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物联网技术核心详解:RFID(一)

作者:时间:2017-10-22来源:网络

  一、什么是标签?

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/367333.htm

  

  无线是一种非接触式的自动识别技术,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。技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签, 操作快捷方便。

  什么是RFID标签

  标签(Tag):由耦合元件及芯片组成,每个RFID标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象,俗称电子标签或智能标签

  RFID电子标签:有源标签,无源标签,半有源半无源标签。

  RFID工作原理: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。

  RFID标签技术的应用短距离产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,可在这样的环境中替代条码,例如用在工厂的流水线上跟踪物体。

  长距产品多用于交通上,识别距离可达几十米,如自动收费或识别车辆身份等。

  1.在零售业中,条形码技术的运用使得数以万计的商品种类、价格、产地、批次、货架、库存、销售等各环节被管理得井然有序

  2.采用车辆自动识别技术,使得路桥、停车场等收费场所避免了车辆排队通关现象,减少了时间浪费,从而极大地提高了交通运输效率及交通运输设施的通行能力

  3.在自动化的生产流水线上,整个产品生产流程的各个环节均被置于严密的监控和管理之下

  4.在粉尘、污染、寒冷、炎热等恶劣环境中,远距离射频识别技术的运用改善了卡车司机必须下车办理手续的不便

  5.在公交车的运行管理中,自动识别系统准确地记录着车辆在沿线各站点的到发站时刻,为车辆调度及全程运行管理提供实时可靠的信息。

  RFID电子标签的技术应用非常广泛,据创羿科技市场分析师估计,目前典型应用:动物晶片、门禁控制、航空包裹识别、文档追踪管理、包裹追踪识别、畜牧业、后勤管理、移动商务、产品防伪、运动计时、票证管理、汽车晶片防盗器、停车场管制、生产线自动化、物料管理等等。

  研究RFID 的开源项目:

  开源软件无线电技术对无线电的行行业业影响颇深,RFID 也不例外。GNU Radio 是免费的软件开发工具套件。它提供信号运行和处理模块,用它可以在易制作的低成本的射频(RF)硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电。这套套件广泛用于业余爱好者,学术机构和商业机构用来研究和构建无线通信系统。GNU Radio 的应用主要是用Python 编程语言来编写的。但是其核心信号处理模块是C++在带浮点运算的微处理器上构建的。因此,开发者能够简单快速的构建一个实时、高容量的无线通信系统。尽管其主要功用不是仿真器,GNU Radio 在没有射频RF 硬件部件的境况下支持对预先存储和(信号发生器)生成的数据进行信号处理的算法的研究。

  在20世纪中,无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。1948年哈里。斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别 RFID的理论基础。经过数十年的发展,如今,RFID技术理论日趋成熟,产品种类也越来越丰富。

  从概念上来说,RFID(Radio Frequency IdentificatiON,射频识别)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关的数据信息。利用射频方式进行非接触双向通信,达到识别目的并交换数据。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。

  二、RFID原理介绍及应用

  1、RFID组成

  RFID领域应用最为广泛的一个标准是EPC标准,它将RFID系统分成了四个层次,包括物理层、中间层、网络层和应用层。

  物理层是整个系统的物理环境构造,包括标签、天线、读写器、传感器、仪器仪表等硬件设备。

  中间层是信息采集的中间件和应用程序接口,负责对读卡器所采集到的标签中的信息进行简单的预处理,然后将信息传送到网络层或应用层的数据接口。

  网络层是系统内部以及系统间的数据联系纽带,各种信息在其上交互传递。

  应用层则是EPC后端软件及企业应用系统。在明晰的系统层次上,EPC标准还统一了数据的报文格式,并规范了输出传输流程。这样,RFID系统的部署就会变的严谨有序。

  通常我们所说的RFID产品处于物理层,其最基本的组成部分包括:

  射频标签(或称射频卡、应答器等)

