RFID標籤關鍵技術應用發展

RFID是射頻識別技術的統稱，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完成非接觸式的自動識別，並實現運動目標與多目標的識別。RFID同時又是一種數據通信技術，具備通信系統的基本構件如發送、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。憑藉其存儲容量大、識別目標多、讀取距離遠、數據可加密等優點及發展潛力，RFID被譽為當今重要的技術之一。RFID系統應用與發展的關鍵是電子標籤，文中重點介紹電子標籤的關鍵技術及國內外研究現狀，並提出了我國現階段應用和發展電子標籤的基本對策。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/260040.htm

1 電子標籤技術及國內外研究現狀
在國內外研究文獻中，目前對電子標籤的研究主要集中在以下6個方面。
1．1 晶片技術
晶片技術是RFID技術中的一項核心技術，一個標籤晶片即為一個系統，集成了除標籤天線及匹配線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。對晶片的基本要求是輕、薄、小、低、廉。
在國外，TI、Intel、Philips、STMicroelectronics、Infineon、NXP、Atmel等集成電路廠商在開發小體積、微功耗、價格低廉的RFID晶片上取得了出色的成果。如Atmel公司研製的UHF無源標籤最小RF輸入功率可低至16．7 μW。瑞士聯邦技術研究院設計了一款最小輸入功率僅為2．7μW、讀寫距離可達12 m的2．45 GB標籤晶片。日本日立公司在2006 ISSCC會議上提出了一款面積為0．15 mm×0．15 mm、厚度僅為7．5μm的標籤晶片。在國內，中國集成電路廠商已能自行研發生產低頻、高頻頻段晶片並接近國際先進水平，上海坤銳公司研製的UHF頻段QR系列晶片已經通過EPCglobal官方授權認證。總體而言，我國UHF、微波頻段RFID晶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。與天線的適配技術。後續封裝問題。靈敏度問題。可靠性和成本。
RFID晶片設計與製造技術的發展趨勢是晶片功耗更低，作用距離更遠，讀寫速度更快，可靠性更高，並且成本不斷降低。除增加標籤的存儲容量以攜帶更多的信息、縮小標籤的體積以降低成本、提高標籤的靈敏度以增加讀取距離之外，當前研究的熱點還包括：超低功耗電路；安全與隱私技術，密碼功能及實現；低成本晶片設計與製造技術；新型存儲技術；防衝突算法及實現技術；與傳感器的集成技術；與應用系統緊密結合的整體解決方案。
1．2 天線設計技術
在RFID標籤天線的設計中，小型化問題始終倍受關注。為擴展應用範圍，小型化後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標籤仍然使用片外獨立天線，其優點是天線Q值較高、易於製造、成本適中，但是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標籤形式植入動物體內等任務。若能將天線集成在標籤晶片上，無需任何外部器件即可進行工作，可使整個標籤體積減小，而且簡化了標籤製作流程，降低了成本，這就引發了片上天線技術的研究。另外，目前標籤天線研究的重點還包括，天線匹配技術、結構優化技術、覆蓋多種頻段的寬帶天線設計、多標籤天線優化分布技術、抗金屬設計技術、一致性與抗幹擾技術等。
1．3 封裝技術
電子標籤的封裝主要包括晶片裝配、天線製作等主要環節。隨著新封裝技術的發展，在標籤封裝技術上相繼出現了新的加工工藝，如倒裝晶片凸點生成(Bunping)、天線印刷等。與傳統的線連接或載帶連接相比，倒裝晶片技術的優點是封裝密度較高、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籤天線代替傳統的腐蝕法製作標籤天線，大幅降低了電子標籤的製作成本。除此之外，標籤封裝技術的研究熱點還包括低溫熱壓封裝工藝、精密機構設計優化、多物理量檢測與控制、高精高速運動控制、在線檢測技術等。
1．4 標籤應用技術
基於RFID標籤對物體標識的唯一特性，引發了對各種功能標籤的研究熱潮。除了傳統意義上的物品識別、追蹤和監控之外，研究熱點還包括交互式智能標籤、空間定位與跟蹤、普適計算、行動支付、物品防偽等。
(1)交互式智能標籤。交互式智能標籤的結構仍由單晶片無線微功率收發機和單片機組成。在單片機中預先寫入各種所需的應用程式，必要時通過無線指令來調用這些程序，使標籤執行包括識別、定位、數據採集等物聯網應用所需的各種工作。標籤平時並不向外發射任何信號，而根據需要每隔一定時間，周期性地在監聽頻道上接收並記錄協調器以廣播方式發來的信號，只有在收到喚醒指令後才跳轉到讀寫器工作頻道，接收來自協調器的指令，並根據指令按照預先寫入的程序方式進入與讀寫器進行信息交流的狀態，在規定的時間內完成指定的工作任務，再回到監聽和睡眠狀態。可見，該技術的核心是通過快速過濾無效信號，實現了標籤的超低功耗無線遠距離傳輸，其代價是需要額外使用一個協調器。由於交互式智能標籤解決了物聯網應用中的低成本、低功耗和無線遠距離傳輸等關鍵問題，從而拓展了電子標籤的應用範疇，可廣泛應用於城市智能交通系統、城市基本數據採集系統等需要遠距離識別、定位或數據採集的領域。
(2)實時定位與跟蹤標籤。現有的定位系統主要包括衛星定位系統、紅外線或超聲波定位系統以及基於行動網路的定位系統，但受定位時間、定位精度及環境條件等限制，目前還未出現一種定位技術能夠較為完善地解決諸如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、地下礦井等室內複雜環境中設施與物品的位置信息問題。RFID技術為空間定位與跟蹤服務提供了新的解決方案，尤其適用於衛星定位系統難以應對的室內定位。其主要利用標籤對物體的唯一標識特性，依據讀寫器與安裝在物體上的標籤之間射頻通信的信號強度來測量物品的空間位置。
(3)普適計算標籤。通過與傳感器技術相結合，RFID標籤還可以感知物聯網節點處物品或環境的溫度、溼度及光照等狀態信息，並利用無線通信技術將這些信息及其變化傳遞到計算單元，提高環境對計算模塊的可見度，構建未來普適計算的基礎設施。
(4)行動支付標籤。RFID行動支付通過在手機終端與POS終端間採用短程通信方式進行交易，既可採用手機話費支付交易金額，又可採用SIM卡綁定銀行帳戶由銀行處理交易。RFID行動支付是RFID產業與電信業相互融合的產物，現階段主要有Felica、NFC、DISIM和RF-SIM 4種應用方式。其中RF-SIM是一種基於SIM卡的中近距離無線通信技術，是將RF模塊鑲嵌在SIM卡內，SIM卡用於正常的手機移動通信、鑑權，與手機建立物理連接。RF-SIM卡支持市面上所有手機，是一個可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務平臺。
(5)防偽標籤。傳統防偽技術如物理防偽、生物防偽、結構防偽、條碼和數碼防偽等由於不具備唯一性和獨佔性，易複製，不能起到真正的防偽作用。RFID技術防偽具有絕對性的優勢，因為每個標籤都有一個全球唯一的ID號，無法修改和仿造。此外，RFID防偽技術還具有無物理磨損、讀寫器物理接口安全性高、標籤數據可加密、讀寫器與標籤之間相互認證等特點，所以基本上無法完全仿製，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、藝術珍品防偽等領域已逐步得到應用，且呈擴大趨勢。
1．5 標準問題研究
當前，國際上與電子標籤相關的通信標準主要有：(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相關的區域、同家或產業聯盟標準，並希望通過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部分，它們之間並不兼容主要差別在於通信方式、防衝突協議和數據格式三個方面。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)，旨在通過加強協作使RFID標準在全球取得最大程度的一致。隨著RFID技術的發展，電子標籤的各種標準出現了融合的趨勢，如用於高頻13．56 MHz的ISO／IFC15693標準已經成為ISO18000-3標準的一部分，EPC GEN2標準也已經成為ISO18000-6C標準。就目前而言，美國、歐盟及其他國家分別採用各自不同的標準，由於利益難以協調，標準的統一儘管迫切，但過程仍較為漫長。
1．6 安全隱私問題研究
研究和採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籤中，通過靜電屏蔽或主動幹擾實現對標籤信息的保護。與基於物理方法的硬體安全機制相比，基於密碼技術的軟體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設計符合RFID安全需求的密碼協議。

