RFID技术的应用与研究.docx

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RFID技术的应用与研究

摘要

RFID作为自动识别技术的杰出代表，具有识别距离远、环境适应性强、数据存储量大、可同时识别多个物体等诸多优势,已被广泛应用于工业、零售、物流、交通等多个领域。

本文介绍了RFID技术的组成部分、工作原理，研究了RFID技术以其自身的特点和优势，分析RFID技术目前在国内外的发展应用状况和技术存在的问题，并研究分析了RFID标签在的印刷制作中的技术、工艺要点与发展趋势。

本文重点分析研究RFID技术在交通领域、零售业领域、信息管理领域的应用，通过用VB设计车辆通过ETC时RFID系统工作的模拟过程的程序，展示RFID在为我们生活带来的多种功能。

最后对RFID技术的应用功能等进行总结，对其未来的发展趋势以及将对社会经济发展产生的积极影响进行了展望和预测，更加明确RFID技术应用和发展的方向及其广阔的市场前景。

关键字：

RFID技术；交通；ETC；印刷；图书馆

Abstract

Beinganexcellentrepresentativeofautomaticidentificationtechnology,RFIDhasarecognitiondistance,strongenvironmentadaptability,largedatastoragecapacity,canidentifymultipleobjectsatthesametime,andmanyotheradvantages,iswidelyusedinindustrial,retail,logistics,transportationandotherfields.ThispaperintroducesthecomponentandworkingprincipleofRFIDtechnology,RFIDtechnologyisstudied,withitsowncharacteristicsandadvantages,analysesthedevelopmentandapplicationofRFIDtechnologyatpresent,bothathomeandabroadandtheproblemsoftechnology.ResearchanalysisoftheRFIDtagintheprintingproductiontechnology,technologyanddevelopmenttrend.ThispapermainlyanalysisandresearchofRFIDtechnologyinthefieldoftransportation,retailingfield,applicationinthefieldofinformationmanagement.UsingVisualBasictodesignthevehiclethroughtheETCofRFIDsystemsimulationprogram,displayofRFIDinlifefromavarietyoffunctionsforus.FinallysummarizesontheapplicationofRFIDtechnology,etc,foritsfuturedevelopmenttrend,andwillhaveapositiveimpactonsocialandeconomicdevelopmentisdiscussedandforecast,themorecleartheRFIDtechnologyapplicationandbroadmarketprospectanddevelopmentdirection.

Keywords:

RFIDtechnology;Library;TheETC;Thetraffic;Printing

第一章RFID技术简介

RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。

是20世纪90年代兴起的一项新型自动识别技术，它成功地将射频技术与微电子技术及IC卡技术结合起来，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。

被称为21世纪最具发展的信息技术之一。

RFID技术自在二战中为识别敌我飞机应用已有60年，随着技术的不断进步，尤其是电子网络的飞速发展，使得RFID技术得到了很大的发展，与之相关产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。

它涉及到电子通信技术、材料科学、微波技术、计算机软件、印刷技术等许多领域，技术综合性强，应用空间广阔，与各行各业和我们的生活有着千丝万缕的联系。

RFID标签与传统标签相比，它在标签领域中属高新技术产品，在一些高科技领域中扮演着重要角色，在一些领域将逐步替代传统的产品标签和条形码。

特别是在国民经济结构调整、社会运用信息技术提高经济运行效益和质量的形势下，RFID技术将会逐渐应用到社会经济、生活的方方面面，发挥越来越大的作用。

1.1RFID定义及其分类

无线射频识别技术，俗称RFID。

它透过无线电波做到非接触的快速信息交换与存技术，通过无线通讯（WirelessCommunication）结合资料存取技术（InformationTechnology），再连结资料库系统，实现非接触式的双向通信，达到识别的目的，并进行数据交换，形成一个非常庞大且串联在一起的系统。

