RFID概论(不太全供参考).doc

RFID概论（不太全供参考）
第一章 自动识别概论
长庚大学RFID物流与供应链资源中心
目次
目次 I
图目次 II
表目次 III
第一章 自动识别概论 1
1.1 自动识别 2
1.1.1 何谓自动识别? 2
1.1.2 自动识别发展 2
1.2 为何要自动识别? 3
1.3 自动识别的对象与使用场合 4
1.4 各种自动识别方法 5
1.4.1 条码 6
1.4.2 磁条 6
1.4.3 光学文字辨识 7
1.4.4 生物辨识 8
1.4.5 语音辨识 10
1.4.6 智慧卡 11
1.4.7 无线射频识别 12
1.4.8 自动识别方法比较 13
1.5 自动识别关键问题 15
1.6 自动识别系统实例 16
1.7 小结 18
参考资料 19
图目次
图1.1:自动识别发展 3
图1.2:一维条码 6
图1.3:磁条 7
图1.4:光学文字辨识器 8
图1.5:指纹辨识器 9
图1.6:虹膜辨识器 10
图1.7:语音辨识 11
图1.8:智慧卡 12
图1.9:无线射频识别 13
图1.10:自动识别系统分类图 15
表目次
表1.1:自动识别系统比较表 14
第一章 自动识别概论
自电脑问世以来,今日已发展成几乎所有产品都可以内建电脑的全盛时代.但是,电脑虽然擅长於输入资讯、储存,以及基於以存的数据来进行运算,但是一但输入错误的资讯,就会招致意想不到的结果.在资讯社会中,如何正确地把资讯输入到电脑里面,变得越来越重要.此一输入方法,最出基本的就是键盘输入.但是,键盘输入不但很慢,还有很多错误.因此各式各样的输入方法一直被提案出来.
初期是利用纸带读取机和票卡读取机,来弥补手动输入的失误.跟著被开发出来的有光学标记读取器 (Optical Mark Reader, OMR) 及光学文字辨识 (Optical Character Recognition, OCR) 等.OMR是由人把标记 (Mark) 附加於标记卡所需之处,可以光学方式输入到电脑里面的读取装置,很难说功能强大.
相较於此,OCR是以光学方式读取文字的装置,也可由人用念的方式输入到电脑里面,堪称划时代产物.但是这对电脑的负担很大,而且也有一万字里面出现一个字的读错机率.在处理大量资讯的今日,并不适合当作从资讯媒体里高速输入正确资讯的方法,因此被视为可以光治学方式使电脑的读取良策应运而生,也就是条码.采用条码的资讯输入,是在资讯媒体上制作出光学反射率高的部分和低的部分,利用其组合来把资讯印成文字,尽可能以人也能读取该资讯的方式来配置文字,堪称人和电脑都易於读取的一种资讯媒体.目前采用条码的资讯输入,一般消费者在各种场合也可看见.譬如超市和便利商店的销售时点系统 (Point Of Sale, POS) 系统等就是具代表的应用系统.
1.1 自动识别
1.1.1 何谓自动识别?
自动识别是利用撷取物件的特徵或内建资料,并经由电脑系统的比对处理或资料管理,若用人工将资料一一输入,所花费的时间与电脑处理的速度相比较有极大的悬殊,但如果将物件资料转成数位资料存入电脑中,不但可以增加速度也可以提高精确度而达到自动识别与管理之目的.条码之所以如此普及,就是因为读取错误的机率只有1亿4900万个文字中的一个文字,而且读取速度和其他输入装置比起来非常的出类拔萃,因此不难想像其普及原因.
在1.4节会提到各种不同的自动识别系统,例如文字辨识、语音辨识和生物辨识等,但是辨识和识别是不同的意义,通常识别会使用到辨识这项技术,像车牌辨识,有停车场会将车牌的影像先解析成文字,再利用这些文字而得知车主的身分,以达成识别的目标.
自动识别技术在物流工程、物流管理、供应链管理、销售管理和品质管制中得到越来越广泛的应用.自动识别技术是在电脑技术、资讯技术和自动化技术基础上的资料获取、识别、分析和传输技术.
