浅谈射频识别技术在中国的发展

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:射频识别作为一种新兴的自动识别技术,在中国拥有巨大的发展潜力。本文简单介绍射频识别技术及其分类,以及目前射频识别技术在我国几个代表性领域的发展情况。 关键词:射频识别技术 射频卡 分类 引 言 射频识别技术(RFID,Radio Frequency Identification)实际上是自动识别技术(AEI,Automatic Equipment Identification)在无线电技术方面的具体应用与发展。该项技术的基本思想是,通过采用一些先进的技术手段,实现人们对各类物体或设备 (人员、物品) 在不同状态(移动、静止或恶劣环境)下的自动识别和管理。   目前,应用最广泛的自动识别技术大致可以分为光学技术和无线电技术两个方面。本文主要介绍自动识别技术在无线电技术方面的应用。 1 射频识别技术简介   20世纪80年代,由于大规模集成电路技术的成熟,射频识别系统的体积大大缩小,使得射频识别技术进入实用化的阶段,成为一种成熟的自动识别技术。   射频识别技术是利用射频方式进行非接触双向通信,以达到识别目的并交换数据。它与同期或早期的接触式识别技术不同。RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别,因此它可在更广泛的场合中应用。   典型的射频识别系统包括射频卡和读写器两部分。   射频卡是将几个主要模块集成到一块芯片中,完成与读写器的通信。芯片上有EEPROM用来储存识别码或其它数据。EEPROM容量从几比特到几万比特。 芯片外围仅需连接天线(和电池),可以作为人员的身份识别卡或货物的标识卡。卡封装可以有不同形式,比如常见的信用卡及小圆片的形式等。与条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比,射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。   在多数RFID系统中,读写器在一个区域内发射电磁波(区域大小取决于工作频率和天线尺寸)。卡片内有一个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同。当射频卡经过这个区域时,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。读写器接收到卡的数据后,解码并进行错误校验来决定数据的有效性,然后,通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。简单的RFID产品就是一种非接触的IC卡,而复杂的RFID产品能和外部传感器接口连接来测量、记录不同的参数,甚至可与GPS系统连接来跟踪物体。   工作原理如图1所示。 2 射频识别技术的分类   射频识别技术主要按以下四种方式分类。 (1)工作频率   根据工作频率的不同可分为低频和高频系统。①低频系统一般指其工作频率小于30MHz的系统。其基本特点是:射频卡的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短(无源情况,典型阅读距离为10cm)、射频卡外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状)、阅读天线方向性不强等。低频系统多用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪。②高频系统一般指其工作频率大于400MHz的系统。高频系统的基本特点是射频卡及读写器成本均较高、卡内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几m"十几m)、适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及射频卡天线均有较强的方向性。高频系统多应用于需要较长的读写距离和高的读写速度的场合,像火车监控、高速公路收费等系统。 (2)射频卡   根据射频卡的不同可分成可读写(RW)卡、一次写入多次读出(WORM)卡和只读(RO)卡三种。RW卡一般比WORM卡和RO卡贵得多,如电话卡、信用卡等。一般情况下改写数据所花费的时间远大于读取数据所花费的时间(常规为改写所花费的时间为s级,阅读花费的时间为ms级)。WORM卡是用户可以一次性写入的卡,写入后数据不能改变,且比RW卡要便宜。RO卡存有一个唯一的号码,不能逐改,保证了安全性。RO卡最便宜。 (3)射频卡的有源与无源   射频卡可分为有源及无源两种。有源射频卡使用卡内电池的能量、识别距离较长,可达十几m,但是它的寿命有限(3"10年),且价格较高;无源射频卡不含电池,利用读写器发射的电磁波提供能量,重量轻、体积小、寿命长、很便宜,但它的发射距离受限制,一般是几十cm,且需要读写器的发射功率大。 (4)调制方式   根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式。①主动式的射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器。②被动式的射频卡,使用调制散射方式发射数据。它必须利用读写器的载波调制自己的信号,适宜在门禁或交通的应用中使用。因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。   目前使用的多数系统中,一次只能读写一个射频卡。射频卡之间要保持一定距离,确保一次只能有一个卡在读写区域内。读写距离长,射频卡之间的距离就要大,应用起来很不方便。现在的射频卡具有防碰撞的功能,这对于RFID来说十分重要。所谓碰撞是指多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡,它的并行工作方式大大提高了系统的效率。 