RFID電子標簽關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，包括芯片、天線(xiàn)設計、封裝和標簽技術(shù)的應用。針對設計熱點(diǎn)及國內外研究現狀，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(guān)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(shù)的統稱(chēng)，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(lái)完成非接觸式的自動(dòng)識別，并實(shí)現運動(dòng)目標與多目標的識別。RFID同時(shí)又是一種數據通信技術(shù)，具備通信系統的基本構件如發(fā)送、接收和信道以及傳輸信息等基本功能，所不同的是其傳輸的信息是人為的、同定的。憑借其存儲容量大、識別目標多、讀取距離遠、數據可加密等優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展潛力，RFID被譽(yù)為當今重要的技術(shù)之一。RFID系統應用與發(fā)展的關(guān)鍵是電子標簽，文中重點(diǎn)介紹電子標簽的關(guān)鍵技術(shù)及國內外研究現狀，并提出了我國現階段應用和發(fā)展電子標簽的基本對策。

1 電子標簽技術(shù)及國內外研究現狀
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(gè)方面。
1．1 芯片技術(shù)
芯片技術(shù)是RFID技術(shù)中的一項核心技術(shù)，一個(gè)標簽芯片即為一個(gè)系統，集成了除標簽天線(xiàn)及匹配線(xiàn)以外的所有電路包括射頻前端、模擬前端、數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(chǎng)商在開(kāi)發(fā)小體積、微功耗、價(jià)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(wú)源標簽最小RF輸入功率可低至16．7 μW。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院設計了一款最小輸入功率僅為2．7μW、讀寫(xiě)距離可達12 m的2．45 GB標簽芯片。日本日立公司在2006 ISSCC會(huì )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(chǎng)商已能自行研發(fā)生產(chǎn)低頻、高頻頻段芯片并接近國際先進(jìn)水平，上海坤銳公司研制的UHF頻段QR系列芯片已經(jīng)通過(guò)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，主要表現在，苛刻的功耗限制。與天線(xiàn)的適配技術(shù)。后續封裝問(wèn)題。靈敏度問(wèn)題?？煽啃院统杀?。
RFID芯片設計與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是芯片功耗更低，作用距離更遠，讀寫(xiě)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(diǎn)還包括：超低功耗電路；安全與隱私技術(shù)，密碼功能及實(shí)現；低成本芯片設計與制造技術(shù)；新型存儲技術(shù)；防沖突算法及實(shí)現技術(shù)；與傳感器的集成技術(shù)；與應用系統緊密結合的整體解決方案。
1．2 天線(xiàn)設計技術(shù)
在RFID標簽天線(xiàn)的設計中，小型化問(wèn)題始終倍受關(guān)注。為擴展應用范圍，小型化后的天線(xiàn)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(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是天線(xiàn)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(dòng)物體內等任務(wù)。若能將天線(xiàn)集成在標簽芯片上，無(wú)需任何外部器件即可進(jìn)行工作，可使整個(gè)標簽體積減小，而且簡(jiǎn)化了標簽制作流程，降低了成本，這就引發(fā)了片上天線(xiàn)技術(shù)的研究。另外，目前標簽天線(xiàn)研究的重點(diǎn)還包括，天線(xiàn)匹配技術(shù)、結構優(yōu)化技術(shù)、覆蓋多種頻段的寬帶天線(xiàn)設計、多標簽天線(xiàn)優(yōu)化分布技術(shù)、抗金屬設計技術(shù)、一致性與抗干擾技術(shù)等。
1．3 封裝技術(shù)
電子標簽的封裝主要包括芯片裝配、天線(xiàn)制作等主要環(huán)節。隨著(zhù)新封裝技術(shù)的發(fā)展，在標簽封裝技術(shù)上相繼出現了新的加工工藝，如倒裝芯片凸點(diǎn)生成(Bunping)、天線(xiàn)印刷等。與傳統的線(xiàn)連接或載帶連接相比，倒裝芯片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)代替傳統的腐蝕法制作標簽天線(xiàn)，大幅降低了電子標簽的制作成本。除此之外，標簽封裝技術(shù)的研究熱點(diǎn)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(dòng)控制、在線(xiàn)檢測技術(shù)等。
1．4 標簽應用技術(shù)
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。除了傳統意義上的物品識別、追蹤和監控之外，研究熱點(diǎn)還包括交互式智能標簽、空間定位與跟蹤、普適計算、移動(dòng)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(wú)線(xiàn)微功率收發(fā)機和單片機組成。在單片機中預先寫(xiě)入各種所需的應用程序，必要時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)指令來(lái)調用這些程序，使標簽執行包括識別、定位、數據采集等物聯(lián)網(wǎng)應用所需的各種工作。標簽平時(shí)并不向外發(fā)射任何信號，而根據需要每隔一定時(shí)間，周期性地在監聽(tīng)頻道上接收并記錄協(xié)調器以廣播方式發(fā)來(lái)的信號，只有在收到喚醒指令后才跳轉到讀寫(xiě)器工作頻道，接收來(lái)自協(xié)調器的指令，并根據指令按照預先寫(xiě)入的程序方式進(jìn)入與讀寫(xiě)器進(jìn)行信息交流的狀態(tài)，在規定的時(shí)間內完成指定的工作任務(wù)，再回到監聽(tīng)和睡眠狀態(tài)?？梢?jiàn)，該技術(shù)的核心是通過(guò)快速過(guò)濾無(wú)效信號，實(shí)現了標簽的超低功耗無(wú)線(xiàn)遠距離傳輸，其代價(jià)是需要額外使用一個(gè)協(xié)調器。由于交互式智能標簽解決了物聯(lián)網(wǎng)應用中的低成本、低功耗和無(wú)線(xiàn)遠距離傳輸等關(guān)鍵問(wèn)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、城市基本數據采集系統等需要遠距離識別、定位或數據采集的領(lǐng)域。
