1.1　射频识别技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）利用无线射频通信技术自动识别和跟踪附着在物体上的电子标签。电子标签包含存储的信息，可分为被动式标签和主动式标签。被动式标签是从读写器发出的无线电波中收集能量，激活标签内部的电路，并反射信号。主动式标签有一个本地电源（如电池），可以在离射频识别阅读器几百米的地方工作。与条形码不同的是标签不需要在读卡器的视线范围内，因此它可以嵌入被跟踪的对象中。射频识别提供了一种优良的自动识别和数据捕获方法[3]。

本书从RFID的工作原理出发，分别从标签、天线、阅读器以及中间件四个构成RFID系统的部件展开描述，追踪各个部件的功能、作用以及工程实现的基本方法。结合RFID的相关标准，重点介绍EPC、ISO（Gen2）标准[4]。射频识别是当前支持EPC物联网的最优方案。图1-1是一个简单RFID系统的功能模块。

相比较于其他的物联网识别系统，电子标签在识别速度和价格上占有很大的优势，因此为物联网的识别技术提供了最佳的选择。但我们也必须认识到，电子标签在安全性以及对环境的依赖性等方面存在缺陷。目前RFID已经成功应用到仓储、分拣、零售和生产等中，图1-2是RFID在仓储管理中的典型应用。

射频识别系统是在IC卡内部电路基础上发展起来的新型识别系统，但RFID系统的读写器和应答器（射频标签）在能量供应以及通信方式上不同。RFID系统通过无线的磁场或电磁场进行能量供应和通信，因而是一种非接触式的识别系统。

射频识别以电子标签标识物体，利用电磁波实现电子标签与读写器之间的通信（数据交换）。读写器自动或从上层服务器中接收指令完成对电子标签的读写操作，再把电子标签内的数据传送到服务器，服务器完成对物品信息的存储、管理和控制。由于标签数量一般是十分巨大的，所以服务器一般要维护一个大型的数据库，而对于标签较少的环境，读写器内部也可以维护一个较小的本地数据库。要依据实际系统的需求放置数据库。

电子标签（图1-3）由外部天线和内部电路组成，电子标签的应用场合不同，外部天线与内部电路也不同。根据电子标签内部是否有电源，可将其分为无源（Passive）标签、半无源（Semi-passive）标签和有源（Active）标签三种类型。由于无源标签在价格和使用期限等方面有优势，因此，多数应用场合使用的是无源标签。

射频识别技术近年来表现出了迅猛的发展态势，在多个应用领域起到了不可替代的作用。例如，企业管理中的人员、物料、仓储管理，产品的追踪溯源，物流领域内的自动分拣，农牧业中的自动识别，销售行业内的单品识别和自动结算，以及图书管理领域的图书存储和查找。又如，在工业生产过程中，附着在产品上的RFID标签可用于在装配线上跟踪进度；标签也可以用在商店中，以加快结账速度，并防止客户和员工盗窃。射频识别技术促成了当前蓬勃发展的物联网行业，RFID标签正应用于更多的领域中。

射频识别技术在各个行业内蓬勃发展，使万物互联、万物感知逐渐成为现实，射频识别技术已经带动了一个庞大的市场。据悉2020年全球物联网连接数量将达到200亿～500亿，RFID作为物联网感知外界的重要支撑技术，近年来的发展有目共睹。预计到2026年，市场价值预计将上升至186.8亿美元。相关市场调研的专业报告显示，到2025年，中国RFID应用的市场价值将达到43亿美元。

1.1.1　射频识别技术的发展

尽管RFID技术正经历着前所未有的发展，但其基本原理，如调制后的后向散射，起源于几十年前。事实上，现代射频识别系统是基于第二次世界大战的身份识别系统的，身份识别系统旨在识别进入周边环境的敌友战机。20世纪30年代后期的系统，也是现代射频识别系统的第一个版本，在1939年测试并投入运行，安装在响应特定频率的雷达脉冲的飞机上，接收独特的回波信号，其技术特征是随时间的推移回波信息逐渐叠加，因而信号幅度逐渐增大，从而达到能够准确识别对方身份的目的。随后，人们在最初的协议基础上发展了更为复杂的系统，形成了像Transponder Mark Ⅲ的更加先进的战机识别方式。