3 国际射频识别技术发展状况   射频识别技术在国外发展得很快。RFID产品种类很多,像德州仪器、 Motoro1a、Philips、Microchip等世界著名厂家都生产RFID产品。他们的产品各有特点,自成系列。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。如澳大利亚将它的RFID产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出色的作用;瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装RFID自动识别系统,调度员可以实时掌握火车运行情况,不仅利于管理,还大大减小了发生事故的可能性;德国BMW公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等。 据有关权威数据显示,射频识别产品在全世界的销量以每年25.3%的比例增长。由此可见,射频识别技术具有广阔的市场前景。 4 射频识别技术在我国的发展   我国政府在1993年制定的金卡工程实施计划,是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程,由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在,射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术,也将在中国很快地普及。   目前,我国的射频识别技术在下列几种应用中发展前景较好。当然,这里仅仅罗列了射频识别技术应用的一部分。任何一种技术如果得到普及,都将会孕育一个庞大的市场。射频识别将是未来一个新的经济增长点。 4.1 安全防护领域 (1)门禁保安   将来的门禁保安系统均可应用射频卡。一卡可以多用。比如,可以作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出入手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器,人员出入时自动识别身份,非法闯入会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式,将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。   公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面,如计算机、传真机、文件、复印机或其它实验室用品上。该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产,可以跟踪一个物品从某一建筑离开,或是用报警的方式限制物品离开某地。结合GPS系统利用射频卡,还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。 (2)汽车防盗   这是RFID较新的应用。目前已经开发出了足够小的、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡。它需要在汽车上装有读写器,当钥匙插入到点火器中时,读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的特定信号,汽车的引擎将不会发动。用这种电子验证的方法,汽车的中央计算机也就能容易防止短路点火。   另一种汽车防盗系统是,司机自己带有一射频卡,其发射范围是在司机座椅45"55cm以内,读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的ID号时,系统发出三声鸣叫,然后汽车引擎才能启动。该防盗系统还有另一强大功能:倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭,这时读写器就需要读取另一有效ID号;假如司机将该射频卡带离汽车,这样读写器不能读到有效ID号,引擎就会自动关闭,同时触发报警装置。 (3)电子物品监视系统   电子物品监视系统(Electronic Article Surveillance, EAS)的目的是防止商品被盗。整个系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为1比特(即开或关)的射频卡,和商店出口处的读写器。射频卡在安装时被激活。在激活状态下,射频卡接近扫描器时会被探测到,同时会报警。如果货物被购买,由销售人员用专用工具拆除射频卡(典型的是在服装店里),或者用磁场来使射频卡失效,或者直接破坏射频卡本身的电特性。EAS系统已被广泛使用。据估计每年消耗60亿套。 4.2 商品生产销售领域 (1)生产线自动化   用RFID技术在生产流水线上实现自动控制、监视,提高生产率,改进生产方式,节约了成本。举个例子以说明在生产线上应用RFID技术的情况。   用于汽车装配流水线。德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡,以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样而生产的。用户可以从上万种内部和外部选项中,选定自己所需车的颜色、引擎型号和轮胎式样等。这样一来,汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车,如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司在其装配流水线上配有RFID系统,使用可重复使用的射频卡。该射频卡上带有汽车所需的所有详细的要求,在每个工作点处都有读写器,这样可以保证汽车在各个流水线位置,能毫不出错地完成装配任务。 (2)仓储管理   将RFID系统用于智能仓库货物管理,能有效地解决与货物流动有关的信息管理,不但增加了处理货物的速度,还可监视货物的一切信息。射频卡贴在货物所通过的仓库大门边上,读写器和天线都放在叉车上,每个货物都贴有条码,所有条码信息都被存储在仓库的中央计算机里,与该货物有关的信息都能在计算机里查到。当货物出库时,由另一读写器识别并告知中央计算它被放在哪个拖车上。这样,管理中心可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了多少产品。 (3)产品防伪   伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题,将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低,且难于伪造。射频卡的成本就相对便宜,而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂,使伪造者望而却步。射频卡本身有内存,可以储存、修改与产品有关的数据,利于销售商使用;体积十分小、便于产品封装。像电脑、激光打印机、电视等产品上都可使用。 (4)RFID卡收费   国外的各种交易大多利用各种卡来完成,而我国普遍采用现金交易。现金交易不方便也不安全,还容易出现税收的漏洞。目前的收费卡多用磁卡、IC卡,而射频卡也开始占据市场。原因是在一些恶劣的环境中,磁卡、IC卡容易损坏,而射频卡则不易磨损,也不怕静电及其它情况;同时,射频卡用起来方便、快捷,甚至不用打开包,在读写器前摇晃一下,就完成收费。另外,还可同时识别几张卡.并行收费,如公共汽车上的电子月票。我国大城市的公共汽车异常拥挤、环境条件差,射频卡的使用有助于改善这种情况。 4.3 管理与数据统计领域 (1)畜牧管理   该领域的发展起步于赛马的识别,是用小玻璃封装的射频卡植于动物皮下。射频卡大约10mm长,内有一个线圈,约1000圈的细线绕在铁氧体上,读写距离是十几cm。从赛马识别发展到了标识牲畜。牲畜的识别提供了现代化管理牧场的方法。 (2)运动计时   在马拉松比赛中,由于人员太多,有时第一个出发的人同最后一个出发的人能相隔40分钟。如果没有一个精确的计时装置,就会出现差错。射频卡应用于马拉松比赛中,运动员在自己的鞋带上很方便地系上射频卡,在比赛的起跑线和终点线处放置带有微型天线的小垫片。当运动员越过此垫片时,计时系统便会接收运动员所带的射频卡发出的ID号,并记录当时的时间。这样,每个运动员都会有自己的起始时间和结束时间,不会出现不公平竞争的可能性了。在比赛路线中,如果每隔5km就设置这样一个垫片,还可以很方便地记录运动员在每个阶段所用的时间。   RFID还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。在跑道下面按照一定的距离间隔埋入一系列的天线,这些天线与读写器相连,而射频卡安装到赛车前方。当赛车每越过一个天线时,赛车的ID号和时间就被记录下来,并存储到中央计算机内。这样到比赛结束时,每个参赛选手将会有一个准确的结果。 4.4 交通运输领域 (1)高速公路自动收费及交通管理   高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之一。目前,中国的高速公路发展非常快,而高速公路收费却存在一些问题:一是在收费站口,许多车辆要停车排队,成为交通瓶颈问题;二是少数不法的收费员贪污路费,使国家损失了相当的财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上,能够充分体现它非接触识别的优势——让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费,同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向;人工收费,包括IC卡的停车收费方式,终将会被淘汰。预计在未来10年内,高速公路自动收费系统将有数十亿元的需求。   在城市交通方面,解决交通日趋拥挤问题不能只依赖于修路。加强交通的指挥、控制、疏导,提高道路的利用率,深挖现有交通潜能也是非常重要的;而基于RFID技术的交通管理系统可实现自动查处违章车辆,记录违章情况。另外,公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息,会给乘客带来很大的方便。 (2)火车和货运集装箱的识别   在火车运营中,使用RFID系统很大的优势在于:火车是按既定路线运行的,因此肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据,能够得到火车的身份、监控火车的完整性,以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故,同时能在车站将车厢重新编组。起初的努力是用超音波和雷达测距系统读出车厢侧的条码,现在被RFID系统取代。射频卡一般安在车厢顶边,读写器安在铁路沿线,就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。   目前,射频自动识别系统的安装遍布全国14个铁路局。2001年3月1日,铁道部正式联网启用车次车号自动识别系统,为自备车企业、合资铁路和地方铁路实现信息化智能运输管理提供了重要良机。 5 结 论   射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段,但是它的发展潜力是巨大的。在信息社会,对于各种信息的获取及处理,要求快速、准确。在不久的将来,RFID技术将同其它识别技术一样,深入到人们生活的各个领域。
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