物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之RFID識別

引言

自20世紀90年代物聯(lián)網(wǎng)概念出現(xiàn)以來，越來越多的人對其產(chǎn)生了興趣。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別、無線數(shù)據(jù)、計算機等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋萬事萬物的實物互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)每個產(chǎn)品都有一個唯一的產(chǎn)品碼，叫做EPC（ElectronicProductCode，產(chǎn)品電子代碼）。通常EPC碼被存入硅芯片做成的電子標簽內(nèi)，附在被標識產(chǎn)品上，被高層的信息處理系統(tǒng)識別、傳遞、查詢，進而在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上形成專為供應(yīng)鏈企業(yè)服務(wù)的各種信息服務(wù)，就是物聯(lián)網(wǎng)。而射頻識別是物聯(lián)網(wǎng)中最基本也是最關(guān)鍵的技術(shù)。

RFID及其發(fā)展

RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識別）又稱電子標簽、無線射頻識別。RFID類似于條形碼掃描，條形碼掃描是將已編碼的條形碼附著于目標物并使用專用的掃描讀寫器利用光信號將信息由條形磁傳送到掃描讀寫器；而RFID則使用專用的RFID讀寫器及專門的可附著于目標物的電子標簽，即RFID標簽，利用頻率信號將信息由RFID標簽傳送至RFID讀寫器。RFID技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段：20世紀40年代，雷達的改進及應(yīng)用催生了RFID技術(shù)，1948年，HarryStockman發(fā)表的《利用反射功率進行通信》奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ);50年代早期,RFID技術(shù)處在探索階段,主要出于實驗室的實驗研究；60年代，RFID技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開始一些應(yīng)用嘗試；70年代，射頻識別技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個大發(fā)展時期，各種射頻識別技術(shù)測試得到加速，出現(xiàn)了一些最早的射頻識別應(yīng)用；80年代，射頻識別技術(shù)及產(chǎn)品進入商業(yè)應(yīng)用階段，各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn)；0年代，RFID技術(shù)標準化問題已逐漸得到重視，RFID產(chǎn)品得到了廣泛采用;到21世紀,RFID產(chǎn)品種類已經(jīng)非常豐富,有電子標簽、無源電子標簽、半無源電子標簽，成本降低，應(yīng)用不斷擴大。

RFID的構(gòu)成及工作原理

RFID主要由三個部分組成，即RFID標簽、閱讀器和天線。標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的EPC，附著在物體上標識目標對象；閱讀器由天線、耦合元件、芯片組成，可讀?。ɑ?qū)懭耄撕炐畔?；天線用于在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。圖1所示是RFID系統(tǒng)的基本模型，圖中作為RFID的部分只包括RFID標簽、天線以及閱讀器。當(dāng)RFID標簽進入磁場后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號給閱讀器，閱讀器讀取信息后，通過網(wǎng)絡(luò)送至上層系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

圖1  RFID系統(tǒng)模型

RFID較條形碼識別的優(yōu)點

相比條形碼識別，RFID識別具有如下優(yōu)點：

掃描速度快。條形碼一次只能有一個條形碼受到掃描,RFID則可同時讀取多個RFID標簽。

體積小、形狀多樣。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。

抗污染能力和抗損壞性強。傳統(tǒng)條形碼的載體是紙張,易受污染，但RFID對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強抵抗性。此外，由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上，所以特別容易受到折損，而RFID是將數(shù)據(jù)存在芯片中，因此可以免受損壞。

可重復(fù)使用?，F(xiàn)在的條形碼印刷上去之后就無法更改,RFID標簽則可以重復(fù)地新增、修改、刪除RFID標簽內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

信號具有穿透性。RFID射頻信號能夠穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明材質(zhì)，而條形碼掃描機必須在近距離而且沒有物體阻擋的情況下，才可使用。

數(shù)據(jù)記憶容量大。一維條形碼容量是50B，二維條形碼最大容量可達3000B，RFID最大的則有數(shù)兆字節(jié)，而且有不斷擴大的趨勢。

