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射频识别技术在中国的发展前景

一、射频识别(RFID)技术简介:

    射频识别技术(RFID,即Radio Frequency Identificati on)是从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术。由于大规模集成电路技术的成熟,射频识别系统的体积大大缩小,因而才进入实用化的阶段。它利用射频方式进行非接触双向通信,以达到识别目的并交换数据。它和同期或早期的接触式识别技术不同、RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别。因此它可在更广泛的场合中应用。本文在进一步研究射频识别技术的基础上较全面的介绍它在产品证件防伪、防盗及科学化自动化管理方面的应用。

  典型的射频识别系统包括两部分:它们是射频卡、读写器。
  射频卡的几个主要模块集成到一块芯片中、完成与读写器通信,芯片上有内存部分用来储存识别号码或其它数据:内存容量从几个比特到几十千比特。 芯片外围仅需连接天线(和电池),可以作为人员的身份识别卡或货物的标识卡。卡封装可以有不同形式、倒如常见的信用卡的形式及小圆片的形式等。和条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比,射频卡具有非接触,工作距离长,适于恶劣环境, 可识别运动目标等优点,在多数RFID系统中,读写器在-个区域内发射能量形成电磁场、区域大小取决于工作频率和天线尺寸。射频卡经过这个区域时检测到读写器的信号就开始发送储存的信息及数据。读写器发送的信号通常提供时钟信号及射频卡所需的足够能量,其中的时钟信号使数据同步,从而简化了系统的设计。读写器接收到卡的数据后、解码并进行错误校验来决定数据的有效性、然后通过RS232,RS422,RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。简单的RFID产品就是一种非接触的IC卡、而复杂的RFID产品能和外部传感器接口连接来测量、记录不同的参数或甚至与GPS系统连接来跟踪物体。

    条码成本最低、适于大量需求且数据不必更改的场合。例如商品包装上就很适宜,但是较易磨损、且数据量很小。磁卡的价格也很便宜,但是很容易磨损,数据量小。IC卡的价格稍高些、数据存储量很大,数据安全性好、但是由于它的触点暴露在外面,有可能因静电或人为的原因损坏。射频卡最大的优点就在于非接触、因此完成识别工作时无须人工干预、适于实现自动化且不易损坏,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便。射频卡不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,短距离的射频卡可以在这样的环境中替代条码、例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用于交通上,可达几十米,如自动收费或识别车辆身份。

  RFID技术的分类方法主要有四种:

  整个系统根据工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统。低频系统一般工作在100-500kHZ;中频系统工作在10到15MHZ左右;而高频系统则可达850-950MHZ甚至2.4-5GHZ的微波段。高频系统应用于需要较长的读写距离和高的读写速度的场合,象火车监控,高速公路收费等系统,但天线波束较窄价格较高;中频系统在13.56MHz的范围。这个频率用于门禁控制和需传送大量数据的应用;低频系统用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪。

  根据射频卡的不同可分成三种:可读写卡(RW)、一次写入多次读出卡 (W0RM)和只读卡(R0)。RW卡-般比W0RM卡和RO卡贵得多,如电话卡、信用卡等。W0RM卡是用户可以一次性写入的卡,写入后数据不能改变,W0RM卡比RW卡要便宜。R0卡存有一个唯一的号码,不能逐改,这样提供了安全性,R0卡最便宜。射频卡可以做得很薄很小,例如1厘米长度或更小。

    射频卡也可分为有源的及无源的两种。有源射频卡使用卡内的电池的能量、识别距离较长,可达几米,但是它的寿命有限并且价格较高;无源射频卡不含有电池,利用耦台的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量,它的重量轻、体积小,寿命可以非常长、很便宜,但它的发射距离受限制,一般是几十厘米到一米,且需要读写器的发射功率大。

  根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式。主动式的射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器。被动式的射频卡,使用调制散射方式发射数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,在门禁或交通的应用中适宜,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频卡则主要用于有障碍物的应用中,距离更远(可达30米)。

