射频识别技术(00001).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,射频识别技术,内容提要,射频识别（RFID）技术是从20世纪80年代起走向成熟的一种自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。本章主要讲述RFID 技术的发展历程、应用现状、技术基础和主要设备。,学习目标与重点,了解RFID技术的发展历程。,重点掌握RFID技术的应用现状和典型应用案例。,初步掌握RFID系统的基本构成、工作原理和技术特点。,掌握各类射频标签和RFID设备的主要特性和用途。,引入案例,：一张卡片引发的消费方式变革,从20世纪90 年代中期起，一种名片大小的塑料卡片，逐步走进大众的视野，并引起了极大的关注。,这种卡片有着各种各样的“身份”：可以用来考勤，代替传统的手工签名或者纸质打卡机的卡片；可以代替钥匙，打开房间的门锁；甚至可以在企事业单位、学校的食堂，取代传统的饭票，进行消费结账无论是哪种身份，操作方式都极其简便，只需在特定的设备指定区域内，轻轻地刷一下，弹指间，便完成了要做的事情。更重要的是，,种卡片防水、抗污染，摆脱了磁卡、接触式IC卡的娇气，即使掉进水中，捞起来擦干后，仍可以继续使用。,由于它操作简单，可以反复使用，并且携带方便，使得这种卡片及相关技术迅速普及。到了21世纪，这种卡片在大中城市中几乎人手一张，可以用来乘公交、地铁，终结了纸质月票满天飞的时代。于是，大众接受了这一新鲜的事物射频卡和射频识别技术。同时，国内外越来越多的工程师涌入到与射频技术相关的产品研发和项目推广领域中来。在众多的应用中，“校园一卡通”是最成功、最典型的案例之一。,“校园一卡通”概括起来就是在学校范围内，凡有现金、票证或需要识别身份的场合，均可采用一张射频卡来完成，系统涵盖了就餐、消费、考勤、洗澡堂、教室、图书及宿舍集中用电、用水、出入门禁等方面的管理。,“校园一卡通”的管理模式代替了传统的做法，在校内集学生证、工作证、身份证、借书证、医疗证、会员证、餐卡、钱包、电话卡、存折等于一卡，实现了“一卡在手，走遍校园”、“一卡通用、一卡多用”的目的。它为广大师生员工的工作、学习、生活带来了方便，使得学校的各项管理工作变得高效、便捷，既实现了对师生员工日常活动的管理，又为教学、科研和后勤服务提供了重要信息。同时，“校园一卡通”系统又是数字化校园的重要组成部分，是数字化校园中信息采集的基础工程之一，为学校提供了实时可靠的信息来源和决策依据。,第一节 RFID技术的发展历程,射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是20世纪80年代发展起来的一种新兴的非接触式自动识别技术，是一种利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现非接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。应用RFID 技术，可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷、方便。,图3-1 射频识别系统的工作过程,一、RFID技术的发展简史,RFID技术的发展可按10年为一个阶段，划分如下。,19411950 年，雷达的改进和应用催生了RFID 技术，目前已发展为自动识别与数据采集（Auto Identification and Data Collection，AIDC）技术。其中，1948年，哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信，奠定了RFID技术的理论基础。,19511960年，早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室研究状态。,19611970 年，RFID 技术的理论得到发展，开始了一些应用尝试。例如用电子防盗器（EAS）来对付商场里的窃贼，该防盗器使用存储量只有1bit 的电子标签来表示商品是否已售出，这种电子标签的价格不仅便宜，而且能有效地防止偷窃行为，是首个RFID 技术在世界范围内的商用示例。,19711980年，RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术和测试得到加速，在工业自动化和动物追踪方面，出现了一些最早的商业应用及标准，如工业生产自动化、动物识别、车辆跟踪等。,19811990 年，RFID 技术及产品进入商业应用阶段，开始较大规模的应用。但在不同的国家对射频识别技术应用的侧重点不尽相同，美国关注的是交通管理、人员控制，欧洲则主要关注动物识别以及在工商业中的应用。