安全性。由于RFID承載的是電子式信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護，使其內(nèi)容不易被偽造及變造。

RFID標簽的分類

4.1按供電方式分類

按供電方式分類，RFID可分為有源、無源和半有源三類。

有源標簽又稱主動標簽，標簽具有內(nèi)部電源，用以提供標簽電路本身及標簽與閱讀器通訊所需的能量。特點是電能充足，工作可靠性高，信號傳送距離較遠，但時刻都在發(fā)送信號，使用壽命有限、體積較大、成本較高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作。

無源電子標簽又稱被動式標簽，標簽無內(nèi)部電源，其內(nèi)部電路運行及向閱讀器回傳信息所需能量均由接收到的閱讀器所發(fā)送的射頻信號進行電能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。這類標簽價格低廉，體積小巧，無需額外電源，工作壽命長且對工作環(huán)境要求不高，一般可做到免維護，缺點是信號有效距離相對有源標簽短。目前市場的RFID標簽主要是無源標簽。無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，也是發(fā)展最成熟、市場應(yīng)用最廣的產(chǎn)品。

半有源電子標簽具有內(nèi)部電源，一般采用鈕扣電池供電，但僅對標簽內(nèi)部電路提供電源支持。標簽未進入工作狀態(tài)前，處于休眠狀態(tài)，相當(dāng)于無源標簽，標簽內(nèi)部電能消耗極少，電池可維持幾年甚至長達10年；當(dāng)標簽進入信號區(qū)域時進入工作狀態(tài)，標簽與閱讀器之間信息交換的能量由閱讀器發(fā)出的射頻能量為主，標簽內(nèi)部電路所需能量由內(nèi)部電源提供。相對于無源電子標簽，半有源電子標簽內(nèi)部電源恰好可以驅(qū)動標簽工作，天線可以只管收發(fā)射頻信號，從而避免了無源電子標簽在吸收射頻信號能量進行電能轉(zhuǎn)換與回傳信息兩者間不斷切換影響工作效率的弱點。半有源標簽有更快的反應(yīng)速度，更好的效率，較遠的閱讀距離。

4.2按載波頻率分類

按載波頻率分類，RFID可分為低頻、高頻和超高頻三類。

低頻電子標簽的工作頻率范圍為30~300kHz。典型工作頻率為125kHz、133kHz，與之相關(guān)的國際標準有ISO11784/11785(用于動物識別)、ISO18000-2(125~135kHz)。低頻標簽一般為無源標簽，與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時，標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)，一般情況下距離小于1m，其工作能量是通過電感(磁)耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：標簽芯片一般采用普通的CMOS工藝，省電、廉價；可以穿透水、有機組織、木材等；非常適合近距離的、低速度的、數(shù)據(jù)量要求較少的識別應(yīng)用。其劣勢主要體現(xiàn)在：標簽存儲數(shù)據(jù)量較少；只能適合低速、近距離識別應(yīng)用；與高頻標簽相比，標簽天線匝數(shù)更多，成本更高一些。典型應(yīng)用有動物識別、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜(帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車鑰匙)等。

高頻電子標簽的工作頻率范圍為3~30MHz，典型工作頻率為13.56MHz，與之相關(guān)的國際標準有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3(13.56MHz)等。該頻段的電子標簽，從射頻識別應(yīng)用角度來說，因其工作原理與低頻標簽完全相同，一般也采用無源方式，標簽與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換時,標簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。中頻標簽的閱讀距離一般情況下也小于1m（最大讀取距離為1.5m）o高頻標準的基本特點與低頻標準相似，由于其工作頻率的提高，可以選用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。典型應(yīng)用包括電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等。電子標簽天線設(shè)計相對簡單，標簽一般制成標準卡片形狀。