1.1.2 自动识别发展
西元1952年,条码的专利正式发布,此专利是在美国发布,西元1960年,光学文字辨识的技术开始发展,但技术不够精密.西元1970年,工业标准UGPIC和UPC公布,以及二维条码开始发展.西元1977年,EAN正式成立以及RFID在美国开始发展.西元1984年,7-11便利商店在日本正式引进销售时点系统.西元1987年,RFID的第一次商业应用开始於欧洲,欧洲将RFID运用在电子收费,例如ETC.西元1990年,开始生产相关设备已经有一个标准化的流程.西元1999年,美国麻省理工学院Auto-ID中心正式成立,以及UCC和EAN的推动,因为全球企业化,需统一编码格式.我们可从下图得知更详细的时间.西元2003年,成立非营利的EPCglobal公司,专门在推动EPC相关编码.相关识别技术之发展时程如图1.1所示.
图1.1:自动识别发展
1.2 为何要自动识别?
目前很多企业都会使用自动识别,且自动识别技术发展蓬勃,以下是为何要使用自动识别的原因:
增加价值(自动化/增进效率):因为自动识别可以代替纸上作业,速度更快於人工作业,资料资讯化后也可以增加效率.
降低成本:因为有些自动识别成本低,又可以节省人力成本的开销,且有些可以重复使用,例如:仓库盘点,原本需要很多人力,但现在如果有自动识别可以减少员工数目,成本自然减低.
改善安全 (Safety):所谓安全就像在医院如果使用自动识别可以减少医务人员用错药的机率.
提升安全性 (Security):安全性方面例如市面上贩售的高阶笔记型电脑目前加上指纹识别机制,才可以开机使用,就算笔记型电脑遗失,里面的资料也不会被窃取,藉此提升安全性.自动识别系统运用在许多层面,且范围越来越广,使用自动识别系统可以将资料转成数位资料存进电脑中,让使用者较方便将资料加密.
提供更多资讯:因为将资料转成数位资料所以可以储存的资讯增加,而且数位资料对於空间的储存资料的限制较低,可以直接撷取目前产品生产或运输的最新状态,如果在生产中间有问题可以马上发现,达到立即改善产品的目的且将错误资讯储存,RFID就可以提供此种需求.例如:包裹运输,可以即刻查讯目前包裹的运送位址.
以企业观点来看,就是要能够赚更多的钱:其实因为自动识别的产生,吸引各企业的应用,主要原因都是可以降低成本或是增加收益,帮助企业获利.
1.3 自动识别的对象与使用场合
自动识别主要的对象为人的识别以及物的识别,对於人的识别主要是身分验证方面,例如像指纹识别;物的识别是针对物件的本身资料转换成数位资料输入电脑中,以及利用物件的差异性,所谓物件的差异性就是利用每个物品的外观或是成分等来判断,就如桌子和椅子在外观上就有很大的差异.但如果都是一样的商品,我们就必须将每个商品给予不同编号来达到识别的目的.
需要使用自动识别技术的对象通常为制造商、企业与企业之间等,因此衍生出以下议题:
制造商议题 (Manufacturing Issue):制造商在生产过程中,常需要知道目前产品的状况,比须考虑需要用到哪些识别技术.
企业夥伴议题 (Business Partner Issue):通常企业夥伴是一对一,要考虑彼此的系统是否可以相容,如果无法相容,资讯就无法互通,因为储存格式不同,就无法得到自动化的效率.
供应链议题 (Supply Chain Issue):供应链的上、中、下游,从制造商ㄧ直到零售商,甚至是中间的物流商,都要考虑自动识别系统格式是否可以互通.
处理与储存议题 (Handling and Storage Issue):包含公司内部的一些盘点问题、进出货等,如果要全部靠人工达成,相当耗费成本,所以厂商要考虑使用何种自动识别系统,来得到最佳的效益.
每间公司使用自动识别的地方都不尽相同,虽然许多地方会有重叠,例如:产品种类和原料包装种类、材料和形状、复杂的多层 (Multiple-tier) 供应链等,现在多数企业仍将RFID用在内部的仓储管理,例如利用RFID读取器 (Reader),对贴有RFID标签 (Tag) 的纸箱或栈板进行点货、进货等,这些都是自动识别常见的应用场合.适用的场合很多,而且可能每个部门使用的识别系统就会不同,使用场合是由公司来判断什麽地方使用什麽识别系统.