第二次世界大战结束后不久，射频识别技术的商业应用逐渐增多。1948年，这一课题的第一项里程碑式的工作由哈里斯完成。哈里斯讨论了后向散射通信的基本理论，并提出了几种技术实现的模式。

20世纪50年代和60年代，射频识别技术发展相对缓慢，但有关射频识别的想法和专利已发布，如哈里斯的“可锁定被动应答器”，进一步的理论研究由哈林顿于1964年提出[5]。然而，真正实用化的发明和开发集成是在20世纪60年代后期，射频识别技术大量地应用于日常生活中。集成电子技术的发展，指数级地降低了电子设备、微波收发器的价格和尺寸，最终满足了实际应用对尺寸和价格的需求，为未来几十年RFID爆炸式发展奠定了技术基础。1975年，阿尔弗雷德等人给出了后向散射信号调制的实际解决方案，从实用性方面来讲，这是第一个可接受阅读范围的实用被动标签的实验方案。在此期间，射频识别技术仍处于高速发展阶段，许多公司，如Raytag、RCA、Alfa Laval和NEDAP，政府实验室和学术机构都参与了这项工作。最终，在20世纪80年代后期，射频识别技术应用第一个全球商业案例——自动收费系统成功了。此系统采用低功耗CMOS数字电路和EEPROM（非易失性存储器），但此时电路的尺寸仍然是一个限制因素，占标签大小的一半。在20世纪90年代，RFID技术应用开始遍布世界各地，中国、欧洲各国、日本、澳大利亚等多个国家已经开始将其应用在收费和铁路票务方面。此阶段最大的技术进展是：微波肖特基二极管可以集成在CMOS技术中，在20世纪90年代末，这一突破使应答器电路完全包含在单个集成电路（RFID ASIC）中，标示着现代的被动式射频识别标签诞生了。目前天线尺寸是被动式射频识别标签的主要限制因素之一[6]。

1.1.2　射频识别技术在物联网中的应用

物联网的基本构想是实现万物互联，是一种能够将物理世界中的物品进行互联互通的智能网络，它综合利用各种技术（如射频识别技术、通信技术、实时定位技术、地理信息技术、视频技术和传感器技术）与相关设备，通过互联网网络实现智能化物体之间的信息交流或者信息处理。它把物理实体与信息进行了关联，实现了物理世界与信息世界的完美统一。其目的就是要实现任意物品具有唯一的标记，从而方便地对物品实现读取和管理。

物联网是利用多种网络技术建立起来的。RFID电子标签技术是其中非常重要的技术之一。以RFID系统为基础，结合已有的网络技术、传感技术、数据库技术、中间件技术等，构建一个比因特网更庞大的由大量联网的读写器和移动的标签组成的巨大网络是物联网发展的趋势。在这个网络中，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。可应用在交通、环保节能、工业监督、全球安防、家居安全和医疗保健等领域。物联网不仅可使更多的业务流程取得更高的效率，而且在其他应用中也有提升作用，如材料处理和物流、仓储、产品追踪、数据管理、生产成本控制、资产流动速度控制、防伪、生产错误控制、缺陷产品即时召回、废物回收利用和管理、药物处方的安全性控制以及食品安全和质量控制等。此外，加入了物联网的智能科技，如机器人及穿戴式智能终端，可以让日常物品成为思考和沟通的装备。下面介绍几个RFID技术应用实例。

（1）邮政/航空包裹分拣

意大利邮局采用ICODE射频识别系统进行邮包分拣，包括普通邮包和EMS速递业务，大大提高了分拣速度和效率。邮包上封装的电子卷标被各地的识别装置识别，以确定该邮包是否被正确地投递，并将信息输入联网主机。该系统能够实现100%准确读卡。防碰撞技术更是允许30张卡同时经过安置天线的货物信道。Philips公司还将ICODE射频识别系统成功应用在航空包裹的分拣上。2001年，英国航空公司在Heathrow（英国伦敦希思罗机场）安装了ICODE射频识别系统，在测试的两个月中，对来自德国慕尼黑、英国曼彻斯特等地乘客的75000件行李进行识别，效果令人满意，而且射频卡电路设计得非常薄，可以嵌在航空专用行李包里[7]。