在这个识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现。

按照通信距离，可以划分为近场和远场。

相应的，读写器和电子标签之间的数据交换方式也被划分为负载调制和反向散射调制。

RFID标签主要构成是：

微型天线和半导体芯片。

将微型天线和芯片以某种形式封装在一起，有源标签还会连接电池，即构成一个完整的RFID标签。

的几个主要模块集成到一块芯片中，完成与读写器的通信，芯片上有内存部分用来储存识别号码或其它数据信息：

通常内存容量为几个比特到几十千比特。

微型天线通常是一圈金属线圈。

如图

图1-1

对RFID标签的分类，通常根据RFID标签有无工作电源和工作频段两种来分。

根据电源分为有源、无源和半有源三类，也称主动式、被动式和半主动式，不同类型标签其工作原理也是不同的。

有源RFID标签是向读写器发射无线电波，读写器收到信息也以无线电波的形式反馈，将新的信息写入标签，完成信息交换，工作频率很高；无源RFID标签是在其内部有微型天线，在读写器工作区域内，收到读写器发出的电磁波，利用磁电互感原理在产生感应电流并发出电磁波信号，进行数据的交换，工作频率较低，目前我们生活中常见的RFID标签基本都是无源的；半有源标签有高频和低频两个工作频段，同时具备两种标签的技术特点。

常见有源标签与无源标签的性能对比见表1-1。

表1-1有源标签与无源标签性能对比

识别范围

使用寿命

价格

有源标签

100m

2-4年

高

无源标签

3-5m

较长

低

根据工作频率，RFID可分为低频、中频、高频和微波频段。

低频标签工作在100-500KHz，用于短距离、低成本的应用，如门禁控制、货物跟踪、动物管理等；高频标签工作在10-15MHz，应用在门禁控制和需要传输大量数据的应用；超高频标签工作在850-950MHz,应用于长距离、高速读写的场合，如火车监控、高速公路收费系统等；微波标签工作在2.4-5GHz，距离更长，读写速度更快。

不同的工作频率，工作的范围也是不同的。

具体性能见表1-2。

表1-2不同频段标签的识别范围

低频

高频

超高频

微波频段

识别范围

45cm

1-3m

3-9m

对于RFID标签的识别距离主要取决于工作频率的高低、阅读器的功率输出和天线结构，天线结构又要更具应用、阅读期间的环境、工作频率来定。

标签的内部电源则可以显著延长识别距离。

1.2RFID系统构成与工作过程

射频技术涉及射频信号的编码、调制、传输、解码等多个方面。

将射频技术用于自动识别系统中，就构成了射频识别系统。

RFID射频识别系统主要由RFID标签、计算机数据处理系统和标签读写器终端组成，如图1-2所示。

图1-2

RFID标签安装或粘贴在物品上，并记载详细的物品信息。

标签读写器会在一定范围内不断地发射出无线电波，形成电磁场，RFID标签经过这个区域时检测到读写器的信号后，标签内的芯片对接收到的信号进行解码并做出应答，应答信号同样以无线电波的方式将内部存储信息传送给读写器；读写器接收到射频标签发送的信号，解码并校验数据的准确性。

标签读写器接受并反馈信息，控制与RFID标签的通信，直到完成对标签内部数据的读取；最后标签读写器将RFID标签承载的信息通过网络等方式传递给计算机数据处理系统，实现对物体信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

RFID标签将无线电能转换成稳定电源给内部的IC芯片，IC芯片读取接收到的信号，解码后做出应答，并同样以电磁波的形式将信息传送到标签读写器；标签读写器分析标签反馈的信息，并控制与RFID标签的通信，直到完成对标签内部数据的读取；最后标签读写器将RFID标签承载的信息通过网络等方式传递给计算机数据处理系统，实现对目标物体的信息采集、处理及远程传送等管理功能。

最基本的RFID系统由标签（Tag）、读写器（Reader）、天线（Antenna）三部分组成。

最常见的射频识别系统的工作过程是：

读写器在一个区域发射无线电波形成电磁场，射频标签经过这个区域时检测到读写器的信号后发送储存的数据，读写器接收射频标签发送的信号，解码并校验数据的准确性以达到识别目的。

