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第42章 条形码与RFID技术(4)

条形码在现代化物流管理中起着直接、高效的信息媒体作用,它使现代化的管理和现代化技术的应用成为可能。以条码技术的应用为基础的信息流将是21世纪信息技术的重要特征,控制了信息流就控制了物流,信息技术的现代化将促进物流管理的现代化。

第二节射频识别技术(RFID)

一、RFID的发展历程

射频识别技术(Radio Frequency Identification,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。RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期,那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别。从历史上看,RFID技术的发展基本可按10年期划分为几个阶段。RFID并不是一个崭新的技术,经过多年的发展,13.56兆赫以下的RFID技术已相对成熟,目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术,其中860~960兆赫(UHF频段)的远距离RFID技术发展最快;而2.45吉赫(GHz)和5.8吉赫频段由于产品拥挤,易受干扰,技术相对复杂,其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。

二、RFID系统构成

最基本的RFID系统由标签、阅读器和天线三部分组成。

(1)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,一般保存有约定格式的电子数据,在实际应用中电子标签附着在待识别物体的表面。标签相当于条码技术中的条码符号,用来存储需要识别传输的信息。另外,与条码不同的是,标签必须能够主动或被动地把存储的信息发射出去。标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电集成电路。

按照不同的标准,标签有多种分类方法。

①主动式标签与被动式标签。在实际应用中,必须给标签供电它才能工作,虽然它的电能消耗是非常低的(一般是百万分之一毫瓦级)。按照标签获取电能的方式不同,可以把标签分成主动式标签与被动式标签。

主动式标签内部自带电池进行供电,它的电能充足,工作可靠性高,信号传送的距离远。主动式标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制,它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方。如一年内,标签只允许读写有限次。主动式标签的缺点主要是标签的使用寿命受到限制,而且随着标签内电池电力的消耗,数据传输的距离会越来越小,影响系统的正常工作。

被动式标签内部不带电池,要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈,当标签进入系统的工作区域,天线接收到特定的电磁波,线圈就会产生感应电流,再经过整流电路给标签供电。被动式标签具有永久的使用期,常常用在标签信息需要每天读写多次或频繁读写的地方,而且被动式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。被动式标签的缺点主要是数据传输的距离要比主动式标签短。因为被动式标签依靠外部的电磁感应来供电,它的电能就比较弱,数据传输的距离和信号强度就受到限制,需要敏感性比较高的信号阅读器才能可靠识读。

②只读标签与可读对写标签。根据内部使用存储器类型的不同,标签可以分成只读标签与可读可写标签。

只读标签内部只有只读存储器ROM(Read Only Memory)和随机存储器RAM(Random Access Memory)。ROM用于存储发射器操作系统说明和安全性要求较高的数据,它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内部的操作控制功能,如响应延迟时间控制、数据流控制、电源开关控制等。另外,只读标签的ROM中还存储有标签的标识信息,这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入ROM中,也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只简单地代表二进制中的“0”或者“1”,也可以像二维条码那样,包含丰富的复杂信息。但这种信息只能一次写入,多次读出。只读标签中的RAM用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外,只读标签中除了ROM和RAM外,一般还有缓冲存储器,用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。

可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外,还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外,还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种,EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)是比较常见的一种,这种存储器在加电的情况下,可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。

(2)阅读器(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。阅读器通常包含一个射频模块(发射器和接收器),一个控制单元和一个与收发器的耦合单元。另外,某些阅读器还包含其他数据接口(RS232, RS485,TCP/IP等),以便将数据转发到其他系统(PC,机器人控制系统等)。

(3)天线(Antenna):天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中,除了系统功率,天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收,需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。

三、RFID系统的工作原理及特点

1.RFID的工作原理

读写器通过天线发送出一定频率的射频信号,当RFID标签进入读写器工作场时,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(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);阅读器接收到来自标签的载波信号,对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理;计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号;RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑,控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其他操作。

2.RFID技术的特点

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。RFID的优点突出体现在如下几个方面:

(1)无接触识别阅读距离远。有效识别距离更大,采用自带电池的主动标签时,有效识别距离可达到30米以上;

(2)识别速度快(输入12位数据速度只有0.3~0.5秒);

(3)可识别高速移动中的物体;

(4)可穿过布、皮、木等材料阅读;

(5)可以同时对多个物体进行识读;

(6)抗恶劣环境工作能力强,可全天候工作。

四、RFID的标准

目前,RFID还未形成统一的全球化标准,市场为多种标准并存的局面,但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始,RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。当前已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关的,其中包括电子标签与读写器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID标签的数据内容编码标准等。后台数据库网络应用系统目前并没有形成正式的国际标准,只有少数产业联盟制定了一些规范,现阶段还在不断演变中。

RFID标准争夺的核心主要在RFID标签的数据内容编码标准这一领域。目前,形成了五大标准组织,分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。EPCGlobal是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立,在全球拥有上百家成员,得到了零售巨头沃尔玛,制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支持。而AIM、ISO、UID则代表了欧美国家和日本;IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言,EPCGlobal由于综合了美国和欧洲厂商,实力相对占上风。

(1)GS1/EPCGlobal系当今世界以欧美跨国列强为全体阵营的RFID标准最强大组织。该组织前身为北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织,合并后先称之为EPCGlobal,最近又名正言顺地称为GS1环球标准老大组织;

(2)AIMGlobal组织,即全球自动识别组织。该组织系全球产品编码组织,每年向全球包括中国企业条形码收费;

(3)ISO全球非营利工业标准化组织;

(4)UID为日本泛在技术核心组织;

(5)IP-X是南美、澳大利亚、瑞士为中性主权国的第三世界标准组织。

中国作为世界制造业中心、最大的消费国之一,无疑会成为RFID技术应用的大国。在RFID中国国家标准迟迟未能出台的情况下,2005年,五大RFID标准组织巨头不约而同访华,纷纷来中国兜售自己的标准。

表面上看,制定、发布和实施标准的目的是解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题,最大程度地促进技术及相关系统在我国的应用,实际上,标准之争是物品信息控制权和产业控制权之争,关系着国家安全、技术战略实施和产业的发展,其本质是利益之争。

中国也曾试图建立起自己的编码标准——全国产品与服务统一代码(NPC),但因政府部门间的利益纷争而夭折。

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