鄭改成

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)及其應(yīng)用淺論

鄭改成

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

從科普的角度，介紹了物聯(lián)網(wǎng)RFID產(chǎn)生的背景，概念、電子標(biāo)簽的組成；RFID系統(tǒng)的基本構(gòu)成；以及物聯(lián)網(wǎng)RFID的系統(tǒng)架構(gòu)和工作過程。

RFID；物聯(lián)網(wǎng)；電子標(biāo)簽；EPC；系統(tǒng)高層

1 背景概述

“物聯(lián)網(wǎng)”是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，將用戶端(人)延伸到任何物品，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與物、物與物之間的通信，拉近人與物、物與物之間的距離，而RFID正是它們之間的聯(lián)系紐帶，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

RFID(Radio Frequency Identification)，即(無線)射頻識(shí)別。顧名思義，是用發(fā)射出的無線電磁波頻率信號(hào)來對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并且與被識(shí)別物體不接觸，即可完成信息的快速識(shí)別與采集?？晒ぷ饔诟鞣N惡劣環(huán)境，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID誕生于20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)90年代開始普及，并已有了科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系?？梢哉f物聯(lián)網(wǎng)是起源于RFID，是與RFID、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等技術(shù)相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的物品跟蹤和信息共享[1]。

RFID是以電子標(biāo)簽來標(biāo)志某個(gè)物品的，標(biāo)簽中含有電子芯片和天線，形狀有卡片型、粘貼型、鑰匙扣型、扎帶型、手表型等。其特點(diǎn)是抗污損能力強(qiáng)、安全性高、信息存儲(chǔ)量大，可無接觸遠(yuǎn)距離同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體等[1]。

2 RFID系統(tǒng)的基本構(gòu)成

從功能上講，不同應(yīng)用場(chǎng)合下的RFID系統(tǒng)的基本組成均包括電子標(biāo)簽、讀/寫器和系統(tǒng)高層三大部分，如圖1所示。其中，電子標(biāo)簽附著在物品上，用于識(shí)別物體；讀/寫器位于電子標(biāo)簽和系統(tǒng)高層之間，其功能有三：1) 讀取物品信息；2) 向物品(電子標(biāo)簽)中寫信息；3) 向系統(tǒng)高層發(fā)送所讀取的物品信息，同時(shí)傳達(dá)系統(tǒng)高層的讀寫命令給物品(電子標(biāo)簽)；系統(tǒng)高層用于管理和控制讀/寫器和電子標(biāo)簽[1]。

圖1 RFID系統(tǒng)功能結(jié)

具體結(jié)構(gòu)上，電子標(biāo)簽是由專用芯片和天線組成。標(biāo)簽的電子編碼(調(diào)制后物品的資料信息等編碼)就存儲(chǔ)在芯片中；標(biāo)簽的天線用于收集讀/寫器發(fā)射到空間的電磁波(讀寫命令、數(shù)據(jù)等載波信息)，并將標(biāo)簽本身的數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)射出去，供讀/寫器接收。按供電方式，可將電子標(biāo)簽分為無源、有源和半有源三種。無源標(biāo)簽的能量來自于讀寫器發(fā)射的電磁波，耦合后整流為直流進(jìn)行供電。特點(diǎn)是體積小、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求不高，可滿足物聯(lián)網(wǎng)的大多數(shù)場(chǎng)合要求，但可靠性較差；有源標(biāo)簽有電池供電。特點(diǎn)是電能充足、可靠性好、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，但壽命短(3～10年)、體積大、成本高，不適于惡劣環(huán)境工作；按工作(載波)頻率，可將電子標(biāo)簽分為低頻(30～300 kHz，具體使用125 kHz和134.2 kHz兩種)、高頻(3～30 MHz，具體使用有6.75 MHz、13.56 MHz、27.125 MHz)和微波(大于300 MHz，具體使用有433 MHz、860/960 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz)。很顯然，低頻標(biāo)簽作用距離短、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量也少，但成本低，適合于智能家居等室內(nèi)的靜態(tài)場(chǎng)合，目前技術(shù)也比較成熟；高頻標(biāo)簽作用距離較長(zhǎng)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，技術(shù)也很成熟，也有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但成本略高；微波標(biāo)簽實(shí)際上已進(jìn)入U(xiǎn)HF(超高頻)頻段，其電磁波束穿透力強(qiáng)、方向性好、速度快，作用距離比低頻、高頻更遠(yuǎn)，且讀寫器能同時(shí)對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作。但系統(tǒng)造價(jià)更高、耗能也更大。微波RFID系統(tǒng)是目前射頻識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)的核心，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)規(guī)模龐大、物品性質(zhì)多樣的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該是有源、無源、半有源和低頻、高頻、微波交叉組合共同生存的系統(tǒng)[1]。

