探討物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)——RFID技術(shù)

　　1.引言

　　物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings）是指把射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現智能化識別和管理。

　　通過(guò)在物品上嵌入電子標簽、條形碼等能夠存儲物體信息的標識，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的方式將其即時(shí)信息發(fā)送到后臺信息處理系統，而各大信息系統可互聯(lián)形成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò )。從而可達到對物品進(jìn)行實(shí)施跟蹤、監控等智能化管理的目的。通俗來(lái)講，物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現人與物之間的信息溝通。

　　2.物聯(lián)網(wǎng)起源和背景

　　1995年，比爾蓋茨在其《未來(lái)之路》一書(shū)中已提及物聯(lián)網(wǎng)概念。
　　2005年11月，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》報告，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)概念。
　　2009年1月，IBM首席執行官彭明盛提出“智慧地球”構想，其中物聯(lián)網(wǎng)為“智慧地球”不可或缺的一部分，而奧巴馬在就職演講后已對“智慧地球”構想提出積極回應，并提升到國家級發(fā)展戰略。
　　2009年8月7日，溫家寶在無(wú)錫視察中科院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心時(shí)指出，要盡快突破核心技術(shù)，把傳感技術(shù)和TD的發(fā)展結合起來(lái)。
　　2009年8月24日，王建宙訪(fǎng)臺期間解釋了物聯(lián)網(wǎng)概念。
　　2009年9月11日，“傳感器網(wǎng)絡(luò )標準工作組成立大會(huì )暨”感知中國’高峰論壇”在北京舉行，會(huì )議提出傳感網(wǎng)發(fā)展相關(guān)政策。
　　2009年9月14日，在中國通信業(yè)發(fā)展高層論壇上，中國移動(dòng)總裁王建宙高調表示：物聯(lián)網(wǎng)商機無(wú)限，中國移動(dòng)將以開(kāi)放的姿態(tài)，與各方竭誠合作。
《國家中長(cháng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規劃(2006－2020年)》和“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)”重大專(zhuān)項中均將傳感網(wǎng)列入重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

　　3.物聯(lián)網(wǎng)工作步驟及關(guān)鍵技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)應用可以分為三層：
　　感知層，主要實(shí)現標識、識別功能；其中，采用射頻識別（RFID）技術(shù)、NFC技術(shù)實(shí)現物體的標識功能，采用傳感器技術(shù)實(shí)現物體的識別、感知功能。
　　傳輸層，主要實(shí)現信息的傳輸，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
　　其中，感知識別是一個(gè)基礎，網(wǎng)絡(luò )傳輸是一個(gè)平臺，是一個(gè)支撐，智能應用是一個(gè)標志和體現。

圖1物聯(lián)網(wǎng)示意圖

　　在物聯(lián)網(wǎng)中，系統應用流程如下：

　　(1)對物體屬性進(jìn)行標識，屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽中，動(dòng)態(tài)屬性需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測；
　　(2)識別設備完成對物體屬性的讀取，并將信息轉換為適合網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據格式；
　　(3)將物體的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到信息處理中心（處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機，也可能是集中式的，如中國移動(dòng)的IDC），由處理中心完成物體通信的相關(guān)計算。

　　4.物聯(lián)網(wǎng)感知層－RFID技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)主要涉及電子標簽、傳感器、芯片及智能卡等三大領(lǐng)域，而在對傳感網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)的拓展中，其中非常關(guān)鍵的技術(shù)之一是RFID技術(shù)。
實(shí)質(zhì)是利用RFID技術(shù)結合已有的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據庫技術(shù)、中間件技術(shù)等，構筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器Reader和無(wú)數移動(dòng)的標簽Tag組成比互聯(lián)網(wǎng)更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)，因此RFID技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的排頭兵。

　　4.1RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

　　RFID技術(shù)是RadioFrequencyIdentification的縮寫(xiě)，即射頻識別技術(shù)，是一項利用射頻信號通過(guò)空間電磁耦合實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到物體識別的技術(shù)。

　　RFID系統主要由三部分組成：電子標簽（Tag）、讀寫(xiě)器（Reader）和天線(xiàn)（Antenna）。其中，電子標簽芯片具有數據存儲區，用于存儲待識別物品的標識信息；讀寫(xiě)器是將約定格式的待識別物品的標識信息寫(xiě)入電子標簽的存儲區中（寫(xiě)入功能），或在讀寫(xiě)器的閱讀范圍內以無(wú)接觸的方式將電子標簽內保存的信息讀取出來(lái)（讀出功能）；天線(xiàn)用于發(fā)射和接收射頻信號，往往內置在電子標簽或讀寫(xiě)器中。

　　RFID技術(shù)的工作原理是：電子標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無(wú)源標簽或被動(dòng)標簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動(dòng)標簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進(jìn)行有關(guān)數據處理。

