物联网——射频识别技术的应用

引言

在经过了一个学期的“智能协同与无线通信”课程学习之后，自己对信息与通信工程有了一定了解。在某个偶然的实验中，我们使用用到了物联网实验箱以及通信实验箱，而在其中的物联网实验箱中，射频识别技术(RFID）的模块让我很感   兴趣，在实验结束之后，感觉实验箱的功能过于匮乏以及简陋，于是抱着好奇的心态，想要了解该模块的功能以及射频识别技术的的其他各个方面。在结合网络查找的资料以及基于自身的了解的知识的条件下，我在本篇文章简要的阐述了射     频识别技术的概念、内部结构及原理以及未来的发展前景。

一、概念简述

（1）物联网：
按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing,T2T)，人与物品 (Human to Thing,H2T)，人与人(Human to Human,H2H) 之间的互连。其概念是在 1999 年提出的，物联网的英文名： Internet of Things
（IOT），也称为 Web of Things。被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。2005 年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU 互联网报告 2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。在中国 5G 通信得到大力发展之后，物联网又将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。
（2）射频识别(RFID)：
射频识别(RFID)是一种无线通信技术，可以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者光学接触。它的主要原理其实就是将附着在物品上的数据发送出去，以自动识别和追踪该物品；在识别的过程中，标签可以从识别器中获取能量或者本身具有电源。标签包含了电子储存的信息，与一般的扫描识别不同，射频标签不需要在识别器视线内，也可以直接嵌入物体内部。

二、组成部分及作用

一套完整的 RFID 系统， 是由读写器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，各部分的构成及作用：
标签(Tag)：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；能发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动电路将内部的数据送出。
读写器(Reader)：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；能够依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
天线(Antenna)：在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线；在标签和读取器间传递射频信号；按方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。（介质：电磁场）
标签的分类标准：
UID（Ubiquitous ID）规范由日本泛在 ID  中心负责制定。日本泛在 ID  中心由 T-Engine论坛发起成立，其目标是建立和推广物品自动识别技术并最终构建一个无处不在的计算环境。该规范对频段没有强制要求，标签和读写器都是多频段设备，能同时支持13.56MHz 或2.45GHz 频段。UID 标签泛指所有包含ucode 码的设备，如条码、RFID 标签、智能卡和主动芯片等，并定义了 9 种不同类别的标签。
天线的工作方式以及被影响因素：
天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合电子标签应用；由于 RFID 标签放置方向不可控，读写器天线必须采取圆极化方式（其天线增益较大）；天线增益和阻抗特性会对 RFID 系统的作用距离产生较大影响；天线的工作频段对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响。
天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响。如金属物体对电磁信号有衰减作用， 金属表面对信号有反射作用，弹性基层会造成标签及天线变形，物体尺寸对天线大小有一定限制等。人们根据天线的以上特性提出了多种解决方案，如采用曲折型天线解决尺寸限制，采用倒 F 型天线解决金属表面的反射问题等。
天线特性还受天线周围物体和环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传输；金属物体产生电磁屏蔽，会导致无法正确地读取电子标签内容；其他宽频带信号源，比加发动机、水泵、发电机和交直流转换器等，也会产生电磁干扰，影响电子标签的正确读取。如何减少电磁屏蔽和电磁干扰，是 RFID 技术研究的一个重要方向。

三、工作原理的简要分析：

首先在其他组成部分都完整时，标签进入磁场，接收天线发射的（源自读写器）射频信号，从感应电流中获得一定能量，之后再发送出存储在芯片中的信息(无源标签或称被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(有源标签或主动标签)，读写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。

频段描述作用距离穿透能力
125~134KHz 低频(LF) 45cm 能穿透大部分物体
13.553~13.567MHz 高频(HF) 1~3m 勉强穿透金属与液体
400~1000MHz 超高频(UHF) 3~9m 穿透力较弱
2.45GHz 微波(Microwave) 3m 穿透力最弱

其次，RFID 技术的工作频率在不同的应用情况下，有不同的选择（包括不同工作频率对工作的影响、标签的尺寸的变化等）。低频频段能量相对较低、数据传输率较小，无线覆盖受限，但能够有效地绕开障碍物；而高频频段适合长距离传输信号，能够实现质量较好的通讯，但易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖。

