RFID射频识别技术介绍

第 1 页 共 71 页 RFID 射频识别技术介绍 编辑：徐盛 日期： 2006.2.12 第 2 页 共 71 页 目 录 第一章 RFID 的基础知识 1.1 RFID 的定义 1.2 RFID 射频识别技术的概念 1.3 RFID 的基本组成部分 1.4 RFID 技术的基本工作原理 第二章 RFID 技术的标准 2.1 RFID 相关标准总览 2.2 RFID 技术标准面面观 2.3 RFID 前端技术标准体系简述 2.4 RFID 相关标准的推动力 2.5 RFID 相关标准的社会影响因素 2.6 RFID 相关标准在中国的 运行情况 第三章 RFID 技术特点和面临的困难 3.1 射频技术与条形码技术的区别 3.2 智能标签特点及其制印技术现状分析 3.3 SAW 射频识别无源电子标签技术及应用 3.4 成本高标准不统一 电子标签中国推行遇困 第四章 RFID 技术配套产品介绍 4.1 电子标签中的射频天线 4.2 基于 TI S6700 系列芯片的 RFID 阅读器 4.3 射频标签读写设备基本原理 4.4 EPCglobal 网络实现 RFID 数据交换 第五章 RFID 技术的应用 5.1 RFID 技术的典型应用 5.2 零售商推崇 RFID 的原因 5.3 电子标签与电子标签库存管理 第 3 页 共 71 页 5.4 RFID 在食品医药等重要市场的最新发展 第六章 行业信息 6.1 富士通发布配备 FRAM 的无源型 UHF 频带无线标签系统 6.2 飞利浦 RFID 芯片通过 EPC Gen 2 标准认证 6.3 汽车电子标签纳入全国汽标委 2006 工作计划 6.4 国际纸业应用 RFID 技术进行原材料跟踪 6.5 国家金卡工程协调领导小组成员兼办公室主任 -在国家金卡工程第七次全国 IC 卡应用工作会议上的讲话 6.6 我国标签芯片发展现状 6.7 RFID 系统将无处不在 第七章 生产 900MHz 电子标签的厂家 7.1 深圳市联祥瑞和科技开发有限公司 7.2 广东劲翔金卡有限公司 7.3 美国 德州仪器 公司 第 4 页 共 71 页 第一章 RFID 基础知识简介 1.1 RFID 的定义 RFID 是什么？ RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 RFID 其 主要核心部件是一个电子标签，直径仅为 2 毫米不到，通过相距几厘米到几米距离内传感器发射的无线电波，可以读取电子标签内储存的信息，识别电子标签代表的物品、人和器具的身份。 1.2 RFID 射频识别技术的概念 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。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。 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为 RFID 是一种突破性的技术： “ 第一，可以识别单个的非常具体 的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。 ” 1.3 RFID 的基本组成部分 最基本的 RFID 系统由三部分组成： 标签 (Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； 阅读器 (Reader)：读取 (有时还可以写入 )标签信息的设备，可设计为手持式或固定式； 天线 (Antenna)：在标签和读取器间传递 射频信号。 1.4 RFID 技术的基本工作原理 RFID 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，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），或者主动发送某一频率的信号（ Active Tag，有源标签或主动标签）；解读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。 第 5 页 共 71 页 第二章 RFID 技术的标准 2.1 RFID 相关标准总览 摘要 本文就 RFID 技术及其应用的相关标准作一结构化梳理，并分析了 RFID相关标准在中国的发展、 RFID 标准的社会影响因素、标准的推动力等方面。 标准能够确保协同工作的进行，规模经济的实现，工作实施的安全性以及其他许多方面。 RFID 标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准解决编码、通信、空气接口和数据共享等问题，最大程度的促进 RFID 技术及相关系统的应用。但是，如果标准采用过早，有可能会制约技术的发展进步；如果采用太晚的话，则可能会限制技术的应用范围，导致危险事件的发生以及不必要的开销。 事实上， RFID 的相关标准涉及到其许多具体的应用，例如：不停车 收费系统，宠物标识，货物集装箱标识以及智能卡应用等。而 RFID 主要用于物流管理等行业，需要标签能够实现数据共享。目前，许多与 RFID 有关的 ISO 标准正在研制当中，主要包括可回收货运集装箱，可回收运输单品，运输单元，产品包装，产品标识以及电子货柜封条等。从 GS1(电子商务、物品标识、数据同步交换方面的全球标准化组织 )、 EPC Global 及 ISO 到国家与地方的众多组织（如日本 UID等）以及 US IEEE 和 AIM Global 等都已参与到 RFID 相关标准的研制当中。 由于 WiFi， WiMax，蓝牙， ZigBee，专用短程通信协议（ DSRC）以及其他短程无线通信协议正用于 RFID 系统或融入到 RFID 设备当中，这使得 RFID 等的实际应用变得更为复杂。此外， RFID 当中 接口间的接口 近距无线通信（ Near Field Communication， NFC)的采用有其根源所在：因其用到了 RFID 设备通常采用的最佳频率。 引用业界某专家的分析来说， RFID 与标准的关系可以从处理 以 下几个问题来说： （ 1）技术 如接口和转送技术。比如，中间件技术 RFID 中间件扮演 RFID标签和应用程序之 间的中介角色，从应用程序端使用中间件所提供一组通用的应用程序接口（ API），即能连到 RFID 读写器，读取 RFID 标签数据。 RFID 中间件采用程序逻辑及存储再转送（ Store-and-Forward）的功能来提供顺序的消息流，第 6 页 共 71 页 具有数据流设计与管理的能力。 （ 2）一致性。主要指其能够支持多种编码格式，比如支持 EPC， DOD 等规定的编码格式，也包括 EPCglobal 所规定的标签数据格式标准。 （ 3）性能 尤其是指数据结构和内容，即数据编码格式及其内存分配。 （ 4）电池辅助 及传感器的融合。目前， RFID 同传感逐步相融合， 物品定位采用 RFID 三角定位法以及更多复杂的技术，还有一些 RFID 技术中用传感代替芯片。比如，能够实现温度和应变传感的声表面波（ SAW）标签用于 RFID 技术中。然而，几乎所有的传感器系统，包括有源 RFID 等都需要从电池获取能量。 （一） ISO/IEC 相关 RFID 标准 ISO/IEC 已出台的 RFID 标准主要关注基本的模块构建，空中接口，涉及到的数据结构以及其实施问题。具体可以分为技术标准、数据内容标准、一致性标准及应用标准四个方面。 图： ISO/IEC 已制定的 RFID 相关标准 其中， ISO18000 系列含括了有源和无源 RFID 技术标准，主要是基于物品管理的 RFID 空中接口参数。 ISO 17363 至 17364 是一系列物流容器识别的规范，它们还未被认定为标第 7 页 共 71 页 准。该系列内的每种规范都用于不同的包装等级，比如货盘、货箱、纸盒与个别物品。 目前在我国常用的两个 RFID 标准为用于非接触智能卡两个 ISO 标准： ISO 14443， ISO 15693。 ISO 14443 和 ISO 15693 标准在 1995 年开始操作，其完成则是在 2000 年之后，二者皆以 13.56MHz 交变信号为载波频率。 ISO 15693 读写距离较远，而 ISO 14443 读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是 ISO 14443 TYPE B 协议。 ISO 14443 定义了 TYPE A、 TYPE B 两种类型协议，通信速率为 106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。 TYPE A 采用开关键控（ On-Off keying）的曼切斯特编码， TYPE B采用 NRZ-L 的 BPSK 编码。 TYPE B 与 TYPE A 相比，具有传输能 量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。 RFID 的核心是防冲撞技术，这也是和接触式IC 卡的主要区别。 ISO 14443-3 规定了 TYPE A 和 TYPE B 的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测协议，而 TYPE B 通信系列命令序列完成防冲撞。 ISO 15693 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。 ISO 技术委员会及联合工作组 TC104/SC4 主要处理有关 ISO/IEC 贸易应用方 面，如货运集装箱及包装，制定了 RFID 电子封条 (ISO 18185)、集装箱标签(ISO 10374)和供应链标签 (ISO 17363)等标准。 （二） EPCglobal 标准 EPCglobal 主要关注的是： 物理对象系统标识的数据载体 /内容； 物联网 自动识别基础架构最低性能； 网络数据交换准 如对象名解析系统（ Object Numbering System， ONS）； 其中 EPCglobal 的第二代（ Gen2） RFID 标签标准已在今年 6 月作为 ISO18000 6 Part C 部分的提案修改稿在没有作任何大的技术改动的情况下通过了 ISO 委员会的第一轮投票，最后的通过要在今年底明年初完成。 2.2 RFID 技术标准面面观 第 8 页 共 71 页 通常情况下， RFID 阅读器发送的频率称为 RFID 系统的工作频率或载波频率。 RFID 载波频率基本上有 3 个范围：低频 (30kHz 300kHz)、高频 (3MHz30MHz)和超高频 (300MHz 3GHz)。常见的工作频率有低频 125kHz与 134.2kHz、高频 13.56MHz、超高频 433Mhz、 860MHz 930MHz、 2.45GHz 等。 RFID 的低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；高频系统则用于需传送大量数据的应用系统；超高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。另外值得 一提的是在供应链中的应用， EPC Global 规定用于 EPC 的载波频率为 13.56MHz 和 860MHz 930MHz两个频段，其中 13.56MHz 频率采用的标准原型是 ISO/IEC15693，已经收入到ISO/IEC18000-3 中。这个频点的应用已经非常成熟。 而 860 930MHz 频段的应用则较复杂，国际上各国家采用的频率不同：美国为915MHz，欧洲为 869MHz，而我国由于被 GSM、 CDMA 等占用，目前仍然待定。 目前常用的 RFID 国际标准主要有用于对动物识别的 ISO 11784 和 11785，用 于非接触智能卡的 ISO 10536(Close coupled cards)、 ISO 15693(Vicinity cards)、 ISO 14443 (Proximity cards)，用于集装箱识别的 ISO 10374 等。