1.4 各种自动识别方法
自动识别的方法有条码、磁条、光学文字辨识、生物辨识、语音辨识、智慧卡和无线射频识别等,以下小节为各个识别方法的详细介绍.
1.4.1 条码
条码或条形码 (Barcode) 是将宽度不等的多个黑条和空白,按照一定的编码规则排列,用以表达一组信息的图形标识符.常见的条码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.条码须由扫描器读入,其「阅读」的条码间配合由容宽条及空白间隔组成的时间因素,为了使电脑能接收完整的资讯,条码的起始与结束均须有一个讯号,以告知此条码讯息的开始与完毕,来分开此一条码资料与下笔资料的区别.
条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、类别和日期等资讯,因而在商品流通、图书管理、邮电管理和银行系统等许多领域都得到了广泛的应用.图1.2即为一个EAN一维条码的例子.
图1.2:一维条码
1.4.2 磁条
我们常用的磁卡是通过磁条记录资讯的,磁条技术应用了物理学和磁力学的基本原理.磁条就是一层薄薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料(也称为涂料),用树脂粘合在一起并粘在诸如纸或塑胶这样的非磁性基片上.磁卡的应用一般是通过事先付款,然后在卡中编码记录一定的货币价值,用户使用它来购买商品或服务.磁卡的价值通过用户在每次使用时将磁性资讯进行相应的消减,具体的应用如电话卡.其他应用包括学生就餐证、桥梁、通道和道路的过路费、多次使用的交通票证、录影带出租证、自动售货机、带有一定价值的驾驶证,可以用来购买商品或服务.每年有100多亿张磁条卡在各种应用中使用,而应用的范围在不断扩大中.
磁条指在信用卡、身分证等卡片上用於储存资讯的条形磁性材料.磁条需要与磁头作物理接触,由磁条滑过磁头进行资讯的读写,例如:磁条金融卡.图1.3即为一个磁条使用的例子.
图1.3:磁条
1.4.3 光学文字辨识
光学文字辨识:主要是针对既有已存的文件作文字辨识,并将其转换成电脑所能认识的电子讯号,其功用为建立中文文字资料库,输入大量各种报纸、中文书刊、杂志等.将过去出版的文章及图书利用OCR输入至电脑,可重新编排出版.机器翻译,运用光学文字辨识系统,将欲翻译的文章输入电脑,再配合电脑自动翻译系统,可达到高速自动翻译的效果.结合语音输出,如自动阅读机.目前的光学辨识技术运用的领域已十分广泛,像是图书馆大型文献资料与剪报、企业内部文件等皆需要透过数位化的方式加以保存与管理.此外,像是电子表单、入学考试电脑卡与海关身份证确认等,皆可透过智慧型光学辨识技术,不但能精准辨识资料,更能省下大量资料比对与查核的人力与时间.
光学文字辨识器如超级扫译笔、迷你扫译笔等,透过笔式扫描输入工具,即可将想保存的文件图像立即辨识到电脑中,文件将会以「文字」的方式直接呈现,使用者可以迅速於软体中编辑文件,甚至进行文件翻译与语音朗读文件等功能.图1.4即为一个光学文字辨识器的例子.
图1.4:光学文字辨识器
1.4.4 生物辨识
生物辨识系统是针对人类独有的生理特徵或行为表现进行辨识,并透过辨识程序来确认身分的技术,主要区分为「生理特徵」与「行为特徵」两大类:
生理特徵类:适用於需严格确认身分的情况下,以直接撷取人类活体的生理特徵方式来识别身分,目前以「指纹辨识」的发展最为成熟.
行为特徵类:适用於需要较高便利性的情况,以撷取人类行为表现的差异来识别身分.
指纹识别是通过指纹来确定一个人的真实身分,这种识别方法目前已经有蛮多的应用.而人眼的虹膜、手形、声纹、血压甚至气味等身体特徵也是因人而异.所谓生物识别技术就是根据人类自身的生物特徵(如脸像、虹膜、指纹、声纹、气味等)和行为特徵(如语音、签名、笔迹、步态等)来监别确定一个人的真实身分的技术.图1.5即为一个指纹辨识器的例子.