超高頻標簽的典型工作頻率為433.92MHz、862（902）~928MHz、2.45GHz、5.8GHz，相關(guān)的國際標準有ISO10374、ISO18000-4（2.45GHz）、ISO18000-5（5.8GHz）、IS018000-6（860~930MHz）、ISO18000-7（433.92MHz）、ANSINCITS256-1999等。超高頻標簽分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，電子標簽位于閱讀器天線輻射場的遠區(qū)場內(nèi)，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況為4~7m，最大可達10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的電子標簽可被讀/寫。由于閱讀距離的增加，閱讀區(qū)域中可以同時讀取多個電子標簽，目前,先進的射頻識別系統(tǒng)均將多標簽識讀問題作為系統(tǒng)的一個重要特征。目前，無源高頻電子標簽比較成功產(chǎn)品相對集中在902~928MHz工作頻段范圍，2.45GHz和5.8GHz射頻識別系統(tǒng)多以半無源高頻電子標簽產(chǎn)品面世。典型應(yīng)用包括移動車輛識別、電子身份證、倉儲物流應(yīng)用、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等。

RFID的數(shù)據(jù)安全問題

隨著RFID能力的提高和標簽應(yīng)用的日益普及，安全問題,特別是用戶隱私問題變得日益嚴重。由于未授權(quán)的讀寫器可以讀取和收集其作用范圍內(nèi)電子標簽的相關(guān)信息，并通過信息積聚或位置信息對照來獲取個人的隱私信息，例如金錢、藥物（與特殊的疾病相關(guān)聯(lián)）、書（可能包含個人的特殊喜好）等，特別是可能暴露用戶的位置隱私，使得用戶被跟蹤。RFID的安全隱患主要存在于閱讀器與標簽之間的通信過程，由于RFID技術(shù)要求硬件本身的成本要低，因此一些好的安全辦法是不能直接應(yīng)用在這項技術(shù)上的，這是造成目前為止RFID技術(shù)不能廣泛代替條碼標簽的原因。

5.1存在的不安全因素

RFID的不安全因素首先是內(nèi)部人員泄露RFID相關(guān)信息。內(nèi)部人員泄露RFID信息有兩種途徑：一種是竊取射頻標簽實體提供給不法分子，之后，不法分子通過物理手段在實驗室環(huán)境中去除芯片封裝，并使用微探針獲取敏感信號，從而進行射頻標簽重構(gòu)的復(fù)雜攻擊；另一種是將密鑰提供給不法分子。

另外就是利用軟硬件對閱讀器和電子標簽進行攻擊來獲取相關(guān)信息，這是影響RFID安全的主要因素。攻擊通常分為兩類七種：一類是主動攻擊（篡改信息、偽造信息、重放信息、中斷信息）；另一類是被動攻擊（跟蹤標簽監(jiān)控貨物流通、干擾讀寫器及標簽正常工作、截取標簽數(shù)據(jù)傳遞信息）。這七種攻擊是RFID技術(shù)應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域中所見到的最普通的攻擊。圖2歹U出這七種攻擊行為的主要意圖。

圖2  七種攻擊行為

5.2采取的主要措施

防止RFID存在不安全因素的主要措施有以下幾點：

5.2.1物理隔離

物理隔離主要是在不希望標簽被讀取的時候使用物理方法阻斷電磁波傳遞路徑。如可用特殊的可阻斷電磁波的包裝袋來保護購買的商品信息，以防他人知道。目前,已經(jīng)開發(fā)出可以阻斷RFID信號的包裝袋。

5.2.2停止標簽服務(wù)

停止標簽服務(wù)是在RFID標簽的應(yīng)用周期完成之后，部分或者全部停止標簽的信息服務(wù)。這種方法主要針對那種只存儲標簽ID的無源標簽,這種標簽的ID號是唯一的，往往是由產(chǎn)品的分類號和一個局部唯一的序列號組成。