  射频标签也可称作射频卡,它由耦合元件及芯片组成,含有物品唯一的标识体系,包含著一系列的数据和信息,比如产地,日期代码和其他关键的信息等,这些信息储存在一个小的硅片中,利用阅读器,可以及时方便的了解精确的信息。射频标签能储存从512字节到4兆不等的数据,由系统的应用和相应的标准决定,射频标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点,支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等。

  按照不同的方式,射频卡有以下几种分类:

  表1. 射频标签的分类

  

  射频阅读器

  在RFID系统中,信号接收设备一般叫做阅读器(或读卡器)。阅读器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的接口,读取(有时还可以写入)标签信息的设备。在RFID相关产品中,读卡器的含金量是最高的,因为它是半导体技术、射频技术、高效解码算法等多种技术的集合。

  阅读器从外形上大体上可分为手持式或固定式,从工作方式来看,阅读器种类也非常的繁多,按工作频率可分为超高频、高频、低频阅读器,通常低频阅读器的读写距离则不超过0.5米,高频阅读器的读写距离约为1m,超高频阅读器读写距离通常在1~10米,而读卡器的读写距离通常还会受到环境干扰以及读卡器的稳定性等影响而有所改变,此外,若采用有源标签,则读取距离可达到100米。按配置可分为带CPU、预装操作系统的PAD阅读器与普通阅读器;按传输方式可分为无线或者是有线阅读器等。

  射频天线

  射频天线主要用来在标签和读取器间传递射频信号。RFID系统中包括两类天线,一类是RFID标签上的天线,和RFID标签集成为一体;另一类是读写器天线,既可以内置于读写器中,也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在 RFID系统中的重要性往往被人们所忽视,在实际应用中,天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。在选择天线的时候的主要考虑:天线的类型;天线的阻抗等。

  2、RFID工作原理

  简而言之,在工作时,RFID读写器通过天线持续发送出一定频率的信号,当RFID标签进入磁场时,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);随后读写器读取信息并解码后,将数据传输到中央信息系统进行有关的数据处理。

  

  3、RFID应用的领域

  表2. RFID领域及应用

  

  三、RFID电子标签封装工艺

  RFID技术又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

  1、天线制造 绕制天线基板印刷天线基板蚀刻天线基板。

  2、凸点的形成 目前RFID标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模 。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便 ,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中 可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还未目前正蓬勃兴起的 RFID标签的柔性化生产提供条件。

  3、互连方法 RFID标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选 择低成本材料,减少工艺时间。 倒装芯片凸点与柔性基板焊盘互连可采用三种方式:各向同性导电胶(ICA )加底部填充,各项异性导电胶,不导电胶直接压合钉 头凸点的方法。采用ICA,优点是成本低,固化不需要加压。操作工艺步骤繁琐,难以降低 成本,通常固化时间长,难以提高生产速度。通常是实用低成本,快读固化的ACF和ACA,具体做法是用普通漏版 印刷技术在天线基板焊盘相应位置涂刷一层ACA,利用倒装芯片贴片机贴放 到对应位置,然后热压固化。 还有另一种键合方式是先制造RFID模板,然后将其与天线基板进行铆接组装。

  四、基于RFID技术的应用

  是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个“物物相连的互联网”。RFID技术对的实现起着决定性的作用。RFID技术被广泛用于工业、商业、智能交通运输系统等领域。

  1 物联网概述

  2009年,中国政府提出“感知中国”计划,要大力扶持物联网产业发展,将物联网上升为国家五大战略性新兴产业中的第二位;2009年8月7日温家宝在无锡视察中科院“物联网”技术研发中心时指出,要尽快突破核心技术,把传感技术和TD—SCDMA技术结合起来。2010年全国“两会”中,温总理的《政府T作报告》中提出“加快物联网的研发应用”。由此,物联网正逐步走入人们的视线。

  物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个“物物相连的互联网”,其实质是利用射频识别技术,通过计算机瓦联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享,是物联网中的核心技术之一。

  2 RFID技术简介

  RFID简称射频识别技术,是非接触式自动识别技术的一种。它通过射频信号自动识别日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技术对物联网的实现起着决定性的作用。从物联网体系来看,可分为感知层、传输层和智能应用层三个层面。感知层在物联网体系中处于信息采集的最前端,对物联网的实现起着基础性作用;在感知层中最重要的技术就是RFID技术。

