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物联网技术之RFID识别

木马童年 2019-7-3 09:35 33 0

  摘 要:RFID是目前应用于物联网的一项新兴通信技术,可通过无线电信号识别产品电子标签内的EPC码来识别特定目标,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,它的应用给物联网行业带来了革命性的变化,极 ...

  摘 要:RFID是目前应用于物联网的一项新兴通信技术,可通过无线电信号识别产品电子标签内的EPC码来识别特定目标,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,它的应用给物联网行业带来了革命性的变化,极大地节省了管理成本,提高了管理效率。文章重点对RFID的工作原理、安全性、现状及发展趋势进行了阐述。 中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-5860045.htm  关键字:RFID;物联网;电子标签;射频识别

中图分类号:TN871 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2013)05-0014-04

0 引 言

自20世纪90年代物联网概念出现以来,越来越多的人对其产生了兴趣。物联网是在互联网的基础上,利用射频识别、无线数据、计算机等技术,构造一个覆盖万事万物的实物互联网。物联网内每个产品都有一个唯一的产品码,叫做EPC(Electronic Product Code,产品电子代码)。通常EPC码被存入硅芯片做成的电子标签内,附在被标识产品上,被高层的信息处理系统识别、传递、查询,进而在互联网的基础上形成专为供应链企业服务的各种信息服务,就是物联网。而射频识别是物联网中最基本也是最关键的技术。

1 RFID及其发展

RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)又称电子标签、无线射频识别。RFID类似于条形码扫描,条形码扫描是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器;而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的电子标签,即RFID标签,利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。RFID技术的发展经历了以下几个阶段:20世纪40年代,雷达的改进及应用催生了RFID技术,1948年,Harry Stockman发表的《利用反射功率进行通信》奠定了RFID技术的理论基础;50年代早期,RFID技术处在探索阶段,主要出于实验室的实验研究;60年代,RFID技术的理论得到了发展,开始一些应用尝试;70年代,射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期,各种射频识别技术测试得到加速,出现了一些最早的射频识别应用;80年代,射频识别技术及产品进入商业应用阶段,各种规模应用开始出现;90年代,RFID技术标准化问题已逐渐得到重视,RFID产品得到了广泛采用;到21世纪,RFID产品种类已经非常丰富,有电子标签、无源电子标签、半无源电子标签,成本降低,应用不断扩大。

2 RFID的构成及工作原理

RFID主要由三个部分组成,即RFID标签、阅读器和天线。标签由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的EPC,附着在物体上标识目标对象;阅读器由天线、耦合元件、芯片组成,可读取(或写入)标签信息;天线用于在标签和读取器间传递射频信号。图1所示是RFID系统的基本模型,图中作为RFID的部分只包括RFID标签、天线以及阅读器。当RFID标签进入磁场后,接收到阅读器发出的射频信号,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,或者由标签主动发送某一频率的信号给阅读器,阅读器读取信息后,通过网络送至上层系统进行数据处理。

3 RFID较条形码识别的优点

相比条形码识别,RFID识别具有如下优点:

(1) 扫描速度快。条形码一次只能有一个条形码受到扫描,RFID则可同时读取多个RFID标签。

(2) 体积小、形状多样。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制,不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。

(3) 抗污染能力和抗损坏性强。传统条形码的载体是纸张,易受污染,但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外,由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上,所以特别容易受到折损,而RFID是将数据存在芯片中,因此可以免受损坏。

(4) 可重复使用。现在的条形码印刷上去之后就无法更改,RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID标签内储存的数据,方便信息的更新。

(5) 信号具有穿透性。RFID射频信号能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质,而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下,才可使用。

(6) 数据记忆容量大。一维条形码容量是50 B,二维条形码最大容量可达3 000 B,RFID最大的则有数兆字节,而且有不断扩大的趋势。

(7) 安全性。由于RFID承载的是电子式信息,其数据内容可经由密码保护,使其内容不易被伪造及变造。

4 RFID标签的分类

4.1 按供电方式分类

按供电方式分类,RFID可分为有源、无源和半有源三类。

有源标签又称主动标签,标签具有内部电源,用以提供标签电路本身及标签与阅读器通讯所需的能量。特点是电能充足,工作可靠性高,信号传送距离较远,但时刻都在发送信号,使用寿命有限、体积较大、成本较高,且不适合在恶劣环境下工作。