5.2.3讀取訪問控制

讀取訪問控制是利用hash函數(shù)來進行加密和驗證的方案。進行讀取訪問控制時，RFID標簽只響應(yīng)通過驗證的識讀器。除RFID識讀器和標簽之外，還需要數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的支持。這是一種能夠提供較完整的數(shù)據(jù)安全保護的方案，也是近來研究比較多的方案。

5.2.4雙標簽聯(lián)合驗證

雙標簽聯(lián)合驗證是一種面向低端、無源、計算能力低的RFID標簽的安全驗證方法。這種方法主要是在兩個相對應(yīng)的RFID標簽被識讀器同時讀到時，使用讀取設(shè)備作為中介進行互相驗證。即使在識讀器不被信任的情況下，標簽也能脫機進行驗證。

6RFID的發(fā)展現(xiàn)狀

目前,RFID在國內(nèi)的很多領(lǐng)域都得到實際應(yīng)用，包括物流、煙草、醫(yī)藥、身份證、門票、寵物管理等，但除了公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡、二代身份證等，還很難經(jīng)常感受到RFID在生活中的存在。這是因為相對于我們國家的經(jīng)濟規(guī)模，其應(yīng)用范圍還遠未達到廣泛的程度，即便在RFID應(yīng)用比較多的交通物流產(chǎn)業(yè)，也還處于點分布的狀態(tài)，而沒能達到面的狀態(tài)。往往是產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)為保持其競爭地位而率先嘗試采用這種新技術(shù)，而更多的企業(yè)還抱著觀望和猶豫的態(tài)度。以物流產(chǎn)業(yè)為例，應(yīng)用RFID技術(shù)可以大幅提高物流運作效率,如加快貨物出入庫時間，減少現(xiàn)場操作人員，實現(xiàn)快速而精確的庫存盤點，實現(xiàn)貨物準確定位跟蹤等，但時至今日，在國內(nèi)真正實施RFID技術(shù)的物流企業(yè)還屈指可數(shù)。阻礙RFID這一新興產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展的因素主要有以下四個方面。

第一是行業(yè)標準尚未統(tǒng)一，這是制約RFID發(fā)展的首要因素。在國際上，RFID技術(shù)標準化發(fā)展?jié)u呈三足鼎立之勢,國際標準化組織的ISO/IEC18000、日本的UbiquitousID、美國的EPCGlobal，這三個標準互相之間不兼容，主要差別在數(shù)據(jù)格式、防沖突協(xié)議和通訊方式三個方面，因此不同標準的RFID標簽與閱讀器很難互通。雖然國際上已經(jīng)有現(xiàn)成的RFID標準，但我們不能直接使用，正如國家標準聯(lián)合工作組秘書長、國家電子標簽標準工作組總體組主任王立建曾坦言:“如果直接使用他國制定的標準，不但每年的經(jīng)濟損失相當(dāng)于八國聯(lián)軍侵華好幾次，還會對國家的信息安全造成嚴重威脅?！蔽覈?004年初正式成立電子標簽國家標準工作組，目前正制定中國自己的RFID標準。正是由于標準的不統(tǒng)一和未定型，各個行業(yè)不敢冒然使用RFID技術(shù)，而這也勢必對未來的RFID產(chǎn)品互通和全球經(jīng)濟發(fā)展造成了阻礙。

第二，我國企業(yè)總體信息化水平不高，阻礙了RFID充分發(fā)揮其作用。RFID作為一種信息技術(shù)手段，其基本功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準快速采集。這些數(shù)據(jù)采集后，必須經(jīng)過進一步的對比分析處理，才能達到提高效率、降低總體成本的作用。這要求企業(yè)信息化必須達到一定水平，使RFID系統(tǒng)與企業(yè)既有的ERP（EnterpriseResourcePlanning，企業(yè)資源計劃）、CRM（CustomerRelationshipManagement，客戶關(guān)系管理）等信息集成在一起，才能充分發(fā)揮其作用。

