RFID電子標(biāo)簽關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

摘要 從RFID的基本原理出發(fā)，介紹了電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)，包括芯片、天線設(shè)計(jì)、封裝和標(biāo)簽技術(shù)的應(yīng)用。針對設(shè)計(jì)熱點(diǎn)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了電子標(biāo)簽的發(fā)展趨勢，提出了我國當(dāng)前應(yīng)用和發(fā)展電子標(biāo)簽的基本對策。
關(guān)鍵詞 射頻識(shí)別；電子標(biāo)簽；唯一標(biāo)識(shí)符；芯片

RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的統(tǒng)稱，同條形碼、IC卡等其他識(shí)別方式相同，其基本功能是識(shí)別目標(biāo)物品的唯一標(biāo)識(shí)符(UID)，所不同的是以射頻傳輸方式來完成非接觸式的自動(dòng)識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與多目標(biāo)的識(shí)別。RFID同時(shí)又是一種數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具備通信系統(tǒng)的基本構(gòu)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(chǔ)容量大、識(shí)別目標(biāo)多、讀取距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可加密等優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展潛力，RFID被譽(yù)為當(dāng)今重要的技術(shù)之一。RFID系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵是電子標(biāo)簽，文中重點(diǎn)介紹電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并提出了我國現(xiàn)階段應(yīng)用和發(fā)展電子標(biāo)簽的基本對策。

1 電子標(biāo)簽技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在國內(nèi)外研究文獻(xiàn)中，目前對電子標(biāo)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(xiàng)核心技術(shù)，一個(gè)標(biāo)簽芯片即為一個(gè)系統(tǒng)，集成了除標(biāo)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(chǔ)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(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無源標(biāo)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(shè)計(jì)了一款最小輸入功率僅為2．7μW、讀寫距離可達(dá)12 m的2．45 GB標(biāo)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(biāo)簽芯片。在國內(nèi)，中國集成電路廠商已能自行研發(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EPCglobal官方授權(quán)認(rèn)證。總體而言，我國UHF、微波頻段RFID芯片設(shè)計(jì)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(shù)。后續(xù)封裝問題。靈敏度問題。可靠性和成本。
RFID芯片設(shè)計(jì)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(yuǎn)，讀寫速度更快，可靠性更高，并且成本不斷降低。除增加標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量以攜帶更多的信息、縮小標(biāo)簽的體積以降低成本、提高標(biāo)簽的靈敏度以增加讀取距離之外，當(dāng)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(xiàn)；低成本芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；新型存儲(chǔ)技術(shù)；防沖突算法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)；與傳感器的集成技術(shù)；與應(yīng)用系統(tǒng)緊密結(jié)合的整體解決方案。
1．2 天線設(shè)計(jì)技術(shù)
在RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中，小型化問題始終倍受關(guān)注。為擴(kuò)展應(yīng)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(biāo)簽仍然使用片外獨(dú)立天線，其優(yōu)點(diǎn)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(biāo)簽形式植入動(dòng)物體內(nèi)等任務(wù)。若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，無需任何外部器件即可進(jìn)行工作，可使整個(gè)標(biāo)簽體積減小，而且簡化了標(biāo)簽制作流程，降低了成本，這就引發(fā)了片上天線技術(shù)的研究。另外，目前標(biāo)簽天線研究的重點(diǎn)還包括，天線匹配技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、覆蓋多種頻段的寬帶天線設(shè)計(jì)、多標(biāo)簽天線優(yōu)化分布技術(shù)、抗金屬設(shè)計(jì)技術(shù)、一致性與抗干擾技術(shù)等。
1．3 封裝技術(shù)