,世界上第一个开放的高速公路电子收费系统在美国俄克拉荷马州建立。车辆的RFID电子标签信息与检测点位置信息及车主的银行卡绑定在一起，存放在计算机的数据库里，汽车可以高速通过收费检测点，而不需要设置升降栏杆阻挡以及照相机拍摄车牌。车辆通过高速公路的费用可以从车主的银行卡中自动扣除。,19912000 年，RFID 技术的厂家和应用日益增多，相互之间的兼容和连接成为困扰RFID 技术发展的瓶颈，因此，RFID技术的标准化问题日趋为人们所重视，希望通过全球统一的RFID 标准，使射频识别产品得到更为广泛的应用，使其成为人们生活中的重要组成部分。,RFID 技术产品和应用在1990 年后进入一个飞速的发展阶段，美国TI（Texas,Instruments）开始成为RFID 方面的推动先锋，建立德州仪器注册和识别系统（Texas,Instruments Registration and Identification Systems，TIRIS），目前被称为TI-RFIS系统（Texas,Instruments Radio Frequency Identification System），这是RFID应用开发的一个主要平台。,德国汉莎航空公司采用非接触式的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场安检的手续。,在中国，佛山市政府安装了RFID 系统，用于自动收取路桥费以提高车辆通过率，缓解公路瓶颈。上海市也安装了基于RFID 技术的养路费自动收费系统。广州市也将RFID系统应用于开放的高速公路上，对正在高速行驶的车辆进行自动收费。,值得一提的是，20世纪90年代中期，中国铁道部建设的铁路车号自动识别系统（ATIS），确定RFID 技术为解决“货车自动抄车号”的最佳方案。在所有区段站、编组站、大型货运站和分界站，安置地面识别设备（AEI），对运行的列车及车辆信息进行准确的识别。并在此基础上建立的铁路列车车次、机车和货车号码、标识、属性和位置等信息的计算机自动报告采集系统，实现了铁路车辆管理系统统计的实时化、自动化，成为RFID 技术最典型的应用之一。尤其在高速铁路列车开始运行以来，利用RFID 技术来进行自动、快速、高效的管理尤为必要，它能降低温州动车事故再次发生的概率。,2001年至今，RFID技术的理论得到丰富和完善，RFID产品的种类更加丰富，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，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。,进入21 世纪以来，RFID 标签和识读设备成本不断降低，使其在全球的应用也更加广泛，应用行业的规模也随之扩大，甚至有人称之为条码的终结者。几家大型零售商和一些政府机构强行要求其供应商在物流配送中心运送产品时，产品的包装盒和货盘上必须贴有RFID 标签。除上述提到的应用外，诸如医疗、电子票务、门禁管理等方面，也都用到了RFID技术,。,，RFID技术的标准化纷争，促使出现了多个全球性技术标准和技术联盟，其中主要有EPC global、AIM global、ISO/IEC、UID、IP-X 等。这些组织主要在标签技术、频率、数据标准、传输和接口协议、网络运营和管理、行业应用等方面，试图达成全球统一的平台。目前，我国RFID技术标准主要参考EPC global的标准。,1999 年，美国麻省理工学院Auto-ID 中心正式提出产品电子代码（Electronic Product,Code，EPC）的概念。EPC的概念、RFID 技术与互联网技术相结合，将构筑出无所不在的“物联网”，尤其是在奥巴马总统提出“智慧地球”之后，这个概念引起了全球的广泛关注。,知识链接,产品电子代码（EPC）,产品电子代码是由标头、厂商识别代码、对象分类代码、序列号等数据字段组成的一组数字。,产品电子代码是下一代的产品标识代码，它可以对供应链中的对象（包括物品、货箱、货盘、位置等）进行全球惟一的标识。EPC 存储在RFID标签上，这个标签包含一块硅芯片和一根天线。读取 EPC标签时，它可以与一些动态数据连接，例如该贸易项目的原产地或生产日期等。这与全球贸易项目代码（GTIN）和车辆鉴定码（VIN）十分相似，EPC就像是一把钥匙，可以用它来解开EPC网络上相关产品信息的这把锁。,与目前商务活动中使用的许多编码方案类似，EPC 包含用来标识制造厂商的代码以及用来标识产品类型的代码。但EPC使用额外的一组数字序列号来识别单个贸易项目。EPC所标识产品的信息保存在EPC global网络中，而EPC则是获取这些有关信息的一把钥匙。