有些标准正在形成和完善之中，比如用于供应链的 ISO 18000 无源超高频（ 860Mhz 930Mhz 载波频率）部分的 C1G2 标准不久会正式推出，我国自己的国家标准最快在今年年末会出台。下面对这几个标准加以简述。 ISO 11784 和 ISO 11785 ISO 11784 和 11785 分 别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管状、耳标或项圈等。 技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为 134.2KHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示。应答器采用 FSK 调制， NRZ 编码。 由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。 ISO 10536、 ISO 15693 和 ISO 14443 ISO 10536 标准主要发展于 1992 到 1995 年间，由于 这种卡的成本高，与接触式第 9 页 共 71 页 IC 卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。 ISO 14443 和 ISO 15693 标准在 1995 年开始操作，单个系统于 1999 年进入市场，两项标准的完成则是在 2000 年之后。二者皆以 13.56MHz 交变信号为载波频率：ISO15693 读写距离较远，当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关；而ISO 14443 读写距离稍近，但应用较广泛，目前的第二代电子身份证采用的标准是 ISO 14443 TYPE B 协议。 ISO14443 定义了 TYPE A、 TYPE B 两种类型协议。 通信速率为 106kbits/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。 从 PCD 向 PICC 传送信号时， TYPE A 采用改进的 Miller 编码方式，调制深度为100%的 ASK 信号； TYPE B 则采用 NRZ 编码方式，调制深度为 10%的 ASK 信号。 从 PICC 向 PCD 传送信号时，二者均通过调制载波传送信号 ,副载波频率皆为847KHz。 TYPE A 采用开关键控（ On-Off keying）的 Manchester 编码； TYPE B采用 NRZ-L 的 BPSK 编码。 TYPE B 与 TYPE A 相比，由于调制 深度和编码方式的不同，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。 ISO 15693 标准规定的载波频率亦为 13.56MHz， VCD 和 VICC 全部都用 ASK 调制原理，调制深度为 10%和 100%， VICC 必须对两种调制深度正确解码。 从 VCD 向 VICC 传送信号时，编码方式为两种： 256 出 1和 4 出 1。二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制深度无关。当 256出 1编码时， 10%的 ASK 调制优先在长距离模式中使用，在这种组合中，与载波信号的场强相比，调制波边带较低的场强允许 充分利用许可的磁场强度对 IC卡提供能量。与此相反，阅读器的 4 出 1编码可和 100%的 ASK 调制的组合在作用距离变短或在阅读器的附近被屏蔽时使用。 从 VICC 向 VCD 传送信号时，用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开。而副载波本身在 Manchester 编码数据流的时钟中进行调制，使用 ASK 或 FSK 调制。调制方法的选择是由阅读器发送的传输协议中 FLAG 字节的标记位来标明，因此， VICC 总是支持两种方法： ASK(副载波频率为 424KHz)和 FSK(副载波频率为 424/484KHz） 。数据传输速率的选择同样由第 10 页 共 71 页 FLAG 中的位来表明，而且必须两种速率都支持：高速和低速。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同，采用单副载波时低速为 6.62kbits/s，高速为26.48kbits/s；采用双副载波时则分别为 6.67kbits/s 和 26.69kbits/s。 可见， ISO 15693 应用更加灵活，操作距离又远，更重要的是它与 ISO 18000-3兼容，了解 ISO 15693 标准对将来了解我国的国家标准是有助益的，因为我国的国家标准肯定会与 ISO 18000 大部分兼容。 如果在同一时间 段内有多于一个的 VICC 或 PICC 同时响应，则说明发生冲撞。RFID 的核心是防冲撞技术，这也是和接触式 IC 卡的主要区别。 ISO 14443-3 规定了 TYPE A 和 TYPE B 的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同 :前者是基于位冲撞检测协议，而 TYPE B 通过系列命令序列完成防冲撞； ISO 15693 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制，在标准的第三部分有详细规定。 防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，只用算法编程，读头即可自动选取其中一张卡进行读写操作。这样既方便了操作，也提 高了操作的速度。 如果与硬件配合，可用一些算法快速实现多卡识别，比如 TI 公司的 R6C 接口芯片有一个解码出错指示引脚，利用它可以快速识别多卡：当冲撞产生时引脚电平发生变化，此时记录下用来查询的低 UID 位，然后在此低位基础上增加查询位数，直到没有冲撞发生，这样就可以识别出所有卡片。 ISO 10374 ISO 10374 标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。 应答器为有源设备，工作频率为 850MHz 950Mhz 及 2.4GHz 2.5GHz。只要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的 FSK 副载波通 过反向散射调制做出应答。信号在两个副载波频率 40kHz 和 20kHz 之间被调制。 此标准和 ISO 6346 共同应用于集装箱的识别， ISO 6346 规定了光学识别， ISO 10374 则用微波的方式来表征光学识别的信息。 ISO 18000 ISO 18000 是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。表 2 是 ISO 18000 标准的内容。 第 11 页 共 71 页 其中 ISO 18000-6 基本上是整合了一些现有 RFID 厂商的产品规格和 EAN-UCC所提出的标签架构要 求而订出的规范。它只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于 EPC。 实际上，若采用 ISO 18000-6 对空气接口的规定加上 EPC 系统的编码结构再加上ONS 架构，就可以构成一个完整的供应链标准。 花好还需绿叶扶 应用好 RFID 技术，除了接口的设计，还有天线的设计、数据库管理技术等，这在以后的实际应用中会不断地积累经验，不断地改进创新。因为这项技术的应用前景决定了它的技术和标准的日臻完善。近年来，射频识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，这个领域与其他传统学科不同，它将大量 来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。所以在这个领域要做的事很多，要探讨的问题也很多，但这一切都是值得努力去做的。 小资料 2:数字调制技术 数字调制是指用数字数据调制模拟信号，主要有三种形式：移幅键控法 ASK、移频键控法 FSK、移相键控法 PSK。 幅度键控（ ASK）：即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制 0，载波振幅为 0；对应二进制 1，载波振幅为 1。调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是 一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到 1200bps 的速率。 频移键控（ FSK）：即按数字数据的值（ 0 或 1）调制载波的频率。例如对应二进制 0 的载波频率为 F1，而对应二进制 1 的载波频率为 F2。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。在电话线路上，使用 FSK 可以实现全双工操作，通常可达到1200bps 的速率。 相移键控（ PSK）：即按数字数据的值调制载波相位。例如用 180 相移表示 1，用0 相移表示 0。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍 的作用。 2.3 RFID 前端技术标准体系简述 第 12 页 共 71 页 摘要 目前常用的 RFID 国际标准主要有用于对动物识别的 ISO 11784 和 11785，用于非接触智能卡的 ISO 10536、 ISO 15693、 ISO 14443，用于集装箱识别的 ISO 10374 等。 RFID 技术具有很多突出的优点 :实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，如 DES、 RSA、 DSA、 MD5 等，读写机具与卡之间也可相互认证，实现安全通信和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式 IC 卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础；应用领域也非常宽， RFID 技术已经在物流管理、生产线工位识别、绿色畜牧业养殖个体记录跟踪、汽车安全控制、身份证、公交等领域大量成功应用。 世界排名第一的零售商沃尔玛在 2003 年宣布，到 2005 年 1 月份时要求它前100 大的供应商采用 RFID 技术，实现货品自动识别，以继续提高其供应链的管理能力。这也威胁到我国的零售商是否能继续销售自己的产品，因为有 70%的货品都是由中国厂商生产的，可见 RFID 识别技术的发展已经自下而上地被推动。 另外，还有诸如 Target、 Tesco、 FDA 等也宣布了其使用计划。 RFID 推广受标准问题困扰 目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给 RFID 的大范围应用带来了困难。 目前全球有两大 RFID标准阵营：欧美的 Auto-ID Center 与日本的 Ubiquitous ID Center（ UID）。前者的领导组织是美国的 EPC 环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国 Tesco 等企业，同时有 IBM、微软、飞利浦、 Auto-ID Lab 等公司提供技术支持。后者主要由日系厂商组成。 欧美的 EPC 标准采用 UHF 频段，为 860MHz 930MHz，日本 RFID 标准采用的频段为 2.45GHz 和 13.56MHz；日本标准电子标签的信息位数为 128 位， EPC标准的位数则为 96 位。 将 RFID 应用到供应链中还存在另外一些需要解决的问题，如读写设备的可靠性、成本、数据的安全性、个人隐私的保护和与系统相关的网络的可靠性、数据的同步等等，不解决好以上问题，肯定会制约 RFID 的进步，不过最近 RFID第 13 页 共 71 页 相关的高层会议接连不断， RFID 技术的快速发展已呈燎原之势。 