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浅析物联网RFID技术应用及其发展瓶颈

2017-09-21 15:16


  无线射频识别RFID技术在物联网技术的总体发展中具有重要的研究价值,从目前应用研究的情况来看,已经出现多个技术发展方向。而准确把握当前技术发展的瓶颈,对于积极开展RFID技术研究,推动物联网技术发展,具有一定的现实意义。

  物联网是近年来在高技术领域频繁出现的热门词汇,物联网所指未来高度智能化的,能够实现人与人、物与物以及人与物之间相互关联的网络,网络能够实现众多的智能业务配置,能够做到广泛的全球覆盖,能够做到人和物全面接入网络的情境,实现人类社会信息资源的最优智能应用。在物联网的实现过程中,借助无线射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术对物体进行自动识别并完成信息交换和认知成为一项重要的技术手段,RFID技术溯源最早可至二战时期,在20世纪90年代才逐渐应用开,2000年以后呈现高速发展的态势。美国国防部自2005年起对所有军需物资使用RFID技术进行标记和识别,美国最大的零售商沃尔玛要求所有供应商采用RFID技术对商品进行标识和管理。中国射频识别(RFID)技术政策对RFID技术发展现状与趋势、中国发展RFID技术战略、中国RFID技术发展及优先应用领域、推进产业化战略和宏观环境建设构建了政策指导框架,积极引导中国的RFID技术发展。

  RFID是英文“Radio Frequency Identification”的缩写,意指无线射频识别,是以具有一定频率的无线通信电磁波来完成自动识别的技术。RFID是一种无线电应用技术,在非接触状态下对目标进行定位和跟踪,以及目标信息的数据读写。RFID技术可以实现高速化多目标的数据读写,可以在非视距范围内完成移动目标识别、多目标识别、定位和长期跟踪,可以借助网络系统实现追踪管理,识别和跟踪的过程在无人操控状态下自动完成,这项技术在物联网技术领域拥有广泛应用前景。

  完整的RFID系统包括电子标签(Tag)、天线(Antenna)、阅读器(Reader),以阅读器通过天线读取电子标签中的信息,然后进行相应的处理,处理工作可以通过后台网络系统完成。

  RFID系统在仓储物流领域可实现对供应链的追踪管理;在超市零售业可以实现商品实时管理及消费引导;在交通领域可以实现智能调度和门禁、收费管理;在军事领域可实现物资调配和防伪保密;在食品和药品领域可实现产地溯源及安全监管;在畜牧业和采矿业可实现定位跟踪等功能。比如:当我们在超市购物时,放入购物车的食品可以通过购物车上的显示屏告知我们食品的安全溯源、营养成份、保存及烹饪方法,并按照不同的烹饪方法提示配料食材及其在超市中的位置,智能的引导我们至商品货架配齐烹饪所需其他食材,结账时没有等待直接回家,购物清单通过手机确认完成在线银行信用支付,这其中就包含着重要的RFID技术支撑。利用RDID技术的网络与互联网、移动通信网、无线数据网、传感网、Ad-Hoc等网络构成了未来的物联网,共同实现起人类智能信息化的未来。

  RFID的标准化工作最早在1995年就开始进行了研究,由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)组织联合技术委员会开展此项工作,委员会的成员来自不同的企业、各类区域标准化组织和不同国家,代着各方的利益。ISO/IEC出台的RFID标准主要关注基本的模块构建、空中接口、涉及到的数据结构以及应用的具体实施等方面的问题。ISO/IEC出台的一系列RFID技术标准主要可以分为技术标准、数据结构标准、设备性能标准和应用标准四大类,另外还包含一些规范。从ISO/IEC制订的RFID技术标准内容来说,是在RFID编码、空中接口协议、读写器协议等基础技术标准和数据结构标准之上,定义了使用条件、标签尺寸、标签粘贴位置、数据内容格式、使用频段等具体性能要求,根据应用领域在包括数据完整性、人工识别等其他功能方面制定了应用标准。ISO/IEC所制订的RFID技术标准最大意义在于通用性,它提供了一个基本框架,在保证互通与互操作性的原则之上兼顾不同应用领域的特点实现各应用领域的具体实现要求。