第三，RFID實施成本還比較高，使很多企業(yè)望而卻步。不僅僅對中國企業(yè)，即便對西方企業(yè)，RFID的高成本也是一個巨大障礙。正如前文所言，RFID的基本技術(shù)原理在60幾年前就產(chǎn)生了，但直到20世紀后期，RFID的應(yīng)用才逐步推廣到民用領(lǐng)域，正是高成本阻礙了RFID技術(shù)的實際應(yīng)用。目前在國內(nèi)，一張RFID標簽一般都在1元以上，ETC（ElectronicTollCollection，電子不停車收費系統(tǒng)）的車載單元要400多元，高成本使得RFID的投資回報具有很大風(fēng)險，使其應(yīng)用大多局限于高價值或高利潤商品領(lǐng)域。

第四，我國產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈發(fā)展還處于初級階段，也阻礙了RFID的實際應(yīng)用。與西方企業(yè)相比，由于技術(shù)和管理處于劣勢地位，我國大多行業(yè)都存在過度競爭，價格成為市場競爭的主要手段，這就使得很多制造企業(yè)利潤率維持在相當(dāng)?shù)偷乃?，產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的上下游企業(yè)之間往往博弈大于合作。而RFID技術(shù)只有在整個供應(yīng)鏈上協(xié)同實施，實現(xiàn)供應(yīng)鏈信息透明和分享，才能最大程度發(fā)揮出RFID的作用，這在目前情況下還很難做到。另外，實施RFID的一個主要益處是節(jié)省人工成本，而中國較低的工資水平也使得很多企業(yè)沒有積極性去實施RFID技術(shù)。

7RFID的發(fā)展方向

展望未來幾年，我們看到有利于RFID發(fā)展的趨勢正日益明顯。相信不久的將來，我們國家將會研究制定出自己的RFID標準，其他的許多國家也會陸續(xù)開始制定自己的標準。要做到真正的信息安全，就必須使得RFID編碼標準、芯片和核心技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)。2012年，雖然以美國Impinj的Monza®X和美國意聯(lián)HiggsTM4芯片為代表的國外RFID芯片產(chǎn)品強勢登陸，但國內(nèi)企業(yè)也推出了兩款可圈可點的芯片一一具有安全算法的超高頻RFID電子標簽芯片和KLW1008高頻電子標簽芯片，兩款國產(chǎn)芯片的問世標志著我國對RFID核心技術(shù)掌控能力得到了很大的加強，意味著距離推出我們自己RFID標準更近了一步。2012年中國大陸已有73家企業(yè)闖入世界500強，更多本土企業(yè)正迅速成長為跨國經(jīng)營企業(yè)，日益復(fù)雜的管理要求這些企業(yè)必須迅速推進信息化建設(shè)，在這一點上中國企業(yè)具有一定的后發(fā)優(yōu)勢，而企業(yè)信息化必然給RFID帶來良好的發(fā)展機遇。

8結(jié)語

隨著中國企業(yè)信息化的進程,RFID的應(yīng)用將會由點到面,逐步拓展到更廣的領(lǐng)域。RFID的實施成本，必然隨著RFID應(yīng)用的推廣和市場的擴大而逐步降低，RFID的應(yīng)用將會從目前的托盤或整箱的貨物跟蹤逐步擴展到單品貨物跟蹤的水平。從產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈角度看，國家目前提倡的產(chǎn)業(yè)升級，就是要使中國企業(yè)多生產(chǎn)高技術(shù)、高附加值、高利潤產(chǎn)品，而這些領(lǐng)域，正是RFID用武之地。產(chǎn)業(yè)升級也終將帶動中國企業(yè)提升市場競爭能力，逐步由單體企業(yè)競爭上升為產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的競爭。關(guān)于電子標簽的安全性，還是一個有待進一步研究的問題，即在不增加太多成本的同時提高其安全性。目前，各大RFID廠商正努力尋找解決之道，他們試圖通過使電子標簽在商品銷售到消費者手中后自動失效，或者通過增加加密手段來保護個人隱私。

20211020_616ef3cf2f8a8__物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之RFID識別