第5章 射频识别技术应用
5.1 射频识别技术
5.1.1 射频识别技术概论
射频识别，即RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，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。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子储存的信息，数米之内都可以识别。
许多行业都运用了射频识别技术，例如将标签附着在一辆正在生产中的汽车上，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度；仓库可以追踪药品的位置；射频标签也可以附于牲畜与宠物上，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入建筑锁住的部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。目前RFID射频识别技术已经广泛应用于医疗卫生、仓存、物流、生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪、人员定位、动物管理等等，其新的应用范围还在不断扩展，层出不穷。
5.1.2 射频识别系统
最基本的RFID系统至少应包括以下两个部分，一是阅读器（Reader），二是电子标签（Tag）（或称射频卡、应答器等），另外还应包括天线、主机等。RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，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，另外，与条码不同的是，电子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。标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量，通过卡内置发送天线将存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag，无源标签或被动标签）发送出去，或者主动发送某一频率的信号（即Active Tag，有源标签或主动标签），系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器读取信息并进行解调和解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。中央信息系统会根据逻辑运算判断该卡的合法性，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动作。
射频识别标签包括被动式标签（无源标签）、主动式标签（有源标签）、以及半主动式标签（电池辅助式无源标签）等。
被动式标签没有内部供电电源，其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读取器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。这些数据不仅包括ID号（全球唯一代码），还可以包括预先存在于标签内EEPROM（电可擦拭可编程只读内存）中的数据。由于被动式标签具有价格低廉、体积小巧、无需电源等优点，目前市场所运用的RFID标签都以被动式为主。被动式射频标签借由读取器发射出的电磁波获得能量，并回传相对应的反向散射信号至读取器，然而在传播路径衰减的环境下，限制了标签的读取距离。
一般而言，被动式标签的天线有两种作用：接收读取器所发出的电磁波，藉以驱动标签内的IC。标签回传信号时，需要借由天线的阻抗作信号的切换，才能产生0与1的数字变化。若要想得到更好的回传效率，天线阻抗必须设计在“开路与短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签的IC接收，半主动式的标签设计就是为了解决这样的问题。半主动式的规格类似于被动式，只不过它多了一颗小型电池，电力恰好可以驱动标签内的IC，若标签内的IC仅收到读取器所发出的微弱信号，标签还是有足够的电力将标签内的内存资料回传到读取器。这样的好处在于半主动式标签的内建天线不会因读取器电磁波信号强弱，而无法执行任务，并自有足够的电力回传信号。相较之下，半主动式标签，比被动式标签在反应上速度更快、距离更远及效率更好。
与被动式和半被动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的信号。一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和可容纳较大的内存容量可以用来储存读取器所传送来的一些附加讯息。主动式与半被动式标签差异为：主动式标签可借由内部电力，随时主动发射内部标签的内存资料到读取器上。主动式标签又称为有源标签，内建电池，可利用自有电力在标签周围形成有效活动区，主动侦测周遭有无读取器发射的呼叫信号，并将自身的资料传送给读取器。
主动（有源）标签内置有电池，周期性发射识别信号。电池辅助式无源（BAP）标签内置有小电池，只在射频阅读器附近才会触发。被动式标签没有电池，它是用阅读器传出的无线电波的能量来供给自身电力，所以更加便宜小巧。然而，为了使被动式标签工作，必须将其照射在约莫三倍于信号传输能量级的环境中，这导致了干涉和辐射问题。标签可以是只读式或读写式的：只读式标签是厂方定出一个串行号，作为登录该物品数据库的密码；读写式标签的系统使用者可以把某物品的特定数据写进标签。现场可编程序的标签是单次写入多次读取（WORM）的，用户可以把产品的电子码写进空白标签里。一个没有串行号的标签常常会有被操控的危险。射频识别标签至少有两部分：一是一个集成电路来存储和处理信息、调制和解调一段射频信号、从阅读器传来信号中的收集直流电能等；二是一个天线收取信号传导信号。标签信息被储存在了非易失性内存中。射频识别标签包括一个逻辑集成芯片或一个已编程或可编程的数据处理器来分别处理传送和传感器数据。