  EPC Global是美国统一代码协会(UCC)和国际物品编码协会(EAN)在美国麻省理工学院Auto-IDCenter基础之上组建的全球第二大RFID标准化组织,该中心与众多企业成员共同制订了EPCGlobal技术标准,该标准的关注点在于“物联网”自动识别基础架构和标识的数据载体及其内容,在开放技术和计算机互联的基础体系上,实现商品信息的交换与共享,面向物流供应链解决透明性和追踪性。EPCGlobal致力于建立面向全球电子标签用户的标准化服务网络,由于其成员企业大多来自欧美地区且得到了IBM、Microsoft、Philips等众多国际巨头的支持,因此在业界成为事实上的最大标准而得到了广泛的应用。目前,EPCGlobal也将自身的部分技术标准提交给ISO以期成为国际标准,从而使自身技术标准体系具备更强的竞争力。

  世界第三大RFID技术标准是由日本政府经济产业省牵头成立的泛在中心(UbiquitousIDCenter)负责起草的,其技术联盟成员主要是日本厂商,涵盖电子、信息、包装、物流、印刷等多个行业,泛在中心(Ubiquitous IDCenter)是日本电子标签RFID技术的标准化组织。泛在中心(Ubiquitous ID Center)组织及其成员拒绝EPCGlobal技术标准,该组织制定的RFID相关标准也构建了一个完整的标准体系,拥有自己的ucode编码系统,保持自主独立又不失兼容性,该体系的关注点更加重视网络和应用体系的安全性能。

  除了这三大RFID技术标准组织,国际上还有AIM-global即全球自动识别组织和第三世界标准组织IP-X共同推进建设人类未来的物联网技术体系。

  电子标签的成本对于RFID技术的推广具有极其重要的影响,一旦拥有价格低廉的电子标签,将可以迅速推广应用。在RFID系统中使用的电子标签分为主动式电子标签(即有源电子标签)和被动式电子标签(即无源电子标签)。主动式电子标签一般配有电池作为电源,所存数据内容较多,因而包含更多信息以实现较多功能且识别的空间范围也相对较大;缺点在于体积较大、价格较高,且电池寿命由标签功耗决定。被动式电子标签体积小成本低便于应用,但功能有限,包含信息量较小,识别距离较短。受成本因素的制约,目前实际所用电子标签以被动式无源电子标签为多。影响电子标签价格的因素很多,但最主要的是材料及电子元器件,电子标签的体积和功耗也是影响价格的重要因素,一般而言技术体系相同且兼容性好的电子标签因批量较大往往可以降低单个电子标签的价格。

  RFID技术使用多种频段用于数据通信,完成电子标签的识别及其数据的读写功能。因其使用非接触的通信方式,以电磁波作为传输媒介并将自由空间作为传输信道,所以一般运用电感耦合原理或反向散射工作原理,具体采用的频段和运用的原理依据应用需求和应用领域而决定。电磁波在空间传播时,由于反射、折射、散射和吸收现象的存在,导致损耗而引起信号的衰减,又因存在多径效应的原因而产生时延,并且室内空间环境和室外空间环境都具有很大的随机性,使得数据传输的干扰很难在固定条件的模型里进行分析。另外,由于空间的开放性,实际中存在的各种电磁波信号,也对空间传输信道产生着各类干扰。在RFID系统中,由于标签数量众多,当阅读器发送信号后,来自不同标签的应答信号也互相干扰,甚至于运用多个阅读器时,阅读器相互之间也存在干扰,理论上说越庞大的RFID系统,自身存在的干扰问题就越为复杂和突出。因这些原因,最终在数据读写的传输过程中,会出现漏读、无法识别等种种故障现象。

  在很多RFID系统的应用场合里,往往需要在极短的时间片段(秒级)里对数十个甚至上百个标签进行读写数据操作,信号传输在时间域上存在着重叠,从而产生数据碰撞问题。数据碰撞的问题本质上是信道共享的问题,在信道共享的问题上,一般采用时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)、频分多址(Frequency Division MultipleAccess,FDMA)、空分多址(Space Division MultipleAccess,SDMA)、码分多址(Code DivisionMultipleAccess,CDMA)四种方式解决,但在RFID系统中受制于功耗及其他因素影响,FDMA、SDMA、CDMA三种方式并不适用。目前广泛使用的基本都是基于TDMA方式的防冲突算法来解决数据碰撞问题,一种是基于二进制数的确定性算法,还有一种是基于ALOHA的不确定性算法。二进制数的确定性算法防冲突能力强、数据结构和指令都比较简单,但支持的存储容量小,搜索时间也需要优化;ALOHA的不确定性算法识别速率高,但复杂度明显且不能完全解决冲突,存在“标签饿死”的问题。算法的优化和研究在RFID系统中,成为解决数据碰撞问题从而完成多目标识别的关键技术。