  最简单的RFID系统由电子标签、阅读器和天线三部分组成。电子标签进入磁场后,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,或者主动发送频率的信号,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。RFID具有非接触工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。

  

  2.1 电子标签

  电子标签也称射频卡,可以把“物”变成为“智能物”,它的主要应用是把移动和非移动物品贴上标签,实现各种跟踪和管理。电子标签是射频识别系统的数据载体,电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。电子标签内存有一定格式的电子数据,常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上,作为待识别物品的电子标记。电子标签可按频率的不同分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签;根据供电方式的不同,分为有源标签、无源标签、半无源标签。RFID阅读器通过天线与RFID电予标签进行无线通信,可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统。实际使用中可以把标箍制成各种不同的大小和形状,需要特殊工艺将其密封起来,使标签和数据不被损坏,便于标签的改写和重复使用。

  2.2 阅读器

  RFID阅读器又称为读出装置,可读取并识别电了标签所保存的子数据,从而达到自动识别物体的目的。阅读器与电子标签之间的通信是在无接触方式下,利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。阅读器提供与电子标签进行数据传输的途径外,还利用特定的算法对信号进行状态控制,奇偶校验及更正信息等。蒯读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置,是RFID系统信息控制和处理中心。根据应用不同,阅读器可以足手持式或吲定式。当前阅读器成本高,而且人多只能在单一频率点工作。随着技术的发展,阅读器朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展,成本将更加低廉,并且支持多个频率点,能自动识别不同频率的标签信息。

  2 .3 天线

  天线的作用是在标签和读写器之间传递射频信号。为使天线正常工作,他的尺寸必须与说传播波的波长一致,天线可以是无源器件,也可以是有源器件。在实际应用中,天线的形状和相对位置也会影响到数据发射和接收,需专业人员对系统的天线进行设计和安装。

  3 射频识别技术在物联网的应用

  国外RFID技术应用起步较早,技术相对成熟,而我国RFID技术应用状况还处于初级阶段,但近年来我国对RFID技术的开发业加快了步伐,RFID的应用也越来越多。射频识别技术被广泛应用于工业、商业、智能交通运输系统等领域如:高速公路自动收费系统;停车场管理系统:货物的生产、仓储、配送、销售等环节;电了钱包;动物的跟踪与管理等。

  2008年的北京奥运会第一次使用RFID技术来进行门票防伪,不仅防止假票的出现,还具有验证方便、保密性强,网络要求不高,防磁、防静电、抗干扰性强等优点。在食品安全问题上,也采用了RFID电子标签,对伞部食品进行全程监控,保证了与会着的健康安全饮食。

  2009年我国的天津港利用RFID技术改造集装箱陆运流程,改善集装箱作业环节,实现集装箱数据的自动采集,车辆通过卡口的时间缩短将50%以上;上海港应用RFID技术,建、发全球物流实时在线监控与服务平台,实时记录集装箱运输中箱、货、流的信息,运输全过程的安全信息,以提高集装箱物流的透明度、效率和安全性,提升集装箱物流的整体水平。

  2010年上海世博会的门票是伞部采用RFID技术的手机票,每张票上记录着参观者的相关信息,并能以无线方式与遍布园区的传感器进行信息交换,使管理者能迅速清晰地了缌吲区内的相应情况,并及时作出调整。参观者进入园区只需将自己的手机卡换成RFID-SIM卡,将手机放在手机票的感应区(阅读器)即自动完成验票过程:手机票不但可以在世博园区内购买商品,还可利用手机票在上海各地铁站乘坐地铁,因为在上海的

  世博园区和各地铁站都安装RFID—SIM卡的阅读器,这样就可方便快速的完成付费和验票过程。

  “2010中国移动支付产业论坛”在北京的举办,以及各大城市手机支付试点的全面铺开,手机支付应用也在逐步进入大众生活。手机支付只是RFID的一个基础应用,RFTD将支撑整个物联网产业从虚幻的概念到切实的应用。