  目前使用的多数系统中,一次只能读写一个射频卡,射频卡之间要保持一定距离,确保一次只能有一个卡在读写区域内。读写距离长则射频卡之间的距离也要大。应用起来很不方便。现在的射频卡具有防碰撞的功能,这对于RFID来说十分重要,所谓碰撞是指多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡,它的并行工作方式大大提供系统的效率。

二、国际射频识别技术发展状况

  射频识别技术在国外发展的很快,RFID产品种类很多,象德州仪表、 Motoro1a、Phllips等等世界著名厂家都生产RFID产品,并且它们的产品各有特点,自成系列。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域:汽车、火车等交通监控;高速公路自动收费系统;停车场管理系统;物品管理;流水线生产自动化;安全出入检查;仓储管理;动物管理;车辆防盗等等。RFID的应用仍在层出不穷。如澳大利亚将它的RFTD产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出色的作用,欧共体宣布1997年开始生 产的新车型必须具有基于RFiD技术的防盗系统,瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装RFID自动识别系统,调度员可以实时的掌握火车运行情况,不仅利于管理,还大大减小发生事故可能性,1996年1月韩国在汉城的600辆公共汽车上安装RFID系统用于电子月票,还计划将这套系统推广到铁路和其它城市,德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票,改变了传统的机票购销方式,简化了机场人关的手续,德国BMW公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中,Motoro1a公司在超净车间里利用RFID系统来控制流水线的零件流向等等。

  据有关权威数据显示,射频识别产品在全世界的销量、1993年为990万套,1994年就猛增到2030万套,1997年有关产品的销量将为9810万套,而在全世界范围内射频产品的销售额,1989年为0.81亿美元,1992年为1。41亿美元、1997年为4.33亿美元, 1999年则为6。85亿美元,其中在1992-1999年间射颇识别产品在全世界销售额的年平均增长率将达25.3%。射频识别产品的年销售量及销售额发展趋势见下图。由此可见,射频识别技术具有广阔的市场前景。

三、射频识别技术在我国发展前景:

  我国在政府在1993年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的10年规划,是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在,射频识别技术做为一种新兴的自动识别技术,也将在中国很快地普及,可以说、我国射频识别产品的市场是十分巨大的,举一个例子来说明,利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向,人工收费包括IC卡的停车收费方式也终将被淘汰。随着经济交流、旅游的发展、我国的高速公路发展势头十分强劲、对自动收费系统的需求会日益增长、我国的国土面积大、公路多、车辆多,预计在未来十年内将有数十亿元的需求。

  国内已有几家公司在引进国外的先进技术,开发自己的射频识别系统。现在,在锦山的一条高速公路上已应用了非接触射频卡自动收费,上海的公共汽车使用了电子月票,北京的机场高速公路上、深圳的皇岗口岸也使用了射频识别系统收费等等。

  RFID技术在下列几种应用中比较有发展前景。当然在这里仅仅罗列了RFID技术应用的一部分,但都是可行的且十分重大。可以毫不夸张的预测,任何一种应用如果成为现实,都将会孕育一个庞大的市场。RFID将是未来一个新的经济增长点。

  1. 高速公路自动收费(AVl)及交通管理   

  高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。目前中国的高速公路发展非常快,地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件,而高速公路收费却存在一些问题,一是交通堵塞,收费站口,许多车辆要停车排队,成为交通瓶颈问题;二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了相当的财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。

  一般来说对于公路收费系统、车辆的大小和形状不同、需要大约4米的读写距离和很快的读写速度、也就要求系统的频率应该在900M Hz和2500MHz。射频卡一般在车的挡风玻璃后面。现在最现实的方案是将多车道的收费口分两个部分:自动收费口、入工收费口。天线架设在道路的上方。在距收费口约50-100米处,当车辆经过天线时,车上的射频卡被头顶上的天线接收到,判别车辆是否带有有效的射频卡。读写器指示灯指示车辆进人不同车道,人工收费口仍维持现有的操作方式,进入自动收费口的车辆,养路费款被自动从用户帐户上扣除,且用指示灯及蜂鸣器告诉司机收费是否完成,不用停车就可通过,挡车器将拦下恶意闯入的车辆。