讀/寫器，又稱閱讀器(Reader)、詢問器。是利用射頻技術(shù)讀和寫電子標(biāo)簽的設(shè)備，同時(shí)還具有與系統(tǒng)高層進(jìn)行通信的接口。工作時(shí)，先向電子標(biāo)簽詢問，應(yīng)答后，電子標(biāo)簽將應(yīng)答信號(hào)和數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送給讀寫器，再傳送至系統(tǒng)高層[1]。讀寫器的組成包括讀寫控制模塊、射頻模塊和天線三部分，可以讀和寫一種或多種型號(hào)的電子標(biāo)簽，并與高層聯(lián)網(wǎng)。其中射頻模塊是由發(fā)射和接收兩個(gè)通道組成，以發(fā)射和接收射頻載波信號(hào)；讀寫控制模塊由放大器、解碼糾錯(cuò)電路、微處理器、時(shí)鐘、接口等組成?！白x”是讀取射頻模塊接收通道的信號(hào)，解碼后獲得電子標(biāo)簽信息；“寫”是將調(diào)制后的信息通過射頻模塊的發(fā)射通道、天線寫入電子標(biāo)簽。也可將“讀”和“寫”的信息通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳送給系統(tǒng)高層[2]。讀/寫器的結(jié)構(gòu)形式主要有固定安裝式(如打卡器等)、手持式(如pos機(jī)等)、身份證閱讀器、銀行卡讀卡器、工業(yè)讀寫器、發(fā)卡器等。

系統(tǒng)高層，即高管，具體是指有技術(shù)人員參與和監(jiān)控的后臺(tái)服務(wù)器。主要完成物品電子編碼信息的地址查找、域名解析、文本轉(zhuǎn)換和信息發(fā)布等服務(wù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)架構(gòu)

以電子產(chǎn)品編碼EPC(Electronic Product Code)為基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)架構(gòu)包括5個(gè)基本組成部分，分別是EPC、RFID、物聯(lián)網(wǎng)中間件(IOT-Middleware)、物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象名稱解析服務(wù)器(IOT-ONS，Internet of things object name service)和物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務(wù)(IOT-IS，Information service)。如圖 2所示[1]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)中，每個(gè)物品被賦予一個(gè)EPC，主要對(duì)物品提供ID識(shí)別號(hào)，以實(shí)現(xiàn)唯一識(shí)別。EPC存儲(chǔ)于電子標(biāo)簽中，讀寫器讀取EPC后，發(fā)送給中間件，中間件通過Internet向IOT-ONS發(fā)出查詢存儲(chǔ)物品信息的IP地址，以引導(dǎo)中間件訪問IOT-IS，并將物品詳細(xì)信息以網(wǎng)頁形式發(fā)送回中間件，供客戶終端閱讀[1]。

EPC既是RFID的編碼標(biāo)準(zhǔn)，也是全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的重要組成部分。其編碼容量比條碼大得多，版本有64位、96位和256位三種，應(yīng)用中多采用96位結(jié)構(gòu)，即EPC-96。在96位編碼中，版本號(hào)占8位、域名管理者(廠商信息)28位、對(duì)象分類(物品類型)代碼24位、序列號(hào)(具體物品標(biāo)識(shí))占36位。則編碼的總?cè)萘繛?228-1)×(224-1)×(236-1)=309484990217175958785701375，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球物品的統(tǒng)一編碼[1]。