  中国移动开发的一整套拥有自主知识产权的机器到机器通信(M2M)

  解决方案,成为我国物联网应用的主要形式,已在智能楼宇、路灯监控、动物溯源、手机钱包、环境临测等方面得到了广泛的应用。

  五、中国RFID与物联网行业的十大看点

  沿袭每年的惯例,RFID世界网在新旧年度交替之际,甄选出10大看点(包括政策、技术标准、产品、应用及市场五个方面),我们共同来回顾这一年RFID行业的成长历程,并希冀借鉴这一段经历,为新的一年里RFID更健壮地发展铺垫出一条大路。

  看点一、工信部《物联网“十二五”发展规划》于年底公布

  物联网是战略性新兴产业的重要组成部分,对加快转变经济发展方式具有重要推动作用。为加快物联网发展,培育和壮大新一代信息技术产业,12月7日,工信部在其官方网站公布了《物联网“十二五”发展规划》。在此之后,从中央主管部委到行业、省市,多点、多层次的物联网规划密集出台,这些规划从政策、应用、资金等多个层面形成了对中国物联网的强大政策推动力,为中国物联网产业营造了良好的发展环境。

  看点二、物联网发展专项资金落到实处

  2011年4月,财政部出台《物联网发展专项资金管理暂行办法》,明确了国家专项资金的支持范围包括:物联网的技术研发与产业化、标准研究与制订、应用示范与推广、公共服务平台等方面的项目。2011年5月,继财政部发布《物联网发展专项资金管理暂行办法》后,工信部办公厅与财政部办公厅又联合下发《关于做好2011年物联网发展专项资金项目申报工作的通知》。《通知》不仅对《办法》中涉及的专项资金支持范围及重点支持内容做了补充阐述,并对申请资格、条件和程序做了详细说明。

  《物联网专项资金》的出台,有力地带动了各行业、各省市、各地方政府对物联网的资金支持。中央财政资金的切实投入,使政府对物联网的支持真正由虚变实。在年内,不断报道出地方物联网项目获得了专项资金的支持。

  看点三、 2.4G破冰 移动支付标准之争或现新局面

  11月29日,2011中国移动支付产业年会在北京举行,会上政府、学界、业界各位专家共同探讨移动支付产业在我国的发展模式以及趋势。此前市场上广受关注的移动支付标准之争在会上也传出了新信号:曾一度被误读为将逐步淡出标准的我国自主知识产权2.4G移动支付技术,已列入了国家标准的制定范畴。

  工信部科技司副巡视员代晓慧在会上表示:工信部已与央行共同启动移动支付标准制定工作,“标准将涉及13.56M以及2.4G两种技术”。电子技术标准化研究所信息中心主任王立建指出,“国内企业没必要盲目追寻”符合国际标准“,因为很多情况下国际标准会让企业损失利润率,透露目前移动支付产业标准的制定仍在过程中,预计定稿将在明天上半年。国家金卡办主任、工信部电子科技委副主任、中国信息产业商会执行会长张琪则指出,”移动商务迅速发展,我们应利用这一机遇拉动国产芯片企业的发展,而不是依赖国外芯片“。”在移动支付的标准上,我们要实事求是、因地制宜,然后尽量的统一,将来的标准根据市场的需求来选择。建议银行在进行机具在改造时,可同时考虑13.56M和2.4G双频。“以上发言均传递出明显的信号:国内自主知识产权的2.45GHz方案将纳入行业标准。

  看点四、国产芯片技术取得重大突破

  11月29日,2011中国移动支付产业年会在北京举行。在年会中,国家金卡办主任、工信部电子科技委副主任、中国信息产业商会执行会长张琪在演讲中表示移动商务迅速发展,我们应利用这一机遇拉动国产芯片企业的发展,而不是依赖国外芯片。国内企业也推出了国产的读写器芯片,参与到国际竞争行业。就在2011年里,国内有好几家企业推出了自主研发的。如凯路威电子的自主知识产权物联网核心技术——X-,同方微电子THD86系列芯片,坤锐电子的超高频电子标签芯片Qstar-35等。