,EPC-96码包括：,（1）标头：8位，识别EPC的长度、类型、结构、版本号。,（2）厂商识别代码：28位，识别公司或企业实体。,（3）对象分类代码：24位，类似于库存单位（SKU）。,（4）序列号：36位，加标签的对象类的特例。,EPC具有以下特性：,（1）科学性：结构明确，易于使用、维护。,（2）兼容性：EPC码的编码标准与目前广泛应用的EAN、UCC编码标准是兼容的，GTIN是EPC编码结构中的重要组成部分，目前广泛使用的GTIN、SSCC、GLN等都可,以顺利转换到EPC中去。,（3）全面性：可在生产、流通、存储、结算、跟踪、召回等供应链的各环节中全面应用。,（4）合理性：由EPC global、各国EPC管理机构（中国的管理机构称为EPC global,China）、被标识物品的管理者分段进行管理，共同维护、统一应用，具有合理性。,（5）国际性：不以具体国家、企业为核心，编码标准全球协商一致，具有国际性。,（6）无歧视性：编码采用全数字形式，不受地方色彩、语言、经济水平、政治观点的限制，是无歧视性的编码。,2009年8月，温家宝总理到无锡物联网产业研究院考察物联网建设工作时提出“感知中国”的概念，RFID技术必将和传感器网一起构成物联网的前端数据采集平台，是物联网技术的主要组成部分。很多业内人士把2010年定义为“物联网元年”。,物联网发展的空间无比巨大，预计将是互联网产业之后最有市场潜力的产业，同时为RFID 技术打开了一个新的巨大的市场。我们有理由相信，随着RFID产品成本的不断降低和标准的统一，RFID技术将在无线传感网络、实时定位、安全防伪、个人健康、产品溯源管理等领域有更为广阔的应用前景。,知识链接,射频识别技术的基础电磁能,RFID技术实现的基础是利用电磁能。电磁能量是自然界中存在的一种能量形式。,追溯历史，公元前中国先民即发现并开始利用天然磁石，并用磁石制成指南车。到了近代，越来越多的人对电、磁、光进行深入的观察及数学基础研究，其中的代表人物是美国人本杰明富兰克林。,1846年，英国科学家米歇尔法拉第发现了光波与电波均属于电磁能量。,1864年，苏格兰科学家詹姆士克拉克麦克斯韦发表了他的电磁场理论。,1887年，德国科学家亨瑞士鲁道夫赫兹，证实了麦克斯韦的电磁场理论，并演示了电磁波以光速传播并可以被反射，具有类似光的极化特性。赫兹的实验不久后被俄国科学家亚力山大波普重复。,1896年，马克尼成功地实现了横越大西洋的越洋电报，由此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。,1922年，诞生了雷达（Radar）。雷达作为一种识别敌方空间飞行物（飞机）的有效兵器，在第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也随之得到极大的发展。,至今，雷达技术还在不断发展，人们正在研制各种用途的高性能雷达。,二、RFID技术在国内外的发展状况,目前，RFID技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，都得到了相当广泛的应用。典型的应用领域如下所述。,（1）车辆道路交通自动收费管理（见图3-2（a），如北美部分收费高速公路的自动收费管理、中国部分高速公路的自动收费管理、东南亚国家部分收费公路的自动收费管理。,（2）动物识别（养牛、养羊、赛鸽等，见图3-2（b），如大型养殖厂、家庭牧场、赛鸽比赛。,（3）生产线产品加工过程的自动控制（见图3-2（c），主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上。,（4）地铁票（见图3-2（d）、校园卡、饭卡、高校手机一卡通、乘车卡、会员卡、城市一卡通、驾照卡、健康卡（医疗卡）等，在国内外均有很大范围的应用。,（5）集装箱、物流、仓储的自动管理（见图3-2（e），如大型物流、仓储企业。,（6）储气容器的自动识别管理（见图3-2（f），如危险品的管理。,（7）铁路车号的自动识别管理，如北美铁路、中国铁路、瑞士铁路等。,（8）旅客航空行包的自动识别、分拣、转运管理，如北美部分机场。,（9）车辆出入控制，如停车场、垃圾场、水泥场的车辆出入、称重管理等。,（10）汽车遥控门锁、门禁控制、电子门票等。,（11）文档追踪、图书管理，如图书馆、档案馆。,（12）邮件/快运包裹自动管理，如北美邮局、中国邮政。,目前，国内RFID 成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统，其辐射作用已涉及铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道平衡、超偏载检测系统等。