RFID基础知识与典型实际应用方案.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。RFID基础知识与典型应用一、 何为RFID? 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, 经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。 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。 一般我们所说的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, 日期代码和其它关键的信息等, 这些信息储存在一个小的硅片中, 利用阅读器, 能够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(有时还能够写入)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。 阅读器从外形上大致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, 一般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一般在110米, 而读卡器的读写距离一般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, 另外, 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, 既能够内置于读写器中, 也能够经过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。当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。高性能的天线不但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读写器经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。图1. RFID组成及工作原理 3、 RFID应用的领域表2. RFID领域及应用二、 RFID在中国发展应用之现状 RFID技术在国外得到了飞速的发展, 据ABI公司根据预测,预计到 全球RFID规模将达到98亿美元, - 均复合增长率为19%。在中国, 在RFID技术与应用的标准化研究工作上已有一定基础, 6月9日, 科技部等十五部委制定出台了中国射频识别(RFID)技术政策白皮书; 另外, 依据ISO/IEC 15693系列标准已经基本完成国家标准的起草工作; 参照ISO/IEC 18000系列标准制定国家标准的工作已列入国家标准制订计划。 可是, 相较于欧美等发达国家或地区,中国在RFID产业上发展较晚并较为落后。在超高频RFID方面, 产品的核心技术基本掌握在国外公司的手中, 国外公司占有绝正确优势; 不过, 在低频领域, 中国由于发展较早, 技术较为成熟, 产品应用广泛, 已具有了与国外产品一决高下的能力, 在市场上处于完全竞争状况。另外, 国内低频读写器生产加工技术非常完善,生产经营的企业很多, 也有较为成熟的解决方案。 应用方面, 在交通、 物流、 防伪、 制造、 零售、 煤矿等等行业, 都有RFID技术的身影, 虽然某些应用还不是特别的完善, 但在国家的大力扶持与推进下, RFID技术在中国将会全面开花, 得到更多、 更完善的应用。三、 RFID能为制造企业带来什么? 在制造业, RFID, 归根结底, 能够看做一种数据采集方式, 而当前很多制造企业已经采用了条码技术来进行数据的采集, 并结合MES、 ERP等信息化软件, 对企业的生产过程进行有效管理。而很多企业不禁会问, 既然条码应用已十分的成熟广泛, 为什么还要使用RFID技术呢? RFID技术, 实时数据采集的必要手段 传统企业在数据采集时一般使用条码标签, 但条码标签受到一定的局限性, 在识别速度、 读取精度、 使用环境等方面存在种种限制, 关键在于, 数据采集后并不能实时的反馈到相关人员。而RFID技术经过电子标签与阅读器之间的射频通信, 能快速的识别目标对象而且获取其包含数据, 将生产现场信息及时准确的采集, 赋予企业相关的跟踪能力和实时控制能力, 减少人为错误, 帮助企业在实际提高效率和利润的同时能够满足客户的需要和法规要求。 