无源电子标签又称被动式标签,标签无内部电源,其内部电路运行及向阅读器回传信息所需能量均由接收到的阅读器所发送的射频信号进行电能转换产生。这类标签价格低廉,体积小巧,无需额外电源,工作寿命长且对工作环境要求不高,一般可做到免维护,缺点是信号有效距离相对有源标签短。目前市场的RFID标签主要是无源标签。无源RFID产品发展最早,也是发展最成熟、市场应用最广的产品。

半有源电子标签具有内部电源,一般采用钮扣电池供电,但仅对标签内部电路提供电源支持。标签未进入工作状态前,处于休眠状态,相当于无源标签,标签内部电能消耗极少,电池可维持几年甚至长达10年;当标签进入信号区域时进入工作状态,标签与阅读器之间信息交换的能量由阅读器发出的射频能量为主,标签内部电路所需能量由内部电源提供。相对于无源电子标签,半有源电子标签内部电源恰好可以驱动标签工作,天线可以只管收发射频信号,从而避免了无源电子标签在吸收射频信号能量进行电能转换与回传信息两者间不断切换影响工作效率的弱点。半有源标签有更快的反应速度,更好的效率,较远的阅读距离。   4.2 按载波频率分类

按载波频率分类,RFID可分为低频、高频和超高频三类。

低频电子标签的工作频率范围为30~300 kHz。典型工作频率为125 kHz、133 kHz,与之相关的国际标准有ISO11784/11785(用于动物识别)、ISO18000-2(125~135 kHz)。低频标签一般为无源标签,与阅读器之间传送数据时,标签需位于阅读器天线辐射的近场区内,一般情况下距离小于1 m,其工作能量是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签的主要优势体现在:标签芯片一般采用普通的CMOS工艺,省电、廉价;可以穿透水、有机组织、木材等;非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用。其劣势主要体现在:标签存储数据量较少;只能适合低速、近距离识别应用;与高频标签相比,标签天线匝数更多,成本更高一些。典型应用有动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。

高频电子标签的工作频率范围为3~30 MHz,典型工作频率为13.56 MHz,与之相关的国际标准有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3(13.56 MHz)等。该频段的电子标签,从射频识别应用角度来说,因其工作原理与低频标签完全相同,一般也采用无源方式,标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1 m(最大读取距离为1.5 m)。高频标准的基本特点与低频标准相似,由于其工作频率的提高,可以选用较高的数据传输速率。典型应用包括电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。电子标签天线设计相对简单,标签一般制成标准卡片形状。

超高频标签的典型工作频率为433.92 MHz、862(902)~928 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz,相关的国际标准有ISO10374、ISO18000-4(2.45 GHz)、ISO18000-5(5.8 GHz)、ISO18000-6(860~930 MHz)、ISO18000-7(433.92 MHz)、ANSI NCITS256-1999等。超高频标签分为有源标签与无源标签两类。工作时,电子标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1 m,典型情况为4~7 m,最大可达10 m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写。由于阅读距离的增加,阅读区域中可以同时读取多个电子标签,目前,先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。目前,无源高频电子标签比较成功产品相对集中在902~928 MHz工作频段范围,2.45 GHz和5.8 GHz射频识别系统多以半无源高频电子标签产品面世。典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。

5 RFID的数据安全问题

随着RFID能力的提高和标签应用的日益普及,安全问题,特别是用户隐私问题变得日益严重。由于未授权的读写器可以读取和收集其作用范围内电子标签的相关信息,并通过信息积聚或位置信息对照来获取个人的隐私信息,例如金钱、药物(与特殊的疾病相关联)、书(可能包含个人的特殊喜好)等,特别是可能暴露用户的位置隐私,使得用户被跟踪。RFID的安全隐患主要存在于阅读器与标签之间的通信过程,由于RFID技术要求硬件本身的成本要低,因此一些好的安全办法是不能直接应用在这项技术上的,这是造成目前为止RFID技术不能广泛代替条码标签的原因。