  看点五、阅读器与标签产品更加考虑实用性

  阅读器是RFID系统的重要组成部分。RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID电子标签进行无线通信,可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。在今年,低频 、高频 、超高频以及双频读写器,还有433MHz的有源读写器新品导出不穷。在今年,在标签产品方面,优比科等企业也推出了独具特色的标签产品;深圳航天、万全智能等企业都推出了新一代读写器产品。

  看点六、高交会上RFID随物联网大放光彩

  今年的高交会,最大的热点就是物联网及其相关的技术和产品。其中,商务部、工信部、国家发改委、中科院从不同侧面,全景展现了我国物联网产业的发展现状和美好前景。尤以工信部设立的“物联网技术与应用专题馆”最为集中,一批具有自主知识产权的物联网技术及应用在展馆中集中展示。RFID作为物联网的核心感知技术,也在展会当中得到了全面展示。航天信息、威海北洋、新大陆、丰泰瑞达等RFID业内名企业纷纷亮相高交会。

  看点七、图书馆应用项目上马加速

  我国“十二五”规划明确提出新一代信息技术作为7大战略性新兴产业之一,将被重点推进。在新一代信息技术中,“物联网”具有非常重要的战略地位,而物联网的核心技术——射频识别(RFID)技术,已经成为引发以物流与流通领域为代表的诸多行业发展过程中新一轮革命性变革的“触发器”和“催化剂”,被认为是21世纪最有发展潜力的战略技术之一,RFID在物联网建设初期将会迎来爆发式增长。

  近年来,虽然电子资源大幅度增加,但由于版权、读者阅读习惯等许多因素,实际上在相当长的时间内纸质资源仍将是图书馆最基础的资源体系,纸质馆藏资源的揭示、借阅、管理也将是图书馆非常重要的服务内容。

  目前图书馆应用RFID技术的电子标签有两种:高频和超高频。

  看点八、ETC引领出行,车联网成物联网应用的热点

  今年,不少经常走高速公路的车主发现,以前少有车问津的ETC车道经常有车辆迅速不停车通过。忽如一夜春风来,最近ETC的用户数量和车道数量也都开始成几何倍数增长。记者从国家ITS中心了解到,截至2011年1月,按照国家ETC标准和交通运输部行业规范建设和开通ETC的省市有17个,开通车道数1930多条,使用车载机(OBU)不停车收费用户约120万个,使用统一标准的非现金支付卡用户60多万个,自建客户服务网点341个。ETC,这个十几年前就开始出现在国人面前的字眼儿,到如今已经清晰地印在高速公路的车道上、收费站里,印在汽车里的电子标签上,走进了车主的生活中。

  看点九、对物联网充满期待,出现并购与上市热潮

  物联网技术应用目前仍处于初级阶段,成熟产业链还没有形成,从今年开始的未来两到三年间,物联网概念企业将会密集上市。年内,大富科技收购华阳微电子,利用公司与华阳微电子之间共同的核心业务领域、技术优势及产品范围,通过资源整合实现共同发展,将为公司迅速介入物联网行业奠定基础;远望谷收购北京导航者,拓展物联网业务;浩宁达收购先施,进军物联网电子标签;同方股份分拆已然加速子公司赴港上市“进入跑道”……

  看点十、年内超高频标签企业让标签价格更亲民

  就在2011年里,国内超高频电子标签价格突降。具有代表性的事件就是:7月18日,上海奥应乐推出第三季度标签促销活动,超高频dry inlay 仅售0.45元/枚, wet inlay仅售0.48元/枚。7月20日,上海优比科公司推出全球最低价超高频电子标签,超高频INLAY仅售0.42元/张。8月1日,永奕科技宣布:以市场最低价全面销售Monza@4,5系列为主的Inlay。至此,三家公司的促销活动让超高频不再具有“超高”的价格,国内超高频电子标签的价格也趋于平民化。降价对行业的影响利大还是弊大?超高频电子标签的价格还会不会继续下降?反正低价对于超高频的推广来说总归是件好事。



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