RFID電子標簽關鍵技術的應用與發(fā)展

摘要 從RFID的基本原理出發(fā)，介紹了電子標簽的關鍵技術，包括芯片、天線設計、封裝和標簽技術的應用。針對設計熱點及國內外研究現(xiàn)狀，總結了電子標簽的發(fā)展趨勢，提出了我國當前應用和發(fā)展電子標簽的基本對策。
關鍵詞 射頻識別；電子標簽；唯一標識符；芯片

RFID是射頻識別技術的統(tǒng)稱，同條形碼、IC卡等其他識別方式相同，其基本功能是識別目標物品的唯一標識符(UID)，所不同的是以射頻傳輸方式來完成非接觸式的自動識別，并實現(xiàn)運動目標與多目標的識別。RFID同時又是一種數(shù)據通信技術，具備通信系統(tǒng)的基本構件如發(fā)送、接收和信道以及傳輸信息等基本功能，所不同的是其傳輸?shù)男畔⑹侨藶榈?、同定的。憑借其存儲容量大、識別目標多、讀取距離遠、數(shù)據可加密等優(yōu)點及發(fā)展潛力，RFID被譽為當今重要的技術之一。RFID系統(tǒng)應用與發(fā)展的關鍵是電子標簽，文中重點介紹電子標簽的關鍵技術及國內外研究現(xiàn)狀，并提出了我國現(xiàn)階段應用和發(fā)展電子標簽的基本對策。