（2）图书和音像制品管理

图书馆和音像制品收藏馆面临的巨大难题是要对数以万计的图书、音像数据进行目录清单管理，而且要准确迅速地为读者提供服务。ICODE技术可以满足这些需求，实现在书架上确定书的位置，并且借书登记处可以同时对多本书录入的功能，且具有EAS功能（电子防盗），不经录入而拿出书会启动EAS报警。

（3）零售业

零售业中需要解决的三个问题是：产品商标、防伪标志和商品防盗。这三个问题通过一个小小的电子卷标很容易得到解决。商品出厂时，厂家把固化有商品型号、商品相关信息及防伪签名等信息的射频卡与商品配售。在销售点这些信息可以通过读卡器读出，还可以启动EAS功能为销售商提供商品防盗功能，消费者可以通过电子卷标信息辨别商品真伪。

（4）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，在地区经济发展中占据的位置也越来越重要。人工收费系统常常造成交通堵塞。将RFID系统用于高速公路自动收费，能够使携带射频卡的车辆在高速通过收费站时自动完成收费，可以有效解决收费拥堵问题。1996年，佛山安装了RFID系统用于自动收取路桥费以提高车辆通过率，缓解交通拥堵。车辆可以在250km/h的速度下在0.5ms内被识别，并且正确率达100%。通过采用RFID系统，中国可以改善其公路基础设施。

（5）RFID金融卡

无纸交易是未来的发展方向之一，目前已经出现了RFID金融卡。香港非常普及的Octopus（八达通卡）自1997年发行至今已售出近800万张，遍布于超市、公交系统、餐厅、酒店及其他消费场所。RFID系统更适用于不同的环境，包括磁卡、IC卡不能适用的恶劣环境，比如公共汽车的电子月票、食堂餐卡等。由于射频卡上的存储单元能够分区，每个分区可以采用不同的加密体制，因此一张射频卡可同时应用于不同的金融收费系统，甚至可同时作为医疗保险卡、通行证、驾照、护照等。一卡多用也是未来的发展潮流。

（6）生产线自动化

RFID技术应用在生产流水线上实现了自动控制，提高了生产率，改进了生产方式，节约了成本。例如，德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频识别技术实现了用户定制的生产方式，即可按用户要求的样式来生产。用户可以从上万个内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号和轮胎样式等，这样一来，汽车装配流水线就得装配上百种不同样式的宝马汽车。没有一个高度组织的、严密的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上安装了RFID系统，他们使用可重复使用的射频卡，该射频卡上带有详细的汽车定制要求，在每个工作点处都有识读器，这样可以保证在各个流水线工作点处能正确地完成装配任务。世界上最大的复印机制造商Xerox公司，每年从英国的生产基地向欧洲各国销售400多万台设备，也得益于基于RFID的货运管理系统，他们杜绝了任何运送环节出现漏洞，实现了100%准确配送，也因此获得了良好的声誉。他们在每台复印机的包装箱上贴上电子卷标（最终的设想是将卡片集成到复印机架上），在9条装配线上，RFID识读器自动读出每一个要运走货物的唯一卡号，并将相应的配送信息在数据库中与该卡信息对应，随后编入货物配送计划表中。当任何一台设备不小心被误送到其他的运输车里，出检的RFID识读器将提供报警和纠正信息。整个流程可以大大节省开支和减少误送可能，提高货物配送效率。

（7）防伪技术

射频识别技术应用在防伪领域有其自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低且难伪造。射频卡的成本相对便宜，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂。射频卡本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据，供销售商使用；并且体积十分小，便于产品封装。在计算机、激光打印机、电视等产品上都可使用。建立严格的产品销售渠道是防伪的关键，通过射频识别技术，厂家、批发商、零售商之间可以使用唯一的产品号来标识产品的身份。生产过程中在产品上封装射频卡，记载唯一的产品号，批发商、零售商用厂家提供的识读器就可以严格检验产品的合法性。同时注意，利用这种技术不会改变现行的数据管理体制，利用标准的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。