  RFID系统大量使用电子标签,在这种环境下企业的商业机密、国家的安全问题都有可能泄露,安全威胁主要来自标签威胁、网络威胁和数据威胁。RFID标签的计算能力、存储空间和电源供给都比较有限,越便宜的电子标签计算能力越弱,对安全威胁的防护也越差。由于采用无线通信的方式,在某些介质可穿透的状态下,对于长达50米以上的通信信道,不法分子可以利用技术手段盗取标签信息,通过隐蔽方式对电子标签或者是读取电子标签信息的阅读器发动攻击或者截获信息。对于电子标签本身而言,具有多次读写功能的电子标签相对应用便捷,但也存在更大隐患,安全策略保护显得尤为重要;对于无线通信信道而言,容易遭受非法截取通信数据的风险,容易遭到攻击而产生通信链路堵塞或受到欺骗;对于网络连接而言,易于遭受来自互联网的各种攻击。RFID系统在数据安全方面应当保证机密性、数据完整性、防欺骗的真实性和通信信息的隐私性。

  目前,RFID所涉及的主要技术方向,虽然都在快速度的发展,但仍然存在方方面面的瓶颈,从目前看来主要存在以下问题。

  对于RFID的技术标准,国际上目前难以做到统一,使得产品开发和应用定位比较混乱,主流技术标准在推广方面都试图不断强化自身影响力,尤其看中中国未来的RFID技术推广,一度曾出现ISO/IEC、EPCGlobal、UID、AIM-global、IP-X五大组织负责或几乎同时出现在北京和中国RFID领域相关负责机构接洽的情况,试图通过中国的加盟而强化自身在RFID技术领域的国际领导地位。对于中国而言,也在积极谋求自身的技术标准独立,以保护自身的技术、经济和安全利益。因此,RFID技术标准的统一存在一个推广瓶颈的问题。

  对于电子标签而言,高存储容量意味着多功能,低功耗意味着标签小型化,直接制约着电子标签的成本。另一方面,统一而广泛应用,意味着电子标签数量的巨大化,当应用系统电子标签数量足够大时,单个电子标签的成本就可以快速降低。按一般价格测算,大约单个电子标签价格在5美分左右时,全球RFID电子标签市场就会出现井喷,并且大量快速应用到各个领域中。就目前而言,电子标签的价格还比较高,功能简单的电子标签仍在数十美分的价格区间,技术标准制约着系统内电子标签的数量,难以做到广泛兼容,统一困难使价格难以下降,半导体电路性能方面也存在影响,不同厂家的芯片使用不同的标准,也影响价格。

  对于空间中的数据干扰问题,可以通过技术手段加以克服,但是往往以牺牲性能为代价,现实中的情况和数据模型的建立之间任然存在差异,甚至于某些场合难以完成识别,系统容量超过一定数值,信号干扰就呈现数量级增长导致系统几近崩溃,高速度狭小空间范围内的大容量识别难以实现。

  对于电子标签的数据碰撞问题,现有的算法总存在一些不足,目前许多机构积极研究高效算法来处理电子标签的数据碰撞问题,此类问题也成为当前RFID技术一项重要的研究热点,防冲突的确定性算法和非确定性算法都有待进一步突破。

  对于RFID系统的数据安全问题,在具体实现中是以物理方法和密码方法两种方式来解决的。加密技术对于电子标签的成本和功耗都存在要求,越安全的数据加密算法,意味着需要占据更大的电子标签存储空间,如何在成本和安全性能中求得最佳平衡点,也是需要不断突破的问题。

  无线射频识别RFID技术在物联网技术的总体发展中具有重要的研究价值,从目前应用研究的情况来看,已经出现多个技术发展方向。而准确把握当前技术发展的瓶颈,对于积极开展RFID技术研究,推动物联网技术发展,具有一定的现实意义。