正在计划推广的应用项目还有电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理等。在近距离的RFID 应用方面，许多城市已经实现了公交射频卡作为预付费电子车票的应用，预付费电子饭卡等。,在RFID 技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与国外RFID 先进技术之间的差距主要体现在RFID 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计及开发方面，国内也已有多个成功的低频RFID系统标签芯片面市。,三、相关技术标准,在RFID技术发展的前十年中，有关RFID技术的国际标准的研讨空前热烈，国际标准化组织ISO/IEC 联合技术委员会JTCl1下的SC31 下级委员会成立了RFID 标准化研究工作组WG4。尤其是在1999年10月1日正式成立的，由美国麻省理工学院（MIT）发起的 Auto-ID,Center，它是一个非营利性组织，在规范RFID应用方面所发挥的作用将越来越明显。Auto-IDCenter在对RFID理论、技术及应用研究的基础上，所作出的主要贡献如下所述。,（1）提出产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）概念及其格式规划，为简化电子标签芯片的功能设计、降低电子标签的成本、扩大RFID的应用领域奠定了基础。,（2）提出了实物互联网的概念及构架，为EPC进入互联网搭建了桥梁。,（3）建立了开放性的国际自动识别技术应用公用技术研究平台，为推动低成本的RFID标签和读写器的标准化研究开创了条件。,目前，可供射频卡使用的几种标准有ISO 10536、ISO 14443、ISO 15693和ISO/IEC 18000。,其中应用最多的是ISO 14443和ISO 15693，这两个标准都是由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和防冲撞以及传输协议四部分组成。ISO/IEC 18000标准体系是基于物品管理的射频识别的通用国际标准，按工作频率的不同，可分为以下7部分：,全球公认的普通空中接口参数；,频率低于135kHz的空中接口；,频率为13.56MHz的空中接口；,频率为2.45GHz的空中接口；,频率为5.8GHz（注：规格化终止）的空口接口；,频率为860930MHz的空中接口；,频率为433.92MHz的空中接口。,第二节 RFID技术的应用现状,下面分别介绍RFID 技术在零售、有害材料管理、物品追踪、医疗机构、铁路交通运输、世博会门票、二代身份证等几方面的成功应用案例。,一、国外应用现状,案例一：沃尔玛的“新式武器”,2003 年6 月19 日，在美国芝加哥召开的“零售业系统展览会”上，沃尔玛宣布将采用RFID 技术，以最终取代目前广泛使用的条形码，成为第一个公布正式采用该技术时间表的企业，如果供应商们在2008年还达不到这一要求，就可能失去为沃尔玛供货的资格。而沃尔玛的供应商大约有70%来自中国。,能坐上零售业的头把交椅，沃尔玛的成功宝典上写满了有关搭建高效物流体系的密笈，以保证在竞争中的成本优势。可以看出，所有技术无一例外地，都是围绕着改善供应链与物流管理这个核心竞争能力展开的。,作为沃尔玛历史上最年轻的CIO 凯文特纳，曾说服了公司创始人山姆沃顿建立了全球最大的移动计算网络，并推动沃尔玛引进电子标签技术（见图3-3）。,如果RFID计划实施成功，沃尔玛闻名于世的供应链管理将又朝前领先一大步。一方面，可以即时获得准确的信息流，完善物流过程中的监控，减少物流过程中不必要的环节及损失，降低在供应链各个环节上的安全存货量和运营资本；另一方面，通过对最终销售实现的监控，可以及时报告消费者的消费偏好，帮助沃尔玛调整优化商品结构，进而获得更高的顾客满意度和忠诚度。,知识链接是什么让零售商如此推崇RFID？,据Sanford C.Bernstein公司的零售业分析师估计，通过采用RFID，沃尔玛每年可以节省约83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。,尽管另外一些分析师认为80亿美元这个数字过于乐观，但毫无疑问，RFID有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品）。现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在美国1000家最大企业排行榜中名列第694位。研究机构估计，这种RFID技术能够帮助把失窃和存货水平降低25%。