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1、第5章RFID技术及二维码RFID与传感器二维码以及条码都处在物理网的感知层，主要是为上面的网络层提供数 据服务而存在的oRFID是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据， 而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。它具有防磁、防水、耐高温、存储数 量大、标签数据可加密、读取距离大、使用寿命长、存储信息更改自如等特点，它的应用给 物流业、零售业等带来了革命性的变化。本章主要围绕RFID的发展史、组成结构及工作原 理、RFID工作频率、数据安全、应用领域以及研究现状和发展趋势等方面来展开讲解。最 后介绍二维码。51 RFID的发展史射频识别（Radio Frequency
2、 Identification, RFID）,又称电子标签、无线射频识别。RFID 技术的发展经历了一下几个阶段：20世纪40年代时，雷达的改进及应用催生了 RFID技术， 1948年HarryStockman发表的“利用反射功率进行通信”奠定了 RFID技术的理论基础；20 世纪50年代早期RFID技术处在探索阶段，主要出于实验室的实验研究；20世纪60年代， RFID技术的理论得到了发展，开始一些应用尝试；20世纪90年代，RFID技术标准化问题已 逐渐得到重视，RFID产品得到了广泛采用。到21世纪RFID产品种类已经非常丰富，有电子 标签和无源电子标签、半无源电子标签都得到了发展，成本
3、降低，应用不断扩大。至今，RFID 技术的理论得到了丰富和完善。52 RFID的构成、工作原理及标签的分类1. RFID的构成及工作原理RFID主要由三个部分组成即标签、阅读器、天线。标签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；阅读器用于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；天线是在标签和读取器间传递射频信号。图 5-1中说明了 RFID组成的一个大概模型。图中作为RFID的部分只包括RFID标签、天线以及 阅读器。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
4、片中的产品信息（Passive Tag,无源标签或被动 标签），或者由标签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。图5-1 RFID组成模型阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理 中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间 一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时 序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理 及远程传送等管理功能。2. RFID标
5、签的分类应答器如电子标签是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微 带天线等）和微芯片组成无源单元。图5-2是RFID标签的一个实物图。RFID标签主要有被 动、半被动、主动三类。被动式：标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些 电磁波是由RFID读取器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。 这些数据不仅包括ID号（全球唯一），还可以包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。由 于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。目前市场的RFID标签主要是被 动式的。半被动式：一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一:接
6、收读取器所发出的电磁 波，藉以驱动标签IC；第二：标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0与1 的变化。问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在开路与短路”，这样又 会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。半主动 式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作 的状态。这样的好处在于，天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。比 起被动式，半主动式有更快的反应速度，更好的效率。主动式：与被动式和半被动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供 应内部IC所需电源以产生对外的讯号。一
7、般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大 的记忆体容量可以用来储存读取器所传送来的一些附加讯息。图5-2 RFID标签实物图5.3 RFID的工作频率目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的 不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。1. 低频RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行 工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的 作用在感应器天线中感应的电压被整流可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但 是场强下降的太快。它一般具有的特性：（1）工作在低频的感应器的
8、一般工作频率从120KHz 到134KHz,如TI的工作频率为134.2KHZ。该频段的波长大约为2500m；（2）除了金属材料影 响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离；（3）工作在低频的读写器 在全球没有任何特殊的许可限制；（4）低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格 太贵，但是有10年以上的使用寿命；（5）虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生 相对均匀的读写区域；（6）相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢且感 应器的价格相对与其他频段来说要贵。主要应用于畜牧业的管理、汽车防盗、自动停车场收费等方面。2. 高频在该频率的感应器不再需要线圈进
9、行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感 应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使 读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通 过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。它所具有 的特性如下：（1）工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m；（2）除了金属材料外， 该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段 距离；（3）该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制；（4）感应器一般以电子标签的形式；（5）该频率的磁场区域下降很快，但是能够产
10、生相对均匀的读区域；（6）该系统具有防冲 撞特性，可以同时读取多个电子标签；（7）可以把某些数据信息写入标签中且数据传输速率 比低频要快，它格不是很贵。主要应用于大型会议人员通道系统、医药物流系统的管理和应用智能货架的管理等方 面。3. 超高频超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很 好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进 行实现。它的特性：（1）在该频段，全球的定义不是很相同一欧洲和部分亚洲定义的频率为 868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。 该频段的波长大概
11、为30cm左右；（2）该频段功率输出目前统一的定义（美国定义为4W，欧 洲定义为500mW）。可能欧洲限制会上升到2W EIRP； （3）超高频频段的电波不能通过许多 材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标 签不需要和金属分开来；（4）电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两 种设计，满足不同应用的需求；（5）该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义；（6）有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。主要应用于生产线自动化的管理、航空包裹等方面。4, 有源RFID技术有源RFID工作频率在2.45GHz到5.8GHz
12、的范围内，它具备低发射功率、通信距离长、 传输数据量大，可靠性高和兼容性好等特点,与无源RFID相比，在技术上的优势非常明显。 被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。54 RFID的数据安全问题RFID系统在进行前端数据采集时，标签和识别器采用无线射频信号进行通信。这给系 统数据采集提供灵活性和方便性的同时也使得传递的信息暴露在外面，这无疑是信息安全的 重大威胁。随着RFID技术的快速推广应用，其数据安全问题已经成为一个广为关注的问题。对于RFID系统前端数据采集部分而言，信息安全的威胁主要来自于对标签信息的非法 读取和改动、对标签的非法跟踪、有效身份的冒充和欺骗。解决安全问题的方法主
13、要有以下 几种，即物理隔离、停止标签服务、读取访问控制、双标签联合验证。1. 物理隔离这种方法主要思想是在不希望标签被读取的时候使用物理方法阻断电磁波传递路径。例 如有人购买了贴有RFID标签的商品，在回家的路上他可以使用一种特殊的可阻断电磁波的 包装袋来保护他的个人隐私不被人知道。信息安全厂商RSA在这方面做了很多努力，他们 已经开发出可以阻断RFID信号的包装袋。2. 停止标签服务停止标签服务就是在RFID标签的应用周期完成之后，部分或者全部停止标签的信息服 务。这种方法主要是针对那种只存储标签ID的无源标签。这种标签的ID号是唯一的，往往 是由产品的分类号和一个局部唯一的序列号组成。3.