2.4 RFID 相关标准的推动力 （ 1）大零售商（如沃尔玛、麦德龙等）的要求。 随着 RFID 标签价格下降，沃尔玛与其供货商继续商议，寻找在他们更多分店及分销中心接收供货商更多 RFID 贴标货品的可行性。我们来看一下最新的沃尔玛 RFID 要求进度表： 沃尔玛要求 时间 前 100 家供应商贴 RFID 标签 2005 年 1 月前 前 300 家供应商贴 RFID 标签 2006 年 1 月前 前 600 家供应商贴 RFID 标签 2007 年 1 月前 Gen2 开始取代 Gen1 标签 2006 年中期 由此可以看出，沃尔玛对应用 RFID 和 EPC 标识的决心。 而世界第三大零售商麦德龙集团 (Metro Group)也计划在供应链上采用射频识别技术 (RFID)，并在其德国莱茵博格市 (Rheinberg)的一家 未来商店 里大量应用 RFID。 英国大零售商 Tesco 也已将 RFID 技术应用于 Sandhurst 商店以跟踪 DVD 的销售，并在年初将这一类型的芯片尝试使用在 Cambridge 商店的 Gilette 剃须刀的出售上。最近的一次计划中，公司打算将 RFID 技术覆盖整个商店和所有产品，除了对 item-level 产品的跟踪，还要包括如茶杯和常用工具等普通产品。所有的产品，包括化妆品，电池，以及移动通讯设备等等，都会在英国全国范围内被Tesco 的 RFID 技术跟踪。 （ 2）美国国防部（ DOD）的推动。 美国国防是 RFID 在军事国防应用上的主动力。今年，美国国防部在 RFID应用上公布了对其供应商的详细指导方针，计划在今年年底前开始接收贴有带RFID 电子标签的物品。美国国防部也采用 EPC 编码作为其供应商军需 物资惟一标识，为与民用系统的 EPC 标识相区别， EPCglobal 专门给其分配一个标头（ Header）。 （ 3） RFID 设备安装 ETSI TG34 第 14 页 共 71 页 2004 年 9 月 ETSI 就发布了 EN 302 208 标准，规定了 865 MHz 至 868 MHz波段中 UHF（ RFID 射频快报注：欧洲 RFID 所用超高频段）段 RFID 设备的 技术要求和测量方法 。 2005 年 3 月第一次 RFID Plugtests测试在 ETSI 总部进行，测试关注的焦点是码头仓库库门环境下的多解读器同时识读。 （ 4） AIM REG 2004 年 11 月， AIM(RFID 射频快报注：国际自动识别技术协会，其在中国对口协会为中国自动识别技术协会 )和 CompTIA 宣布为发展 RFID 的第三方认证而合作。 AIM 的 REG 小组（ RFID 射频快报注： RFID Experts Group， RFID 专家组）已经提供从物理硬件安装和现有业务整合进行认证和培训 2.5 RFID 相关标准的社会影响因素 （ 1）无线通信管理 如 ETSI（ RFID 射频快报注：欧洲电信标准协会 )， FCC（ RFID 射频快报注：美国联邦通信委员会）等相关要求； （ 2）人类健康 主要是 ICNIRP（国际非电离辐射保护委员会 )，一个为世界卫生组织及其他机构提供有关非电离放射保护建议的独立机构的相关要求，目前许多国家使用其推荐的标准作为该国的放射规范标准。其主要是有关工作频率、功率、无线电波辐射等对健康的影响标准。 （ 3）隐私。隐私问题的解决基于同意原则，即用户或消费者是否能够容忍的程度。 （ 4）数据安全 OECD （ RFID 射频快报注：经济合作与发展组织 )曾发布有关文件，规定了信息系统和网络安全的指导方针。与 ISO 17799（信息安全管理的实践代码） 相似，并不强制要求遵从这些指导 方针，但这些指导方针却为信息安全计划提供了坚实的基础。 2.6 RFID 相关标准在中国的运行情况 在 RFID技术发展的前 10 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 JTCl SC31 下级委员会成立了 RFID 标准化研究工作组 WG4。而中国 RFID 有关的标准化活动，由信标委自动识别与数据采集分委会对口国际 ISO/IEC JTC1 SC31，负责条码与射频部分国家标准的统一归口管理。 第 15 页 共 71 页 条码与物品编码领域国家标准主管部门是国家标准化管理委员会，射频领域国家标准主 管部门是信息产业部和国家标准化管理委员会，该领域的技术归口由信标委自动识别与数据采集技术分委会负责。 中国 ISO/IEC JTC1 SC31 秘书处设在中国物品编码中心。挂靠在中国物品编码中心的中国自动识别技术协会，于 2003 年开始组织其射频工作组的业内资深专家开始跟踪和进行 ISO/IEC18000 国际标准的研究，目前已完成标准草案的工作， ISO18000 相关国标制定工作今年国标委正式立项后，明年相关国标将会看到这一系列基础标准。 第 16 页 共 71 页 第三章 RFID 技术特点和面临的困难 3.1 射频技术与条形码技术 的区别 摘要 射频技术与条形码是两种不同的技术，有不同的适用范围，有时会有重叠。两者之间最大的区别是条形码是 可视技术 。射频标签只要在接受器的作用范围内就可以被读取。 射频技术和条形码有什么不同？ 从概念上来说，两者很相似，目的都是快速准确地确认追踪目标物体。主要的区别如下：有无写入信息或更新内存的能力。条形码的内存不能更改。射频标签不像条形码，它特有的辨识器不能被复制。标签的作用不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波传输，而条形码必须在视野之内。由于条形码成本较低，有完善的标准体系，已在全球散 播，所以已经被普遍接受，从总体来看，射频技术只被局限在有限的市场份额之内。目前，多种条形码控制模版已经在使用之中，在获取信息渠道方面，射频也有不同的标准。 射频技术与条形码是两种不同的技术，有不同的适用范围，有时会有重叠。两者之间最大的区别是条形码是 可视技术 ，扫描仪在人的指导下工作，只能接收它视野范围内的条形码。相比之下，射频识别不要求看见目标。射频标签只要在接受器的作用范围内就可以被读取。条形码本身还具有其他缺点，如果标签被划破，污染或是脱落，扫描仪就无法辨认目标。条形码只能识别生产者和产品，并不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，无法辨认哪些产品先过期。 目前，在成本方面，由於组成部分不同，智能标签要比条形码贵得多，条形码的成本就是条形码纸张和油墨成本，而有内存芯片的主动射频标签价格在 2美元以上，被动射频标签的成本也在 1 美元以上。但是没有内置芯片的标签价格只有几美分，它可以用于对数据信息要求不那么高的情况，同时又具有条形码不具备的防伪功能。 信息 载体 信息量 读 /写性 读取 方式 保密性 智能化 抗干扰能力 寿命 成本 第 17 页 共 71 页 条 码 纸、塑料薄膜、金属表面 小 只读 CCD 或激光束扫描 差 无 差 较短 最低 RFID卡 EEPROM 大 读 /写 无线通信 最好 有 很好 最长 较高 3.2 智能标签特点及其制印技术现状分析 摘要 智能标签的印刷与传统标签的印刷有着很大的区别，由于智能标签及其芯片的特殊性，不能承受印刷机的压力，所以，除喷墨印刷外，一般是采用先印刷面层，再与芯片层复合、模切的工艺。 传统的条形码标签在各行各业的广泛应用和其方便快捷的作用以及一定的防伪功能已成为人们的共识，但随着人们对商品的生产、贮运、保质、防伪、 管理等诸多方面更高更全的信息需求，传统的条形码标签显然是力不从心了，它不但无法提供商品生产、管理等方面的信息，不能警示商品保质需要的温度等情况，在防伪效果上，也由于其印刷单一、容易仿造而逐渐失去商品的防伪效果。随着科技的进步及在标签制作领域的应用，一种全新、多功能、有良好防伪效果的智能标签已开始广泛应用，它将为标签制印带来新的生机和活力。 一、智能标签的特点及应用 智能标签 (SmartLabel)也有人称之为无线射频识别标签，它是标签领域高新技术产品，如今已在产品包装中发挥重要的作用，逐步替代传统的 产品标签和条形码。智能标签是标签领域的新秀，它具有超越传统标签的功能，是电子和计算机等高新技术在标签制印上的结晶。智能标签包含无线射频识别技术 (RFID)电子标签，隐蔽或公开的商标保护指示器或提示产品状况的传感器。电子标签主要由芯片和天线组成，芯片主要用于接收和传送数据，通过由阅读器发出的无线射频信号来读取，阅读器与天线和计算机网络相连，形成一个电子模块，阅读器发送来自其天线的特殊信号给特定区域的电子标签，再将反馈信息处理后传送给计算机网络，从而使管理人员得到商品的特殊信息。 第 18 页 共 71 页 智能标签可以帮助厂商和消费 者实时了解商品库存、流通、保质等情况，为厂商监控其产品在供应链中的状况和位置起到很大的作用。例如，许多食品和药品等的包装必须在特定的温度和低污染环境下储存运输，一般的标签无法了解和监控产品保存的温度和保质情况，而智能标签就可以在产品贮运过程中适时监控对温度要求敏感、易腐烂产品的温度，它凭借特殊的芯片、天线、传感器等，测量贮运过程中的温度，警示厂商防止温度变化对产品的影响。还有，如仓库管理员可以利用智能标签了解货架上的产品种类和数量的信息，来核对产品库存数据而判断产品的销售情况。此外，智能标签提高了传统标签的 防伪效果，尤其在药品包装中，它的防伪功能已大大超过传统的条形码标签。 智能标签的核心是含有 IC 芯片的射频电路和传感器，内部装有可程序化的集成电路和天线，可通过无线射频信号与读写装置进行信息的接收和传输，具有产品鉴别、防伪、防盗、管理等多种功能，是目前广泛使用的产品条形码标签的升级和更新的产品。智能标签具有小、薄、柔 (制作的产品厚度可达到 0.1mm 左右，大小从几毫米到近二十厘米，可随意扭曲、弯折 )的优点，以及具有读取数据信息快，并可依特殊命令读取 ID 号码和一些特殊信息等特点。 智能标签有防冲撞的读 写特性，并且能同时读写多个电子标签。它可以携带数据，并可将其芯片中存储的数据通过专门的读卡器以无线的方式快速读取，在工作过程中还可非常方便地对其数据进行改写。智能标签在使用时可以做到无需连线、无需电源、无需接触，且还可在射频频率上进行丰富的变化。在智能标签中，可植入多种材料内部特性和可读取的功能被广泛地应用于无线识别领域，如产品识别、质量监控、票证、资产管理和提供系列追踪管理等。智能标签为防伪、物流管理领域提供了多变的新工具。 智能标签的相关产品在商品生产、储运、销售的库存管理等领域有广阔的应用空间，在 日本，日立、富士通和凸版印刷株式会社已经大规模生产并销售智能标签。有资料显示，日本的智能标签以及相关服务与软件市场将在 2010 年达到9 万日元以上的水平，在美国和欧洲，包括沃尔玛在内的主要零售商也都在努力推广智能标签的使用， 2004 年 6 月沃尔玛公司就要求 2005 年开始采用 RFID 技术管理货品，要求其主要的 100 家供货商在 2005 年前必须使用智能 RFID 标签，并在一两年内要求绝大部分供应商都要使用标准的智能标签。据报道，目前第 19 页 共 71 页 这种智能标签的生产呈高速增长的趋势，在欧洲， 2005 年市场已达到 5 0 亿美元以上，并以每年约 4 0 % 的速度增长，预计 2008 年，全世界的 RFID 标签的使用量将达到 200 亿个以上，届时零售业将会全面普及应用 RFID 智能标签。 二、智能标签的制印技术 智能标签的印刷与传统标签的印刷有着很大的区别，目前，我国传统标签的印刷技术已具有很高的水平，商标印刷业中不乏有经验丰富的企业，也生产出许多设计精美和高品质的产品，但对于智能标签，有人认为它并无特殊之处，只要用普通标签给它外覆一件美丽的外衣，这对于高品质标签的制印企业来说并不困难，但这样单纯地添加美丽外衣的智能标签 ，其高附加值却是令人担忧的，否则会造成重要的损失。那么，与传统标签印刷相比，智能标签印刷有什么特点呢 ? 首先，从智能标签的定义上来看，智能，是由芯片、天线等组成的射频电路；而标签是由标签印刷工艺使射频电路具有商业化的外衣。从印刷的角度来看，智能标签的出现会给传统标签印刷带来更高的含金量。智能标签的芯片层可以用纸、 PE、 PET 甚至纺织品等材料封装并进行印刷，制成不干胶贴纸、纸卡、吊标或其他类型的标签。