RFID射頻識別技術被公認為是本世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一,，已經得到業(yè)界的高度重視。近年來,，RFID技術發(fā)展迅速,，被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化,、交通運輸管控及物流,、供應鏈管理等眾多的領域。據(jù)不完全統(tǒng)計,，RFID技術從80年代后期至今,，申請專利已達600信息安全等技術的發(fā)展，射頻識別技術進入商業(yè)化應用階段,。
這一技術由于具有對高速移動物體識別,、多目標一次性識別和非接觸識別等特點,，在各領域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間,，被譽為21世紀的科技之星。
RFID技術發(fā)展趨勢
一,、國外應用現(xiàn)狀
1991年海灣戰(zhàn)爭中,，美軍的后勤供給發(fā)生了嚴重問題。據(jù)美國媒體報道,，美軍向海灣地區(qū)運送了4萬個集裝箱,，由于集裝箱里面的物資明細不清楚，有2.5萬個必須由人工開封,，清點登記后,，重新加入到物流中，浪費了人力和時間,。更為嚴重的是,，有很多的集裝箱在運送中丟失或延誤，最終，約有1600個集裝箱遺棄在沙漠中,。
美國國防部吸取了海灣戰(zhàn)爭中的沉痛教訓,，與Savi技術公司簽訂關于RFID標簽、固定,、移動,、手持的RFID讀寫器以及相關的硬件、軟件和專業(yè)服務的合約,，在世界50個國家850個軍事基地建立了世界最大的無線射頻網(wǎng)絡貨物追蹤系統(tǒng),，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)自動采集、聚合,、恢復與服務,。使美國國防部的軍需物資實現(xiàn)了全方位的可視化管理與控制。
這項技術在2003年第二次海灣戰(zhàn)爭中得到了很好驗證,。由于美軍建立了無線網(wǎng)射頻絡貨物追蹤系統(tǒng),，軍需物資運送狀況有了徹底的改變。美軍通過嵌在集裝箱上的電子標簽對發(fā)往海灣的軍需物資進行跟蹤,，實現(xiàn)了從儲備式后勤到配送式后勤的轉變,，增強了美軍的后勤供給能力，節(jié)省了數(shù)十億美元,。
另外,，在供應鏈管理領域，RFID技術也備受青睞,。被美國《商業(yè)周刊》稱為全球企業(yè)新獨裁者,，連續(xù)多年榮登《財富》雜志全球500強企業(yè)的零售巨頭Wal-Mart百貨公司，于2003年11月5日,，在位于美國阿肯色州羅杰市的總部召開會議,，宣布到2005年末，要求全球100家最大的供應商供給Wal-Mart的商品都要應用RFID技術,。
RFID技術的應用,，給Wal-Mart和上下游供應商帶來了無限商機。它使貨物不會存在倉庫里而無人知曉,，數(shù)據(jù)庫中記錄的貨物數(shù)量與實際庫存量精確相符,，與貿易伙伴之間的貨物傳送信息能夠自動、準確地完成,。店員能夠及時準確的了解什么商品需要補貨,，該商品放在倉庫的什么位置，是什么種類,，數(shù)量是多少等,。無需人工清點，不會漏掉一件物品，也不會出現(xiàn)計算錯誤,，店員有充足的時間將商品補上貨架,，不會因貨物的缺失而失掉商機。SanfordC.Bernstein公司的零售業(yè)分析師統(tǒng)計,，Wal-Mart通過采用RFID技術,，實現(xiàn)了貨物的可視化管理，及時跟蹤商品狀況,，了解商品的即時狀態(tài),，簡化票據(jù)的處理流程，提高庫存信息的精確性和供應商的供貨效率,，每年可節(jié)省約83.5億美元,。
世界各地的零售巨頭們繼沃爾瑪之后，德國的麥德龍,、英國最大的連鎖超市集團Tesco,、美國的Tar-get、Albertsons也陸續(xù)宣布了導入RFID計劃,。
經濟方面,，據(jù)美國VDC(VentureDevelopmentCorporation)公司發(fā)表的報告透露，2000年美國的RFID市場規(guī)模8.9億美元,，2005年達到26.5億美元,，年增長率約24%。
2004年1月,，日本貨物鐵道(JR貨物),，在日本全國約140個全貨物車站同時導入了RFID技術;同年12月，新東京國際空港(成田空港),、日本航空公司和宅急便公司聯(lián)合進行了RFID加附在顧客行李箱的試驗,。香港、新加坡,、舊金山,、溫哥華等國際空港也陸續(xù)進行了相關的實驗。
