第1章 绪论

1.1 RFID简介

1.1.1 RFID的概念

根据国标GB/T 18354—2006中的定义，RFID（射频识别）是通过射频信号识别目标对象并获取相关数据信息的一种非接触式自动识别技术[1]。RFID可识别高速运动的物体，并可同时读取多个标签信息，整个工作过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中，操作快捷方便。

1.1.2 RFID的分类

1．按标签的供电形式分类

依据射频标签工作所需能量的供给方式，可以将 RFID 系统分为有源、无源和半有源系统。

2．按标签的数据调制方式分类

标签的数据调制方式即标签是通过何种形式与读头之间进行数据交换的，据此RFID系统可分为主动式、被动式和半主动式。

3．按工作频率分类

RFID系统的工作频率即为读头发送无线信号时所用的频率，一般可以分为低频、高频、超高频和微波。

4．按标签的可读性分类

根据射频标签内部使用的存储器类型不同，RFID系统可以分为可读写卡（RW），一次写入多次读出卡（WORM）和只读卡（RO）。只读卡标签内一般只有只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和缓冲存储器。可读写卡一般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，还具有在适当条件下允许多次写入数据的功能。

5．按RFID系统标签和读头之间的通信工作时序分类

时序指读头和标签的工作次序问题，有读头主动唤醒标签（Reader Talk First，RTF）和标签首先自报家门（Tag Talk First, TTF）两种方式。一般来说，无源标签一般是TTF方式。TTF系统的通信协议比较简单，防冲撞能力更强，速度更快。

1.1.3 RFID系统的组成

RFID（射频识别）系统是指由电子标签、读写器、计算机网络和应用程序及数据库组成的自动识别和数据采集系统。最基本的 RFID 系统由三部分组成[1]，如图1.1所示。

1．电子标签

RFID系统的数据载体由耦合元件和芯片组成，它们通常附着在物体表面用以标识目标对象。在通用RFID系统应用中，每个电子标签具有全球唯一的电子编码（ID号），该编码在标签出厂时已被固化在电子标签内，用户无法修改。ID 号的固化过程可以在电子标签芯片生产过程中完成，也可以在指定电子标签应用后的初始化过程中完成。根据供电方式的不同，电子标签可分为有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签。有源电子标签也称主动式标签，该类标签本身具备工作所需要的电源，传输距离较远，但相对体积较大，成本较高；无源电子标签也称被动式标签，该类标签从读写器产生的磁场中获得工作能量，体积较小，使用期限较长，但可读距离较短；半无源电子标签的性能介于有源电子标签与无源电子标签之间。

2．天线

天线是在电子标签和读写器间传递射频信号的装置。

3．读写器

读写器是读取（或写入）电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。通常读写器与计算机系统连接起来进行信息的进一步处理。典型的读写器包含高频模块（发送器和接收器）、控制单元及读写器天线。

1.1.4 RFID系统的工作原理及流程

RFID系统工作时，通常由读写器通过天线在一个区域内发送一定频率的射频信号，形成电磁场，其作用距离的大小取决于读写器发射功率的大小[2]。电子标签（主要指无源电子标签）通过这一区域时被触发，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在电子标签芯片内的信息，或主动发送某一频率的信号（主要指有源电子标签），将标签信息传回至读写器。对于可写电子标签，还可根据读写器的指令改写存储在电子标签中的数据。读写器读取标签信息后，通过标准接口将信息传至后台系统进行信息的后续处理。

读写器与电子标签之间通过天线架起的空间电磁波作为传输通道进行信息的读取。根据作用距离的远近，读写器与电子标签之间的耦合方式分为近距离的电感耦合和远距离的电磁耦合两种方式。电感耦合方式是低频、近距离、无接触 RFID 系统的一般耦合方式。在电感耦合方式中，耦合中介是空间磁场，耦合磁场在读写器初级线圈与电子标签次级线圈之间构成闭合回路。在电磁耦合方式中，读写器的天线将读写器产生的射频能量以电磁波的方式发送到确定的空间范围内，形成有效阅读区域。位于有效阅读区域中的电子标签从读写器天线发出的电磁场中获取工作电源，并通过电子标签内部电路及标签天线将标签内存储的数据信息传送给读写器。因此，电磁耦合与电感耦合的差别在于：在电磁耦合方式中，读写器将射频能量以电磁波的形式发送出去；而在电感耦合方式中，读写器将射频能量束缚在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通读写器线圈与电子标签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量[3]。