芯片是智能标签的关键，由其特殊的结构决定，不能承受印刷机的压力，所以，除喷墨印刷外，一般是采用先印刷面层， 再与芯片层复合、模切的工艺。 (1)印刷方法。印刷主要是以丝网印刷为首选，因为丝网印刷在集成电路板、薄膜开关等方面的印刷质量是其他印刷方法所无法企及的。在智能标签印刷中，要使用导电油墨，而印刷导电油墨较好的丝网是镍箔穿孔网。它是一种高技术丝网，它不是由一般的金属或尼龙等丝线编织成的丝网，而是由镍箔钻孔而成箔网，网孔呈六角形，也可用电解成形法制成圆孔形。整个网面平整匀薄，能极大地提高印迹的稳定性和精密性，用于印刷导电油墨、晶片及集成电路等高技术产品效果较好，能分辨 0.1mm 的电路线间隔、定位精度可达 0.01mm。 (2)导电油墨的应用。导电油墨是一种特种油墨，它可在 UV 油墨、柔版水性油墨或特殊胶印油墨中加入可导电的载体，使油墨具有导电性。导电油墨主要是由导电填料 (包括金属粉末、金属氧化物、非金属和其他复合粉末 )、连接剂 (主要有合成树脂、光敏树脂、低熔点有机玻璃等 ) 、添加剂 (主要有分散剂、调节剂、增稠剂、增塑剂、润滑剂、抑制剂等 )、溶剂 (主要有芳烃、醇、酮、酯、醇第 20 页 共 71 页 醚等 )等组成。该油墨是一种功能性油墨，在印刷中主要有碳浆、银浆等导电油墨。碳浆油墨是一液型热固型油墨，成膜固化后具有保护铜箔和传导电流的作 用，具有良好的导电性和较低的阻抗力；它不易氧化，性能稳定，耐酸、碱和化学溶剂的侵蚀；具有耐磨性强、抗磨损、抗热冲击性好等特点。银浆油墨是由超细银粉和热塑性树脂为主体组成的一液型油墨，在 PET、 PT、 PVC 片材上均可使用，有极强的附着力和遮盖力，可低温固化，具有可控导电性和很低的电阻值。另外，可将具有导电性的纳米级碳墨加入油墨制成导电油墨，也可将导电油墨中金属粉(如银粉 )制成纳米级银粉来制造导电油墨，这种导电油墨不仅印刷的膜层薄且均匀光滑，性能优良，而且还可大量节省材料。 在智能标签制印中，导电油墨主要用 于印制 RFID 天线，替代传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线。它具有两个主要的优点，首先，传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线，工艺复杂，成品制作时间长，而应用导电油墨印刷天线是利用高速的印刷方法，高效快速，是印刷天线和电路中首选的既快又便宜的方法。如今，导电油墨已开始取代各频率段的蚀刻天线，如超高频段 (860 950MHz)和微波频段 (2450MHz)，用导电油墨印刷的天线可以与传统蚀刻的铜天线相比拟，此外，导电油墨还用于印制智能标签中的传感器及线路印刷。其次，传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线要消耗浪费金属 材料，成本较高，而导电油墨的原材料成本要低于传统的金属天线，这对于降低智能标签的制作成本有很大的意义。 (3)独特的工艺要求。智能标签制印对制作工艺有其独特的要求，主要应注意高成品率、厚纸印刷和复合加工。 在高成品率上，由于智能标签本身的价值要高于普通印刷标签许多倍，所以给企业带来高利润的同时，印刷品高成品率尤为重要。尤其是许多产品都要求多色 UV 墨印刷、上光、上胶，印量大的标签大多数还采用卷到卷印刷或无接口印刷 ( 通花 ) 等方式加工，由于加工工序多，也加大了成品的筛选难度。 对于厚纸印刷，在卡 纸加工中，必须注意设备对 350 克厚的卡纸要有良好的印刷适性，卡纸印刷中要保持纸带的张力稳定，保证印刷累计套印误差降到最小，因此如果每个画面都套印很准，但是画面之间的间距产生误差较大，也会给智能标签印刷后的复合和模切工序造成麻烦。 至于复合加工，它是智能标签加工中的关键工序，在复合加工中不仅要求每第 21 页 共 71 页 个标签之间的尺寸不会因为张力变化而改变，而且对于薄膜类材料，还要考虑拉伸变形造成标签间距增加，并做适当调整。 3.3 SAW 射频识别无源电子标签技术及应用 射频识别系统 射频识别 (RFID)技术是 一种无接触自动识别技术，其基本原理 是利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动中 的待识别物品的自动机器识别。 射频识别系统一般由两个部分组成，即电子标签和阅读器。电子 标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间 (无接触 )耦合， 在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生 在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： (1)电感耦合，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁 感应定律。 (2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的 电磁波，碰 到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规 律。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。 典型的工作频率有： 125kHz、 225kHz 和 13.56MHz。识别作用 距离小于 1m，典型作用距离为 10cm 20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有： 433MHz，868MHz， 915MHz， 2.45GHz， 5.8GHz。识别作用 距离大于 1m，典型作用距离为 3m l0m。 电子标签又称为射频标 签、应答器、数据载体，电子标签附着在 待识别的物品上，是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电 子标签由标签天线和标签专用芯片组成。 依据电子标签供电方式的不同，可以分为有源标签 (Active tag) 和无源标签 (Passive tag)两种，有源标签内装有电池，无源标签没有内装电池。 阅读器又称为读出装置，阅读器可以是读 /写或只读装置，用于 第 22 页 共 71 页 当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时，自动以无接触 的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或 自动收集物品 标识信息的功能。 声表面波器件技术 声表面波 (SAW)是传播于压电晶体表面的机械波，其声速仅为 电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小。 SAW 器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制作叉指形电声换能器和反射器耦合器等，利用基片材料的压电效应，通过输入叉指换能器 (IDT)将电信号转换成声 信号，并局限在基片表面传播，输出 IDT 将声信号恢复成电信号，实现电 -声 -电的变换过程，完成电信号处理过程，获得各种用途的电子器件。采用了先进微电子加工技术制造的声表面波器件，具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点，在通信、电视、遥控和报警系统中已得到广泛应用，数以亿计的手机和电视机中都应用了多个声表面波滤波器。随着加工工艺的飞速发展， SAW 器件的工作频率已覆盖 10MHz 2.5GHz，是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。 SAW 无源电子标签工作原理 SAW 无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。 SAW 标签是由叉指换能器和若干反射器组成，换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围内，被接收到的高频 脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表示规定的编码信息，那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。通过解调与处理，达到自动识别的目的。 由于声表面波传播速度低，有效的反射脉冲串在经过几微秒的延 迟时间后才回到阅读器，在此延迟期间，来自阅读器周围的干扰反射 已衰减，不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。 SAW 无源电 子标签应用 利用声表面波技术的电子标签始于上世纪 80 年代末，近年来声表面波标签第 23 页 共 71 页 的研究成为一个热点。声表面波电子标签是应用现代电子学、声学、半导体平面工艺技术和雷达及信号处理技术的系统新成就，它是有别于 IC 芯片识别的另一种新型非接触自动识别技术。 由于 SAW 器件本身工作在射频波段，无源且抗电磁干扰能力强， 因此 SAW 技术实现的电子标签具有一定独特的优势，是对集成电路技术的补充。其主要特点是： 1.读取范围大且可靠，可达数米； 2.可使用在金属和液体产品上； 3.标签芯片与天线匹 配简单，制作工艺成本低； 4.不仅能识别静止物体，而且能识别速度达 300 千米 /小时的高速 运动物体； 5.可在高温差 (-100 300 )、强电磁干扰等恶劣环境下使 用。 电子标签技术应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公 共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、超市防盗和 收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备 和资产管理、体育竞赛等。 SAW 标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量，如铁路红外轴温探测系统的热轴定 位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。 德国的 Baumer Ident GmbH 公司生产的 OIS-W 声表面 波标签、 Siemens 公司的 SOFIS 声表面波系统已成功用于挪威奥 斯陆汽车过桥自动收费系统以及德国慕尼黑火车进站定位系统。在美 国， Identtronix、 i-Ray、 RF-SAW 等公司也均生产商业化的 SAW 电子标签。 SAW 研发情况 中国电子科技集团公司第五十五研究所 (下简称五十五所 )是国 家重点军工研究所，已有数十年的高频微波器件部件的成熟经验。 目前五十五 所已发展成为国内领先国际认可的高频声表面波器件研发与生第 24 页 共 71 页 产基地，具备制作 0.5 m(2GHz)高频声表面波器件 的能力。 ND系列高频声表面波器件批量生产的产品规范与国外同类产品的相当，经济运行态势良好，年增长率大于 30%。 434MHz 和 915MHz 是民用非管制无线电频段，一般民用遥控设 备都使用这些频段， ISO 也建议开放用于射频识别。因此我们从 2003 年初开始了本项目有关产品技术开发和样品样机的试制，现已试制开 发了数种应用器件样品和样机，达到预期效果。 发展 SAW 电子标签的关键 1.标签编码容量与作用距离的优化； 2.编码和阅读器的配合； 3.小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线； 4.异码标签芯片的批量生产； 5.防碰撞和可读写标签。 SAW RFID 的突破 SAW（表面声波） RFID 已出现了一段时间，应用在移动电话、寻呼机中的数以亿计的非 RFID SAW 方案具有可靠性高，成本低的特点， SAW RFID 技术也从这些优点中受益良多。 SAW RFID 首先出现在美国加利福尼亚和挪威的不中断式公路收费系统中，但是数量不多。并且在加利福尼亚它 们被贴到汽车挡风玻璃上的硅芯片 RFID 标签代替了。