二,、國內應用現(xiàn)狀
1992年工研院開始研發(fā)RFID技術，2003年成功舉辦了RFID商業(yè)應用發(fā)展策略論壇,，2006年6月,，中國發(fā)布了《中國RFID技術政策白皮書》。
目前,，香港的八通達卡是當今最成功的非接觸式多功能智能卡,，其應用范圍有停車場、便利商店、快餐店,、電影院,、自動販賣機、游泳池,、住宅,、保全系統(tǒng)及校園通系統(tǒng)等。
根據(jù)工信部相關報道,，2005年我國RFID市場規(guī)模已經達到36.9億元,，2006年增加接近60億元，2008年RFID相關產值達到80億元左右,。據(jù)相關部門預測,，中國的RFID市場在今后數(shù)年將穩(wěn)步增長，到2011年將達到118.1億美元,。
我國RFID技術在政府的推動下,，已經在很多領域已經得到初步應用。在公共交通管控,、高速公路收費,、動植物電子標志、食品,、藥品,、郵件實時狀態(tài)跟蹤管理以及物流、供應鏈管理等領域均已先后啟動了RFID技術應用試點項目;各類電子證照與重要商品防偽,、各類IC卡應用開辟了廣闊市場空間,，奠定了我國RFID產業(yè)與應用的基礎。雖然RFID產業(yè)在我國起步較晚,，但是經過近些年的發(fā)展,，目前我國在技術研發(fā)、制造,、工藝設計,、系統(tǒng)集成與應用等各環(huán)節(jié)已初具規(guī)模。從近期我國RFID領域的動態(tài)來看,，與行業(yè)應用相結合的基于RFID技術的產品和解決方案開始出現(xiàn),，這為RFID在我國應用的推廣，特別是在物流,、安全保障,、防偽識別等非制造領域奠定了堅實的基礎。
基于RFID技術構建港灣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的探討
港灣是國際物流的集散地,，是國際海運的交通樞紐,。據(jù)2009年6月中國物流與采購聯(lián)合會統(tǒng)計,，國際運輸方面，全球國際海運貨運量52億噸,，我國貨運量占世界海運量的84%左右,。因此，港灣的建設和安全保障,，是體現(xiàn)出一個國家的經濟實力和國際競爭力的核心,。但是，價格,、速度,、安全保障、高效率,、高水平的服務一直是困擾港灣發(fā)展的要因,。本文稿以此為藍本，探討應用RFID技術,，構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(Internetofthings),，來解決以上問題。港灣管理的關鍵是集裝箱,、車輛和人員的自動識別,，所有的信息都能夠在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上得到實時傳遞和動態(tài)跟蹤貨物信息。
物聯(lián)網(wǎng)從網(wǎng)絡結構上看,，是通過因特網(wǎng)(Internet)將眾多RFID應用系統(tǒng)連接起來,，并在廣域網(wǎng)范圍內對物品身份進行識別的分布式系統(tǒng)。因特網(wǎng)則是借助物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將因特網(wǎng)的邊界延伸到世間萬物,。
在本稿中的物聯(lián)網(wǎng)是以RFID技術為核心,，將物品和物聯(lián)網(wǎng)綁定的技術手段之一，是一個以計算機網(wǎng)絡,、GPS(GlobalPositioningSystem)等先進的通訊技術組成的龐大的系統(tǒng),。
在物聯(lián)網(wǎng)中，每個物品均被賦予唯一的ID,，這個ID是存儲在和物品綁定的電子標簽中,。與條形碼(BarCode)相比，RFID技術特性具有獨特的優(yōu)勢(詳見表1),。
本文稿是以出口海運為假定,。港灣在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的支持下，把貨物的信息(企業(yè)名,、地址,、電話、商品ID,、日期,、商品批號)寫入電子標簽中，然后與貨物綁定,。
一,、港灣作業(yè)的特點
為了有效地利用RFID技術，對港灣作業(yè)特點進行了分析,，歸納如下(如圖1所示),。