14、 读取访问控制读取访问控制是利用hash函数来进行加密和验证的方案。进行读取访问控制时，RFID 标签只响应通过验证的识读器。除RFID识读器和标签之外还需要数据库服务器的支持。这 是一种能够提供交完整的数据安全保护的方案，也是进来研究比较多的方案。4. 双标签联合验证双标签联合验证是一种面向低端、无源、计算能力低的RFID标签的安全验证方法。这 种方法主要是在两个相对应的RFID标签被识读器同时读到时，使用读取设备作为中介进行 互相验证。即使在识读器不被信任的情况下，标签也能脱机进行验证。55 RFID的应用领域RFID技术应用广泛如物流和供应管、生产制造和装配、航空行李处理、邮印快运包裹
15、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、城市一卡通的应用、高校手机一卡通的应用等等。在人们的生活中它将会是无处 不在。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。RFID有 助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗，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
16、把失窃和存 货水平降低25%。为方便市民在闭馆期间借阅书籍，三亚图书馆引进了2部“24小时自助图书馆”，市民 可以通过人机对话办理借阅证，并进行借书、还书操作。“24小时自助图书馆”是将相关的 RFID自动控制技术，整合为一个终端藏书服务柜台，通过图书馆网络及管理平台对接，从 而实现数据交互的自助借还系统服务。56 RFID的研究现状和发展方向和标准化问题1. RFID的研究现状目前RFID技术研究主要在工作频率选择、天线设计、安全与隐私、防冲突技术等方面。2. 发展方向根据国内为的研究和发展现状，RFID技术会围绕以下几个方面进行重点研究。（1）RFID产业发展的共性技术与具有较大发展潜力前
17、瞻性技术的研究，包括：超高频 读写器核心模块研发；基于不同应用对象的微波频段和超高频RFID标签天线的研究；RFID 系统测试技术和开放式平台建设；RFID系统检测、认证技术研究；基于IPv6网络技术RFID 信息服务体系的研究等。（2）RFID产业化关键技术研究，包括天线设计与制造、芯片设计与制造、读写器设计 与制造技术、RFID标签集成等。(3) RFID系统集成与中间件、RFID测试技术与规划、RFID应用体系架构等进行攻关和 研究，形成RFID技术发展支撑的服务体系。3.标准化问题RFID技术标准化是急需解决的问题，在国际上，RFID技术标准化发展渐呈三足鼎立之 势。ISO/IEC18
18、000、日本的 UbiquitousID、美国的 EPCGlobal。这三个标准互相之间不兼容，主要差别在数据格式、防冲突协议和通讯方式三个方面， 在技术上差距不明显，因此不同标准的RFID标签与读写器很难互通。这单个标准都是按照 RFID的工作频率分了几个频段。其中处于860960MHz之间的UHF频段产品因为工作距离 远且可能作为全球通用的频段而最受到重视，发展最快。我国政府在2004年初正式成立电 子标签国家标准工作组，目前正制定中国自己的RFID标准。57二维码由于一维条码的信息容量很小，如商品上的条码仅能容纳几位或者几十位阿拉伯数字或 字母，商品的详细描述只能依赖数据库提供，离开了预
19、先建立的数据库，一维条码的使用就 受到了局限。基于这个原因，人们迫切希望发明一种新的码制，除具备一维条码的优点外， 同时还有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。为了满足人们的这种需求，美国 Symbol公司经过几年的努力，于1991年正式推出名为PDF417的二维条码，简称为PDF417 条码如图5-3所示，即便携式数据文件”。图5-3二维码二维条码/二维码(2-dimensional bar code)是用某种特定的几何图形按一定规律在平 面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构 成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进
20、制相对应的几何形体来 表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具 有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定 的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。二 维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量 的信息。1. 二维码的分类二维条码/二维码可以分为堆叠式/行排式二维条码和矩阵式二维条码。堆叠式/行排式 二维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成；矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在 矩阵相应元素位置上用点”表示二进制“1”，用空”表示二进制“0
21、”，由点”和空”的排列组 成代码。(1) 堆叠式/行排式二维条码：堆叠式/行排式二维条码(又称堆积式二维条码或层排 式二维条码)，其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编 码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一 维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同 于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：Code 16K、Code49、PDF417等。(2) 矩阵式二维码：短阵式二维条码(又称棋盘式二维条码)它是在一个矩形空间通 过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点(方
22、点、圆点或 其他形状)的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵 式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等 基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有:Code One、 Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。2. 二维码的特点(1)高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108 个字节，或500多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍；(2)编码范围广：该条码可以 把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，用条码表示出来
23、；可以表 示多种语言文字；可表示图像数据；(3)容错能力强，具有纠错功能：这使得二维条码因穿 孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达50%仍可恢复信息；(4) 译码可靠性高：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一； (5)可引入加密措施：保密性、防伪性好；(6)成本低，易制作，持久耐用；(7)条码符 号形状、尺寸大小比例可变；(8)二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。3. 二维码的应用二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性， 这些特性特别适用於表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。参考文献1
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