5.1 存在的不安全因素

RFID 的不安全因素首先是内部人员泄露RFID相关信息。内部人员泄露RFID信息有两种途径:一种是窃取射频标签实体提供给不法分子,之后,不法分子通过物理手段在实验室环境中去除芯片封装,并使用微探针获取敏感信号,从而进行射频标签重构的复杂攻击;另一种是将密钥提供给不法分子。

另外就是利用软硬件对阅读器和电子标签进行攻击来获取相关信息,这是影响RFID安全的主要因素。攻击通常分为两类七种:一类是主动攻击(篡改信息、伪造信息、重放信息、中断信息);另一类是被动攻击(跟踪标签监控货物流通、干扰读写器及标签正常工作、截取标签数据传递信息)。这七种攻击是RFID技术应用在商业领域中所见到的最普通的攻击。图2列出这七种攻击行为的主要意图。

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几点:

5.2.1 物理隔离

物理隔离主要是在不希望标签被读取的时候使用物理方法阻断电磁波传递路径。如可用特殊的可阻断电磁波的包装袋来保护购买的商品信息,以防他人知道。目前,已经开发出可以阻断RFID信号的包装袋。

5.2.2 停止标签服务

停止标签服务是在RFID标签的应用周期完成之后,部分或者全部停止标签的信息服务。这种方法主要针对那种只存储标签ID的无源标签,这种标签的ID号是唯一的,往往是由产品的分类号和一个局部唯一的序列号组成。

5.2.3 读取访问控制

读取访问控制是利用hash函数来进行加密和验证的方案。进行读取访问控制时,RFID标签只响应通过验证的识读器。除RFID识读器和标签之外,还需要数据库服务器的支持。这是一种能够提供较完整的数据安全保护的方案,也是近来研究比较多的方案。

5.2.4 双标签联合验证

双标签联合验证是一种面向低端、无源、计算能力低的RFID标签的安全验证方法。这种方法主要是在两个相对应的RFID标签被识读器同时读到时,使用读取设备作为中介进行互相验证。即使在识读器不被信任的情况下,标签也能脱机进行验证。   6 RFID的发展现状

目前,RFID在国内的很多领域都得到实际应用,包括物流、烟草、医药、身份证、门票、宠物管理等,但除了公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等,还很难经常感受到RFID在生活中的存在。这是因为相对于我们国家的经济规模,其应用范围还远未达到广泛的程度,即便在RFID应用比较多的交通物流产业,也还处于点分布的状态,而没能达到面的状态。往往是产业中的领导企业为保持其竞争地位而率先尝试采用这种新技术,而更多的企业还抱着观望和犹豫的态度。以物流产业为例,应用RFID技术可以大幅提高物流运作效率,如加快货物出入库时间,减少现场操作人员,实现快速而精确的库存盘点,实现货物准确定位跟踪等,但时至今日,在国内真正实施RFID技术的物流企业还屈指可数。阻碍RFID这一新兴产业在我国发展的因素主要有以下四个方面。

第一是行业标准尚未统一,这是制约RFID发展的首要因素。在国际上,RFID技术标准化发展渐呈三足鼎立之势,国际标准化组织的ISO/IEC18000、日本的UbiquitousID、美国的EPCGlobal,这三个标准互相之间不兼容,主要差别在数据格式、防冲突协议和通讯方式三个方面,因此不同标准的RFID标签与阅读器很难互通。虽然国际上已经有现成的RFID标准,但我们不能直接使用,正如国家标准联合工作组秘书长、国家电子标签标准工作组总体组主任王立建曾坦言:“如果直接使用他国制定的标准,不但每年的经济损失相当于八国联军侵华好几次,还会对国家的信息安全造成严重威胁。”我国政府在2004年初正式成立电子标签国家标准工作组,目前正制定中国自己的RFID标准。正是由于标准的不统一和未定型,各个行业不敢冒然使用RFID技术,而这也势必对未来的RFID产品互通和全球经济发展造成了阻碍。