,案例二：NASA下属机构用RFID 系统管理有害材料,NASA下属机构正在执行Chem Secure项目，此项目是在美国国防部基于Web的有害材料管理系统（HMMS）数据库上，集成了无线射频识别和传感器技术，自动、实时的管理有害材料，如有害材料的使用、运送、跟踪和储存。,NASA的Dryden飞行研究中心在与美国国防部和Oracle、Intermec科技、EnvironMax、美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA），台湾译作“美国国家航空暨太空总署”，香港译作“美国太空总署”。Patlite（美国）等领先公司的紧密合作下，开发了Chem Secure项目，这是同类项目中的第一个。,Chem Secure 项目是在有害材料容器上放置RFID 标签（见图3-4），采用Oracle 传感器服务（Oracle Sensor-Based Services）软件捕获、管理和分析任何材料的移动或化学变化，并对移动或变化做出响应。NASA Dryden根据HMMS数据库中的实时信息，就可以对有害材料的运输和储存做出有根据的决策。如有需要，系统会自动以文本信息、话音和电子邮件形式，向负责保安、安全、保健和环境的专业人员发出警报，警告他们发生了化学变化。,案例三：寻找遗失的物品,美国华盛顿大学的研究人员Gaetano Borriello和,他的同事们日前为RFID技术找到了一个新的用,武之地寻找遗失的物品,。,科研人员和工程师们已研制出了一种手表式的原,型机，它能够提醒主人在出门时不要遗忘了重要,的文件、钥匙、雨伞或是其他一些需要随身携带的物品。在工作时，这种手表还会监视各种物品（如文件袋和试验材料）的摆放是否正确以及它们在房屋中所处的位置。,总而言之，这种曾经的间谍专用设备现在已可以用来提醒那些健忘的人，帮助他们规整自己物品的摆放，指明所需物品当前所处的位置等。研究人员介绍说，将RFID 技术和其他一些产品有机地结合在一起，不但可以用来寻找遗失的物品，还可以追踪它们在一天当中的运动轨迹。,案例四：美国将RFID 技术应用于医院，以防手术失误,美国政府同意将无线射频电子标签像绷带一样贴到病人手术处，以确保医生对适当的病人进行适当的手术。据记录，美国每年因手术失误而死亡数千病人。由Surgi Chip公司生产的这种标签，目的就是为了防止出现失误手术。,病人的名字和手术位置被打印在Surgi Chip的标签上，通过一种粘合剂将标签贴到病人实施手术的附近处，其内置的芯片还编码记录了手术的类型、日期和名称。在实施手术前，先对标签进行扫描，然后对病人进行询问来证实标签上的信息是否真实。到了手术日，在对病人实施麻醉前，医院手术室的工作人员再次对标签进行扫描，并与病人名册上的信息进行比较，再次对病人进行验证。实施手术前，该标签才被取下。据Surgi Chip估计，包括标签、扫描仪、打印机和每个医院都需下载的版权软件在内的这一套设备，大约花费几千美金。,二、国内应用现状,案例一：铁道部的调度利器,20 世纪90 年代中期，国内有多家研究机构参与了该项技术的讨论，在多种实现方案中，最终确定了RFID技术为解决“货车自动抄车号”的最佳方案。,过去，国内铁路车头的调度都是靠手工统计、手工进行，费人、费时，还不够准确，造成资源极大的浪费。铁道部在采用RFID 技术以后，实现了统计的实时化、自动化，降低了管理成本，提高了资源利用率。该系统可以为铁路运输带来的直接效益主要体现在以下三个方面。,首先，是准确的货车占用费清算，避免了货车占用费的流失。过去，车号的抄录和汇总全靠口念、笔记、手抄的人工方式进行，错漏多、效率低、劳动强度大，而且由于漏抄车号，造成了铁道部货车占用费的大量流失。RFID系统为列车的实时追踪提供了实时、准确的基础数据信息，有利于铁路的现场管理和车辆调度，提高了铁路运输的效率。仅这一项，每年为铁道部增收近3亿元。,其次，可配合“5T”系统，根据车次、车号、车辆的吨位，对运行车辆进行故障的准确预报和跟踪。举例来说，单THDS（红外线轴温探测系统）一项，原来没有车次、车号信息，每年误扣、甩车的数量高达l万辆（即l万列）以上，由此而打乱行车秩序造成的经济损失更是无法估量。,此外，路用货车数量庞大，车辆分散于全国各地，铁道部每年都需抽调大量人力、物力进行清查、盘点，耗时费力。,铁路车号自动识别系统（ATIS）,ATIS 是我国最早应用RFID 技术的系统，也是应用RFID 技术范围最广的系统。深圳远望谷为铁道部开发的ATIS，可实时、准确无误地采集机车、车辆运行状态的数据，如机车车次、车号、状态、位置、去向和到发时间等信息，实时追踪机车车辆。目前，该系统已遍及全国18个铁路局、7万多公里铁路线。包括拥有自备铁路线和自备车辆的大企业，也广泛地采用车号自动识别系统，进行车辆运输和调度管理。