在挪威， MicroDesign 公司供应采用这种技术的只读被动式标签有十几年的时间，后来它就以 QFree 的名义开始供应针对不中断式公路收费系统和其他设备的硅芯片 RFID可读写设备与系统。实际上直到今天，没人知道如何制造主动式的或可读写的 SAW RFID 标签，尽管 Dallas 公司的RFSAW 已作了一些很好的工作来显示它不需额外的传感器就可感应张力或温度的变化。感应张力或温度的功能用硅芯片和分离式传感器也是可以实现的，但是这种方式的成本太高。今天，温度检测 RFID 标签在家畜和食品方面都有应用案例，但是数量非常少。 然而，虽然 SAW RFID 的一个缺陷是仍然采用了类似硅材料的易碎芯片，但它的加工过程所需的步骤更少，所要求的精确性也没有那么高，因此它的成本比硅芯片 RFID 也要低一些，当然这在市场中还没有真正地实现。 RFSAW 已向第 25 页 共 71 页 许多行业销售了 SAW RFID 设备，另外在创建一个包括这种设备的 ISO 18000的子标准方面，它也是主要的推动者。 灭菌过程耐受性 SAW ID 芯片的独特物理特性解决了 RFID 的主要问题，并且实现了： 标签与阅读器相互距离较大时的可靠读取。 克服了读取信号可能被液体和金属阻断的情况。 商业化的全货盘读取，这是 RFID 的一个非常重要的能力。 在许多应用场合中， SAW 的读取距离是足够大的，因此被动式标签可以代替用电池驱动的高成本主动式标签。 SAW RFID 系统具有与生俱来的能力来检测标签位置、运动的方向和标签温度等，这些功能如果用其他的技术很难实现或需要很高成本。另外， SAW 标签可以经受一些与安全相关的过程，如一些食品或医药的生产过程会升高操作温度、通过高能量的 X 射线或用伽马射线 灭菌等。 例如， RFSAW 标签采用了成本比较低的芯片和尺寸较小的低成本天线，与基于 IC 的标签相比，它的成本就很有优势。另外，通过加入关键信号处理功能（如多标签读取功能），整个系统的成本被进一步优化了。它通过多路访问可扩展频谱信号实现了这一功能，这种信号在具备高速读取速度的同时，还具有较高的抗干扰性，与其他无线射频系统和 RFID 读取器也有较好的频谱相容性。与UHF 不同的是，目前它在全世界都可以合法的操作，不需要等待欧洲、中国和其他国家的无线管制规定的审查。 256 位的版本也是可能的，这远远超出了产品级 别、货盘和包装箱所要求的存储空间要求，更不用说运输和车辆上的标签了。 其他开发 SAW RFID 的公司 澳大利亚的 Carinthian Tech Research (CTR)公司最近开发了一种新型被动式RFID 标签。这种标签能够耐受和监测工程与工业应用环境（与 RFSAW 的大范围低成本的应用场合不同）中的温度变化情况。 3.4 成本高标准不统一 电子标签中国推行遇困 南方网讯 当沃尔玛提着篮子来中国上亿元上亿元地采购时，中国的供应商们怎么也不会想到，有一天要在商品上加贴一个叫“电子 标签”的东西。 沃尔玛电子标签计划夭折？ 第 26 页 共 71 页 “年初就收到过沃尔玛的通知，今年以来，沃尔玛为此还特意举办了多次有关无线射频识别系统（ RFID）的讲座培训，公司的信息官都有参加。” 电话那头，厦门“进雄”企业有限公司郑总对 RFID 毫不陌生。在中国， RFID简称电子标签。郑提及的通知是指，沃尔玛要求其前 100 位供应商在 2005 年 1月底之前必须在每个货箱托盘上加贴电子标签。 2006 年年底，沃尔玛的所有供应商都要采用电子标签。 厦门“进雄”是美资公司 NORTHPOLEINC.设在中国 的分公司，主要生产户外用品，早年已进入沃尔玛供应体系。不过，在沃尔玛体系中，“进雄”还仅是年供货额为 6000 万美元的“中型供货商”，因此并不在沃尔玛 TOP100 供货商名单中。不过，郑表示，沃尔玛肯定会要求所有供货商朝着这个方向发展，所以他们也在做着各种准备。 其实，早在两年前，沃尔玛已经与 IBM 合作，率先导入先进的电子标签系统。只要消费者从货架上拿起一件商品，电脑系统会自动将商品资料报告整个供应链系统，客户结账时只需要将购物车通过读取机，就能一次结清购物车内的所有物品的价格，而后端仓库也能立即了解 需要补货的项目。数据显示，采用电子标签可减少 10%至 30%的安全库存量，大大降低仓储成本。 然而，即便业界已经认为电子标签可以有效降低成本，但是短期内，沃尔玛的供应商们对于此技术的投资仍持保留态度。“在推行电子标签进程中，来自国内供应商的阻力非常大，没有几家愿意做，为此沃尔玛已经将 100 名供货商减少到 50 家。”业内知情人士向记者明确表示。 成本遏制推广 让沃尔玛中国供应商们却步的主要是电子标签的高成本。 在日前举行的“全球 RFID 中国峰会”上，记者看到，德州仪器展示的电子标签芯片最 便宜的也要 25 美分（约合人民币 2 元）。业内介绍，封装好的电子标签最低也要人民币 7 8 元。 沃尔玛一供应商笑言，一台 1000 元的电脑和一个 2 毛钱的西瓜同样在沃尔玛销售，如果都贴电子标签的话，卖西瓜的还赚钱吗？ “进雄”郑总告诉记者，电子标签如果成本不下降，推行会很困难，特别是对中国的中小供货商而言，本身商品价值低，如果加贴电子标签，肯定吃不消。第 27 页 共 71 页 据粗略统计，沃尔玛每年大概要从头 100 个供应商那里收到十亿箱的货物。如果全部由供应商承担，将是一笔巨额费用。 不过，目前电子标签成本已呈下降趋 势。上海复旦微电子股份公司副总经理俞军认为，降低成本的主要手段是技术进步和批量生产。今年，国内电子标签市场容量为 5000 万个。 2 年以后，一枚电子标签有望降至人民币 2 元以内。 基础标准亟待出台 除了价格，阻碍电子标签推广的瓶颈还有标准。 “目前，全球范围内各种电子标签的应用还不存在统一的代码、频率或者标准，”中国物流与采购联合会副会长戴定一表示，“电子标签关键是走到哪里都能用，因此标准一定要统一。” 就我国而言，电子标签技术及应用处于初级发展阶段，存在技术水平不高、标准规范不完整等诸多问 题。在全球 RFID 峰会上，信产部官员表示，我国将充分考虑和引用其他全球组织目前已经制定的标准，结合国情制定出符合中国市场的电子标签行业标准。 值得一提的是，在国内标准尚未出台的前提下，国内企业已经将目光投向全球市场。本月 11 日，实华开电子商务公司与 IBM 签订协议，共同开发 RFID技术，而香港机场正在进行的标准统一的试验中也有中国系统集成商的身影。 国内零售试 电子标签技术的应用还要靠企业推动。到目前为止，美国已有 100 多家企业承诺支持 RFID 技术应用，而国内企业，投资使用电子标签的还寥 寥无几。 昂波国际有限公司总裁王跃接触过很多中国客户，她告诉记者，国内企业对电子标签比较感兴趣，但一旦涉及具体投资，则普遍持观望态度。只有找到好的应用案例，电子标签才具有推广动力。 好在已经有国内企业迈出尝试性步伐。日前，北京物美集团和实华开电子商务公司签署协议，物美集团将在未来建立中国第一家电子标签零售示范店，推行电子标签技术。 这是电子标签技术首次进入中国商业零售领域。物美集团董事长张文中接受记者专访时表示，零售终端处于供应链的核心地位，对生产者有着直接的制约作用，只有抓住终端，才可能推动整 个电子标签产业的发展。 第 28 页 共 71 页 第四章 RFID 技术配套产品介绍 4.1 电子标签中的射频天线 摘要 射频天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和 ASIC 匹配。方向性天线具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。门禁系统可以使用短作用距离的无源标签。 引 言 在 RF 装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片。这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。 本文考虑的频带是435MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。 天线必须： 足够的小以至于能够贴到需要的物品上； 有全向或半球覆盖的方向性； 提供最大可能的信号给标签的芯片； 无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配； 具有鲁棒性； 非常便宜。 在选择天线的时候的主要考虑是： 天线的类型； 天线的阻抗： 在应用到物品上的 RF 的性能； 在有其他的物品围绕贴标签物品时的 RF 性 能。 可能的选择 这里有两种使用方式：一）贴标签的物品被放在仓库中，有一个便携装置，可能是手持式，询问所有的物品，并且需要它们给予信息反馈信息；二）在仓库的门口安装读卡设配，询问并记录进出物品。还有一个主要的选择是有源标签还是无源标签 1,2。 可选的天线 第 29 页 共 71 页 在 435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 频率是用的 RFID 系统中，可选的天线有几种，见下表，它们重点考虑了天线 的尺寸。这样的小天线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益 0 到 2dBi；方向性的天线的增益可以达到 6dBi。增益大小影响天线的作用距离。下表中的前三个种类的天线是线极化的，但是微带面天线可以使圆极化的，对数螺旋天线仅仅是圆极化的。由于 RFID 标签的方向性是不可控的，所以读卡机必须是圆极化的。一个圆极化的标签天线可以产生 3dB 以强的信号。 阻抗问题 为了最大功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几 十年来，设计天线与 50 或 70 欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一做个标准半波偶极子阻抗的 20 倍。印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗 (通常是 40 到 100 欧姆 )。选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的。改变双偶极子天线和一听番茄酱的间距做了一些实际测量，显示了一些变化， 见图 4 和图 5。其他的物体也有相似的影响。此外是物体的介电常数，而不是金属，改变了谐振频率。一塑料瓶子水降低了最小返回损耗频率16%。当物体与天线的距离小于 62.5mm 的时候，返回损耗将导致一个 3.0 dB 的插入损耗，而天线的自由空间插入损耗才 0.2dB。可以设计天线使它与接近物体的情况相匹配，但是天线的行为对于不同的物体和不同的物体距离而不同。对于全向天线是不可行的，所以设计方向性强的天线，它们不受这个问题的影响。 辐射模式 在一个无反射的环境中测试 了天线的模式，包括了各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属听引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离 50mm 的时候，反回的信号下降大于 20dB (见图 6)。天线与物体的中心距离分开到 100 150mm 的时候，反回信号下降约 10 到 12dB。在与天线距离 100mm 的时候，测量了几瓶水（塑料和玻璃），见图 7，反回信号降低大于 10dB。 在蜡纸盒的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。 第 30 页 共 71 页 局部结构的影响 在使用手持的仪器的时候，大量 的其他临近物体的使读卡机天线和标签天线的辐射模式严重失真。这可以对于 2.45GHz 的工作频率计算，假设一个代表性的几何形状，见图 8,9,10，和自由空间相比，显示返回信号降低了 10dB，在双天线同时使用的时候，比预料的模式下降的更多。图 11 和图 12 是在一个天线前的一个横截平面的接收信号等高线图，显示了严重的失真。在仓库的使用环境下，一个物品盒子具有一个标签会有问题，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的。