第二,我国企业总体信息化水平不高,阻碍了RFID充分发挥其作用。RFID作为一种信息技术手段,其基本功能是实现数据的精准快速采集。这些数据采集后,必须经过进一步的对比分析处理,才能达到提高效率、降低总体成本的作用。这要求企业信息化必须达到一定水平,使RFID系统与企业既有的ERP(Enterprise Resource Planning,企业资源计划)、CRM(Customer Relationship Management,客户关系管理)等信息集成在一起,才能充分发挥其作用。

第三,RFID实施成本还比较高,使很多企业望而却步。不仅仅对中国企业,即便对西方企业,RFID的高成本也是一个巨大障碍。正如前文所言,RFID的基本技术原理在60几年前就产生了,但直到20世纪后期,RFID的应用才逐步推广到民用领域,正是高成本阻碍了RFID技术的实际应用。目前在国内,一张RFID标签一般都在1元以上,ETC(Electronic Toll Collection,电子不停车收费系统)的车载单元要400多元,高成本使得RFID的投资回报具有很大风险,使其应用大多局限于高价值或高利润商品领域。

第四,我国产业供应链发展还处于初级阶段,也阻碍了RFID的实际应用。与西方企业相比,由于技术和管理处于劣势地位,我国大多行业都存在过度竞争,价格成为市场竞争的主要手段,这就使得很多制造企业利润率维持在相当低的水平,产业供应链的上下游企业之间往往博弈大于合作。而RFID技术只有在整个供应链上协同实施,实现供应链信息透明和分享,才能最大程度发挥出RFID的作用,这在目前情况下还很难做到。另外,实施RFID的一个主要益处是节省人工成本,而中国较低的工资水平也使得很多企业没有积极性去实施RFID技术。

7 RFID的发展方向

展望未来几年,我们看到有利于RFID发展的趋势正日益明显。相信不久的将来,我们国家将会研究制定出自己的RFID标准,其他的许多国家也会陆续开始制定自己的标准。要做到真正的信息安全,就必须使得RFID编码标准、芯片和核心技术具有自主知识产权。2012年,虽然以美国Impinj的Monza?X和美国意联HiggsTM4芯片为代表的国外RFID芯片产品强势登陆,但国内企业也推出了两款可圈可点的芯片――具有安全算法的超高频RFID电子标签芯片和KLW1008高频电子标签芯片,两款国产芯片的问世标志着我国对RFID核心技术掌控能力得到了很大的加强,意味着距离推出我们自己RFID标准更近了一步。2012年中国大陆已有73家企业闯入世界500强,更多本土企业正迅速成长为跨国经营企业,日益复杂的管理要求这些企业必须迅速推进信息化建设,在这一点上中国企业具有一定的后发优势,而企业信息化必然给RFID带来良好的发展机遇。

8 结 语

随着中国企业信息化的进程,RFID的应用将会由点到面,逐步拓展到更广的领域。RFID的实施成本,必然随着RFID应用的推广和市场的扩大而逐步降低,RFID的应用将会从目前的托盘或整箱的货物跟踪逐步扩展到单品货物跟踪的水平。从产业供应链角度看,国家目前提倡的产业升级,就是要使中国企业多生产高技术、高附加值、高利润产品,而这些领域,正是RFID用武之地。产业升级也终将带动中国企业提升市场竞争能力,逐步由单体企业竞争上升为产业供应链的竞争。关于电子标签的安全性,还是一个有待进一步研究的问题,即在不增加太多成本的同时提高其安全性。目前,各大RFID厂商正努力寻找解决之道,他们试图通过使电子标签在商品销售到消费者手中后自动失效,或者通过增加加密手段来保护个人隐私。

参 考 文 献

[1] 田美花.基于RFID技术的生产执行系统关键技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2007.

[2] 孔宁.物联网资源寻址关键技术研究[D].北京:中国科学院研究生院,2008.

[3] 肖慧彬.物联网中企业信息交互中间件技术开发研究[D].北京:北方工业大学,2009.

[4] 赵莹.基于物联网架构的EPC无线通讯协议研究[D].山东:山东大学,2005.

[5] 国脉物联网.RFID电子标签成为物联网最关键的技术[J].现代电子技术,2010, 33(22):42.

[6] 魏绍蓉.基于RFID技术的物联网安全隐患研究[J].现代电子技术, 2012,35(14):84-86.

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