1 電子標簽技術及國內外研究現(xiàn)狀
在國內外研究文獻中，目前對電子標簽的研究主要集中在以下6個方面。
1．1 芯片技術
芯片技術是RFID技術中的一項核心技術，一個標簽芯片即為一個系統(tǒng)，集成了除標簽天線及匹配線以外的所有電路包括射頻前端、模擬前端、數(shù)字基帶和存儲器單元等模塊。對芯片的基本要求是輕、薄、小、低、廉。
在國外，TI、Intel、Philips、STMicroelectronics、Infineon、NXP、Atmel等集成電路廠商在開發(fā)小體積、微功耗、價格低廉的RFID芯片上取得了出色的成果。如Atmel公司研制的UHF無源標簽最小RF輸入功率可低至16．7 μW。瑞士聯(lián)邦技術研究院設計了一款最小輸入功率僅為2．7μW、讀寫距離可達12 m的2．45 GB標簽芯片。日本日立公司在2006 ISSCC會議上提出了一款面積為0．15 mm×0．15 mm、厚度僅為7．5μm的標簽芯片。在國內，中國集成電路廠商已能自行研發(fā)生產低頻、高頻頻段芯片并接近國際先進水平，上海坤銳公司研制的UHF頻段QR系列芯片已經通過EPCglobal官方授權認證?？傮w而言，我國UHF、微波頻段RFID芯片設計目前仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在，苛刻的功耗限制。與天線的適配技術。后續(xù)封裝問題。靈敏度問題?？煽啃院统杀?。
RFID芯片設計與制造技術的發(fā)展趨勢是芯片功耗更低，作用距離更遠，讀寫速度更快，可靠性更高，并且成本不斷降低。除增加標簽的存儲容量以攜帶更多的信息、縮小標簽的體積以降低成本、提高標簽的靈敏度以增加讀取距離之外，當前研究的熱點還包括：超低功耗電路；安全與隱私技術，密碼功能及實現(xiàn)；低成本芯片設計與制造技術；新型存儲技術；防沖突算法及實現(xiàn)技術；與傳感器的集成技術；與應用系統(tǒng)緊密結合的整體解決方案。
1．2 天線設計技術
在RFID標簽天線的設計中，小型化問題始終倍受關注。為擴展應用范圍，小型化后的天線帶寬和增益特性及交叉極化特性也是重要的研究方向。目前的RFID標簽仍然使用片外獨立天線，其優(yōu)點是天線Q值較高、易于制造、成本適中，但是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標簽形式植入動物體內等任務。若能將天線集成在標簽芯片上，無需任何外部器件即可進行工作，可使整個標簽體積減小，而且簡化了標簽制作流程，降低了成本，這就引發(fā)了片上天線技術的研究。另外，目前標簽天線研究的重點還包括，天線匹配技術、結構優(yōu)化技術、覆蓋多種頻段的寬帶天線設計、多標簽天線優(yōu)化分布技術、抗金屬設計技術、一致性與抗干擾技術等。
1．3 封裝技術
電子標簽的封裝主要包括芯片裝配、天線制作等主要環(huán)節(jié)。隨著新封裝技術的發(fā)展，在標簽封裝技術上相繼出現(xiàn)了新的加工工藝，如倒裝芯片凸點生成(Bunping)、天線印刷等。與傳統(tǒng)的線連接或載帶連接相比，倒裝芯片技術的優(yōu)點是封裝密度較高、具有良好的電和熱性能、可靠性好、成本低。使用導電油墨印刷標簽天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腐蝕法制作標簽天線，大幅降低了電子標簽的制作成本。除此之外，標簽封裝技術的研究熱點還包括低溫熱壓封裝工藝、精密機構設計優(yōu)化、多物理量檢測與控制、高精高速運動控制、在線檢測技術等。
1．4 標簽應用技術
基于RFID標簽對物體標識的唯一特性，引發(fā)了對各種功能標簽的研究熱潮。除了傳統(tǒng)意義上的物品識別、追蹤和監(jiān)控之外，研究熱點還包括交互式智能標簽、空間定位與跟蹤、普適計算、移動支付、物品防偽等。
(1)交互式智能標簽。交互式智能標簽的結構仍由單芯片無線微功率收發(fā)機和單片機組成。在單片機中預先寫入各種所需的應用程序，必要時通過無線指令來調用這些程序，使標簽執(zhí)行包括識別、定位、數(shù)據采集等物聯(lián)網應用所需的各種工作。標簽平時并不向外發(fā)射任何信號，而根據需要每隔一定時間，周期性地在監(jiān)聽頻道上接收并記錄協(xié)調器以廣播方式發(fā)來的信號，只有在收到喚醒指令后才跳轉到讀寫器工作頻道，接收來自協(xié)調器的指令，并根據指令按照預先寫入的程序方式進入與讀寫器進行信息交流的狀態(tài)，在規(guī)定的時間內完成指定的工作任務，再回到監(jiān)聽和睡眠狀態(tài)?？梢姡摷夹g的核心是通過快速過濾無效信號，實現(xiàn)了標簽的超低功耗無線遠距離傳輸，其代價是需要額外使用一個協(xié)調器。由于交互式智能標簽解決了物聯(lián)網應用中的低成本、低功耗和無線遠距離傳輸?shù)汝P鍵問題，從而拓展了電子標簽的應用范疇，可廣泛應用于城市智能交通系統(tǒng)、城市基本數(shù)據采集系統(tǒng)等需要遠距離識別、定位或數(shù)據采集的領域。
(2)實時定位與跟蹤標簽。現(xiàn)有的定位系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、紅外線或超聲波定位系統(tǒng)以及基于移動網絡的定位系統(tǒng)，但受定位時間、定位精度及環(huán)境條件等限制，目前還未出現(xiàn)一種定位技術能夠較為完善地解決諸如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、地下礦井等室內復雜環(huán)境中設施與物品的位置信息問題。RFID技術為空間定位與跟蹤服務提供了新的解決方案，尤其適用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)難以應對的室內定位。其主要利用標簽對物體的唯一標識特性，依據讀寫器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來測量物品的空間位置。
(3)普適計算標簽。通過與傳感器技術相結合，RFID標簽還可以感知物聯(lián)網節(jié)點處物品或環(huán)境的溫度、濕度及光照等狀態(tài)信息，并利用無線通信技術將這些信息及其變化傳遞到計算單元，提高環(huán)境對計算模塊的可見度，構建未來普適計算的基礎設施。
(4)移動支付標簽。RFID移動支付通過在手機終端與POS終端間采用短程通信方式進行交易，既可采用手機話費支付交易金額，又可采用SIM卡綁定銀行賬戶由銀行處理交易。RFID移動支付是RFID產業(yè)與電信業(yè)相互融合的產物，現(xiàn)階段主要有Felica、NFC、DISIM和RF-SIM 4種應用方式。其中RF-SIM是一種基于SIM卡的中近距離無線通信技術，是將RF模塊鑲嵌在SIM卡內，SIM卡用于正常的手機移動通信、鑒權，與手機建立物理連接。RF-SIM卡支持市面上所有手機，是一個可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務平臺。
(5)防偽標簽。傳統(tǒng)防偽技術如物理防偽、生物防偽、結構防偽、條碼和數(shù)碼防偽等由于不具備唯一性和獨占性，易復制，不能起到真正的防偽作用。RFID技術防偽具有絕對性的優(yōu)勢，因為每個標簽都有一個全球唯一的ID號，無法修改和仿造。此外，RFID防偽技術還具有無物理磨損、讀寫器物理接口安全性高、標簽數(shù)據可加密、讀寫器與標簽之間相互認證等特點，所以基本上無法完全仿制，從而起到杜絕偽造之功效。目前，RFID防偽在證件管理、門票管理、電子車牌、酒類防偽、藝術珍品防偽等領域已逐步得到應用，且呈擴大趨勢。
1．5 標準問題研究
當前，國際上與電子標簽相關的通信標準主要有：(1)ISO／TEC18000標準。(2)EPC標準、(3)DSRC標準。(4)UID標準。除此之外，還有許多國家和機構均在積極制訂與RFID相關的區(qū)域、同家或產業(yè)聯(lián)盟標準，并希望通過不同渠道提升為同際標準。各標準體系均按照工作頻率劃分為多個部分，它們之間并不兼容主要差別在于通信方式、防沖突協(xié)議和數(shù)據格式三個方面。2008年1月，歐盟FP7項目組出資贊助舉辦全球RFID通用性標準論壇(GRIFS)，旨在通過加強協(xié)作使RFID標準在全球取得最大程度的一致。隨著RFID技術的發(fā)展，電子標簽的各種標準出現(xiàn)了融合的趨勢，如用于高頻13．56 MHz的ISO／IFC15693標準已經成為ISO18000-3標準的一部分，EPC GEN2標準也已經成為ISO18000-6C標準。就目前而言，美國、歐盟及其他國家分別采用各自不同的標準，由于利益難以協(xié)調，標準的統(tǒng)一盡管迫切，但過程仍較為漫長。
1．6 安全隱私問題研究
研究和采用的安全性機制主要有物理方法、密碼機制以及二者的結合。物理方法通常使用在低成本標簽中，通過靜電屏蔽或主動干擾實現(xiàn)對標簽信息的保護。與基于物理方法的硬件安全機制相比，基于密碼技術的軟件安全機制受到更多的青睞，其主要利用各種成熟的密碼方案和機制來設計符合RFID安全需求的密碼協(xié)議。