RFID数据采集方式能为制造企业带来的便利: 1) 在及时采集各个加工工序的人员与工时信息的基础上, 能够获取准确的实际生产成本信息。 2) 经过及时反馈加工质量和设备信息, 能够实现整个车间生产过程的可视化, 从而实现制造过程的可追溯。 3) RFID技术为及时准确采集车间信息, 实现”实时”企业, 提供了经济有效的解决方案。表3. RFID与传统条码采集方式之比较四、 制造企业如何正确的选择和使用RFID? 纵然RFID技术有着许多的优点, 但面对RFID, 企业必须有清醒的认识, 仅凭头脑发热便如同一窝蜂的上ERP等信息化软件一样, 得不偿失。 在制造企业, RFID技术一般能很好的应用于生产管理、 员工管理、 仓储管理、 物流管理、 质量管理等环节, 结合MES等信息化系统, 实现实时的控制管理。但由于RFID厂商的参差不齐, 或者企业对于RFID概念的理解偏差, 在某些企业, RFID应用也走进了种种误区。以下, 将为您剖析, 何种RFID解决方案才是您的企业最需要的呢? 1、 有线 or 无线? RFID无线射频识别技术, 顾名思义, RFID数据的采集, 是经过无线的识别进行的, RFID标签一般附着于物料、 生产设备、 员工、 以及需要采集的物体上, 读卡器对标签上的数据进行识别, 而识别之后如何实时的传输给生产管理软件比如MES系统, 则需要在企业内部进行网络的部属。如上文所说, 读卡器可一般分为手持式与固定式, 有线读卡器与无线读卡器。手持式的读卡器一般是无线的, 固定式的读卡器则有无线与有线两种可选, 这时, 就需要企业根据自己的需求进行选择。 基于有线局域网的RFID解决方案: 图2. 基于有线局域网的RFID解决方案 在该解决方案下, 企业可利用现有的有线局域网, 将有线读卡器布置于设置好的位置, 读取数据经过TCP/IP组网方式, 经过交换机连接计算机进行数据交互有线网络可与公司的局域网融为一体, 其优点是能够使用公司成熟的网络, 读卡器与中间件之间进行有线通信, 数据传输稳定可靠、 反应迅速, 而且没有距离的限制。而这种方案的缺点在于: 布线较为繁琐, 可能会影响工作环境的美观, 而且在某些特殊的制造场合, 并不适合大量的走线。这种方案一般适合于公司有线网络方便布置的, 工位固定, 读卡器使用量大、 跨地域的纺织、 服装、 玩具等劳动密集型制造行业。 基于无线局域网的RFID解决方案: 基于无线局域网的方案, 即RFID设备经过接在计算机上的无线基站以无线通信的方式和计算机进行通信。无线读卡器阅读RFID卡片上的数据信息后, 经过无线基站, 将数据信息上传到中间件, 中间件经过存储过程与数据库进行数据交互。对于无线组网方式来说, 优点在于读卡器与中间件所在的电脑组网布置灵活, 省去布线的麻烦, 而且技术成熟、 网络容量大, 施工快速。相应的, 无线组网方式的缺点在于读卡器与中间件之间具有一定距离限制, 而且在某些车间环境下易受其它无线信号的干扰, 因此, 采用无线组网方式的RFID解决方案适用范围虽然比较大, 但更适合于其它无线信号干扰少, 对工作环境整洁程度要求高的制造企业。图3. 基于无线局域网的RFID解决方案 对于无线组网方式, 当前的解决方案也存在两种, 一种是基于WiFi技术的, 另一种是基于Zigbee技术。 WiFi即无线局域网, 基于802.11a/b/g/n等协议, 也是当前最常见的无线通信技术。 ZigBee是国际标准的工业级网络, 基于IEEE 802.15.4协议。是一种经济、 高效、 低数据速率( 250kbps) 、 工作在2.4GHz和868/928MHz的无线通信技术。简单的说, Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台, 在整个网络范围内, 每一个Zigbee网络数传模块之间能够相互通信, 这些传感器只需要很少的能量, 以接力的方式经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器, 每个网络节点间的距离能够从标准的75m无限扩展。主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。表4. Wifi与Zigbee技术对比 二者相比, ZigBee的特点是低功耗、 高可靠性、 强抗干扰性, 布网容易, 经过无线中继器能够非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍, 因此从小空间到大空间、 从简单空间环境到复杂空间环境的场合都能够使用。