RFID阅读器工作过程

1.3RFID技术特点

数据的读写功能。

RFID标签通过阅读器，不需要直接接触，在一定距离内就能够通过电磁波的形式与RFID系统实现数据的交换。

它的读取速度快速，可以同时读取多个标签，无需人工干预，具有很强的穿透性，还可以将物流状态写入标签，供下一段物流处理的读取判断之用。

而且数据的重复读写可以是RFID标签重复使用，降低其应用的单位成本。

小型化和多样化。

RFID在读取上不收储存大小和形状的限制，不需要为了读取精确度而配合特定的基材、固定的尺寸及印刷品质。

此外，RFID标签更可以向小型化、多样化、智能化发展，以满足不同类型产品的要求。

耐环境性好。

纸张等标签沾上脏污字符，就会看不清楚，丢失信息，但RFID标签对水、油和有机溶剂及其他脏污物却又有很好的耐受性，还具有耐高温、防磁性的特点。

即使在黑暗中或被污染的环境下，仍可以读取数据。

数据记忆容量大。

随着社会不断发展，未来物品所需要携带的信息量也越来越大，这是传统标签所无法胜任的，这种携带大量信息的任务，只有RFID标签才能胜任。

一个RFID标签存储数据的大小为12字节～4兆，并随着芯片制作技术的提高，数据存储量还会得到提升。

可连接互联网。

依靠强大的RFID系统的支持，以RFID技术为基础形成物流网，实现物资全资可视、空间定位与跟踪的实时监控功能，在物流日益发达的今天，RFID在物流中发挥的作用是毋庸置疑的，尤其是对一些特殊物品、重要设备管理和交通管理领域等。

防伪性能高。

RFID的工作原理和大容量的信息量，难以复制，防伪性能较高。

随着社会个人的信息量不断增多，对个人信息的保护也将越来越收到重视。

因为银行卡采用磁条的信息读取技术而造成信息泄露，将来要改用RFID的芯片卡的趋势可见一斑。

由此可见RFID技术拥有自己非常突出的特点，他与其他识别技术比较有自己独特的优势，如下表

表：

常见自动识别技术比较

识别统参数

条码

光学字符

语音识别

图像识别

磁卡

智能卡

射频识别

信息载体

纸或物质表面

物质表面

－

磁条

EEPROM

信息量

小

大

较小

大

数据密度

小

高

很高

读写性能

R/W

读取方式

CCD或激光束扫描

光电转换

机器识读

电磁转换

电擦写

无缝通信

读取距离

近

很近

接触

远

识别速度

低

很低

低

很快

使用寿命

一次性

较短

－

短

长

很长

识别统参数

条码

光学字符

语音识别

图像识别

磁卡

智能卡

射频识别

人工识读性

受约束

简单

不可

保密性

无

好

一般

好

环境适应性

不好

－

不好

一般

很好

光遮盖

全部失效

－

全部失效

－

没有影响

国际标准

有

无

有

成本

最低

一般

较高

低

较高

多标签同时识别

不能

能

1.4RFID技术发展现状

1.4.1国内发展现状

上世纪40年代，RFID技术的理论得到了奠定，从实验研究阶段开始了一些应用尝试，70年代后，技术与产品进入大发展期，出现早期的应用。

80年代后进入商业应用阶段，各种形式层出不穷。

到现在，它已渗透到我们生产生活的方方面面。

在我国，RFID技术的发展很快，已经有了一定的行业标准，国家标准委早就成立了“RFID标签”标准工作小组，由科技、信息产业等部委联合一些专业的研究院，起草、制定了这方面的国家标准，为走向规范化和标准化打下基础。

在政府政策的推动下，各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。

现在射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及,可以说，我国射频识别产品的市场是十分巨大的。

目前，国内已有许多公司在引进国外的先进技术,开发自己的射频识别系统，应用最好的应该是当前的高速公路收费系统。

在不远的将来，物联网会广泛的普及和应用，随着社会的发展和信息技术的完善，射频技术的应用潜力应该是非常巨大的。

可以毫不夸张的预测,任何一种应用如果成为现实。

都将会孕育一个庞大的市场。

RFID技术应用将是未来一个新的经济增长点。

我国的射频识别应用还处于初级阶段，还存在一些问题有待完善：

频率规划不一、信息安全受到攻击、核心硬件产品生产技术有待提高、成本较高等问题。

在超高频芯片天线的设计与制造、RFID卷标封装技术与装备、读写器关键芯片、测试技术和设备中间件和重要营运系统软件的开发应用仍处于劣势。

在低频和高频RFID方面比较成熟，高频领域的国产产品在精度和性能稳定性上都达到国际领先水平；超高频领域发展还不够成熟，微波领域，国内基本还处于研发阶段，成熟的产品和批量化产品都比较少。

对于普通的印刷业者来说，想要跻身进入这个新型业务，还是有难度的。

一是需要较大的起始投资购买加工设备，二是要有专业的人才，既要懂印刷质检又要懂软件测试。

目前，国内已有不少的企业、研究单位先后加入到RFID产品及系统的开发。

它们的加入，将大大促进RFID产业的发展，这些问题将会被逐步解决、完善。

1.4.2国外发展现状

RFID技术在国外发展的很快，RFID产品种类很多，在经济发达国家应用更为广泛，主要应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如：