图1.5:指纹辨识器
虹膜是围绕瞳孔呈现绚丽色彩的一层生理薄膜,虹膜是包裹在眼球上的色彩环状物.,每一个虹膜都包含一个独一无二的水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特徵的结构,虽然虹膜上的颜色取决於遗传,但许多虹膜上的图样似乎是在胚胎发生期间,受外在事件影响而随机产生,因为每个人的虹膜都是独一无二的,所以可以藉由虹膜辨识达到身分识别的目的.图1.6为虹膜辨识器的图片.
图1.6:虹膜辨识器
1.4.5 语音辨识
语音辨识最主要的目的是希望电脑听懂人类说话的声音,进而命令电脑执行相对应的工作.当声音藉由类比到数位的转换装置输入电脑内部,并以数值方式储存后,语音辨识程式便开始以事先储存好的声音样本与输入的测试声音样本进行比对工作.比对完成后电脑即输入一个它认为最「像」的声音样本序号,我们就可以知道使用者刚刚念进去的声音代表何意,进而命令电脑做事.电脑采用数位化的语音取样资料,我们要知道对电脑而言,即使同一个人在同一个环境使用同样的麦克风连续发出两次同样的语音,语音取样资料也不可能完全相同,因此如何把语音做正确的归类,异中求同,就是问题所在.一般常见的作法是(事先或现场)蒐集足够的语音样本,经过抽取适当的语音特徵 (Feature Extraction) 之后,透过训练程序 (Training Procedure),建立参考声学模型 (Acoustic Model) 所需的参数.而在使用者辨识的阶段,将输入的语音样本抽取语音特徵之后,和辨识字汇中的参考声学模型比对,找出最接近的字汇,是为辨识结果.而我们可以由辨识的结果,可得知此人的身分,将语音辨识技术用来进行身分识别.图1.7即为语音辨识的装置图片.
图1.7:语音辨识
1.4.6 智慧卡
智慧卡又称智能卡、聪明卡、集成电路卡,是指粘贴或嵌有集成电路晶片的一种携带型塑胶卡片.卡片包含了微处理器、I/O介面及记忆体,提供了资料的存取控制及储存功能,卡片的大小、接点定义目前是由ISO统一规范,主要规范在ISO 7816中.常见的有电话IC卡、身分IC卡,以及一些储存卡和提款卡等.
卡片内部运作除了硬体之外还有其软体,通常会需要一个核心COS (Card Operating System) 提供服务,其内部软体系统架构如下: 硬体 (Hardware) → COS → 应用程式 (Application).图1.8即为智慧卡的使用图片.
图1.8:智慧卡
1.4.7 无线射频识别
无线射频识别 (Radio Frequency Identification, RFID) 是一种通信技术与射频识别技术.无线射频识别系统 (RFID System) 由两部分组成:读/写单元和电子收发器.读取器透过天线发出电磁脉冲,收发器接收这些脉冲并发送已储存的资讯到读取器作为响应,可透过无线电讯号识别特定目标并读写相关资料,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触.有可读和可写并能防范非授权存取的记忆体的智慧晶片已经可以在很多集装箱、货盘、产品包装、智慧识别ID卡、书本或DVD中看到.应用将继续以物流供应链领域为主,在这个领域用RFID收发器进行包括各种各样的可行动货物与产品的记录和追踪,在RFID收发器(信用卡大小的塑胶/纸标签,内含晶片、射频部分和天线)上的必要储存将继续成为主要的应用.另外的一个可能应用就是将收发器标签贴到纺织品、药品包装或者甚至是单个药盒内.然而,未来RFID还将被用在如地方公共交通、汽车遥控钥匙、传送轮胎气压以及在行动电话等领域内.快速的识别对於公司的物流程式、大型仓库、诊所或者货物的运输以及在商业中都很重要.图1.9即为一项无线射频识别应用的例子.