(一)跨國間的物流：港灣是國際貿易貨物的集散地，貨物都是來自不同的國家及地區(qū),。
(二)貨物容積大：受理的貨物是20尺或40尺(Feet)的集裝箱,，需要廣闊的空間和堆場來保管。
(三)安全保障：防止集裝箱的丟失,、被盜和損壞及內場危險物(炸藥或高險化學品等),。
(四)自然環(huán)境惡劣：風雨、海水,、溫濕度,、鹽霧、日曬等自然因素,。
二,、RFID的應用方法
根據(jù)港灣作業(yè)特點，提議港灣應用UHF頻段的RFID技術,，UHF頻段具有識別距離長,、快速識別移動物體、成本低等特點,，是港灣管理最理想的選擇,。
□標簽貼附在托盤、包裝箱,、集裝箱上,，進行規(guī)格、序列號等信息的自動存儲和傳遞,。
□對電子標簽的要求
□Code(編碼)體系國際標準化(如EPC標準)
□利用UHF頻段的電子標簽,，識別距離長、高速識別移動物體,、成本低且耐用性好
□在惡劣的自然環(huán)境下確保正常射頻質量的電子標簽
□與GPS系統(tǒng)相連接,，預防異常行為發(fā)生。
在港灣操作管理過程中,，最關鍵的環(huán)節(jié)就是集裝箱的跟蹤管理,，以及如何防止集裝箱的丟失、被盜和損壞,。進入港區(qū)的集裝箱就相當于一張動態(tài)物流全景圖,，通過這張圖,，各環(huán)節(jié)操作人員可以獲得更快、更精確的實時信息,，操作人員只要輸入綁定貨物的ID號碼,，就可以在顯示器上把貨物信息盡現(xiàn)眼底，不用到處去找貨物在什么位置,。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的操作如圖2所示,。港灣閘口上方設置射頻讀寫器，運送貨車通過閘口時,，讀寫器會自動識別和讀取綁定在集裝箱上的電子標簽(商品信息,、貨物數(shù)量、出庫者信息,、入庫者信息,、發(fā)貨單號)信息，通過無線LAN傳輸給中央服務器,，進行數(shù)據(jù)處理和保存,。系統(tǒng)確定無誤后，把貨物的信息自動上傳到監(jiān)管部門,，監(jiān)管部門根據(jù)信息指令把貨物分撥到指定的倉位,。貨物的通關手續(xù)完結后，中央服務器根據(jù)通關指令下達作業(yè)信息,，集裝箱搬運到幾號碼頭,、裝在幾號貨船上、上船定位操作,、接貨確認等工作,。
碼頭的龍門吊上同時裝有射頻讀寫器和GPS裝置，操作人員根據(jù)信息指令,，在每一個操作環(huán)節(jié)開始和結束,，都要對集裝箱上的電子標簽掃描，然后,，通過無線LAN把信息上傳至中央服務器進行數(shù)據(jù)處理和保存,。在船上，同時安裝高性能的RFID系統(tǒng),，即RFID芯片中裝有傳感器,，可以記錄物品所處的溫度、濕度,、日照等環(huán)境信息,。無論是管理部門或用戶，只要輸入貨物給定的ID,，就能夠通過物聯(lián)網(wǎng)隨時隨地的了解貨物的狀態(tài),、位置和動態(tài)跟蹤,。通過對上述系統(tǒng)的探究，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在港灣物流中應用的價值從以下三方面得到認證：
1,、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠對集裝箱進行跟蹤,，減少丟失,、被盜和損壞,，從而提高了安全保障。
2,、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠對貨物集裝箱全程追蹤,，并及時傳遞貨物的動態(tài)信息給上下游客戶，提高了港灣的服務質量,。
3,、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠及時、準確地把貨物信息提供給作業(yè)者,，減少了遺漏和錯誤的發(fā)生,，大幅提高工作效率，降低港灣的運營成本以及縮短貨船的滯港時間,。
通過以上的探討,，說明了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠提高港灣的核心競爭力，同時為貨主企業(yè),、制造企業(yè)和消費者提供更及時,、可靠的物流增值服務。
RFID系統(tǒng)的基本結構和種類
一,、RFID系統(tǒng)的基本結構
RFID系統(tǒng)一般由電子標簽(Tag),、讀寫器(Reader)和信息處理系統(tǒng)三部分組成。電子標簽主要是由IC芯片和天線(Antenna)構成,。