  1996年、佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费以提高车辆通过率,缓解公路瓶颈。车辆可以在250公里的时速下用少于0.5毫秒的时间被识别,并且正确率达99.95%。上海也安装了基于RFID的自动收聚养路费系统。另外两个安装在广州的与上海和佛山的工程不同,广州的工程尝试在开放的高速公路上对正在高速行驶的车辆进行自动收费,通道采用RFID系统。中国有把握改善其公路基础设施,而现在最大的问题是应用于高速公路收取养路费的RFID技术没有统-的标准。各个厂家使用自己的专用标准、使得建立全国高速公路自动收费系统时, 情况变得很混乱。

  在城市交通方面,交通的状况日趋拥挤,解决交通问题不能只依赖于修路、加强交通的指挥、控制、疏导,提高道路的利用率,深挖现有交通潜能也是非常重要的。而基于RFID技术的实时交通督导和最佳路线电子地图很快将成为现实。用RFID技术实时跟踪车辆,通过交通控制中心的网络在各个路段向司机报告交通状况,指挥车辆绕开堵塞路段,并用电子地图实时显示交通状况。能够使得交通流向均匀,大大提高道路利用率。还可用于车辆特权控制,在信号灯处给警车、应急车辆、公共汽车等行驶特权;自动查处违章车辆,记录违章情况。另外、公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息,给乘客很大的方便。用RFID技术能使交通的指挥自动化、法制化,有助于改善交通状况。

  2.门禁保安

  将来的门禁保安系统均可应用射频卡,一卡可以多用,比如作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出人手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器,人员出入时自动识别身份,非法闯人会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式,将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。1996夏季奥林匹克运动会的安全机构采用射频卡结合生物测定学技术作为保安系统中的一种,运动员和官方人员随身携带含有自己手掌信息的射频卡,当他们在要进入某一安全区的,必需将其右手搁在扫描器上,只有该人同系统根据其手信息在安全库中检索出的三维图象一样,并且同其本人所携带的卡片上信息一致方可进入该区域,由于卡和携卡人是唯一联系的,所以只有卡主人才可使用自己的卡。而卡丢失、偷卡和借卡使用都构不成对安全的威胁。

  公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面如:计算机、传真机、文件、复印机或其它实验室用品上,该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产,可以跟踪一个物品从某一建筑离开,或是用报警的方式限制物品离开某地。结合GPS系统利用射频卡,还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。

  3. RFID卡收费

  国外的各种交易大多利用各种卡来完成,而在我国普遍采用现金交易,现金交易不方便也不安全,还容易出现税收的漏洞、目前的收费卡多用磁卡、IC卡,而射频卡也开始抢占市场,原因是在一些恶劣的环境中、磁卡、IC卡容易损坏、而射频卡则不易磨损、也不怕静电及其它情况。同时射频卡用起来很方便、快捷。甚至不用打开包、在读写器前摇晃一下,就完成收费。还可以同时识别几张卡.并行收费。比如公共汽车上的电子月票.我国大城市的公共汽车异常拥挤、人员素质差、环境条件差,一般在国外还较有效的收费系统在国内就无法使用。射频卡的使用有助于改善这个情况。

  又比如会员制收费卡、职工就餐卡、商店收费、电话卡、储蓄卡等等均可使用射频卡。射频卡上有内存分区,不同区域有不同的安全级别、可以在各种的应用中使用,互不干扰,而未来的发展必将各种卡的应用统一到一张卡上,个人手持一张卡就可以各处使用。

  4.生产线自动化

  用RFID技术在生产流水线上实现自动控制、监视,提高生产率,改进生产方式、节约了成本,举两个例子以说明在生产线上应用RFID技术的情况。

  用于汽车装配流水线。德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样而生产的:用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号还有轮胎式样等要求,这样一来,汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车、如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上配有RFID系统,他们使用可重复使用的射频卡,该射频卡上可带有详细的汽车所需的所有要求,在每个工作点处都有读写器,这样可以保证汽车在各个流水线位置处能毫不出错地完成装配任务。