,案例二：2010 年上海世博会门票采用RFID 技术,2005年，爱知世博会的门票系统就采用了RFID 技术，做到了大批参观者的快速入场。,2006 年世界杯主办方也采用了嵌入RFID 芯片的门票，起到了防伪的作用。这引起了大型会展主办方的关注。在2008年的北京奥运会上，RFID 技术已得到了广泛应用。,近年来，在上海举行的会展数量以每年20%的速度递增。上海市政府一直在积极探索如何应用新技术来提升组会能力，以更好地展示上海的城市形象。而RFID 技术在大型会观者参观过自己的展台，关心内容和产品是什么，以及参观者的个人信息。参观者想迅速获得自己想要的信息，找到所关心的展示内容。而志愿者需要了解全局，去帮助需要帮助的人。这些需求通过RFID 技术，都能够轻而易举地实现。参观者凭借嵌入RFID标签的门票入场（见图3-7），并随身携带。每个展台附近都部署有RFID 读取器，这样对参展者来说，参观者在展会中走过哪些地方，在哪里驻足时间较长，参观者的基本信息是什么等，就了然于胸了。同时当参观者走近时，可以更精确地提供服务。而主办者可以在会展上部署带有RFID 读取器的多媒体查询终端，参观者可以通过终端知道自己当前的位置及所在展区的信息，还能通过查询终端追踪到走失的同伴信息。,案例三：第二代居民身份证,居民身份证作为国家法定证件和公民身份号码的法定载体，已在社会管理和社会生活中得到广泛的应用。,我国从1985 年实行居民身份证制度以来，已累计制、发居民身份证13 亿个，实有执证人口近9亿人。面对这么多的人口，如何合理有效地管理好身份证，并充分发挥其作用，一直是政府长期以来面临的问题。特别是改革开放后，我国经济得到迅速发展，各城市、农村人口流动频繁，而传统的身份证由于缺乏机器识读功能，并且防伪性能相对较差，从而在许多关键部门无法对身份证进行有效验证和登记，使得公安机关不能全面掌握这些重要信息，给管理工作带来了很大困难。,尤其是近几年来，全国各地利用假身份证进行犯罪的事件屡有发生，使得国家一些重要部门遭受严重的损失，而公安机关却由于缺乏详实的资料，影响了打击力度。因此，改进现有的居民身份证，是提高公安部门执法力度的有效方法之一。我国的第二代居民身份证，正是在此背景下应运而生。,第二代居民身份证（见图3-8）采用RFID 技术制作，即在身份证卡内嵌入RFID 芯片，内嵌芯片保存了证件本人（包括人像相片在内）的9项信息，芯片采用符合ISO/IEC 14443-B标准的13.56MHz 的电子标签。使用证件的单位利用二代身份证可以机读信息的特性，将第二代居民身份证内存储的信息读入相关单位、企业的信息应用系统，既快捷、便利，又准确。,第二代居民身份证内嵌芯片的破解成本极高，这使得证件造假变成不可能，只要通过读卡机自动识别芯片的信息，便可知道真假。目前，有关用证单位和工作人员对核查持证人的证件真伪不再困难，在读卡机自动识别的基础上加以比对，便轻松、便捷地确认持证人的身份。在现实生活中，人们在投宿旅店、办理医疗保险、搭乘民航班机、出入境登记、办理金融业务以及参加各类考试等活动时，均统一使用第二代居民身份证。,第三节 RFID技术基础,一、RFID系统的构成,RFID 系统包括：射频（识别）标签、射频识别读写设备（读写器）、应用软件。一个典型的RFID应用系统的结构如图3-9所示。,射频识别标签（TAG）：又称为射频标签、电子标签，主要由存有识别代码的大规模集成线路芯片和收发天线构成。每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。,读写器（Reader）：射频识别读写设备，是连接信息服务系统与标签的纽带，主要起到目标识别和信息读取（有时还可以写入）的功能。标签是被识别的目标，是信息的载体。,应用软件：针对各个不同应用领域的管理软件。,二、RFID系统的基本工作原理,RFID 技术的基本工作原理是由读写器发射特定频率的无线电波能量，当射频标签进入感应磁场后，接收读写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），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写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。工作原理如图3-10所示。,以RFID 读写器及射频标签之间的通信及能量感应方式来看，大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling）及后向散射耦合（Back Scatter Coupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频的RFID大多采用第二种方式。