汽车火车等交通监控、停车场管理系统、高速公路自动收费系统、物品仓储管理、流水线生产自动化、门禁安保系统、图书馆管理系统等等。

同时，有一些企业正在积极进行FRID技术的推广，如全球最大的零售巨头—沃尔玛正在推进RFID其旗下全球店铺的应用，这项技术的使用将大大降低其物流成本、管理成本，提高公司整体运行效率。

RFID在新领域的应用也层出不穷，如行李管理、RFID机票门票应用。

这些应用也会更加方便消费者的出行、消费、参与各种活动。

在国外，RFID技术在一些企业已经得到了很好的应用，企业也从中获得不菲的收益，值得我们借鉴，而且这项技术的应用正在向我们生产生活的方方面面渗透；部分企业非常看好RFID技术，正在积极研究和推进RFID技术的使用，它有着很大发展空间。

1.4.3RFID技术存在的问题

首先是RFID的标准制定问题。

目前制定该技术标准的有：

国际标准化组织（ISO）、美国的EPCGlobal、日本的UbiquitousID,他们各自推出自己的系列标准，3个标准在通讯方式、防冲突协议和数据格式方面相互之间不兼容，形成三足鼎立的局面。

要想使RFID的在全球范围内广泛的应用，这是必须要解决的问题，目前的应对方法是在识别系统做到可以识别一个以上的技术标准系统，这样会加大成本，但同时也会推动RFID技术标准更快的统一。

其次是成本问题。

对于RFID标签广泛应用的最大问题，莫过于成产成本。

RFID技术已经应用到多个行业，但应用市场主要以高成本的产品为主。

就拿图书馆管理应用为例，目前一本书的RFID标签的生产成本大约是4元，对于一本书来说，它的成本甚至都高于一本普通书籍的印刷装订成本。

再次是RFID技术的识别问题。

目前的识别率只能达到99.5%，在数量庞大的应用中它还不能很好的满足需求，尤其是有在有金属类物品干扰时，识别效率更低。

同时，在多个阅读器同时工作时，或同时读取多个射频卡时，也会相互干扰，存在读取的“盲区”。

最后是安全隐私问题。

虽然RFID标签具有很强的防伪性能，但RFID系统感应器中的唯一标示符也较容易被复制,其基本验证机制也存在严重的安全缺陷，还没有非常可靠的安全机制，芯片在与读卡器交换信息的过程中容易被黑客所利用，无法对数据进行很好的保密，无论是个人信息还是企业的商业机密,都有可能被人窃取，这也是因为RFID芯片本身及其无需接触即可进行数据读写的特点造成的。

而且，如果拿着一台RFID阅读器，任何一个人在店外便可以知道商场里摆放了什么商品，在屋外即可知道某个家里买了什么商品，甚至有人用阅读器通过身份证随意获取个人信息，这个问题需要我们的政府注意起来，通过立法对用户的隐私加以保护逐步解决。

同时也要提高技术水平的提升，通过防伪性能的提升、识别距离的控制等来应对这这个问题。

1.5RFID标签的制作

RFID标签主要由面层、芯片层（主要为天线和集成电路芯片）和底层3部分组成。

标签的印制也分为天线印制与表面印制两部分。

1.5.1天线印制

RFIDRFID标签天线制造常用的技术方法有：

绕线法、蚀刻法、电镀法和直接印制法（导电油墨印刷法），后三者都属于天线的印制技术。

目前国内外主要是以蚀刻法和电镀法为主，直接印制法是最近正在兴起和研究的印制技术。

绕线法直接以底基为载体，绕上铜线或铝线制作天线。

这种方法生产效率低，标签质量不高，目前基本被取代。

蚀刻法是在基材上的金属表面上，通过印刷的方式，预先均匀涂布一定量抗蚀剂，以保护金属不被侵蚀，未覆盖的金属被腐蚀剂溶化，露出的基材成为天线线路的间隔，最后用脱膜液洗去抗腐蚀剂，制成天线。