电子产品码（EPC）是射频标签中储存的常见的数据类型。当由RFID标签打印机写入标签时，标签包含96位的数据串，前8位是一个标题，用于标识协议的版本，接下来的28位识别管理这个标签的数据的组织，该组织的编号是由EPCglobal协会分配的，接下来的24位是对象分类，用于确定是什么类别的产品，最后36位是这个标签唯一的串行号，最后这两个字段是由发布该标签的组织来设置的。与URL不同的，总的电子产品码编号可以用来作为进入全球数据库的钥匙，它能唯一地标识一个特定的产品。
5.1.3 射频识别技术及性能参数
射频识别标签是目前射频识别技术的关键。射频识别标签可存储一定容量的信息并具一定的信息处理功能，读写设备可通过无线电讯号以一定的数据传输率与标签交换信息，作用距离可根据采用的技术从若干厘米到一公里不等。
识别标签的外形尺寸主要由天线决定，而天线又取决于工作频率和对作用距离的要求。目前有四种频率的标签在使用中比较常见，他们是按照他们的无线电频率划分为低频标签（125或134.2 kHz）、高频标签（13.56 MHz）、超高频标签（868~956 MHz）以及微波标签（2.45 GHz）。由于目前尚未制定出针对超高频标签使用的全球规范，所以此类标签还不能够在全球统一使用，而超高频标签的应用目前也最受人们的注意，此类标签主要应用在物流领域。频率越高，作用距离就越大，数据传输率也就越高，识别标签的外形尺寸就可以做得更小，但成本也就越高。目前面向消费者的识别标签外形尺寸需求，一般以信用卡或商品条形码为准。
一般来说，会有多个标签同时回应标签读取器，例如很多个贴有标签的单独的产品可能会被放在一个共用的盒子或一个共用的托盘上进行运输。冲突检测在能够读取这样的数据时是非常重要的，使用两种不同类型的协议来“辩识”某一标签，能够从许多类似的标签之中读取出它的数据。在slotted Aloha系统中，读取器发出一个初始化命令和一个参数，标签单独用来伪随机地延迟它们的回应。当使用“自适应二进制树”的协议时，读取器发送一个初始化符号，然后一次发送一位ID数据，只有与这一位相符的标签才会响应，最终只有一个标签能符合整个ID字符串。但这两种方法在用于多个标签或多个重叠的读取器时都有缺点。
鉴于标签和读写设备之间无需建立机械或光学接触，密码技术在整个射频识别技术领域中的地位必将日益提高。随着射频识别的普及，不同厂家的标签和读写设备之间的兼容性也将成为值得关注的问题。此外，使用寿命、使用环境和可靠性也是重要参数。
5.1.4射频识别技术特点
射频识别技术于传统识别技术相比，具有以下优势：
1．体积小型化、形状多样化
RFID在读取信息上并不受尺寸大小和形状的限制，因此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，以便应用于不同产品。
2．抗污染能力强，对环境变化有较高的忍受能力
RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性，RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。
3．可读可写可重复使用
RFID卡有个ID号是全球唯一并且不可改写的, 也就是说既有全球唯一的ID号（做防伪是很有用的），还有数据区用户可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。现在已经有人将汉字直接写到RFID标签里。
4．穿透性和无屏障阅读
即便射频标签被他物遮盖或者不可见，射频标签只要靠近或经过一个读取器就可以读取，无论是在手提箱里、纸箱里、盒子里等，射频标签都可以被读取。
5．数据的记忆容量大
RFID最大的容量可达兆字节，随着记忆载体的发展，数据容量还有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，RFID可以存储更多的商品状态数据，可记录更丰富的商品生产、物流、销售状态信息，实现智能商业。
6．安全性高
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更。
7．通信距离长
靠短波和长波运作的标签需要非常接近读取器的天线（短于一个波长的距离），而在UHF和更高的频率上，射频标签不止有读取器的一个无线电波长的通信距离。
8．可同时读取多个标签
读取机可以一次读取上百个射频标签，而传统识别技术只能一次一读。可惜当前的技术无法保证稳定性，即每次读多个的时候在一定数量级别后就不能达到100%。
反过来，射频识别技术也具有一些不足之处：
1．金属及液体环境对射频识别的影响
RFID特高频（UHF）标签因电磁反向散射（Backscatter）特点，对金属和液体等环境比较敏感，早期直接导致了这种工作频率的被动标签（Passive tag）难以在具有金属表面的物体或液体环境下进行工作，但此类问题随着技术的发展已得到完全解决。
2．使用的风险
由于RFID标签无须直接与收发器接触，持有Reader装置的人可以读取RFID设备，使用者会在不知情的情况下被他人读取标签内存储的信息，构成安全隐忧。有部分低频RFID已经被破解，破解后容易复制，安全性也有问题。
3．建置成本较高