2 電子標簽的發(fā)展趨勢與對策
電子標簽的應用和發(fā)展是建立在RFID產業(yè)鏈發(fā)展的基礎上的，任何一個環(huán)節(jié)的落后都將影響整個產業(yè)發(fā)展。我圍在RFID領域研發(fā)時間上落后于歐美韓日等同，在UHF和微波頻段上還缺少完整的產業(yè)鏈，在目前國內RFID已有的技術和市場基礎上發(fā)展中國的電子標簽，就必須瞄準整個RFID產業(yè)鏈，并制定具體的措施和策略。
(1)加大研發(fā)力度，尋求技術突破。電子標簽目前還存在較多缺陷，如由于天線具有方向性使得單標簽讀出可靠性偏低容易產生漏讀、射頻識別信號容易受金屬和水等導電物質影響造成識別距離下降、RFID系統(tǒng)與頻段接近的其它無線通信系統(tǒng)同時工作時可能產生電磁干擾影響彼此的性能、大量RFID標簽放置在一起時標簽天線產生陣列效應可能表現(xiàn)出與單個標簽天線不同的特性等，都對電子標簽的發(fā)展構成挑戰(zhàn)。
(2)盡快制定電子標簽的相關標準。
(3)找準應用的突破口，提升行業(yè)應用規(guī)模。由企業(yè)甚至停留在表層，業(yè)務流程簡單，邏輯單一，缺少后端系統(tǒng)的集成，未真正發(fā)揮出電子標簽在供應鏈管理及企業(yè)信息化建設中的作用。因此，如何整合RFID與企業(yè)現(xiàn)有的信息系統(tǒng)如ERP、SCM、MIS等，對業(yè)務流程進行創(chuàng)新，充分發(fā)揮電子標簽的優(yōu)勢，提升行業(yè)應用的規(guī)模，形成完整的產業(yè)鏈，是日前急需解決的問題。
(4)加強技術融合，實現(xiàn)跨區(qū)域、跨行業(yè)應用。隨著RFID的發(fā)展不斷拓展，近年來在世博會門票管理、智能交通、物流、食品安全、商品防偽、電力等領域得到新的應用。中國RFID產業(yè)已從政府需求轉向市場需求。在RFID發(fā)展過程中，既要看到RFID產業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，又要看到在這個發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題，用更加科學的方法來不斷深化RFID的應用，以此推動圍內RFID產業(yè)的發(fā)展。

3 結束語
文中描述了RFID的基本功能、優(yōu)點及發(fā)展趨勢。并介紹了電子標簽的關鍵技術，以及對國內外所出現(xiàn)的標準問題和安全隱私問題進行了分析與研究。最終就國內現(xiàn)階段的電子標簽應用與發(fā)展，提出了基本政策和發(fā)展趨勢。這對RFID發(fā)展起到了關鍵性的作用。