電子標(biāo)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(shù)的發(fā)展，在標(biāo)簽封裝技術(shù)上相繼出現(xiàn)了新的加工工藝，如倒裝芯片凸點(diǎn)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(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(dǎo)電油墨印刷標(biāo)簽天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腐蝕法制作標(biāo)簽天線，大幅降低了電子標(biāo)簽的制作成本。除此之外，標(biāo)簽封裝技術(shù)的研究熱點(diǎn)還包括低溫?zé)釅悍庋b工藝、精密機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、多物理量檢測與控制、高精高速運(yùn)動(dòng)控制、在線檢測技術(shù)等。
1．4 標(biāo)簽應(yīng)用技術(shù)
基于RFID標(biāo)簽對物體標(biāo)識(shí)的唯一特性，引發(fā)了對各種功能標(biāo)簽的研究熱潮。除了傳統(tǒng)意義上的物品識(shí)別、追蹤和監(jiān)控之外，研究熱點(diǎn)還包括交互式智能標(biāo)簽、空間定位與跟蹤、普適計(jì)算、移動(dòng)支付、物品防偽等。
(1)交互式智能標(biāo)簽。交互式智能標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)仍由單芯片無線微功率收發(fā)機(jī)和單片機(jī)組成。在單片機(jī)中預(yù)先寫入各種所需的應(yīng)用程序，必要時(shí)通過無線指令來調(diào)用這些程序，使標(biāo)簽執(zhí)行包括識(shí)別、定位、數(shù)據(jù)采集等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的各種工作。標(biāo)簽平時(shí)并不向外發(fā)射任何信號(hào)，而根據(jù)需要每隔一定時(shí)間，周期性地在監(jiān)聽頻道上接收并記錄協(xié)調(diào)器以廣播方式發(fā)來的信號(hào)，只有在收到喚醒指令后才跳轉(zhuǎn)到讀寫器工作頻道，接收來自協(xié)調(diào)器的指令，并根據(jù)指令按照預(yù)先寫入的程序方式進(jìn)入與讀寫器進(jìn)行信息交流的狀態(tài)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的工作任務(wù)，再回到監(jiān)聽和睡眠狀態(tài)。可見，該技術(shù)的核心是通過快速過濾無效信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽的超低功耗無線遠(yuǎn)距離傳輸，其代價(jià)是需要額外使用一個(gè)協(xié)調(diào)器。由于交互式智能標(biāo)簽解決了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的低成本、低功耗和無線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題，從而拓展了電子標(biāo)簽的應(yīng)用范疇，可廣泛應(yīng)用于城市智能交通系統(tǒng)、城市基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等需要遠(yuǎn)距離識(shí)別、定位或數(shù)據(jù)采集的領(lǐng)域。
(2)實(shí)時(shí)定位與跟蹤標(biāo)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，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(xiàn)一種定位技術(shù)能夠較為完善地解決諸如機(jī)場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、地下礦井等室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中設(shè)施與物品的位置信息問題。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(wèi)星定位系統(tǒng)難以應(yīng)對的室內(nèi)定位。其主要利用標(biāo)簽對物體的唯一標(biāo)識(shí)特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號(hào)強(qiáng)度來測量物品的空間位置。
(3)普適計(jì)算標(biāo)簽。通過與傳感器技術(shù)相結(jié)合，RFID標(biāo)簽還可以感知物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處物品或環(huán)境的溫度、濕度及光照等狀態(tài)信息，并利用無線通信技術(shù)將這些信息及其變化傳遞到計(jì)算單元，提高環(huán)境對計(jì)算模塊的可見度，構(gòu)建未來普適計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施。
(4)移動(dòng)支付標(biāo)簽。RFID移動(dòng)支付通過在手機(jī)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(jī)話費(fèi)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(dòng)支付是RFID產(chǎn)業(yè)與電信業(yè)相互融合的產(chǎn)物，現(xiàn)階段主要有Felica、NFC、DISIM和RF-SIM 4種應(yīng)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(shù)，是將RF模塊鑲嵌在SIM卡內(nèi)，SIM卡用于正常的手機(jī)移動(dòng)通信、鑒權(quán)，與手機(jī)建立物理連接。RF-SIM卡支持市面上所有手機(jī)，是一個(gè)可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務(wù)平臺(tái)。
(5)防偽標(biāo)簽。傳統(tǒng)防偽技術(shù)如物理防偽、生物防偽、結(jié)構(gòu)防偽、條碼和數(shù)碼防偽等由于不具備唯一性和獨(dú)占性，易復(fù)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?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的ID號(hào)，無法修改和仿造。此外，RFID防偽技術(shù)還具有無物理磨損、讀寫器物理接口安全性高、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、讀寫器與標(biāo)簽之間相互認(rèn)證等特點(diǎn)，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(shù)珍品防偽等領(lǐng)域已逐步得到應(yīng)用，且呈擴(kuò)大趨勢。