,读写器根据使用的结构和技术不同，可以是只读或读/写装置，它是RFID系统的信息控制和处理中心。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。读写器和射频标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时，读写器通过耦合，给无源射频标签提供能量和时序。,在实际应用中，可以进一步通过以太网（Ethernet）或无线局域网（WLAN）等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。射频标签是RFID 系统的信息载体，目前，射频标签大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。,射频标签与读写器之间，通过两者的天线架起空间电磁波传输的通道，该通道包含两种情况：近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合，亦即在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后会携带目标信息返回雷达接收机）。,在电感耦合方式中，读写器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签一方的天线相当于变压器的次级线圈，因此，也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式的耦合中介是空间磁场，耦合磁场在读写器初级线圈与射频标签次级线圈之间构成闭合回路。电感耦合方式是低频、近距离、非接触式射频识别系统的一般耦合方式。,在电磁耦合方式中，读写器的天线将读写器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成读写器的有效阅读区域，位于读写器有效阅读区域内的射频标签从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签内部的电路及天线，将标签内存储的数据信息传送到读写器。,概念辨析电感耦合与电磁耦合的差别,在电感耦合方式中，读写器将射频能量束缚在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通读写器线圈与射频标签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量，因此，识读距离较近。在电磁耦合方式中，读写器将射频能量以电磁波的形式发送出去，从而实现远距离的识读。,对RFID系统，需要清楚认识到以下三点：,数据交换是目的；,时序是数据交换实现的方式；,能量是时序得以实现的基础。,1能量,读写器向射频标签供给射频能量。对于无源射频标签来说，其工作所需的能量由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存储在标签中的电容器里）；对于（半）有源射频标签来说，该射频能量的到来起到了唤醒标签转入工作状态的作用；完全有源射频标签一般不利用读写器发出的射频能量，因此读写器可以用较小的能量发射取得较远的通信距离，移动通信中的基站与移动台之间的通信方式可归入该类。,2时序,对于双向系统（读写器向射频标签发送命令与数据、射频标签向读写器返回所存储的数据）来说，读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，射频标签予以应答，这种方式为读写器先讲方式。,另一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件后，首先自报家门，读写器根据射频标签的自报家门，进行记录或进一步发出一些询问信息，与射频标签构成一个完整对话，从而达成读写器对射频标签进行识别的目的。,RFID 系统的应用中，根据读写器读写区域中允许出现单个射频标签或多个射频标签的不同，将RFID系统称为单标签识别系统与多标签识别系统。,在读写器的阅读范围内有多个标签时，对于具有多标签识读功能的RFID 系统来说，一般情况下，读写器处于主动状态，即读写器先讲方式。读写器通过发出一系列的隔离指令，使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与读写器建立起无冲撞的通信。通信结束后，将当前活动标签置为第三态（可称其为休眠状态，只有通过重新上电，或特殊命令，才能解除休眠），进一步由读写器对被隔离（睡眠）的标签发出唤醒命令，唤醒一批（或全部）被隔离的标签，使其进入活动状态，再进一步隔离，选出一个标签通信。