图1.9:无线射频识别
1.4.8 自动识别方法比较
自动识别的方法有很多种,各有其优缺点.目前条码的使用率非常高,其主要原因是价格便宜,且机器读取能力好,但是如果遭受污损或是经过长时间的耗损,条码可能无法使用而造成资料遗失,条码也容易遭人仿冒.对比条码系统,智慧卡可以改善条码的所有缺点,只是价格稍为高一点,但是智慧卡有加解密的运算功能,不可仿制等优点,目前常见的智慧卡是手机的SIM卡,大众使用率也是非常高.而众所皆知的RFID系统,有些拥有智慧卡的优点,且可以不用接触就能读取资料,读取资料也比智慧卡快速,且完全不受尘污的影响,但是唯一就是缺点成本较高.表1.1为各个自动识别系统的详细比较表.
表1.1:自动识别系统比较表
项目 条码
系统 OCR
系统 生物辨识
系统 智慧卡
系统 RFID
系统
资料量 (Bytes) 1~100 1~100 N/A 16K~64K 8~64K
资料密度 低低高非常高 非常高
机器读取能力 好好贵好好受尘污影响 极高 极高 N/A 低 不受影响
受封套影响 高高可能 不受影响 不受影响
方向及位置影响 低低N/A 有或无方向性 不受影响
老化或磨损 有限制 有限制 N/A 接触式有限制 不受影响
成本 极低 中等 很高 低 中等
盗拷仿制 可能 可能 不可能 不可能 不可能
读取速度 慢~4秒 慢~3秒 非常慢
~ 5秒慢~4秒 快~0.5秒
读取距离 0~50cm < 1cm
扫瞄器 接触式或非接触式 接触式或
非接触式 0 ~ 5m
无线电波
普及率 非常高 低 中等 高低自动识别系统种类繁多,图1.10为其分类归纳图.
图1.10:自动识别系统分类图
1.5 自动识别关键问题
在使用自动识别的系统时,考虑的问题何其多,而并不是每个自动识别系统都是完美的,而衍生出自动识别的一些问题,以下为自动识别的关键问题:
精细度:需要能读到详细的物品资料,依照使用者的需求来判断精细度,例如读取物品时需要知道是要读取单一物品详细资料还是大量物品的资料.
处理时间:时间越短越好以增加效率,因为不同的识别方法读取的时间也不尽相同,例如如果使用指纹辨识系统,当人数很多时,就会造成处理时间过长,因为每个人都要去按指纹,但是假使使用的是RFID就会减少很多时间.
读取距离:读取最好能不受距离限制,因为距离太远或太近都不行,如果太近,当物品过多无法ㄧㄧ接触到读取器时会很麻烦,但如果太远,读取到不需要的资料或造成使用者的困扰.
正确率:读取到的资料须完整且正确性高,尤其是针对高安全性需求的场合,例如门禁系统.台湾就有一家企业将RFID用在货物的进出口管理,因为货物经过输送带时,可能因为标签贴的位置不正确,会漏掉一些资料,该公司现阶段采用标签以及RFID标签并行的方式,当RFID标签没有读到资料时,就会再以手持装置读取一次.
相容性/标准化:每种自动识别系统的标准须统一,假使不统一格式,资料无法相通,就失去了自动识别的意义,无法达到增进效率的目的.
成本:目前自动识别系统的价位还是偏高,尤其是使用广泛的RFID,其读取器和标签都必须要再降低价钱,才能提高市场接受度.
机密性:因为标签中会有物件或是私人的资料,如果被窃取,资料将会外泄,所以应将标签中的重要资料加密,但目前加密的机制不够完善,标签的运算能力不高且如果需要有运算能力就必须考虑到耗电量的问题,越繁复的运算须要越多的电力,且成本会提高.
读取量:因为要增加效率,所以一次读取的数量要多且准确.
安全性:不论是条码或是RFID的标签目前都容易被仿冒,如果未来政府将RFID的技术应用在身分证上,恐怕会有很大的风险.