RFID初期建设成本较高，不过通过该技术的大量普及，生产成本就可大幅降低。
5.2 条形码技术
5.2.1 条形码技术概述
条形码或称条码（barcode）是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案，其对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人们直接识读或通过键盘向计算机输人数据使用，这一组条空和相应的字符所表示的信息是相同的。目前世界上常用的码制有ENA条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。
条形码技术具有简单、信息采集速度快、采集信息量大、可靠性强、灵活实用、自由度大、设备结构简单、成本低等特点。
5.2.2 射频技术与条形码技术
RFID射频技术与条形码技术目的都是快速准确地确认追踪目标物体，两者很相似。从技术上来说，他们是两种不同的技术，有不同的适用范围。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，RFID射频技术是通过射频信号识别目标对象并获取相关数据，射频标签只要在接受器的作用范围内就可以被读取，识别工作无须人工干预。条形码本身还具有其他缺点，标签容易污损或者撕毁，那么就可能无法被条码扫描器扫描出来；加密的条码或者是二维条形码无法用肉眼识别出来，只能使用条形码扫描仪才行；商品条形码的使用必须要到国家物品编码中心去申请；打印条码还得用标签打印机和条码碳带、不干胶标签；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。作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。
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。目前，多种条形码控制模版已经在使用之中，射频标签成本要比条形码贵得多，条形码的成本就是条形码纸张和油墨成本，不过射频标签又具有条形码不具备的防伪功能。
5.3 射频识别技术应用实例
当前射频识别技术在零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、资产管理、交通、食品、动物识别、图书馆、汽车、航空、军事等领域都被广泛应用。
RFID技术最广泛的应用领域是库存和物流管理，改进库存管理情况、适时出货、有效跟踪库存等，极大提高效率的同时还能避免人为错误，不易伪造，具有高度安全性。射频识别可以实现从商品设计、原材料采购、半成品与制成品之生产、运输、仓储、配送、销售，甚至退货处理与售后服务等所有供应链环节之即时监控，准确掌握产品相关信息，诸如各类生产商、生产时间、地点、颜色、尺寸、数量、到达地、接收者等。
在交通应用方面也已有不少较为成功的案例，如高速不停车收费、出租车管理、公交车枢纽管理、铁路机车识别等。基于RFID技术的远距离感应停车场管理系统是目前世界上最先进的停车场自动化管理方式之一，是停车场管理方式发展的趋势，该系统能够实现进出完全不停车，自动识别、自动登记、自动放行等功能，后台管理软件可实现实施查看进出车辆信息、进出时间查询、报表、缴费记录查询、信息提醒等多项功能。
香港国际机场及荷兰阿姆斯特丹国际机场等都部署了使用被动式无电源标签的射频识别行李分类解决方案。和使用条码的行李分类解决方案相比，使用被动式无电源标签的射频识别行李分类解决方案可从不同角度识别行李标签的ID，识别速度更快，结果更准确，标签上的信息储存量也比条码多。
图书馆已经使用射频识别来代替馆藏上的条码，标签能够包含识别信息或只作为一个数据库的主键。一个射频识别系统能够代替或辅助条码，并能提供另一种目录管理和读者自助式借阅的方法。它同样可以当作一种安全设备来代替传统的电磁安全条码。据估计如今全球超过3,000万的馆藏已使用射频识别标签。既然射频识别标签能够透过一个物体被读取，那就没有必要打开一本书的封面或DVD壳来扫描它。无论是在传输带上运输的书本还是一叠厚厚的书本都能被读取，这减少了工作人员作业的时间，并且能由借阅者们自行完成，也减少了需要图书馆工作人员帮助的时间。借由便携式阅读器，在一整排书架上的材料目录在几秒内就能被扫描完成，然而这项技术对许多小型图书馆来说还太昂贵。对于一个中型图书馆来说更换周期也大约需要一年。在图书馆使用射频识别过程中保护隐私问题也被提了出来。由于一些射频识别标签能够在高达100米的地方被读取，光顾者的信息可能会以一种不合法的方式被读取。其实图书馆的射频识别标签所发出的频率只能在大约3米范围内才能被读取。一个简单的解决方法是让书本发射只与图书馆数据库有相关含义的密码。另一种强化方法是在每本书被归还后重新赋予密码。将来，读者可能会变得无处不在，那时被盗的书籍即使在图书馆外也能被追踪。如果标签小到在一个随即页中几乎不可见，那么移除标签也会变得困难，标签也很可能是由出版方植入的。
RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身份识别证件。如现在世界各国现在开展的电子护照项目，我国的第二代身份证、学生证等其它各种电子证件。
上海世博会采用了先进的RFID门票，门票里面集成了RFID-SIM芯片，通过手机终端的用户界面、无线通信技术以及非接触通信技术来实现手机票的购买、选票等功能。内嵌的电子标签在相关仪器上可读出唯一的一组序列号，保证每张门票都是独一无二的。许多地区、仓库、办公室、大学都在大门及房门设有读卡器，用以控制何人、何时、何地出入。在整个电子商务领域，许多人把射频识别技术视为继互联网和移动通信两大技术浪潮后的又一次大潮。