但相比于WiFi技术, Zigbee是定位于低传输速率的应用, 因此Zigbee显然不适合于高速上网、 大文件下载等场合, 更适合某些数据传输量不大的制造企业。制造企业可根据企业的实际情况进行选择。 2、 RFID在不同环节的使用选择 以上谈了许多关于RFID的技术与适用场合, 那么RFID是如何在企业中得到应用的呢? 图4. RFID在制造业生产过程中的应用 生产管理: 生产环节是制造企业重中之重, 生产过程的可控是制造企业进行库存管理、 质量管理、 员工管理、 财务管理等环节的前提, 生产过程中的实时数据也是构建实时企业必不可少的关键。在生产管理过程中部署RFID系统, 及时的采集生产信息, 是获取实时数据的关键。 采用条码方式采集生产现场的数据在手工计件的基础上提高了企业的信息化水平, 但条码统计信息无法实时, 待数据输入至少滞后半天到一天的时间, 其次, 条码的信息容量有限, 无法监测每个工序的情况, 无法反应每个员工的生产情况, 责任不能落实到个人, 质量管理无法落实到实处, 再次, 条码对应用环境的要求高, 许多场合下并不适用。因此, 采用RFID技术来进行生产数据的采集是有效的解决方案。图5. RFID结合MES进行生产管理 在生产车间, 企业可依据生产过程以及关键工位布置合适的数据采集点, 安装好读写器, 根据生产任务单, 将产品的生产过程信息和产品的型号、 完成时间等产品信息写入电子标签, 附着在在制品框上, 随着生产过程流动, 来指导整个生产过程。在关键工位对数据进行读取, 配合电子看板等在车间实时显示加工状况, 结合ERP、 MES等信息化系统, 对生产过程进行全方位的管理。同时, 对物料以及员工的识别管理, 能帮助企业对产品的质量进行管理追溯, 出现问题时能够准确的定位到生产责任人, 降低企业产品瑕疵率, 也可促进售后维修服务的管理。若同一批产品工序相同, 可采用只读标签, 在制品变成成品下线后, 标签能够回收继续使用, 当然, 企业也可根据实际情况, 选择可擦写标签。一般来说, 劳动密集型企业, 生产过程中的电子标签可选用低频无源只读标签, 价格低廉, 而且相比打印条码方式, 成本能得到很大程度的降低。对于工序复杂的制造企业, RFID标签及读卡器的选择, 应结合其它信息化系统, 对企业生产流程进行分析后, 再来决定, 手持式和固定式读卡器结合, 超高频的RFID系统当前在中国大多应用在机械以及汽车等行业。 员工管理: 对于员工管理, 比如在服装、 玩具等制造企业, 能够为每位员工配发识别卡, 应用于考勤以及生产过程管理, 对物料以及工作流程实时的加工数据采集能方便管理人员了解当前员工的生产工作状态, 而且, 能够根据员工的加工情况, 对成品进行追溯跟踪, 工时统计及产品质量的跟踪能够更好的方便企业对员工的绩效情况进行管理。 在员工管理过程中, 可根据企业的实际需要来选择RFID卡的性质, 低成本的低频无源卡往往更适合于员工管理。 仓储管理: 在企业的仓储管理过程中, RFID技术能发挥极大的作用, 以往, 仓储管理系统一般使用条码标签或是人工仓储管理单据等方式来进行。可是条码的易复制、 不防污、 不防潮等特点, 和人工书写单据的繁琐性, 容易造成人为损失, 另外, 条码数据采集后, 需要再次将数据录入到电脑, 不能及时反馈仓库的最新动态, 这使得许多制造企业在仓储管理时始终存在着缺陷。企业在引入RFID系统后, 能够在RFID标签中写入货物的名称、 日期、 存放位置等各类信息, 并贴在每个物品的包装上或托盘上。这样, 读卡器能搞清楚的扫描到托盘上货品的信息, 并能够及时的将仓储物流信息反馈到生产加工, 指导生产。在仓储管理的过程中, 企业应选择手持式的读卡器, 经过无线方式与中间件进行连接, 上传至电脑及时获取最新的仓储情况, 手持式的读卡器不受人员以及地理位置的限制, 具有小型化、 便携、 使用灵活等特点, 当前市场上也有许多带PDA的手持式读卡器供选择, 带PDA手持式读卡器具备CPU以及操作系统, 数据采集完成后可直接显示在液晶屏幕上, 或存储于PDA中, 经过无线方式传输到后端系统平台, 某些读卡器还能够对电子标签进行数据写入, 功能十分强大。 对于某些小型的制造企业, 能够选择工作在低频的RFID系统, 读写距离较短, 技术成熟, 而且价格便宜, 但对于大型的制造企业, 工作在低频的RFID系统将无法满足企业的要求, 应选择工作在高频及超高频, 能读取中长距离的读卡器。 