  Motorola、SGSThomson等集成电路制造商在竞争激烈的半导体工业中采用了加入了射频识别技术的自动识别工序控制系统。半导体生产对于超净的特殊需要,使得RFID应用在此非常理想,而其它自动识别系统,如条形码在如此苛刻的化学条件和超净要求下就不适用。

  晶片是集成电路生产的关键。一片8英寸的晶片可以制造出100-1000个芯片。假如每片芯片零售价为$100,那么一片晶片上所包含的芯片价值至少就是$10000。一个晶片容器可装25个晶片,四个晶片容器可同时进行处理、那么一次误操作造成的损失就达$1000000。显然.跟踪每个晶片容器并消除误操作是非常必要的。

  在一个超净车间里、通常能有800位点.晶片容器要从一处位点移动到下-一位点。有时,晶片会因进入了错误的堆而造成损失。射频识别系统将核查晶片堆、设备、工序和操作人员。如果其中任何一项的身份不对,设备将不能开始工作,同时向操作人员显示指示。

  5.仓储管理

  将RFID系统用于智能仓库货物管理,RFID完全有效地解决了仓库里与货物流动有关的信息的管理,它不但增加了一天内处理货物的件数还监看着这些货物的一切信息,射频卡是贴在货物所通过的仓库大门边上,读写器和天线都放在叉车上、每个货物都贴有条码、所有条码信息都被存储在仓库的中心计算机里、该货物的有关信息都能在计算机里查到。当货物被装走运往别地时,由另一读写器识别并告知计算中心它被放在哪个拖车上。这样管理中心可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了多少产品,并可自动识别货物,确定货物的位置。

  6.汽车防盗

  这是RFID较新的应用。由于已经开发了足够小的射频卡、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡,在汽车上装有读写器。当钥匙插入到点火器中时,读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的,特定信号、汽车的引擎将不会发动。用这种电子验证的方法、汽车的中央计算机也就能容易的防止短路点火。目前欧洲的丰田汽车、福特汽车和Mitsubishi汽车公司、韩国汽车制造商Hyundai等在它的欧洲车型中也应用射频卡在欧洲和美国出售的汽车中用于防盗。目前全世界已经有大约数百万辆汽车装有该防盗系统。

  另一种汽车防盗系统。司机自己带有一射频卡,其发射范围是在司机座椅45-55厘米以内。读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的ID号时,系统发出三身呜叫,然后汽车引擎才能启动。该防盗系统还有令一强大功能。倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭的话,这时读写器就需要读取另一有效ID号,假如司机将该射频卡带离汽车,这样读写器不能读到有效ID号、则引擎会自动关闭同时会触发报警装置。同样这种射频卡也可用于家庭和办公室的防盗。

  射频卡可应用于寻找丢失的汽车。在城市的各主要街道路线处埋设RFID的天线系统,只要车辆带有射频卡,则在路过任何天线读写器时、该汽车的ID号和当时时间都将会被自动记录,并被返回到城市交通管理中心的计算机中,除了城市街道埋设天线外,警察还开动若干辆带有读写器的流动巡逻车,以更加方便地监测车辆的行踪。如果车辆被盗,就将很方便快捷地被找回,在巴西的圣·保罗市已经使用这样的系统。

  7. 防伪

  伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题,在中国大量伪造产品充斥市场将会沉重打击民族工业。现在应用的防伪技术如全息防伪等技术同样也被不法分子伪造。

  将射频识别技术应用在防伪的领域有它自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低,但是却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜,而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂,使伪造者望而却步。射频卡本身具有内存,可以储存、修改与产品有关的数据、利于销售商使用;体积十分小、便于产品封装。象电脑、激光打印机、电视等等产品上都可使用。

  建立严格的产品销售渠道是防伪问题的关键。利用射频识别技术、厂家、批发商、零售商之间可以使用唯一的产品号来标识产品的身份。生产过程中在每样产品上封装入射频卡,卡上记载了唯一的产品号。批发商、零售商用厂家提供的读写器就可以严格检验产品的合法性。