如此重复，读写器可读出阅读区域内的多个射频标签信息，也可以实现对多个标签分别写入指定的数据。,现实中也有采用标签先讲的方式来实现多标签读取的应用。多标签读写问题是RFID技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前，已有多种实用方法来解决这一问题。解决方案的评价依据，一般考虑以下三个因素：,多标签读取时待读标签的数目；,单位时间内识别标签数目的概率分布；,标签数目与单位时间内识读标签数目概率分布的联合评估。,理论分析表明，现有的方法都有一定的适用范围，需要根据具体的应用情况，结合上述三点因素对多标签读取方案给出合理评价，选出适合具体应用的方案。多标签读取方案涉及射频标签与读写器之间的协议配合，一旦选定，不易更改。,对于无多标签识读功能的RFID 系统来说，当读写器的读写区域内同时出现多个标签时，由于多标签同时响应读写器发出的询问指令，会造成读写器接收信息相互冲突而无从读取标签信息，典型情况是一个标签信息也读不出来。,3数据传输,RFID系统中的数据交换包含以下两个方面的含义。,（1）从读写器向射频标签方向的数据交换读写器向射频标签方向的数据交换主要有两种方式，即接触写入方式（也称有线写入方式）和非接触写入方式（也称无线写入方式）。具体采用何种方式，需结合应用系统的需求、代价、技术实现的难易程度等因素来确定。,在接触写入方式下，读写器的作用是向射频标签（中的存储单元）写入数据信息。此时，读写器更多地被称为编程器。根据射频标签存储单元及编程写入控制电路的设计情况，写入可以是一次性写入不能修改，也可以是允许多次改写的情况。,在绝大多数通用RFID 系统应用中，每个射频标签要求具有惟一的标识，这个惟一的标识被称为射频标签的ID 号。ID 号的固化过程可以在射频标签芯片生产过程中完成，也可以在射频标签应用指定后的初始化过程中完成。通常情况下在标签出厂时，ID号已被固化在射频标签内，用户无法修改。对于声表面波（SAW）射频标签以及其他无芯片射频标签来说，一般均在标签制造过程中将标签ID号固化到标签记忆体中。,非接触写入方式是RFID 系统中读写器向射频标签方向数据交换的另外一种情况。根据RFID系统实现技术方面的一些原因，一般情况下应尽可能地不要采用非接触写入方式，尤其是在RFID系统的工作过程中。这种建议的主要原因有以下几点。,非接触写入功能的RFID系统属于相对复杂的系统。能够采用简单系统解决应用问题即采用简单系统是一般的工程设计原理。其背后隐含着简单系统较复杂系统成本更低、可靠性更高、培训、维护成本更低等优势。,采用集成电路芯片的射频标签写入信息要求的能量比读出信息要求的能量要大得多，这个数据可以以10倍的量级进行估算，这就会造成射频标签非接触写入过程花费的时间要比从中读取等量数据信息花费的时间要长许多。写入后，一般均应对写入结果进行检验，检验的过程是一个读取过程，从而造成写入过程所需时间进一步增加。,写入过程花费时间的增加非常不利于RFID 技术在鉴别高速移动物体方面的应用。这很容易理解，读写器与射频标签之间经空间传输通道交换数据的过程中，数据是一位一位排队串行进行的，其排队行进的速度是RFID 系统设计时就决定的。将射频标签看作数据信息的载体，数据信息总是以一定长度的数据位组成，因此，读取或写入这些数据信息位要花费一定的时间。移动物体运动的速度越高，通过阅读区域所花费的时间就越少。当有非接触写入要求时，必然将限制物体的运动速度，以保证有足够的时间用于写入信息。,非接触写入过程中面临着射频标签信息的安全隐患。由于写入通道处于空间暴露状态，这给蓄意攻击者提供了改写标签内容的机会。,另一方面，如果将注意力放在读写器向射频标签是否发送命令方面，也可以分为两种情况，即射频标签只接受能量激励和既接受能量激励也接受读写器代码命令。频识别系统，这种射频识别系统一般不具备多标签识别能力。射频标签在其工作频带内的射频能量激励下，被唤醒或上电，同时将标签内存储的信息反射出来。目前在用的铁路车号识别系统即采用这种方式工作。,同时接受能量激励和读写器代码命令的系统属于复杂RFID 系统。射频标签接受读写器的指令无外乎是为了做两件事，即无线写入和多标签读取。,（2）从射频标签向读写器方向的数据交换,射频标签的工作使命是实现由标签向读写器方向的数据交换，其工作方式包括：,射频标签收到读写器发送的射频能量时即被唤醒，并向读写器反射标签内存储的数据信息；,射频标签受到读写器发送的射频能量被激励后，根据接收到的读写器的指令情况，转入“发送数据”状态或“睡眠/休眠”状态。,从工作原理上来说，第一种工作方式属单向通信，第二种工作方式为半双工双向通信。,三、射频标签的基本工作原理,射频标签又称为电子标签、应答器、数据载体等。电子标签与读写器之间通过耦合元件实现