(2)實(shí)時(shí)定位與跟蹤標簽?，F有的定位系統主要包括衛星定位系統、紅外線(xiàn)或超聲波定位系統以及基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的定位系統，但受定位時(shí)間、定位精度及環(huán)境條件等限制，目前還未出現一種定位技術(shù)能夠較為完善地解決諸如機場(chǎng)大廳、展廳、倉庫、超市、圖書(shū)館、地下停車(chē)場(chǎng)、地下礦井等室內復雜環(huán)境中設施與物品的位置信息問(wèn)題。RFID技術(shù)為空間定位與跟蹤服務(wù)提供了新的解決方案，尤其適用于衛星定位系統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(xiě)器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來(lái)測量物品的空間位置。
(3)普適計算標簽。通過(guò)與傳感器技術(shù)相結合，RFID標簽還可以感知物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(jiàn)度，構建未來(lái)普適計算的基礎設施。
(4)移動(dòng)支付標簽。RFID移動(dòng)支付通過(guò)在手機終端與POS終端間采用短程通信方式進(jìn)行交易，既可采用手機話(huà)費支付交易金額，又可采用SIM卡綁定銀行賬戶(hù)由銀行處理交易。RFID移動(dòng)支付是RFID產(chǎn)業(yè)與電信業(yè)相互融合的產(chǎn)物，現階段主要有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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是將RF模塊鑲嵌在SIM卡內，SIM卡用于正常的手機移動(dòng)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(gè)可代替錢(qián)包、鑰匙和身份證的全方位服務(wù)平臺。
(5)防偽標簽。傳統防偽技術(shù)如物理防偽、生物防偽、結構防偽、條碼和數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(shù)防偽具有絕對性的優(yōu)勢，因為每個(gè)標簽都有一個(gè)全球唯一的ID號，無(wú)法修改和仿造。此外，RFID防偽技術(shù)還具有無(wú)物理磨損、讀寫(xiě)器物理接口安全性高、標簽數據可加密、讀寫(xiě)器與標簽之間相互認證等特點(diǎn)，所以基本上無(wú)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(mén)票管理、電子車(chē)牌、酒類(lèi)防偽、藝術(shù)珍品防偽等領(lǐng)域已逐步得到應用，且呈擴大趨勢。
1．5 標準問(wèn)題研究
當前，國際上與電子標簽相關(guān)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(guān)的區域、同家或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準，并希望通過(guò)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(gè)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)議和數據格式三個(gè)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(guò)加強協(xié)作使RFID標準在全球取得最大程度的一致。隨著(zhù)RFID技術(shù)的發(fā)展，電子標簽的各種標準出現了融合的趨勢，如用于高頻13．56 MHz的ISO／IFC15693標準已經(jīng)成為ISO18000-3標準的一部分，EPC GEN2標準也已經(jīng)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，標準的統一盡管迫切，但過(guò)程仍較為漫長(cháng)。
1．6 安全隱私問(wèn)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(guò)靜電屏蔽或主動(dòng)干擾實(shí)現對標簽信息的保護。與基于物理方法的硬件安全機制相比，基于密碼技術(shù)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(lái)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(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的基礎上的，任何一個(gè)環(huán)節的落后都將影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我圍在RFID領(lǐng)域研發(fā)時(shí)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(chǎn)業(yè)鏈，在目前國內RFID已有的技術(shù)和市場(chǎng)基礎上發(fā)展中國的電子標簽，就必須瞄準整個(gè)RFID產(chǎn)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(shù)突破。電子標簽目前還存在較多缺陷，如由于天線(xiàn)具有方向性使得單標簽讀出可靠性偏低容易產(chǎn)生漏讀、射頻識別信號容易受金屬和水等導電物質(zhì)影響造成識別距離下降、RFID系統與頻段接近的其它無(wú)線(xiàn)通信系統同時(shí)工作時(shí)可能產(chǎn)生電磁干擾影響彼此的性能、大量RFID標簽放置在一起時(shí)標簽天線(xiàn)產(chǎn)生陣列效應可能表現出與單個(gè)標簽天線(xiàn)不同的特性等，都對電子標簽的發(fā)展構成挑戰。
(2)盡快制定電子標簽的相關(guān)標準。
(3)找準應用的突破口，提升行業(yè)應用規模。由企業(yè)甚至停留在表層，業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)單，邏輯單一，缺少后端系統的集成，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)現有的信息系統如ERP、SCM、MIS等，對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行創(chuàng )新，充分發(fā)揮電子標簽的優(yōu)勢，提升行業(yè)應用的規模，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，是日前急需解決的問(wèn)題。
(4)加強技術(shù)融合，實(shí)現跨區域、跨行業(yè)應用。隨著(zhù)RFID的發(fā)展不斷拓展，近年來(lái)在世博會(huì )門(mén)票管理、智能交通、物流、食品安全、商品防偽、電力等領(lǐng)域得到新的應用。中國RFID產(chǎn)業(yè)已從政府需求轉向市場(chǎng)需求。在RFID發(fā)展過(guò)程中，既要看到RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潛力，又要看到在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中出現的問(wèn)題，用更加科學(xué)的方法來(lái)不斷深化RFID的應用，以此推動(dòng)圍內RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 結束語(yǔ)
文中描述了RFID的基本功能、優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢。并介紹了電子標簽的關(guān)鍵技術(shù)，以及對國內外所出現的標準問(wèn)題和安全隱私問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究。最終就國內現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(guān)鍵性的作用。