电镀法是指在基材上通过印刷涂覆一层特殊的油墨层，这种油墨中含有金属颗粒，因此在电镀过程中，起导电作用的金属被油墨吸附，附着在有油墨的位置，形成天线。

直接印制法是直接用导电油墨在绝缘底基（薄膜、纸张等）上印制油墨，形成天线和电路。

在导电油墨的推动下，直接印制发具有可批量生产、小型化、精度高成本低、无污染的优点，这是新兴的正在被广泛研究的方法。

目前较广泛的印刷方式为丝网印刷，根据当前研究得出的有益经验，网孔选用六角形的孔形，这样有利于导电油墨的彻底转移；导电油墨选用溶剂型的油墨更佳；创造优良的油墨干燥条件（如：

减小烘箱内的风速，加热温度在140℃，加热时间在30秒到120秒之间），有利于印刷线圈图形轮廓的精确成形。

传统的蚀刻法和电镀法具有以下缺点：

工艺复杂，成品制作时间长；要消耗大量的金属材料，成本较高；制作过程产生大量含金属和化学物质的废液，对环境造成较大的污染。

而直接印制法制作RFIDRFID标签天线不仅高效快速，而且成本低、无污染。

虽然印制天线对温湿度、灰尘等印刷作业环境的要求较高，初期设备投资较大，但随着管理水平和行业技术的组不发展，毫无疑问，这种印制方法将成为RFID标签天线制作最主流的方法。

1.5.2表面印制

对于RFID标签表面的制作，通常面层和底层需要印有视觉标识的文字或图像，如我们的二代居民身份证、校园一卡通、市政交通卡等，面层材料通常为PVC或PET。

印刷方式主要有成卡前UV胶印和成卡后印刷两种。

成卡前UV胶印指在完成表面UV胶印后再进行芯片的封装。

这种印刷方式通常为整版印刷（印刷层上的卡片数与芯片排版数相等），印刷完毕后再层压、冲切成卡。

成卡前的表面UV胶印工艺中，根据普通胶印的工艺要求注意水墨的平衡调节，对色序的安排要综合考虑胶印工艺和不同颜色的UV固化性能，同时也要考虑UV型油墨的工艺要求，调整好UV灯的功率和固化时间等参数。

RFID标签的芯片成本高，如果整版的印刷层中有1～2张废品，制成卡后芯片的损失是巨大的，通常报废整版印刷层比丢掉一个芯片的损失还要小，所以成卡前的UV整版印刷对印刷质量的要求很高，要求印刷层的废品率（包括色差、色斑、污点等）须控制在3％以内。

但对于普通UV胶印来说，这种工艺水平很难达到。

另一种印刷方式是成卡后印刷，也称单卡印刷，即指在芯片封装后的单张卡片上完成印刷工序，这是目前RFID标签表面印刷最先进的印刷方式之一。

因为这种印刷方式采用特殊的树脂版，在印刷过程中不需要使用润版液，不存在水墨平衡问题，能较好地控制印刷质量，其废卡率可控制在3％以内，这对生产商来说可大大减少芯片的损失，降低生产成本。

我国现在使用的单卡印刷设备多为德国和日本生产的无水单卡胶印机。

但是，无水单卡胶印机的一次性投资较大，其功能仅限于印刷单张卡片，设备的利用率相对较低。

同时，这种印刷方式对印刷环境、卡体质量的要求也较高。

总体来说，单卡印刷相对于整版印刷来说，成本较高，但其能降低因冲切位置偏差，大大降低废品率，总制卡成本会大幅下降。

随着印刷行业的不断整合，企业管理和生产水平的不断提高，成卡印刷的方式将逐渐走向主流。

第二章RFID技术的应用

RFID的应用领域主要有：

物流。

物流过程中对物资的全程可视、空间定位与跟踪、信息自动采集，仓储应用、港口管理、邮政、快递等。

零售。

商品的销售数据的实时监控、质量追踪、自动化生产。

服装业。

餐厨管理、品牌管理、单品管理、渠道管理。

医疗。

医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗、疾病治疗、特殊药品监管。

身份识别。

电子护照、身份证、校园一卡通等各种电子证件、

防伪。

贵重物品的防伪、票证的防伪等。

交通。

高速路桥的不停车收费、出租车管理、交通运输流量管理。

食品。

水果蔬菜、生鲜视频等保鲜的管理。

下面主要具体分析研究RFID在交通、零售和图书馆领域的应用。

2.1交通领域

2.1.1高速公路应用

高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一，也叫不停车收费系统，简称ETC（ElectronicTollCollection）。

它包括由数据采集

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