高效管理，以有效地降低成本。因 此对于供应链管理应用而言，射频技术是 一项非常适合的技术。但由于标准不统一 等原因，该技术在市场中并未得到大规模 的应用。 EPC产品电子代码及EPC系统的出现，使 RFID技术向跨地区、跨国界物品识别与跟 踪领域的应用迈出了划时代的一步。 EPC与射频识别技术的关系 图1是EPC与RFID之间关系的示意图，EPC与RFID之间 有共同点，也有不同之处。从技术上来讲，EPC系统包括 物品编码技术、RFID技术、无线通信技术、软件技术、 互联网技术等多个学科技术，而RFID技术只是EPC系统 的一部分，主要用于EPC系统数据存储与数据读写，是实 现系统其他技术的必要条件；而对RFID技术来说，EPC 系统应用只是RFID技术的应用领域之一，EPC的应用特 点，决定了射频标签的价格必须降低到市场可以接受的程 度，而且某些标签必须具备一些特殊的功能（如保密功能 等）。换句话说，并不是所有的RFID射频标签都适合做 EPC射频标签，只是符合特定频段的低成本射频标签才能 应用到EPC系统。 EPC与射频识别技术的关系 EPC与射频识别技术的关系 成熟的RFID技术应用于新生的EPC系统， 将极大拓展RFID技术的应用领域，给RFID 技术特别是RFID标签市场带来迅猛增长， 随着零售巨擎沃尔玛要求其供应商使用 EPC射频标签的期限迫近，EPC给RFID世 界带来的商机已逐渐显现，同时，随着 2004年第二代射频标签全球标准的出台， RFID技术与市场的发展将更加规范有序， EPC系统的推广与应用将真正步入快车道。 EPC与EAN/UCC的关系 本章小结 射频识别系统的构成 射频识别技术的原理 EPC系统的构成 EPC系统的工作流程