1.1.5 RFID系统的时序及工作频率

在 RFID 系统的应用中，根据读写器读写区域中允许出现的电子标签数量的不同，可将其分为单标签识别系统与多标签识别系统。多标签读写问题是 RFID 技术应用中常见的一个问题，目前已有多种方法解决这一难题。多标签读取方案涉及电子标签与读写器之间的协议配合，一旦选定，不易更改[2]。对于具有多标签识读功能的 RFID 系统，当阅读范围内出现多个电子标签时，读写器通过隔离指令使得其他电子标签处于“休眠”状态，仅保留一个处于“活动”状态的电子标签，在它与读写器之间建立无冲撞通信，完成信息的读取或写入操作。当前操作结束后，读写器通过“唤醒”指令唤醒处于“休眠”状态的电子标签，使其进入活动状态，再进一步隔离，选出一个电子标签来通信。如此重复，实现多标签信息的读取或写入。对于无多标签识读功能的 RFID 系统，当读写器读写区域内同时出现多个电子标签时，由于多个电子标签同时响应读写器发出的指令，造成读写器接收信息相互冲突，最终导致信息读取的失败。因此，在标签应用较为普遍的区域应尽可能地选择具有多标签识读功能的RFID系统。

RFID 系统工作频率的选择要考虑到其他无线电服务对其工作的干扰或影响。RFID系统的工作频率主要分为低频（Low Frequency, LF）、高频（High Frequency, HF）、超高频（Ultra High Frequency, UHF）和微波（Microwave）四个频段，如图1.2所示。

低频系统（125kHz、135kHz）主要应用于动物识别和商品流通等领域。

高频系统（13.56MHz）一般应用于公共交通和门禁系统等领域，其识别距离较近，通常在几厘米（ISO14443标准）到几十厘米（ISO15693标准）之间，采用特殊制作的天线的最大识别距离为1.5m左右。

超高频系统（869MHz和902～928MHz）的可识别距离较远，可从几米到几十米，该频段系统主要应用于高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。

微波系统（2.45GHz、5.8GHz）的特性和应用领域与超高频系统类似，但微波系统对环境的敏感性更高，一般应用于行李追踪、物品管理和供应链管理等领域。

1.1.6 RFID与其他自动识别技术的对比

当前应用较多的磁卡、IC卡和条码在技术上都与RFID存在不同程度的相似之处，如表1.1所示为这三种自动识别技术与RFID的对比分析。

由表1.1可知，与其他自动识别技术相比，RFID电子标签的成本相对较高，但RFID系统在信息容量、抗干扰能力、保密性、使用寿命和智能化等方面都具有突出的技术优势。

目前，RFID技术与条码技术是农产品追溯领域最受欢迎的两种信息采集技术。相比而言，RFID技术在以下几个方面具有突出优势。

（1）RFID技术能够适应多种恶劣的作业环境，使用寿命长。农产品供应链过程中需要经历多种复杂的操作环境，在湿度大的环境下条码很容易被毁损。相比之下，RFID更适用于农产品的安全追溯，并且能够保证电子标签的重复利用。

（2）RFID读写器可远距离、批量读取标签信息，有利于提高农产品生产线监控、出入库安排和库存盘点等内部作业效率。

（3）RFID电子标签的防伪性能好，不易被伪造，有利于保护农产品供应链企业的利益不被恶意竞争者损害。

（4）RFID电子标签充足的信息容量，能够唯一标识更多的企业信息和产品批次，可以满足当前和以后的应用需求。

（5）具备读写功能的RFID设备可以向标签内写入大量信息。

1.1.7 RFID的技术标准

标准不统一是制约RFID技术发展的重要因素。目前，RFID技术还未形成全球化的统一标准，尤其是在编码标准方面，不同国家或组织分别制定了各自的标准，造成市场上多种标准共存的局面，而这些标准间的互不兼容，严重影响了 RFID 的推广应用。当前，起主导作用的RFID标准体系主要有三个：ISO标准、EPCglobal标准和Ubiquitous标准。