1.6 自动识别系统实例
检测系统安装在机械手上,在机械手与产品的位置相对固定后,由控制主机给出开始检测信号,检测系统开始采集图像,并对图像中的号码进行识别,如果识别成功,则将识别结果传送给控制主机,控制贴标;如果识别失败,则发出报警信号,请求人工干预.系统能够自动读取标签上的号码,并将号码传送给装箱系统控制主机,实现自动贴标,并保证箱内的产品批次与箱上的标签一致,用电脑来代替人,在产品装箱过程中实现批号自动检测,真正实现装箱过程的完全自动化.
香港赤腊角国际机场成为全球首个正式引入无线射频识别技术,提高行李标签识别率的机场.新技术是在现有的行李条码标签上,植入载有乘客及航班数据的识别晶片,让扫描器可以在远距离及不同角度读取数据,读取率平均达97%,高於旧技术的80%.据香港文汇报报导,机场管理局航空客运业务总经理马耀文表示,新技术在节省人手的同时,提升行李处理系统的效率,可减少因处理行李需时而造成的航机延误情况.无线射频识别技术广泛用於包括八达通储值卡,电子隧道收费系统等,原理为利用无线电波,将数据写入电子标签内体积仅如一粒米的无线射频识别晶片.旧款的条码式标签上扫描器必须靠近标签才能读取数据,倘条码折在行李箱下或被其他行李遮挡机器就无法读取,最后发现数量不符时要人手找寻行李,就可能引致航班延迟起飞.而采用新的射频标签,扫描器可在远距离、不同角度读取数据,提高行李数据读取率达97%,远高於只依赖条码标签时的平均80%,从而节省时间、人手及营运能力约5%,每天可多处理2,000件离港行李.新技术下植入晶片的行李标签成本价为1元,较以往的贵0.5元.全球除香港外,美国拉斯韦加斯的麦卡伦国际机场亦有这个系统.马耀文说整个系统由机管局运作,初期投资额约5,000万元.目前约有50家航空公司包括国泰、港龙、西北航空、联合航空等采用,稍后会再多10余家投入服务,中国大陆亦正研究使用.
1.7 小结
每一种自动识别的方法各有其优缺点,应视场合而决定要用哪一种自动识别方法.在市场方面有些顾客以及服务的提供者从某一种自动识别设备「迁徙」至另一种设备,为了寻求更高的安全性、更好的功能、避免欺骗行为或者赝品,甚至只是较小的装置能让使用者携带起来更为方便.聚合的观念也被提出,但主要是在应用的层次而非装置的层次.举例来说,一张智慧卡上面能够包含了许多个应用,跟科技技术上的「聚合」是完全不一样的,技术上的聚合是指某一个装置和另一个装置没有缝隙地接合在一起.整合常常会和聚合混淆,虽然这两者确实是具有某种程度的「共生」,整合是指将两个或两个以上的自动辨识技术用在同一个装置上,而整合这个观念即使随著时间、自动识别技术变化,从条码、磁条到将微处理器的功能放在同一张卡上,也仍是很流行的.但是某些特定的自动识别技术会渐渐的被淘汰,然而你只要看看这些自动识别装置在现今市场上或是可预见的未来中,广泛散布的程度,就会知道那些预言的实现是不太可能的.条码在很长的一段时间内会仍然继续爲了它们存在的目的而服务,尽管开发中国家无法负担RFID装置;磁条卡片仍然会维持它们的地位,或许不在银行业而是在其他应用,像是电子售票系统.此外,所有的自动识别装置都有在持续改善,当然改善的频率各有不同,但是对於每种技术的特定缺点的克服都有突破性的进展.这些多样性的自动识别技术也提供了点对点的能力,例如在军事方面的应用.
我们可以从很多自动识别的报导指出,如果要涵盖大部分的市场除了准确度之外,最重要的就是成本的问题,现今RFID是非常热门的技术,但是设备价格也比较高昂,不是所有厂商或是消费者能接受的,只要能够再降低其设备的价钱,一定会被广泛的使用.并且为社会带来更多的方便和福利.
参考资料
EPCglobal Homepage, http://www.epcglobalinc.org/home
The Hybridization of Automatic Identification. Techniques in Mass Market Applications: Towards a Model of Coexistence
自动识别交易网,
社团法人日本自动认识システム协会,「自动认识システムの基础知识」,Ohmsha,2005
陈宏宇,「RFID系统入门-无线射频辨识系统」,松岗,2004