便携系统的使用有几个天线的问题。每个盒子两个天线足够适合门禁装置探测，这样局部结构 的影响变得不再重要，因为门禁装置的读卡机天线被固定在仓库的出入，并且直接指向贴标签的物体。 距 离 RFID 天线的增益和是否使用有源的标签芯片将影响系统的使用距离。乐观的考虑，在电磁场的辐射强度符合 UK 的相关标准时， 2.45GHz 的无源情况下，全波整流，驱动电压不大于 3 伏，优化的 RFID 天线阻抗环境 (阻抗 200 或 300欧姆 )，使用距离大约是 1 米 3。如果使用 WHO 限制 4则更适合于全球范围的使用，但是作用距离下降了一半。这些限制了读卡 机到标签的电磁场功率。作用距离随着频率升高而下降。如果使用有源芯片作用距离可以达到 5 到 10 米。 总 结 全向天线应该避免在标签中使用，然而是可以使用方向性天线，它具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC 匹配。在一个仓库中使用天线好像是不可行的，除非使用有源标签，但是在任何情况下，仓库内的天线辐射模式将严重失真。一个门禁系统的使用将是好的选择，可以使用短作用距离的无源标签。当然门禁系统比手持的仪器昂贵， 但是手持仪器工作人员需要使用它到仓库搜寻物品，人员费用同样昂贵。在门禁系统中，每一个物品盒子，仅需要 2 个而不是 4 个或 6 个 RFID 标签。 4.2 基于 TI S6700 系列芯片的 RFID 阅读器 摘要 阅读器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的接口。本文讨论了一种采用 TI 公司的射频标签多协议芯片 RI-R6C-001A 组成的射频标签阅读器方案。 第 31 页 共 71 页 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。 本文讨论了一种采用 TI 公司的射频标签多协议芯片 RI-R6C-001A 组成的射频标签阅读器方案，使用微芯公司的单片机 PIC16F874 作为控制器，给出了阅读器的完整电路实现与时序设计， 并提出了一种基于 SPI 串行总线实现 S6700系列芯片通信协议的方案，实现了射频标签与控制器之间数据传递与控制功能。 概述 近年来随着微电子技术的不断发展，半导体技术和集成电路技术也在迅速发展。目前， IC 卡已经深入到社会生活的各个角落，各种各样的卡大大方便了人们的生活，如银行使用的信用卡、公交车使用的交通卡、食堂使用的就餐卡、出入管理使用的考勤卡、打电话使用 的电话卡、手机中使用的 SIM 卡等。 IC 卡又称为集成电路卡。卡片内封装有集成电路，用以存储和处理数据。在 IC 卡的发展过程中正在经历从存储卡到智能卡，从接触式卡到非接触式卡，从近距离卡到远距离卡的过渡，与之相应的，能够读取卡内信息的阅读器也在不断的发展和更新。非接触式卡又称射频卡（应答器），使用无线电调制方式和阅读器进行信息交换。 射频识别技术是二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线电射频方式进行非接触式双向通信。 RFID（ Radio Frequency Identification）系统中射频卡（应答器）与阅读器之间无需物理接触即可完成识别，可实现多目标识别和运动目标识别，应用范围更加广泛。阅读器和应答器组成的一个完整射频系统： 从射频系统中可以看出阅读器的重要性及它的功能，在整个通信过程中阅读器起到桥梁的作用。 硬件设计 考虑到阅读器在系统中要完成的工作主要是从射频卡读取数据，并将数据经相应的处理后送给主机。在设计时按功能对阅读器进行模块化设计，阅读器的内部功能框图。阅读器分为射频卡数据读取部分 (射频部分 )、控制电路部分、主机接口电路部分。 控制部分 控制电路部分 第 32 页 共 71 页 此控制部分是为了辅助 RI-R6C-001A 工作，因为 RI-R6C-001A 芯片要正常工作，完成射频阅读器的功能，不但需要有外围电路，而且还需要有控制器对其进行适当的控制。在此设计中选用了 PIC16F874 单片机作为控制器，由于此单片机有丰富的位操作指令，有 SPI 串行口，精简的指令集，能够很容易的模拟RI-R6C-001A 传送数据的时序以及时钟切换时序。由于 RI-R6C-001A 对外只提供 四个引脚 DOUT、 DIN、 SCLOCK、 M-ERR，所以控制器的接口电路相对较简单。 DOUT、 DIN、 SCLOCK 三个引脚分别连接到单片机的 SPI 串行口 SDI、SDO、 SCK 三根线上，用来实现数据的串行传输。 M-ERR 引脚用来检测接收到射频卡中的数据是否发生错误，若有错误此引脚变为高电平，因此把该引脚接到单片机的外部中断输入引脚端，用于检测接收数据是否有错误，进而单片机对其做出相应的处理。由于 RI-R6C-001A 在接收射频卡中的数据并把它发送给控制器时，要求控制器要对其发送数据是否结束做出判断，并且 RI-R6C-001A 不发送数据时就不再送时钟，所以在此电路设计中把 RI-R6C-001A 的 SCLOCK 引脚也接到了具有电压变化中断功能的 RB4 引脚，此引脚外接一个二极管，与软件结合起来，要求当控制器供应时钟时， RB4 引脚处于高电平输出状态，经过二极管， RB4 引脚不会输入时钟；当 RI-R6C-001A 供应时钟时 ， RB4 引脚处于输入状态， SCLOCK 信号输入此引脚，从而可以对发送数据是否结束作出相应的判断。 射频部分 RI-R6C-001A 芯片是 TI 公司最新开发的针对 IC 卡读写的多协议收发器，支持的协议包括： Tag-it 协议、 ISO/IEC 15693-2、 ISO/IEC 14443-2（ TYPE A）。该收发器由发送器，接收器，电源供应，参考时钟和内部振荡器，默认的复位设置和电源管理，串行通信接口等几部分组成。该芯片通常是 5V 供电，采用SSOP20 封装，内部封装有发送编码器，调制器，接收器和解调器，典型发送功率 200mW，有 IDLE、 POWER DOWN、 FULL POWER 三种电源管理功能。它提供给用户数字接口的信号线为 DIN、 DOUT、 SCLOCK，通过这三根线可完成控制器与 RI-R6C-001A 芯片之间的数据传输。当 RI-R6C-001A 要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数 据时，时钟由该芯片控制。 DOUT 除了在接收数据期间有把接收到的数据输出给单片机的功能外，还用来表征 RI-R6C-001A第 33 页 共 71 页 内部 FIFO 的情况。 DOUT 内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当RI-R6C-001A 的 16 位 FIFO 寄存器满时， DOUT 线会自动跳变为高电平，直到FIFO 寄存器空， DOUT 线又会跳变为低电平。在软件设计时单片机每发一位数据都要检测 DOUT 的状态。在 DOUT 为高电平期间，输入数据无效。 射频电路由三大部分组成： RI-R6C-001A 应用电路，与单片机相连的接口电路，天线发送 。接收电路：在 RI-R6C-001A 应用电路中， L1、 L2、 C2 组成的 T型网络以及 L3、 C9 组成的 LC 网络都是起到滤波的效果，使 RI-R6C-001A 通过天线接收的数据不至于流向发送端 TX-OUT，因为此芯片发送数据时频率是13.56MHz，而接收的信号的载波频率是 13.56MHz/28 和 13.56MHz/32（ FM）或者 13.56MHz/32(AM)， R-MOD 端的电阻 R2 决定发送信号的调制深度； R3、 L4、C10、 C11 组成串联谐振电路，匹配阻抗 50 ，可调电容 C11 用来准确调整电路谐振点在 13.56MHz。这一设计有利于阅读器正确的收发信息。 系统工作过程 接收数据过程 单片机与 RI-R6C-001A 之间通信必须遵循 Tag-it 协议或 ISO/IEC 15693，其中 Tag-it 是 TI 公司最新开发的 RFID Transponder（应答器）的注册商标，是一个产品系列。 Tag-it 完全和 ISO/IEC15693 兼容， Tag-it 应答器与阅读器之间是半双工通信，首先阅读器主动发一个请求（包含命令和参数），应答器被动发一个应答（包含发送的数据和状态）。 在软件设计上必须让单片机发送数据和 接收数据满足 RI-R6C-001A 的通信要求。由单片机发给 RI-R6C-001A 的命令序列必须符合以下格式： S1 表示传输开始，长度为 1 位； CMD 表示命令字节，长度为 8 位或 1 位，8 位用于普通模式， 1 位用于寄存器模式； ES1 表示传输停止。命令字节：规定RI-R6C-001A 与应答器通信时的有关参数，例如：支持的射频协议，调制方式，调制深度，波特率等。普通模式在每次通信时命令序列中都要包含使用的有关参数，而寄存器模式命令序列中并不含这些参数，而是由预先写入配置寄存器中的数值所决定；数据位是根据通信时的要 求定的，数据位的顺序由 ISO15693-3 或者 Tag-it 协议所规定，具体采用哪一种射频协议使阅读器与应答器通信由 CMD中指定， 因此数据位是任意的，且长短根据要求通信的信息而定。单片机的 SPI第 34 页 共 71 页 口正好能满足这一要求。由于 SPI 口没有开始和停止位，为了满足 RI-R6C-001A开始和停止位的要求，起始位是通过在启动 SPI 口之前直接用位操作指令先对DIN 置低，然后对 SCLOCK 置高，再把 DIN 置高从而表示开始接收数据的起始位，然后启动 SPI 接口传输数据； 停止位是通过在数据传输结束后把 SPI 口引脚变成通用的 I/O 引脚，用位操作指令先把 DIN、 SCLOCK 置高，再把 DIN 置低，表示传输数据结束。数据位： RI-R6C-001A 接收单片机发来的数据时是在每个时钟 SCLOCK 的上升沿锁存数据，并且要求数据位的值必须被建立且SCLOCK 为高电平时数据保持不变，也就是说要求单片机在时钟的下降沿送出数据，在时钟的上升沿数据是稳定的，可供阅读器对输入的数据进行锁存，因此对控制器 SPI 口相关寄存器 SSPCON 和 SSPSTAT 进行适当设置就可以满足此要求。 数据传送 单片机要接收 RI-R6C-001A 发过来的数据，首 先在时序上必须满足RI-R6C-001A 发送数据时序的要求。发送数据时，是在每个时钟的上升沿送出数据，在每个时钟的下降沿数据稳定，因此单片机应该在时钟的下降沿采样数据，这同样可以通过设置 SSPCON 和 SSPSTAT 寄存器来实现。 时钟切换 需要注意的是，当单片机由发送转换为接收过程中，它同时由主动转化为被动，由发送时钟转换为接收时钟，这里有时钟切换问题，应满足时序图关系。 由时序图知当单片机传输数据 ES1 结束后（在 a 时刻）把 SPI 用到的引脚设置为通用 I/O 引脚，要进行时钟的切换，在第 一个 tran 期间，通过位操作指令先把 SCLOCK=0，再让 DIN 引脚出现一个正脉冲（ b 时刻到 c 时刻），单片机就把时钟控制权交给了 RI-R6C-001A， d 时刻表明在 RI-R6C-001A 控制 SCLOCK 的时间内 DIN 引脚为高电平，注意在阅读器给单片机送数据时， DIN 引脚一直保持高电平，一旦它不再送数据，同时也不再送时钟， 在编程时可以检测单片机的时钟输入端是否由时钟输入，从而决定阅读器是否还在给单片机发送数据。当阅读器控制 SCLOCK 时，它将发送一个 S2 对应于应答器发送过来的 SOF， 2bit数据和一个 ES2 对应于应答器发送过来的 EOF。在第二个 tran 期间可再次通过位操作指令让 DIN 引脚上产生一个正脉冲，此时单片机就收回了控制权，然后第 35 页 共 71 页 按第一次发数据的方式发数据。 在单片机接收 DOUT 引脚上数据的过程中，通过对单片机中与 SPI 接口有关的寄存器的设置，可以让单片机在输入的每位数据的有效时间中间采样数据，这一设置正好与 RI-R6C-001A 输出数据的时序相吻合，注意在每次时钟切换的过程中， SCLOCK 都是为低电平的。 