RFID按應用頻率的不同分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW），相對應的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前，實(shí)際RFID應用以低頻和高頻產(chǎn)品為主，但超高頻標簽因其具有可識別距離遠和成本低的優(yōu)勢，未來(lái)將有望逐漸成為主流。

　　4.2全球RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀

　　美國政府是RFID應用的積極推動(dòng)者，在其推動(dòng)下美國在RFID標準的建立、相關(guān)軟硬件技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用領(lǐng)域均走在世界前列。目前，美國、英國、德國、瑞典、瑞士、日本、南非等國家均有較為成熟且先進(jìn)的RFID產(chǎn)品，RFID被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，如汽車(chē)及火車(chē)交通監控、高速公路自動(dòng)收費系統、停車(chē)場(chǎng)管理系統、物品管理、流水線(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、安全出入檢查、倉儲管理、動(dòng)物管理、車(chē)輛防盜等場(chǎng)合。隨著(zhù)RFID技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)以及成本的迅速降低，RFID技術(shù)應用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)業(yè)規模正處于高速增長(cháng)期。

　　從全球產(chǎn)業(yè)格局來(lái)看，目前RFID產(chǎn)業(yè)主要集中在RFID技術(shù)應用比較成熟的歐美市場(chǎng)。

　　(1)飛利浦、西門(mén)子、ST、TI等半導體廠(chǎng)商基本壟斷了RFID芯片市場(chǎng)；

　　(2)IBM、HP、微軟、SAP、Sybase、Sun等國際巨頭搶占了RFID中間件、系統集成研究的有利位置；

　　(3)Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj等公司則提供RFID標簽、天線(xiàn)、讀寫(xiě)器等產(chǎn)品及設備。

　　4.3我國RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀

　　目前，我國RFID企業(yè)總數雖然超過(guò)100家，但是缺乏關(guān)鍵核心技術(shù)，特別是在超高頻RFID方面。從包括芯片、天線(xiàn)、標簽和讀寫(xiě)器等硬件產(chǎn)品來(lái)看，低高頻RFID技術(shù)門(mén)檻較低，國內發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟，產(chǎn)品應用廣泛，目前處于完全競爭狀況；

　　超高頻RFID技術(shù)門(mén)檻較高，國內發(fā)展較晚，技術(shù)相對欠缺，從事超高頻RFID產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)很少，更缺少具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新型企業(yè)。

　　僅以RFID芯片為例，RFID芯片在RFID的產(chǎn)品鏈中占據著(zhù)舉足輕重的位置，其成本占到整個(gè)標簽的三分之一左右。但在UHF頻段，RFID芯片設計面臨巨大困難：

　?。?）苛刻的功耗限制；（2）片上天線(xiàn)技術(shù)；（3）后續封裝問(wèn)題；（4）與天線(xiàn)的適配技術(shù)。目前，國內UHF頻段RFID芯片市場(chǎng)幾乎被國外企業(yè)壟斷。

　　相關(guān)政策和發(fā)展階段：

　　2006年，由科技部、發(fā)改委、商務(wù)部、信產(chǎn)部等15個(gè)部委聯(lián)合發(fā)布了《中國RFID技術(shù)政策白皮書(shū)》，為我國在RFID技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展指明了道路。我國RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展將分三個(gè)階段實(shí)施：

　　第一階段：培育期（2006年至2008年）在產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)研發(fā)、標準制定等方面取得突破，通過(guò)典型行業(yè)示范應用，初步形成RFID產(chǎn)業(yè)鏈及良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。
　　第二階段：成長(cháng)期（2008年至2012年）擴展RFID應用領(lǐng)域，形成規模生產(chǎn)能力，建立公共服務(wù)體系，推動(dòng)規?；袌?chǎng)形成，促進(jìn)RFID產(chǎn)業(yè)持續發(fā)展。
　　第三階段：成熟期（2012年以后）整合產(chǎn)業(yè)鏈，適應新一代技術(shù)的發(fā)展，輻射多個(gè)應用領(lǐng)域，提高RFID應用的效率和效益。

　　4.4RFID技術(shù)的經(jīng)濟規模

　　2008年全球RFID市場(chǎng)規模將從去年的49.3億美元上升到52.9億美元，這個(gè)數字覆蓋了RFID市場(chǎng)的方方面面，包括標簽、閱讀器、其他基礎設施、軟件和服務(wù)等。RFID卡和卡相關(guān)基礎設備將占今年市場(chǎng)的57.3%，達30.3億美元。來(lái)自金融、安防行業(yè)的應用，如非接觸支付、門(mén)禁控制將推動(dòng)RFID卡類(lèi)市場(chǎng)的增長(cháng)。