  利用这种技术不能改变现行的数据管理体制。唯一的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。

  有关防伪的应用请参考《中国防伪》2000年6月号46页〈加拿大射频识别防伪及应用〉。

  8. 电子物品监视系统

  (Electronic Article Surveillance, EAS) 这系统的目的是防止商品盗窃。系统是基本配置的RFID、内存容量仅为1比特,即开或关。它是基于从1930年就已知道的磁性物质的特性,有四种主要技术:微波、磁场、声磁、射频。系统包括贴在物体上的射频卡,和商店出口处的扫描器,射频卡在安装时被激活,它在激活状态时接近扫描器将会被探测到,这样就会报警。货物购买之后,射频卡由销售人员用专用工具拆除(典型的是在衣服店里),或者射频卡可以用磁场来使其失效或破坏射频卡本身的电特性。EAS系统已被广泛的使用。据估计每年消耗六十亿套。

  9. 畜牧管理

  这个领域的发展起步于赛马的识别,是用小玻璃封装的射频卡植于动物皮下,提供赛马的识别。射频卡大约10MM长,内有一个线圈,约1000圈的细线绕在铁氧体上,读写距离是十几个厘米。从赛马发展到了标识牲畜。牲畜的识别提供了现代化管理牧场的方法。

  10.火车和货运集装箱的识别

  在火车运营中使用RFID系统有个很大的优势在于火车是按既定路线运行。所以肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据,能够得到火车的身份、监控火车的完整性,以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故,同时在车站能将车厢重新编组。起初的努力是用超音波和雷达测距系统读出车厢侧的条码,现在被RFID系统取代,射频卡一般安在车厢顶边,读写器安在铁路沿线,就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。

  11.运动计时

  在马拉松比赛中,由于马拉松比赛人员太多,有时第一个出发的同最后一个出发的人离开起跑线能相隔40分钟、如果没有一个精确的计时装置会造成不公平的竞争。射频卡应用于马拉松比赛的精确计时。运动员在自己的鞋带上很方便地系上射频卡,在比赛的起跑线和终点线处放置带有微型天线的小垫片,当运动员越过此垫片时,计时系统接收运动员所带的射频卡发出的ID号,并记录当时的时间。这样每个运动员都有自己的起始和结束时间,不带有不公平的竞争可能性了。在比赛路线的中如果每隔5公里就设置这样的垫片,也可以很方便地记录运动员的阶段跑所用时间。该装置用于1995年以来各大型的马拉松比 赛,有1995的柏林马拉松、1996的洛山玑马拉松、1996伦敦马拉松、1996的柏林马拉松、1996亚特兰大夏季奥林匹克奥运会马拉松比赛等。

  RFID还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。读写器连接到跑道下面一系列的天线,射频卡安装到车前、就在天线的上方。当赛车越过起跑线时,赛车的ID号和时间被计时记录,并存储到中心计算机内,这样到比赛结束时,每个参赛选手将会有一个满意的结果。

四、结论

  射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段,但是它的发展潜力是巨大的,它的前景非常诱人。在信息社会,对于各种信息的获取及处理要求快速、准确、在不久的将来RFID技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活、改善我们的生活。对于这样一个新技术,我们应当加强宣传力度,希望能够尽早普及它,利用它,提高我们的工作效率和经济效益。

  相比之下。我仍认为对于RFID应用的管理和标准化的工作就需要迎头赶上,否则众多厂家各行其是,造成既成事实,再统一管理会很困难。现在RFID的国际标准尚未完成、仅有一些行业标准,这给标准化工作带来一定的难度。但从战略角度来讲。这个问题日益紧迫。

  应当看到的是,凭我们现在的技术条件、尤其是集成电路工业的落后,在这个市场上很难和国外产品竞争。国内更多的是引进国外的产品,怎样改变这种状况、让我们的产品在这样一个巨大的市场上占有一席之地,是一个严峻的课题。

注:以上文章摘录于http://www.kilomega.com(微波在线)