结束语 通过利用 PC 机，仿真器以及 MPLAB ICE 集成开发环境完成了软件的调试，软件的主要功能包括：从单片机发送符合 RI-R6C-001A 所要求的命令，数据。RI-R6C-001A 收到这些数据进行处理，加上 SOF 和 EOF 后，以请求的形式发送给应答器，并接收应答器以应答的形式发来的数据，进行处理后再通过输出引脚DOUT 送给单片机，在编程时采用了模块式的结构，利用 PIC16F87X 汇编和 C语言进行写的程序。 该系统经过测试，已经可以使用，如果硬件和软件设计合理，进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然会更加广泛。 4.3 射频标签读写设备基本原理 射频标 签读写设备是射频识别系统的两个重要组成部分（标签与读写器）之一。射频标签读写设备根据具体实现功能的特点也有一些其他较为流行的别称，如：阅读器（ Reader），查询器（ Interrogator），通信器（ Communicator），扫描器（ Scanner），读写器（ Reader and Writer），编程器（ Programmer），读出装置（ Reading Device），便携式读出器（ Portable Readout Device）， AEI 设备（ Automatic Equipment Identification Device）等。 通常情况下，射频标签读写设备应根据射频标签的读写要求以及应用需求情况来设计。随着射频识别技术的发展，射频标签读写设备也形成了一些典型的系统实现模式，本章的重点也在于介绍这种读写器的实现原理。 从最基本的原理角度出度，射频标签读写设备一般均遵循如图所示的基本模式。 读写器即对应于射频标签读写设备，读写设备与射频标签之间必然通过空间信道实现读写器向射频标签发送命令，射频标签接收读写器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。此外，在射频识别应用系统中，一般情况下，通过读第 36 页 共 71 页 写器实现的 对射频标签数据的无接触收集或由读写器向射频标签中写入的标签信息均要回送的应用系统中或来自应用系统，这就形成了射频标签读写设备与应用系统程序之间的接口 API（ Application Program Interface）。一般情况下，要求读写器能够接收来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令或约定的协议作出相应的响应（回送收集到的标签数据等）。 读写器本身从电路实现角度来说，又可划分为两大部分，即：射频模块（射频通道）与基带模块。 射频模块实现的任务主要有两项，第一项是实现将读写器欲发往射频标签的命令调制（装 载）到射频信号（也称为读写器 /射频标签的射频工作频率）上，经由发射天线发送出去。发送出去的射频信号（可能包含有传向标签的命令信息）经过空间传送（照射）到射频标签上，射频标签对照射的其上的射频信号作出响应，形成返回读写器天线的反射回波信号。射频模块的第二项任务即是实现将射频标签反回到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调（卸载）提取出射频标签回送的数据。 基带模块实现的任务也包含两项，第一项是将读写器智能单元（通常为计算机单元 CPU 或 MPU）发出的命令加工（编码）实现为便于调制（装载）到射频信号上的编 码调制信号。第二项任务即是实现对经过射频模块解调处理的标签回送数据信号进行必要的处理（包含解码），并将处理后的结果送入读写器智能单元。 一般情况下，读写器的智能单元也划归基带模块部分。智能单元从原理上来说，是读写器的控制核心，从实现角度来说，通常采用嵌入式 MPU，并通过编制相应的 MPU 控制程序对实现收发信号实现智能处理以及与后终应用程序之间的接口 API。 射频模块与基带模块的接口为调制（装载） /解调（卸载），在系统实现中，通常射频模块包括调制 /解调部分，并且也包括解调之后对回波小信号的必要加工处理（如放大、 整形）等。射频模块的收发分离是采用单天线系统时射频模块必须处理好的一个关键问题。 4.4 EPCglobal 网络实现 RFID 数据交换 第 37 页 共 71 页 摘要 EPCglobal 希望明年能够加速 RFID 在企业的应用进展，最为期望的是明年初用户能够通过基于 EPC 标准规范的软硬件进行信息交换。 EPCglobal 网络是由射频识别系统、现有网络框架以及 EPC 编码体系等结合而成。随着 EPCglobal 进行软硬件标准研制以及供应商生产适当的产品，最终在供应链中用户能够交换基于 RFID 的产品的数据信息。 EPCglobal 批准的两个网络通信规范有 ALE(应用层事件 )以及 UHF(超高频 )第二代规范。这两个规范都是在去年获得批准。 超高频第二代标签，作为 EPC 标签和读写器之间的通信协议，由 60 家技术提供商、生产商以及零售企业联合研制。据 EPCglobal 官员以及业内分析人员说，它是第一个不用顾虑读写器频率或区域规则限制、能够全球通用的芯片与读写器协议。 基础框架提供商 VeriSign 公司承担网络实现工作。 EPCIS 是 EPCglobal 网络的一个组成部分，将提供一个记录所有 EPC 有关数据的中心 系统。该系统将能够整合所有来自不同技术平台的事件，随着产品在供应链上的移动，允许用户进行项目协作。 EPCglobal 网络概念去年作为一种跟踪传送 EPC 数据的方式而引入。EPCglobal 官员介绍说，协调 RFID 数据与基于 Web service 的技术，该网络用于传送供应链中 RFID 标识的货物的实时数据信息。 EPCglobal 是一个非盈利组织，致力于推动 EPC 网络的采用以及定义商品全球通信所必须的标准。 EPCglobal 网络由 EPC 编码， ID 系统， EPC 中间件，发现服务，以及 EPCIS（ EPC 信息服务）组成。 EPC 编码是标识供应链中的一个货物的唯一的号码。 ID系统由 EPC 标签与读写器组成，这些硬件可由 EPC 认证的众多供应商来提供。 同样， EPC 中间件管理读写器实时读取的事件，提供预警服务以及将基本的读取数据输入 EPCglobal 网络。 EPC 中间可由许多中间件供应商提供。 发现服务是一套组件，能够确保用户发现 EPC 所标识货物的数据，随后请求访问该数据。 EPCIS 是一个平台，能够确保用户通过 EPCglobal 网络同贸易伙伴之间交换数据。 目前，采用标签标识进行交易或 销售产品的公司并不是很多，而这是他们使第 38 页 共 71 页 用该网络的必要条件。这也正是该网络没有得以利用的原因所在。 纽约 ABI Research 的有关分析人员 Sarah Shah 说， VeriSign 已经完成了网络实现；只是采用的公司并不是很多。 第五章 RFID 技术的应用 5.1 RFID 技术的典型应用 物流和供应管理 生产制造和装配 航空行李处理 邮件 /快运包裹处理 文档追踪 /图书馆管理 动物身份标识 运动计时 门禁控制 /电子门票 道路自动收费 5.2 零售商推崇 RFID 的原因 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 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），而现在单是盗窃一项，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家最大企业的排行榜中名列第 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%。 第 39 页 共 71 页 5.3 电子标签与电子标签库存管理 摘要 电子标签是时下最为先进的非接触感应技术，电子标签的防冲撞性、封装任意性、使用寿命长、可重复利用等特点，使电子标签库存管理技术成为库存管理设计的新宠。 电子标签是时下最为先进的非接触感应技术，自从 1998 年，美国德州仪器（ TI）和荷兰菲利浦公司（ Philips）宣布开发出了一种廉价的非接触感应芯片，到了 2000 年，国际标准化组织已把这种非接触感应芯片写入了国际标准ISO15693。 因独有的特 点和优点，现正广泛应用于各个行业、领域。 （一）电子标签的特点： 无源远距离读写：最大可达 1.2 米； 防冲撞技术：与条形码相比，无须直线对准扫描，读写速度快，可多目标识别、运动中识别，每秒最多同时识别 50 个。 国际通用的频率： 13.56Mhz 7KHz 灵活的内部存储空间：厂家可以根据各自的需要定义各型号产品的存储容量和每个扇区的字节数，而且读写设备可以读取内存配置信息，便于在一个综合应用中操作不同的标签产品。 国际统一且不重复的 8 字节（ 64bit）唯一识别内码（ Unique identifier，简称 UID），其中第 1-48bit 共 6 字节，为生产厂商的产品编码，第 49-56bit 的 1 个字节为厂商代码（ ISO/IEC7816-6/AM1），最高字节固定为 EO。 可反复读写且扇区可以独立一次锁定，并能根据用户需要锁定重要信息；现有的产品一般采用 4 字节扇区，内存从 512bit 2048bit 不等。 使用寿命长（ 10 年或读写 10 万次），无机械磨损、无机械故障，可在恶劣环境下使用。（工作温度： -25 度 +70 度） 柔性封装 ，封装多样化：它的超薄和多种大小不一的外型，使他能封装在纸张、塑胶制品（ PVC、 PET），可应用于不同场合，也可再层压制卡。 （二）在库存管理中的应用： 电子标签因为其具有防冲撞性、封装任意性、使用寿命长、可重复利用等特点，适合应用于现在科学的库存管理系统中。 现在的库存管理系统通常使用条第 40 页 共 71 页 码标签或是人工库存管理单据书写等方式支持自有的库存管理。但是条码的易复制、不防污、不防潮等特点，还有人工书写单据的烦琐性，容易造成人为损失等无法避免的缺点，使得现在国内的库存管理供应链始终存在着缺陷。随着电 子标签这一最新科技产品的投入应用，可以从根本上解决上述的问题。 将电子标签封成卡状，贴在每个货物的包装上或托盘上，在标签中写入货物的具体资料、存放位置等信息。同时在货物进出仓库时可写入送达方的详细资料，在仓库和各经销管道设置固定式或手提式卡片阅读机，以辨识、侦测货物流通。用电子标签支持现今的库存管理系统的优势在于： l 有效管理货物装箱作业。 (减少损失 ) l 信息收集自动化。 l 产品来源之核对。 l 每阶段制程中产品品质之稽核。 l 可更改电子标签上的资料 而无须更改产品包装。 l 有效管理装货 (减少丢失 )。 l 自动化结果便能更有效品质监督。 l 可以全程跟踪库存货物的物流情况，将损失和失误降低到最低点。 （三）案例介绍： 2002 年 5 月 7 日，英国最大的零售商 Marks & Spencer 公司宣布采用Intellident 系统公司提供的美国德州仪器公司的 Tag-it 电子标签 替代原有的条码标签去追踪他们的 350 万个循环使用的食品托盘及推车的冷冻食品供应系统 . 经过 Marks & Spencer 公司对 TI 智能标签 的广泛试验。 因其标签的可多个同时读取的特性，使的读取托盘的时间比使用条码标签时减少了 80。 当推车载有 25 个托盘通过入口时，使用电子标签读取只需要 5 秒钟，而且非常准确可靠。而原先使用条码时却需要 29 秒钟。 该系统将加快 Marks & Spencer 公司用可回收塑料托盘供应食品的速度。超过 70%的 Marks & Spencer 公司客户需要非常快速的提供新鲜的肉类食品 象一些客户在今天早上 6 点提出要求，第二天早上 7 点 30 分以前必须交货。 电子标签追踪的方式将给我们提供一个更快速高效 的管理过程，使我们能够从生产到最终仓库储存中的一系列工序都进行追踪管理。 Marks and Spencer第 41 页 共 71 页 公司的 Keith Mahoney 先生说 这个项目的成功运行将提高我们的供应效率，缩减管理开销，给我们提供了更多的时间去安排产品交货和入库。 Intellident 公司是一家专业从事运用条码和智能标签进行数据追踪的系统整合厂商，并一直为 Marks & Spencer 提供自动数据采集方案。 