　　全球標簽使用數將達到21.6億個(gè)，2007年為17.4億個(gè)，而2006年僅為10.2億個(gè)。在所有21.6億個(gè)標簽使用量中，強制性的貨盤(pán)和貨箱貼標應用的標簽將為3.25億個(gè)，即占總量的15%。除零售商強制要求應用外，零售業(yè)標簽的總體應用量都呈上升趨勢。

　　動(dòng)物貼標應用快速增長(cháng)，特別是中國和澳大利亞、新西蘭等國家。2009年動(dòng)物貼標應用將消費900萬(wàn)個(gè)標簽。智能紙質(zhì)標簽是最主要的標簽應用形式，據預測，到2018年，RFID紙質(zhì)標簽將占標簽總數的99.1%。

　　2009年中國RFID市場(chǎng)規模將達到50億元，年復合增長(cháng)率為33%，其中電子標簽超過(guò)38億元、讀寫(xiě)器接近7億元、軟件和服務(wù)達到5億元的市場(chǎng)格局。

　　5.典型應用－物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)在ITS中的運用

　　交通是國民經(jīng)濟的基礎和命脈，交通發(fā)展的水平是一個(gè)國家整體實(shí)力和科技水平的重要標志。RFID技術(shù)具有車(chē)輛通信、自動(dòng)識別、定位、遠距離監控等功能，在移動(dòng)車(chē)輛的識別和管理系統方面有著(zhù)非常廣泛的應用。

　　在國際上，美國的IVHS、日本的VICS等系統通過(guò)車(chē)輛和道路之間建立有效的信息通信，實(shí)現智能交通的管理和信息服務(wù)。RFID技術(shù)近年來(lái)在物流與供應鏈管理領(lǐng)域以及交通運輸領(lǐng)域智能化管理中得到了應用，如智能公交定位管理和信號優(yōu)先、智能停車(chē)場(chǎng)管理、車(chē)輛類(lèi)型及流量信息采集、路橋電子不停車(chē)收費、高速公路多義性路徑識別及車(chē)輛速度計算分析等方面取得了一定的應用成效。

　　6.物聯(lián)網(wǎng)感知層－傳感器技術(shù)

　　在物聯(lián)網(wǎng)的概念中，所有物體可以通過(guò)Intenet主動(dòng)進(jìn)行交互，除了互聯(lián)網(wǎng)外，主要涉及RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、微波/納米技術(shù)等。

　　6.1傳感器技術(shù)介紹

　　傳感器是能感受規定的被測量，并能按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作為現代科技的前沿技術(shù)，被認為是現代信息技術(shù)的三大支柱之一。有市場(chǎng)報告顯示，預計2010年全球傳感器市場(chǎng)可達600億美元以上。我國傳感器市場(chǎng)的增長(cháng)率超過(guò)15%，預計2009年為430億元。

　　MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微機電系統的縮寫(xiě)，MEMS技術(shù)建立在微米/納米基礎上，是對微米/納米材料進(jìn)行設計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)，完整的MEMS是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。MEMS傳感器能夠將信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，從而大幅度地提高系統的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。它還能夠使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個(gè)芯片上，從而降低成本，適用于大規模生產(chǎn)。

　　6.2物聯(lián)網(wǎng)應用案例及經(jīng)濟效益

　　MEMS傳感器目前主要應用在汽車(chē)和消費電子兩大領(lǐng)域。
　　在蘋(píng)果公司的iPhone中，通過(guò)對旋轉時(shí)運動(dòng)的感知，iPhone可以自動(dòng)地改變其顯示格式，以便消費者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁(yè)面或者數字圖片。

　　預計在2007年至2012年間，全球基于MEMS的半導體傳感器和制動(dòng)器的銷(xiāo)售額將達到19%的年均復合增長(cháng)率(CAGR)，與2007年的41億美元相比，五年后將實(shí)現97億美元的年銷(xiāo)售額。若計入各類(lèi)技術(shù)實(shí)現的傳感器/制動(dòng)器，則其市場(chǎng)總規模預計將達到119億美元。根據該報告，基于MEMS的制動(dòng)器在2007年將占據整體傳感器/制動(dòng)器市場(chǎng)份額的54%。

　　7.結束語(yǔ)

　　預計物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。有專(zhuān)家預測１０年內物聯(lián)網(wǎng)就可能大規模普及，這一技術(shù)將會(huì )發(fā)展成為一個(gè)上萬(wàn)億元規模的高科技市場(chǎng)。

　　RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。以簡(jiǎn)單RFID系統為基礎，結合已有的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據庫技術(shù)、中間件技術(shù)等，構筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無(wú)數移動(dòng)的標簽組成的，比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)成為RFID技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器憑借著(zhù)其體積小、成本低以及可與其他智能芯片集成在一起的巨大優(yōu)勢，必將成為傳感器的主要生產(chǎn)技術(shù)。