物联网RFID系统及其应用浅论

郑改成

(太原理工大学信息工程学院，山西 晋中 030600)

物联网RFID系统及其应用浅论

郑改成

(太原理工大学信息工程学院，山西 晋中 030600)

从科普的角度，介绍了物联网RFID产生的背景，概念、电子标签的组成；RFID系统的基本构成；以及物联网RFID的系统架构和工作过程。

RFID；物联网；电子标签；EPC；系统高层

1 背景概述

“物联网”是在互联网基础上，将用户端(人)延伸到任何物品，实现在任何时间、任何地点人与物、物与物之间的通信，拉近人与物、物与物之间的距离，而RFID正是它们之间的联系纽带，也是物联网的关键技术之一。

RFID(Radio Frequency Identification)，即(无线)射频识别。顾名思义，是用发射出的无线电磁波频率信号来对物体进行识别，获取相关数据，并且与被识别物体不接触，即可完成信息的快速识别与采集。可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体，可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。RFID诞生于20世纪60年代至20世纪90年代开始普及，并已有了科学的标准体系。可以说物联网是起源于RFID，是与RFID、互联网、移动通信等技术相结合、实现全球范围内的物品跟踪和信息共享[1]。

RFID是以电子标签来标志某个物品的，标签中含有电子芯片和天线，形状有卡片型、粘贴型、钥匙扣型、扎带型、手表型等。其特点是抗污损能力强、安全性高、信息存储量大，可无接触远距离同时识别多个物体等[1]。

2 RFID系统的基本构成

从功能上讲，不同应用场合下的RFID系统的基本组成均包括电子标签、读/写器和系统高层三大部分，如图1所示。其中，电子标签附着在物品上，用于识别物体；读/写器位于电子标签和系统高层之间，其功能有三：1) 读取物品信息；2) 向物品(电子标签)中写信息；3) 向系统高层发送所读取的物品信息，同时传达系统高层的读写命令给物品(电子标签)；系统高层用于管理和控制读/写器和电子标签[1]。

图1 RFID系统功能结

具体结构上，电子标签是由专用芯片和天线组成。标签的电子编码(调制后物品的资料信息等编码)就存储在芯片中；标签的天线用于收集读/写器发射到空间的电磁波(读写命令、数据等载波信息)，并将标签本身的数据调制后发射出去，供读/写器接收。按供电方式，可将电子标签分为无源、有源和半有源三种。无源标签的能量来自于读写器发射的电磁波，耦合后整流为直流进行供电。特点是体积小、寿命长、对环境要求不高，可满足物联网的大多数场合要求，但可靠性较差；有源标签有电池供电。特点是电能充足、可靠性好、信号传输距离远，但寿命短(3～10年)、体积大、成本高，不适于恶劣环境工作；按工作(载波)频率，可将电子标签分为低频(30～300 kHz，具体使用125 kHz和134.2 kHz两种)、高频(3～30 MHz，具体使用有6.75 MHz、13.56 MHz、27.125 MHz)和微波(大于300 MHz，具体使用有433 MHz、860/960 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz)。很显然，低频标签作用距离短、存储数据量也少，但成本低，适合于智能家居等室内的静态场合，目前技术也比较成熟；高频标签作用距离较长，存储数据量大，技术也很成熟，也有国际标准，但成本略高；微波标签实际上已进入UHF(超高频)频段，其电磁波束穿透力强、方向性好、速度快，作用距离比低频、高频更远，且读写器能同时对多个电子标签进行操作。但系统造价更高、耗能也更大。微波RFID系统是目前射频识别系统研发的核心，也是物联网的关键技术。一个规模庞大、物品性质多样的物联网系统应该是有源、无源、半有源和低频、高频、微波交叉组合共同生存的系统[1]。

读/写器，又称阅读器(Reader)、询问器。是利用射频技术读和写电子标签的设备，同时还具有与系统高层进行通信的接口。工作时，先向电子标签询问，应答后，电子标签将应答信号和数据信息一起发送给读写器，再传送至系统高层[1]。读写器的组成包括读写控制模块、射频模块和天线三部分，可以读和写一种或多种型号的电子标签，并与高层联网。其中射频模块是由发射和接收两个通道组成，以发射和接收射频载波信号；读写控制模块由放大器、解码纠错电路、微处理器、时钟、接口等组成。“读”是读取射频模块接收通道的信号，解码后获得电子标签信息；“写”是将调制后的信息通过射频模块的发射通道、天线写入电子标签。也可将“读”和“写”的信息通过标准接口传送给系统高层[2]。读/写器的结构形式主要有固定安装式(如打卡器等)、手持式(如pos机等)、身份证阅读器、银行卡读卡器、工业读写器、发卡器等。