2 電子標籤的發展趨勢與對策
電子標籤的應用和發展是建立在RFID產業鏈發展的基礎上的，任何一個環節的落後都將影響整個產業發展。我圍在RFID領域研發時間上落後於歐美韓日等同，在UHF和微波頻段上還缺少完整的產業鏈，在目前國內RFID已有的技術和市場基礎上發展中國的電子標籤，就必須瞄準整個RFID產業鏈，並制定具體的措施和策略。
(1)加大研發力度，尋求技術突破。電子標籤目前還存在較多缺陷，如由於天線具有方向性使得單標籤讀出可靠性偏低容易產生漏讀、射頻識別信號容易受金屬和水等導電物質影響造成識別距離下降、RFID系統與頻段接近的其它無線通信系統同時工作時可能產生電磁幹擾影響彼此的性能、大量RFID標籤放置在一起時標籤天線產生陣列效應可能表現出與單個標籤天線不同的特性等，都對電子標籤的發展構成挑戰。
(2)儘快制定電子標籤的相關標準。
(3)找準應用的突破口，提升行業應用規模。由企業甚至停留在表層，業務流程簡單，邏輯單一，缺少後端系統的集成，未真正發揮出電子標籤在供應鏈管理及企業信息化建設中的作用。因此，如何整合RFID與企業現有的信息系統如ERP、SCM、MIS等，對業務流程進行創新，充分發揮電子標籤的優勢，提升行業應用的規模，形成完整的產業鏈，是日前急需解決的問題。
(4)加強技術融合，實現跨區域、跨行業應用。隨著RFID的發展不斷拓展，近年來在世博會門票管理、智能交通、物流、食品安全、商品防偽、電力等領域得到新的應用。中國RFID產業已從政府需求轉向市場需求。在RFID發展過程中，既要看到RFID產業的發展潛力，又要看到在這個發展過程中出現的問題，用更加科學的方法來不斷深化RFID的應用，以此推動圍內RFID產業的發展。

3 結束語
文中描述了RFID的基本功能、優點及發展趨勢。並介紹了電子標籤的關鍵技術，以及對國內外所出現的標準問題和安全隱私問題進行了分析與研究。最終就國內現階段的電子標籤應用與發展，提出了基本政策和發展趨勢。這對RFID發展起到了關鍵性的作用。