讀寫器由環(huán)形天線,、控制模塊和收發(fā)裝置組成。分為手持和固定兩種,，收發(fā)裝置和計算機或編程邏輯控制器(PLC)連接從而實現(xiàn)相互信息交換(RFID系統(tǒng)結構參照圖3),。
當電子標簽進入可識別區(qū)域后，讀寫器通過接收標簽發(fā)出的無線電波接收讀取數(shù)據(jù),。最常見的是被動射頻(PassiveTag,，無源型標簽)系統(tǒng)，當讀寫器在同一磁場區(qū)感應到RFID標簽的電波時,，讀寫器主動發(fā)出電波,，標簽從電波中獲得電流能量激活標簽中的IC芯片電路，
根據(jù)讀寫器的要求,，標簽傳出相應數(shù)碼信號給讀寫器,，讀寫器把接收到的數(shù)碼信號解密,，轉換成相關信息。由終端設備通過無線或有線(LANLocalAreaNetwork)傳輸給中央計算機處理這些數(shù)據(jù),，從而進行管控,。(Tag的基本結構參照圖4)。
二,、電子標簽的種類
按照RFID標簽的能量供給方式,，RFID標簽可分為有源標簽和無源標簽;按照RFID工作時使用的無線電頻率，RFID系統(tǒng)可分為低頻,、高頻,、超高頻和微頻。有源的標簽是通過標簽內置電池的能量主動發(fā)送信息,。電波識別距離較長,，可達幾十米或百米，內附高性能的傳感器(sensor),，使用壽命有限且價格較高,，每個標簽在10美元～15美元左右，由于內置電池,，體積較大,，不適用制作類似于身份證、交通卡等卡片標簽,。無源的標簽是標簽內沒有電池,，利用讀取器發(fā)射電波通過磁場能量的耦合作用被動的發(fā)送信息。電波識別距離較短,，可識別范圍在幾厘米到幾米,，由于標簽內不含電池，對讀取裝置要求較高,，需要較大功率的讀取裝置,，使用壽命長且價格上比有源型便宜，每個標簽在0.5美分～5美元,，體積小,，重量輕，可適用制作各種各樣的卡片標簽和各種商品以及防偽,、食品安全等方面上使用,。
RFID的基本原理
一、RFID使用的電波
在了解RFID的基本原理之前,，有必要對RFID使用的電波進行說明,。在電波法中，頻率3000GHz以下的電波被定義為電波。電波分為長波,、中波,、短波、超短波(VHF),、極超短波(UHF),，根據(jù)應用領域分配頻段。
電波和光有一個共同的特性,，運行速度相同(30萬Km/S),。如果把電波用頻率來表示，波的運行周期被稱為波長,。
例如：電波在1秒間反復振動頻率用f表示：
f=30萬Hz
1周期的波長用λ表示
λ=30萬Km/30Hz=1Km
波長(λ)1Km的電波,，相當于1周期運行1Km。
f=300MHz時
λ=30萬Km/s÷300MHz
=(3×108m/s)÷(3×108Hz)
=1m
也就是說,，波長λ相當于1米的電波。同樣,，頻率f=3000萬GHz時,，波長λ相當于0.1mm(100μm)。
二,、無線射頻技術通訊原理
了解了RFID使用的電波后,，對無線射頻技術通訊原理的說明就會很容易。無線射頻技術是起源于無線電波通訊原理,，把數(shù)碼信號轉換成電波,，傳達信息是0和1的兩個數(shù)值作為數(shù)碼信號發(fā)送或接受。因此,，無線射頻的工作原理可分為以下三種類型：電感耦合型,、電感有向耦合型、微波型,。本文稿主要對前兩種類型進行說明,。
電感耦合型。依據(jù)的是電磁感應定律,，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合,。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng),。工作頻段包括：125kHz～135kHz,、225kHz和13.56MHz。識別作用距離小于1m,，作用距離為10cm～20cm,。
電感有向耦合型。依據(jù)的是電波的空間傳播規(guī)律發(fā)射出去的電波，碰到目標后反射,，同時帶回目標信息,。電感有向耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng),。工作頻段有：433MHz,，915MHz，2.45GHz,，5.8GHz,。識別作用距離大于1m，作用距離為3m-l0m,。