1. ISO标准

ISO（International Organization for Standardization）国际标准化组织出台的RFID标准主要关注基本的模块构建、空中接口协议、数据结构及测试问题。ISO 11784和ISO 11785分别规定了动物射频识别的代码结构和技术准则，但未对电子标签的样式和尺寸等加以规定，因此，可以根据需要将其设计成适合所涉及动物的各种样式，如玻璃管状、耳标或项圈等。ISO 11785具体规定了标签的数据传输方法和读写器规范。用于动物识别的符合国际标准的读写器能够识别和区分使用全双工/半双工系统的电子标签（全双工/半双工电子标签获得能量后，立即传输标签内的信息）和使用时序系统的电子标签（时序系统每50ms暂停3ms释放磁场能量，时序电子标签通过事先获得的能量在磁场能量暂停后的1～2ms开始传输标签内的信息）[4]。如表1.2所示为ISO 11784规定的标签代码结构，该编码共有64位，其中第27～64位可由各个国家自行定义。

2. EPCglobal标准

EPCglobal是由美国统一代码协会和国际物品编码协会于2003年9月共同成立的非营利性组织，是EPC（Electronic Product Code）产品电子代码在全球的管理机构。EPCglobal的主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，通过发展和管理EPC网络标准来提高供应链上贸易单元信息的透明度与可视性，以此来提高全球供应链的运作效率。EPCglobal提出的“物联网”体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPC IS服务器等部分构成。其中，由 EPC 标签及读写器构成的 RFID 系统是物联网的关键部分。在供应链应用中，EPCglobal规定用于EPC的载波频率为13.56MHz和UHF 860M～930MHz两个频段。与ISO制定的RFID通用型标准相比，EPCglobal标准体系是面向物流供应链领域的专业化应用型标准。EPC作为唯一标识物品的电子代码，其编码结构主要包含版本号、域名管理者、对象分类、序列号四个部分[5]。

目前，EPC码主要有64 位、96位和256 位3种编码结构，其中EPC—64和EPC—256又分别包含3个子类型，如表1.3所示。

（1）版本号：标识 EPC 编码结构的版本，它决定了 EPC 代码的总长、识别类型和具体的编码结构。

（2）域名管理者：用于唯一标识一个组织实体，通常用来描述与EPC相关的生产厂商的信息。域名管理者负责分配和维护EPC后继字段（对象分类和序列号）。

（3）对象分类：用于识别某一物品种类，通常是产品类型信息。某一特定域名管理者下的对象分类代码必须是唯一的。

（4）序列号：用于唯一标识某一具体的物品。域名管理者负责为每一个对象分类代码分配唯一的、不重复的序列号。

以EPC—96为例，具体的编码结构及各码段分别对应的信息容量如表1.4所示。

由表1.4可知，EPC—96码可以为268 435 456家域名管理者（通常为企业）分配全球唯一代码，而每家企业可以唯一标识16 777 216个产品类别，在每个产品类别下又可以唯一标识68 719 476 736个具体产品。

EPC码是与EAN/UPC码兼容的新一代编码标准。EPC编码与现行的GTIN相结合，不是取代现行的条码标准，而是由现行的条码标准逐渐过渡到EPC标准或是由EPC系统与EAN.UCC系统共存[6]。因此，EPCglobal标准体系受到很多像沃尔玛那样的大企业支持。

3. Ubiquitous标准

日本泛在中心（Ubiquitous ID Center, UID）制定RFID相关标准的思路类似于EPCglobal，其目标也是构建一个完整的网络标准体系。UID的技术体系架构由泛在识别码（Ucode）、信息系统服务器、泛在通信器和Ucode解析服务器四部分构成。其中，电子标签采用的工作频段为2.45GHz 和13.56MHz。为了制定具有自主知识产权的RFID标准，UID在编码方面制定了Ucode编码体系，赋予现实世界中的物理对象唯一的泛在识别号。Ucode具备128位的容量，并可以128位为单元进一步扩展至256、384或512位[7]。Ucode的最大优势是能包容现有编码体系的元编码设计，还可以兼容多种编码。与ISO标准体系和EPCglobal标准体系相比，UID标准更类似于国家标准，它主要得到了很多日本本国企业的支持。

以上分别介绍了当前国际上较权威的三大 RFID 技术标准，这三大标准都分别受到不同国家和组织的推崇，且都取得了不错的应用效果。但在具体应用过程中，企业应当选择与其需求相适应的RFID设备和标准。构建基于RFID的食品安全追溯系统时，RFID系统的工作频段、读写技术（只读/可改写）、需要识读的距离、标签的外形、应用环境和标准的通用性等都是需要综合考虑的重要指标。