系统高层，即高管，具体是指有技术人员参与和监控的后台服务器。主要完成物品电子编码信息的地址查找、域名解析、文本转换和信息发布等服务。

3 物联网RFID系统架构

以电子产品编码EPC(Electronic Product Code)为基础，物联网RFID系统架构包括5个基本组成部分，分别是EPC、RFID、物联网中间件(IOT-Middleware)、物联网对象名称解析服务器(IOT-ONS，Internet of things object name service)和物联网信息发布服务(IOT-IS，Information service)。如图 2所示[1]。

图2 物联网RFID系统

在物联网中，每个物品被赋予一个EPC，主要对物品提供ID识别号，以实现唯一识别。EPC存储于电子标签中，读写器读取EPC后，发送给中间件，中间件通过Internet向IOT-ONS发出查询存储物品信息的IP地址，以引导中间件访问IOT-IS，并将物品详细信息以网页形式发送回中间件，供客户终端阅读[1]。

EPC既是RFID的编码标准，也是全球统一标识系统的重要组成部分。其编码容量比条码大得多，版本有64位、96位和256位三种，应用中多采用96位结构，即EPC-96。在96位编码中，版本号占8位、域名管理者(厂商信息)28位、对象分类(物品类型)代码24位、序列号(具体物品标识)占36位。则编码的总容量为(228-1)×(224-1)×(236-1)=309484990217175958785701375，以实现对全球物品的统一编码[1]。

中间件是介于读写器与后台应用程序之间的独立软件，可与多个读写器和应用程序相连，是RFID运作的软中枢，以实现用户网络与读写器相连，并解决多对多连接的各种复杂问题，构建物联网对象名称解析服务IOT-ONS和IOT-IS之间的通信，实现数据的正确读取。IOT-ONS类似于Internet中的域名解析服务DNS(Domain Name Service)，其格式与DNS一致，负责将电子标签的ID号解析为对应的网络IP地址，即运用DNS来查找EPC的信息。因此每个RFID的EPC均对应一个Internet域名；IOT-IS负责对物品信息进行处理与发布，在此方面，EPC技术最成熟，因此又称为EPC信息发布服务，即EPCIS。在信息发布中，EPCIS提供2种数据流动方式，一是读写器发送EPC数据至EPCIS存储，另一个是应用程序发送客户终端的查询信号至EPCIS以获取信息。其数据查询模块根据查询的信息访问相应的PML(实体标记语言)文档，然后生成HTML(超文本标记语言)网页文档返回至客户端，以供阅读[1]。

4 结束语

物联网RFID的应用是全球化的、多方位的。可以说只要有人类生存的地方，就有RFID的应用存在，“物联网+”已经逐渐渗透到我们生活的方方面面。目前RFID的应用已经在我国掀起浪潮，诸如工业制造、民航、物流、零售、医疗、身份识别、军事、交通、食品、电力、动物、农业环境监测、安全防伪、图书、电子支付等领域，枚不胜举。不停车收费已不是什么新鲜之事，首都国际机场每小时能分拣出19 000多件行李，京津城际快通卡(RFID卡)、公交车行驶与到站跟踪、智能家居、车辆门禁系统、RFID产房母婴标识、五粮液酒RFID防伪等，这些耳熟能详的事例无不是RFID的应用。展望未来，RFID将在本世纪掀起一场新的技术革命，专家预测未来20年内物联网可能大规模普及，而彻底扭转人们的生活方式，广大群众的生活舒适度和幸福指数将会进一步提高。

[1] 黄玉兰.物联网射频识别(RFID)核心技术教程[M].北京：人民邮电出版社,2016.

[2] 张春红，裘晓峰，马海轮，等.物联网技术与应用[M].北京：人民邮电出版社,2011.

DiscussionontheRFIDSystemofInternetofThingsandItsApplication

Zheng Gaicheng

(TheCollegeofInformationEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，JinzhongShanxi030600,China)

From the angle of popular science, this paper introduces the setting, concept, composition of electronic tag, also the basic structure of RFID system, and the system architecture, working process of the Internet of things of RFID are presented.

RFID; Internet of things; electronic tag; EPC; the top of system

2017-10-30

郑改成(1963- )，男，山西永济人，副教授。研究方向：计算机测量与控制。

1674- 4578(2017)06- 0077- 03

TP393

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