為避免各國無線電頻率使用標準不一,，國際上大多遵守國際電信聯(lián)合會(ITU)的規(guī)范。目前,，RFID使用的頻段有135KHz,、13.56MHz、433.92MHz,、860M～960MHz(UHF),、2.45GHz以及5.8GHz等6種。(RFID通常利用的頻率參照表2)
讀寫器通過自身天線發(fā)射出電波來誘導磁界內的電子標簽,，電子標簽內的環(huán)形天線接受讀寫器的電感信號后耦合,，完成信息交換。無源電子標簽憑借環(huán)形天線上的感應電流獲得能量,，啟動標簽控制電路和射頻電路,，發(fā)送出電子標簽存儲器(IC芯片)內的數(shù)據(jù)。有源標簽主動發(fā)送頻率信號,。讀寫器的CPU(CentralProcessingUnit)通過環(huán)形天線接受標簽發(fā)射出信號進行解碼后,，通過讀寫器的終端將信息發(fā)送到計算機等應用系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理,，最后應用系統(tǒng)得到所需要的信息,，從而達到識別目的。
RFID的特點和展望
一,、非接觸識別
非接觸識別是無線射頻技術的最大亮點,。條形碼是在不受污染和破損的前提下，逐一讀取數(shù)據(jù)信息;可是電子標簽是利用無線電波技術,，無論是裝在箱子還是其他容器里,，表面受到污染也沒有關系，根據(jù)射頻的種類,，可識別讀取信息,。
二,、高信賴性和耐環(huán)境性
標簽與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸不良所造成的讀寫錯誤等操作,，即使在標簽上染上灰塵,、油污(水)等外部惡劣環(huán)境下也不影響讀寫數(shù)據(jù)。
三,、可改寫信息
條形碼錄入的數(shù)據(jù)不可更改,，電子標簽不同于條形碼，根據(jù)業(yè)務要求,，可進行數(shù)據(jù)加寫或改寫,。但是，也有不能加寫或改寫數(shù)據(jù)的,，要根據(jù)使用的用途來決定,。
四、信息容量大
標簽信息容量可根據(jù)需要來決定,，一般有96bit或128bit的信息量,。
現(xiàn)行的JAN/EAN/UPC條形碼，其容量不過幾十個字符,，容量最大的二維條形碼最多也只能存儲千個數(shù)字,，容量有限。未來物品所需儲存的信息量大,，RFID的容量完全可以滿足。用一個形象的比喻,，RFID能為全球每一粒大米付一個碼,，它能容納2的96次方個碼，即268億個碼,。
五,、可一次性識別處理多個標簽
現(xiàn)行的條形碼只能逐一讀取信息，電子標簽能防止標簽之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾,，因此,，讀寫器可一次性識別處理多個標簽。
六,、重復使用性
由于標簽為電子數(shù)據(jù),，可以反復被覆寫，進行通信,。因此,，可以將回收的標簽重復使用。如果是被動式標簽,，不需要電池就可以使用,，不需要維護和保養(yǎng)。
從目前的情況來看，RFID市場盡管已有了很大的發(fā)展,，在商品防偽,、汽車防盜、電子票證,、食品藥品安全監(jiān)管,、工農業(yè)生產管理、智能交通及現(xiàn)代物流和供應鏈管理等諸多領域得到了應用并被市場認可,，但還是處于初級發(fā)展階段,。其未來市場發(fā)展?jié)摿薮螅瑧梅秶鷮⒑w從家庭,、辦公室,、政府機關、各商業(yè)和服務等廣泛領域,，并會逐漸改變現(xiàn)今傳統(tǒng)的商業(yè)模式,，對未來社會的各個方面帶來影響。同時,，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也會起到積極的促進作用,。
然而，關于RFID技術還存在一些問題,，如隱私權,，如何由條形碼向電子標簽過渡，安全性,、標簽成本過高,、國際標準的制定等問題。這些問題都在一定程度上阻礙了RFID的發(fā)展,，只有解決了這些問題,，RFID技術才能更好的推廣和發(fā)展。目前,，無線通訊,、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡技術已經基本成熟，在各國政府的推動下,，RFID支持技術會日益完善,，它將極大地促進相關應用產品性能的提高。任何一項技術的發(fā)展都有一個逐步成熟的過程,，RFID也不會例外,，它將成為繼移動通訊、因特網(wǎng)之后的又一項影響全球經濟與人們生活的新技術,。