物流管理: 企业物流方面, 是RFID系统应用最多的领域, 制造企业内物流可大致上分为供应链物流与生产系统物流两部分, 在企业原材料的采购以及货物入库的过程中 经过在货物或者货箱上面安装RFID标签, 阅读器自动识别标签中的数据, 不需要打开货物, 便知道里面货物的情况, 甚至不需要停留, 就能够直接完成验收工作, 同时将数据记录至数据库, 修改系统中的相关数据, 完成物料的入库, 大大提高工作效率。在入库的过程中, RFID数据管理系统还会根据标签所标识的货物的体积、 大小和类别等, 自动的选定库位, 将信息返回到入库人员, 对货物进行入库存放。结合仓储管理过程, 对货物进行准确及时的动态管理。帮助企业减少库存积压, 降低运营成本。在此过程中, 能够设置超高频的RFID系统来进行管理。 在生产系统物流方面, 根据生产任务单, 利用RFID技术, 快速选取物料出库, 更新系统中相关的数据, 同时, 在生产物料上附着标识这物料信息的电子标签, 跟随物料进入生产流程中的每道工序。经过各工位设置好的读写器阅读标签信息, 依次行进, 减少错误率。在工序完成后, 某些劳动密集型的企业, RFID标签后还能够回收进行再利用, 节约以往打印条码打印的成本。 在生产系统的物流过程中, RFID标签可根据企业实际情况设置, RFID读卡器也可按企业实际情况选取。 3、 企业应用误区 当前, RFID虽已在许多企业得到了应用, 而且有着不错的发展, 但还存在着十分巨大的挑战, RFID是提升企业效率的手段, 但不是必然的选择, 在某些情况下, RFID更适合企业信息化水平应用较高的企业。 同时, 随着RFID系统在企业得到越来越多的应用, 也存在着一些误区, 比如, 某企业使用RFID技术对生产过程的追踪控制, 使用RFID标签标识物料以及跟踪产品的整个生产流程, 结合MES以及电子看板进行生产过程的远程控制, 质量管理, 工位协调等工作, 从而实现产品整个生命周期的有效管理及可控, 整个RFID方案设计完整, 可是, 在实际操作中, 在生产线布置了工作在2.45G的超高频RFID系统, 使用超高频的RFID卡以及读卡器, 而其生产线的数据并不需要长距离的读写, 这样就会造成资源的浪费, 同时带来成本的增加。 另外, 某些企业在上信息化系统时一味求好, 喜欢追求国际名厂产品, 购买许多带有CPU和操作系统的高配读卡器应用在条码的读写过程中, 而这种读卡器, 硬件配置极高, 且在高频领域, 核心技术以及市场大多被国外知名公司占有, 导致了读卡器的价格高昂, 甚至是国产产品的几十倍。对于企业来说, 部署整个企业的RFID系统, 这将带来一笔巨额的投资, 以及杀鸡用牛刀般的大材小用。 当前, 虽然RFID技术发展迅猛, 但与条码相比, 由于成本、 使用环境、 技术标准等方面的限制, 在一段时间内, 还不能取代条码的应用, 尽管RFID技术具有很多的优势, 但RFID的优势主要建立在信息的采集以及信息共享上, 并非所有的RFID实施案例都获得了成功, 企业选择时特别应该慎重。 1) 读取精度。RFID标签主要附着在物料托盘和货品集装箱上, 可是在某些行业, 比如电子制造企业, 元器件众多, 在生产的快速流转中如何能保证每个标签都能被读取, 这是一个函待解决的问题。 2) 环境影响。受到车间环境影响, 在电磁环境复杂, 干扰严重的企业, RFID电子标签的正确读写, 也是一个很大的问题, 企业若想实施RFID, 需要对在车间进行测试, 这样又会影响到生产的顺利进行。 3) 实施模式。RFID系统的实施没有通用的模式能够照搬, 不同行业具有不同的应用点和应用需求, 除了极少的行业, 并没有完整的针对行业具体特征的合适的RFID应用模式和框架, 企业选择和实施时缺乏具有普遍指导意义的基本准则和规范。 4) 实施成本。从成原来看, 当前标签的成本仍是偏高, 特别对于制造行业, 什么材料什么工序采用RFID系统也是一个重要的问题, 并不是一言两语能够说尽, 需要进行严密的计划。 5) 对业务流程的冲击。适应过程企业选择实施RFID后, 对企业业务流程, 也会带来一定的影响, RFID技术使得企业管理理念得到创新, 企业中很多原本分离的工作实现了功能整合和重组, 必然会导致企业业务流程的重组, 企业是否能适应这个过程又是一个问题。 6) 数据安全。RFID的应用, 隐私和安全问题十分重要。RFID标准体系关系到物品信息控制权和RFID产业控制权, RFID技术要得到广泛的应用和推广制定符合中国国情、 具有自主知识产权的RFID标准体系显得特别重要, 当前中国已开始相关标准的制定, 相信不久的未来, 以上问题也会得到逐步的解决。 总的来说, 采用RFID技术结合条码, 在一段时间内, 将会成为企业首选的数据采集解决方案。