中間件是介于讀寫器與后臺(tái)應(yīng)用程序之間的獨(dú)立軟件，可與多個(gè)讀寫器和應(yīng)用程序相連，是RFID運(yùn)作的軟中樞，以實(shí)現(xiàn)用戶網(wǎng)絡(luò)與讀寫器相連，并解決多對(duì)多連接的各種復(fù)雜問題，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象名稱解析服務(wù)IOT-ONS和IOT-IS之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確讀取。IOT-ONS類似于Internet中的域名解析服務(wù)DNS(Domain Name Service)，其格式與DNS一致，負(fù)責(zé)將電子標(biāo)簽的ID號(hào)解析為對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)IP地址，即運(yùn)用DNS來查找EPC的信息。因此每個(gè)RFID的EPC均對(duì)應(yīng)一個(gè)Internet域名；IOT-IS負(fù)責(zé)對(duì)物品信息進(jìn)行處理與發(fā)布，在此方面，EPC技術(shù)最成熟，因此又稱為EPC信息發(fā)布服務(wù)，即EPCIS。在信息發(fā)布中，EPCIS提供2種數(shù)據(jù)流動(dòng)方式，一是讀寫器發(fā)送EPC數(shù)據(jù)至EPCIS存儲(chǔ)，另一個(gè)是應(yīng)用程序發(fā)送客戶終端的查詢信號(hào)至EPCIS以獲取信息。其數(shù)據(jù)查詢模塊根據(jù)查詢的信息訪問相應(yīng)的PML(實(shí)體標(biāo)記語言)文檔，然后生成HTML(超文本標(biāo)記語言)網(wǎng)頁文檔返回至客戶端，以供閱讀[1]。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)RFID的應(yīng)用是全球化的、多方位的?？梢哉f只要有人類生存的地方，就有RFID的應(yīng)用存在，“物聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)逐漸滲透到我們生活的方方面面。目前RFID的應(yīng)用已經(jīng)在我國(guó)掀起浪潮，諸如工業(yè)制造、民航、物流、零售、醫(yī)療、身份識(shí)別、軍事、交通、食品、電力、動(dòng)物、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防偽、圖書、電子支付等領(lǐng)域，枚不勝舉。不停車收費(fèi)已不是什么新鮮之事，首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)每小時(shí)能分揀出19 000多件行李，京津城際快通卡(RFID卡)、公交車行駛與到站跟蹤、智能家居、車輛門禁系統(tǒng)、RFID產(chǎn)房母嬰標(biāo)識(shí)、五糧液酒RFID防偽等，這些耳熟能詳?shù)氖吕裏o不是RFID的應(yīng)用。展望未來，RFID將在本世紀(jì)掀起一場(chǎng)新的技術(shù)革命，專家預(yù)測(cè)未來20年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)可能大規(guī)模普及，而徹底扭轉(zhuǎn)人們的生活方式，廣大群眾的生活舒適度和幸福指數(shù)將會(huì)進(jìn)一步提高。

[1] 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別(RFID)核心技術(shù)教程[M].北京：人民郵電出版社,2016.

[2] 張春紅，裘曉峰，馬海輪，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2011.

DiscussionontheRFIDSystemofInternetofThingsandItsApplication

Zheng Gaicheng

(TheCollegeofInformationEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，JinzhongShanxi030600,China)

From the angle of popular science, this paper introduces the setting, concept, composition of electronic tag, also the basic structure of RFID system, and the system architecture, working process of the Internet of things of RFID are presented.

RFID; Internet of things; electronic tag; EPC; the top of system

2017-10-30

鄭改成(1963- )，男，山西永濟(jì)人，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制。

1674- 4578(2017)06- 0077- 03

TP393

A