四、RFID 的应用

1、门禁卡（身份识别）
在门票中嵌入集成的 RFID-SIM 芯片，在手机终端用户界面实现门票的选购、退回等功能，同时在读取门票时（读取电子标签时）可以获取唯一的序列，保证识别的准确性。如：上海世博会使用的 RDIF 门票有效的缓解了每日约 50 万的客流量的带来的人力资源的不足。
2、货物管理
通过给各个种类的物品写入不同且唯一的标签，以方便员工或系统快速获得该物品的相关信息（数量、位置），这些标签大大提高了物流公司等对物品管理效率。如：2010 年 8 月，沃尔玛推出的电子 ID 标签计划，将衣物的各项参数（尺寸、颜色、材质等）都标记在标签内部，提高了衣物的管理效率。
3、电子车牌（身份识别）
和门禁卡原理相似，它将普通车牌与 RFID 技术相结合，成品可以说是由一个无线的电子标签组成。车牌中储存了经过加密处理的车辆信息，这些信息只能由授权过的无线识别器识别（读写器），执法人员或者检测基站的监控系统携带连接WLAN 的 PDA 后，扫描经过基站的车辆，可以得到该车辆信息与基站中该车辆的信息核实情况（经过数据加密的电子车牌很难被仿制），达到车辆身份识别的功能。
4、基于 RFID 的 ETC 收费系统
类似于扫码付款，射频识别器在车辆不断通过的过程中直接扫描安装在车窗上的标签，利用标签与收费站之间的短程通讯，连接网络后直接缴费，达到不需停车就能缴费的效果。

五、关于 RDIF 的未来前景

首先，在近几年，物联网进行了继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命。在此过程中，RFID 技术确实展现了其相对于其他技术独到的一面。
在日常中的刷码、刷脸、刷手掌静脉进行身份识别、扫码支付、IC 标签+RFID 支付、用户行为分析支付等等，无人店背后是强大的材料和技术在支撑——射频识别RFID 技术。
在目前的物联网产业中，数据采集手段有很多，RFID 就是其中之一，对于 RFID 技术来说，它更需要一个具体的物体或说项目来实现，同时要与其他辅助手段如：互联网、大数据、人工智能等进行融合（这在一程度上加快了 RFID 技术的创新、发展）才能达到一个很好的效果。比如，在继无人超市之后的无人零售产业，又引领了新一轮的 RFID 技术的兴起。
目前无人零售商店在技术上大概有两种技术趋向，以 AmazonGo、淘咖啡及 take go 所代表的前沿派，三者用的都是目前大热的前沿技术，比如机器视觉、深度学习算法、传感器融合技术、卷积神经网络、生物识别等，类似于仿生学的识别技术;而以缤果盒子、7-11、罗森日本无人店所代表的 RFID 派——RFID 在对货物的识别与防盗上更具优势，技术上也更为成熟。
RFID   是目前最适合应用在无人商店商品包装上的技术，然而，它也存在着成本高的弊端，所以更适合高价值商品，如果未来 RFID 芯片成本降低，那么廉价的商品也可以采用，RFID 应用将会更加广泛。
不过 RFID 电子标签应用也有局限性，RFID 技术不能适用于金属、液体、内敷铝箔的包装，遇到液体也因为信号会被吸收而误读严重，另外 RFID 极易遭屏蔽，标签黏贴麻烦， 易被撕毁，尺寸和感应距离都不容易协调。
从整个产业形势来看，物联网的蓬勃发展必然带来大量的 RFID 应用机遇，2016 年我国 RFID 的市场规模达到 542.7 亿元。虽然其具有高成本的弊端，可喜的是，无人零售正在成为 RFID 的一个风口应用，无人超市、无人便利店、无人冰箱、无人售货柜，无论最终是哪种形式取得成功都将为 RFID 带来一个高速增长的机会，而它最有力的竞争对手 AI 图像识别在技术上在短期内是不会给 RFID 的推广造成很大的阻滞。
由此可见，RFID 未来前景潜力不只我们眼前所见。