1．5 標(biāo)準(zhǔn)問題研究
當(dāng)前，國際上與電子標(biāo)簽相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn)主要有：(1)ISO／TEC18000標(biāo)準(zhǔn)。(2)EPC標(biāo)準(zhǔn)、(3)DSRC標(biāo)準(zhǔn)。(4)UID標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還有許多國家和機(jī)構(gòu)均在積極制訂與RFID相關(guān)的區(qū)域、同家或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，并希望通過不同渠道提升為同際標(biāo)準(zhǔn)。各標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)格式三個(gè)方面。2008年1月，歐盟FP7項(xiàng)目組出資贊助舉辦全球RFID通用性標(biāo)準(zhǔn)論壇(GRIFS)，旨在通過加強(qiáng)協(xié)作使RFID標(biāo)準(zhǔn)在全球取得最大程度的一致。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)簽的各種標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了融合的趨勢，如用于高頻13．56 MHz的ISO／IFC15693標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)的一部分，EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)成為ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。就目前而言，美國、歐盟及其他國家分別采用各自不同的標(biāo)準(zhǔn)，由于利益難以協(xié)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)制主要有物理方法、密碼機(jī)制以及二者的結(jié)合。物理方法通常使用在低成本標(biāo)簽中，通過靜電屏蔽或主動(dòng)干擾實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽信息的保護(hù)。與基于物理方法的硬件安全機(jī)制相比，基于密碼技術(shù)的軟件安全機(jī)制受到更多的青睞，其主要利用各種成熟的密碼方案和機(jī)制來設(shè)計(jì)符合RFID安全需求的密碼協(xié)議。

2 電子標(biāo)簽的發(fā)展趨勢與對策
電子標(biāo)簽的應(yīng)用和發(fā)展是建立在RFID產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的基礎(chǔ)上的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)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(nèi)RFID已有的技術(shù)和市場基礎(chǔ)上發(fā)展中國的電子標(biāo)簽，就必須瞄準(zhǔn)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(biāo)簽?zāi)壳斑€存在較多缺陷，如由于天線具有方向性使得單標(biāo)簽讀出可靠性偏低容易產(chǎn)生漏讀、射頻識(shí)別信號(hào)容易受金屬和水等導(dǎo)電物質(zhì)影響造成識(shí)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(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(biāo)簽放置在一起時(shí)標(biāo)簽天線產(chǎn)生陣列效應(yīng)可能表現(xiàn)出與單個(gè)標(biāo)簽天線不同的特性等，都對電子標(biāo)簽的發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。
(2)盡快制定電子標(biāo)簽的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(3)找準(zhǔn)應(yīng)用的突破口，提升行業(yè)應(yīng)用規(guī)模。由企業(yè)甚至停留在表層，業(yè)務(wù)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(biāo)簽在供應(yīng)鏈管理及企業(yè)信息化建設(shè)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(wù)流程進(jìn)行創(chuàng)新，充分發(fā)揮電子標(biāo)簽的優(yōu)勢，提升行業(yè)應(yīng)用的規(guī)模，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，是日前急需解決的問題。
(4)加強(qiáng)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨行業(yè)應(yīng)用。隨著RFID的發(fā)展不斷拓展，近年來在世博會(huì)門票管理、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(yīng)用。中國RFID產(chǎn)業(yè)已從政府需求轉(zhuǎn)向市場需求。在RFID發(fā)展過程中，既要看到RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，又要看到在這個(gè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題，用更加科學(xué)的方法來不斷深化RFID的應(yīng)用，以此推動(dòng)圍內(nèi)RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 結(jié)束語
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(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)，以及對國內(nèi)外所出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)問題和安全隱私問題進(jìn)行了分析與研究。最終就國內(nèi)現(xiàn)階段的電子標(biāo)簽應(yīng)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。