这个由 Intellident公司花费 3 年时间建立的新的 RFID 系统来替代现在 Marks & Spencer 公司正在使用的条码系统。提供了包括装备大约 350 万个托盘和相关的快速处理设备，TI 的无线感应电子标签和配套的出入口设备及多功能手持读取设备。通过手持设备将了解并管理每个托盘上附带的电子标签上的 2 年半内的使用资料。Intellident 公司同样设计了可同时读取多个电子标签的读写设备，以读取货盘和推车上全部的托盘。而且这种无线感应读取方式比原有的条码读取方式更加快速准确。 正如 Intellident 公司的总裁 Jim Hopwood 先生所说 , 在这个应用中，我们之所以采用 TI 的 Tag-it 电子标签 ，是因为 TI 公司是第一个提供完全符合国际标准ISO15693 标准的厂商。 RFID 其他的优势包括：快速、更准确的读取和数据采集、多个物体同时读取、标签的低成本和更方便实现系统管理的特点。电子标签和条码一样可以贴附在物体上，而且可以重复使用，不像条码只能使用一次。 Marks & Spencer 统计的年度预算中显示电子标签将会比条码系统节省 10的花费。 这种电子标签，目前在国内已广泛的应用到人员身份识别、校园一卡通、出租车防伪营运证、物流等领域。在国外，更是被广泛的应用到航空包裹管理、档案图书管理、人员 识别系统、加油站系统、物品管理、医疗系统看护管理、物流系统、电子票证等各行各业，各个系统中。 5.4 RFID 在食品医药等重要市场的最新发展 摘要 RFID 技术的新发展包括长距离非 UHF 标签，可以适用于比较难处理基材的 RFID 设备和能抵抗灭菌过程的 RFID 标签。本文将会告诉您对于食品、医药和其他重要市场来说，这些都意味着什么。 众所周知的是，在大多数国家对无线频率进行管制的情况下， RFID 无法在超过 1 米的范围之外发挥作用，除非使用 UHF（超高频，即 900MHz 左右的免第 42 页 共 71 页 许可频率）。 如果在 RFID 标签中装上电池的话，那更长距离的读写范围也是可以实现的，对于车辆来说，这也是可行的方案。然而，这些所谓的主动标签的使用寿命有限，比较昂贵，它们的尺寸相对而言也比较大，并且有更多可能会发生错误的部件。因此按照美国及欧洲领先的零售商们和美国军方的要求， UHF 被动式标签被作为食品和其他产品的包装箱及货盘标准化 RFID 标签。 UHF RFID 并不适合于所有的食品应用场合 然而，尽管 UHF RFID 的性能还不错（实际上它已开始被用作奶牛的耳挂式跟踪标签），但是如果在附近有水或金属的环 境，它的结果可能就难以预测了。就像香港机场（使用此种标签跟踪行李）和德国零售商 Metro（在食品上使用此种标签）所发现的那样：有时因为水或金属的靠近会发生无法读取的情况。而另外有些时候，却会在 50 米之外发生出人意料、令人恼火的读取现象，使得读取器对所要读取的标签发生混淆。在欧洲，军方和其他即得利益集团也在阻止 UHF无线规范制定者批准更高的功率和带宽，这极大地限制了货盘和食品包装箱上阅读器之间接口的范围和控制。业界很快就会对 UHF 系统进行提高，但是传统的HF（高频， 13.56MHz）和微波（ 2.45GHz）系 统最近所实现的大幅提高使得它们具有更大的读取距离，也更加适用于追踪类的应用场合。 这些提高包括： 带有密码保护功能的 HF 标签的读取距离更加具有可控性，与 UHF 标签相比对水和金属的耐受度也更高。主要的零售商都要求带有密码保护功能的读写标签，而只有使用了 EPC 标准的 UHF 标签才具有此功能。 采用了新方法来扩展 HF RFID 标签的读取距离，有时可以扩展到 10 米。 用表面声波芯片代替 RFID 标签中的硅芯片。这些表面声波芯片没有电压范围的限制，它们无需另外的传感器就可感应温 度，并且也更加容易制造。 带密码保护的 HF 标签 Texas Instruments 公司最近发布了一款带有密码保护功能与标准写入机制的HF 标签和一种具有严格质量控制规定的生产工艺，另外它还提供了一种针对医药标签（与食品也是相关的）的独特的解决方案。 这有助于解决医药供应链的另一个问题：隐私性。与零售业和快速消费品有着极大的不同，医药业已达成一种共识：那就是药品标签在被消费者购买后也不第 43 页 共 71 页 应该失去作用。实际上，雀巢公司以及其他食品公司也都说使之失效既不可行，也没有必要。在药品上采用 RFID 标签的关键的潜在好处之一是能够大幅提高召回过程的效率，这种召回过程会要求被退回的药瓶标签上要保留识别信息。当然，这样所带来的问题是如果不使标签失效，那么消费者的隐私可能就会受到影响。医药处方可能是非常敏感的个人信息，消费者不会希望当他们离开药店时，也许发生黑客窃取他们所购买的药品名称的情况。 带有密码保护的写入功能提供了一种解决办法。在整个供应链的所有环节中医药的产品信息和序列号都会被存储在标签上，直到药瓶到达药店为止。在药店中，产品信息会被完全删去，但序列号仍然保留。因此，即使一个黑客成功地 读取了标签，他只能得到一些序列号，但无法知道这些药品具体是什么名称。并且，当发生召回时，消费者可以将带有标签的药瓶退回给药店，然后药瓶标签的序列号会进入到系统中，并找到其所代表的产品信息，从而可以确定它是否应被召回。最终，超市中单个食品级的标签也需要在被购买后仍能一直保持有效。 IDTechEx公司认为在药品标签被购买后仍保持有效所带来的潜在好处和回报包括：更好的召回效果，减少了错误以及方便对消费者进行抽奖等。 更长读取距离的 HF RFID 冰岛渔业公司成功地在水分较多的鱼产品货盘和包装箱 上试用了 HF RFID标签，因为在这种场合下 UHF 标签难以发挥作用。但是普通信用卡大小的 HF标签的读取距离只有 1 米，公司希望这个距离能更长一些。那些认为 HF 系统的整体成本应该更低的人甚至认为应该是两米。例如，与 UHF 的情况相反， HF标签不需大量的版税，并且市场上已被制造的 HF 标签是 UHF 的十倍之多，具有一定的规模经济。当然， UHF 的数量也在迅速增加。 实现 HF 更长的读取距离 不需要很大的标签和读取器，有许多方法可以实现 HF 更长的读取距离。Metro 是世界最大的超级市场连锁品牌之一，他们希 望如果可能的话，能在单个产品级别的标签上使用同一种频率和标准。对于短距离的智能货架来说， HF 看起来是最好的办法，因为在短距离时它的标签最小，而且也是可控的（你可以清楚地知道你正在获得的读取距离），因此就不会发生产品相互混淆的问题。而UHF 标签可能就不太合适，对于小尺寸的食品来说，它也太大了。对于大型的第 44 页 共 71 页 产品， Metro 的方法是不把 HF 标签做得很大，而是采用有些像商店里的防盗底座一样的大型问询式天线。日本的 Maruetsu 公司在其食品连锁店中也采用了类似的方法。 大尺寸标签 有些公司采用了大 尺寸 HF 标签和更加合适的问询器。例如，在最近的试验中， DHL 公司的快递标签就盖住了整个包装。这种由 Denstron 公司所提供的试验是成功的，该公司因此收到了价值 10 亿美元的竞标邀请，这使得 UHF 货盘 /包装箱标签相形见绌。这种方案符合 EPC/ISO 标准。（有一个传说是你无法用HF 制造出符合 ISO 标准的标签，而 ASK 和其他公司令人欣喜地推出了这种产品）。具有两米读取距离的大尺寸 HF 标签并不是新想法，例如，芬兰的 UPM Rafsec 公司很早就提供了用于贴在马拉松选手胸前的 A5 纸张大小的大尺寸 HF标签。日本 Miyake 公司早已把大量 A5 大小的大尺寸 HF 标签应用在管道上，这些标签采用了大约 13.56MHz 的频率，可以穿透两米厚的土层。 针对长距离的更小 HF 标签 然而，这些 大天线 方案是需要较高生产能力的，而在卷对卷的生产过程中这种生产的空间是有限的。因此其他的方法也让人感兴趣。例如，法国的PYGMALYON 公司的电子业务子公司 DAG 系统公司从 1998 年以来就在开发和制造 RFID 系统。已拥有几项专利的 PYGMALYON 公司目前已开发出了一种使用 13.56MHz 频率的 无限制 检测的独特技术，该公司称 通过大范围立体信号，这项技术的检测距离可达 10 米，而 UHF 技术的信号通常是束状的，容易产生盲点。这种技术配有的天线能检测 60 立方米范围内的标签，它最早是为了体育比赛而开发的。例如，它曾被用在罗马的马拉松比赛中。 目前，几米读取距离的 DAG 标签还是比较大的，但其他的公司开发了所谓的碎片形天线，以减小针对某一特定读取距离的应用场合中的标签尺寸。能量获取技术也有助于减少标签的尺寸。上面所说的这些标签在遇到食品所带有的水分时，都不会产生任何问题。 第 45 页 共 71 页 第六章 行业信息 6.1 富士通发布配备 FRAM 的无源 型 UHF 频带无线标签系统 摘要 富士通日前发表了配备 FRAM 的无源型 UHF 频带无线标签系统的技术详情。解决了 FRAM 应用于使用 UHF 频带的无线标签中的若干问题，比如采用 电流检测 方式、通过电流值来读取信号。 富士通在正于美国举行的 ISSCC 2006 上发表了配备 FRAM 的无源型 UHF频带无线标签系统的技术详情（演讲序号： 17.2）。虽然 FRAM 已经应用于使用13.56MHz 频带的无线标签中，但 UHF 频带还存在若干问题没有解决。此次通过采用面向无线标签的新技术解决了这些问题，比如采 用 电流检测 方式、通过电流值来读取信号。 通过电流检测确保直线性 与作为非挥发性内存广泛使用的 EEPROM 相比， FRAM 的特点是：数据写入时的电压低、写入速度快。因此利用 13.56 频带的无线标签大多使用 FRAM。据富士通称，目前 已经供货 3 亿个 FRAM。不过，要在通信距离大大延长的UHF 无线标签上使用 FRAM，就需要解决几个问题。分别是（ 1）过近距离的通信不畅；（ 2）如果用 CMOS 技术加工标签中的整流电路的话，转换效率就会过低、无法确保足够的通信距离。 （ 1）的原因是使用 FRAM 的无线标 签用的 IC 的耐压低。耐压低的话，为防止标签接收到较大电信号，就需要保护电路。这样，就很难保证相对于接收电信号的电源电压的直线性和动态范围（图 1）。一般情况下，电子电路中传送的 0、1的信息都通过 电压检测 这一基于电压高低的方式来识别。当无线标签的接收电压太大时，也就是说通信距离太小时，相对于电力的变化幅度而言，电压的变化幅度也非常之小，从而导致信号无法识别。 第 46 页 共 71 页 图 1：电压的直线性较低，难以进行近距离通信。 图 2：电压保持一定，以电流强弱来检测信号。 对于这一问题，富士通的解决办法是：强 化保护电路、保持电源电压几乎不变，然后通过信号识别来检测电流（图 2）。电流检测就是电流的强弱分别代表0和 1，以此来交换信息。 在无线标签上采用目前世界上尚无先例 （富士通）。第 47 页 共 71 页 如果电压保持一定的话，电流对电力的变化就会表现出较好的直线性和较大的动态范围。 这样做的优点是：不仅近距离通信容易实现，而且通信时的振幅调制中，振幅的高低差也可以控制在较小的范围。如果振幅高低差比较小的话，在数据传输速度一样的情况下，电波所占的频带宽度就会小一些。 通过 CMOS 实现低阀值整流电路 （ 2）中的 CMOS 技术引起的整流电路效率低的问题，富士通在 2005 年 2 月ISSCC 上东芝发表的 阀值消除 技术的基础上加以解决。无线标签用 IC 的整流电路的作用是：不浪费接收电波的电力，并使用于从无线标签到读写器的信号传输。因此，如果整流电路的转换效率降低的话，无线标签的通信距离也将缩短。 此次富士通将本来面向有源无线标签开发的阀值消除技术用到了没有电源的无源无线标签上。为了实现很小的电力也能工作，开发出了将寄生容量等减至最小的电路结构。 东芝只使用了 nMOS 二极管，而我们还使用了 pMOS（富士通系统 LSI 开发研究所泛在 研究中心主任研究员桝井升一）。 这样，在保持低阀值的同时，使用 0.35 m 规格的 CMOS 技术加工出了整流电路。整流电路的转换效率方面， 4m 距离通信时高达 36.6。此次试制的无线标签在写入时，通信距离可达 4.3m。 使 CMOS 技术的使用成为可能，而且制造成本也大大降低