RFID电子标签关键技术的应用与发展

摘要 从RFID的基本原理出发，介绍了电子标签的关键技术，包括芯片、天线设计、封装和标签技术的应用。针对设计热点及国内外研究现状，总结了电子标签的发展趋势，提出了我国当前应用和发展电子标签的基本对策。
关键词 射频识别；电子标签；唯一标识符；芯片

    RFID是射频识别技术的统称，同条形码、IC卡等其他识别方式相同，其基本功能是识别目标物品的唯一标识符(UID)，所不同的是以射频传输方式来完成非接触式的自动识别，并实现运动目标与多目标的识别。RFID同时又是一种数据通信技术，具备通信系统的基本构件如发送、接收和信道以及传输信息等基本功能，所不同的是其传输的信息是人为的、同定的。凭借其存储容量大、识别目标多、读取距离远、数据可加密等优点及发展潜力，RFID被誉为当今重要的技术之一。RFID系统应用与发展的关键是电子标签，文中重点介绍电子标签的关键技术及国内外研究现状，并提出了我国现阶段应用和发展电子标签的基本对策。

1 电子标签技术及国内外研究现状
    在国内外研究文献中，目前对电子标签的研究主要集中在以下6个方面。
1．1 芯片技术
    芯片技术是RFID技术中的一项核心技术，一个标签芯片即为一个系统，集成了除标签天线及匹配线以外的所有电路包括射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。对芯片的基本要求是轻、薄、小、低、廉。
    在国外，TI、Intel、Philips、STMicroelectronics、Infineon、NXP、Atmel等集成电路厂商在开发小体积、微功耗、价格低廉的RFID芯片上取得了出色的成果。如Atmel公司研制的UHF无源标签最小RF输入功率可低至16．7 μW。瑞士联邦技术研究院设计了一款最小输入功率仅为2．7μW、读写距离可达12 m的2．45 GB标签芯片。日本日立公司在2006 ISSCC会议上提出了一款面积为0．15 mm×0．15 mm、厚度仅为7．5μm的标签芯片。在国内，中国集成电路厂商已能自行研发生产低频、高频频段芯片并接近国际先进水平，上海坤锐公司研制的UHF频段QR系列芯片已经通过EPCglobal官方授权认证。总体而言，我国UHF、微波频段RFID芯片设计目前仍然面临巨大的挑战，主要表现在，苛刻的功耗限制。与天线的适配技术。后续封装问题。灵敏度问题。可靠性和成本。
    RFID芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度更快，可靠性更高，并且成本不断降低。除增加标签的存储容量以携带更多的信息、缩小标签的体积以降低成本、提高标签的灵敏度以增加读取距离之外，当前研究的热点还包括：超低功耗电路；安全与隐私技术，密码功能及实现；低成本芯片设计与制造技术；新型存储技术；防冲突算法及实现技术；与传感器的集成技术；与应用系统紧密结合的整体解决方案。
1．2 天线设计技术
    在RFID标签天线的设计中，小型化问题始终倍受关注。为扩展应用范围，小型化后的天线带宽和增益特性及交叉极化特性也是重要的研究方向。目前的RFID标签仍然使用片外独立天线，其优点是天线Q值较高、易于制造、成本适中，但是体积较大、易折断，不能胜任防伪或以生物标签形式植入动物体内等任务。若能将天线集成在标签芯片上，无需任何外部器件即可进行工作，可使整个标签体积减小，而且简化了标签制作流程，降低了成本，这就引发了片上天线技术的研究。另外，目前标签天线研究的重点还包括，天线匹配技术、结构优化技术、覆盖多种频段的宽带天线设计、多标签天线优化分布技术、抗金属设计技术、一致性与抗干扰技术等。
1．3 封装技术
    电子标签的封装主要包括芯片装配、天线制作等主要环节。随着新封装技术的发展，在标签封装技术上相继出现了新的加工工艺，如倒装芯片凸点生成(Bunping)、天线印刷等。与传统的线连接或载带连接相比，倒装芯片技术的优点是封装密度较高、具有良好的电和热性能、可靠性好、成本低。使用导电油墨印刷标签天线代替传统的腐蚀法制作标签天线，大幅降低了电子标签的制作成本。除此之外，标签封装技术的研究热点还包括低温热压封装工艺、精密机构设计优化、多物理量检测与控制、高精高速运动控制、在线检测技术等。
1．4 标签应用技术
    基于RFID标签对物体标识的唯一特性，引发了对各种功能标签的研究热潮。除了传统意义上的物品识别、追踪和监控之外，研究热点还包括交互式智能标签、空间定位与跟踪、普适计算、移动支付、物品防伪等。
    (1)交互式智能标签。交互式智能标签的结构仍由单芯片无线微功率收发机和单片机组成。在单片机中预先写入各种所需的应用程序，必要时通过无线指令来调用这些程序，使标签执行包括识别、定位、数据采集等物联网应用所需的各种工作。标签平时并不向外发射任何信号，而根据需要每隔一定时间，周期性地在监听频道上接收并记录协调器以广播方式发来的信号，只有在收到唤醒指令后才跳转到读写器工作频道，接收来自协调器的指令，并根据指令按照预先写入的程序方式进入与读写器进行信息交流的状态，在规定的时间内完成指定的工作任务，再回到监听和睡眠状态。可见，该技术的核心是通过快速过滤无效信号，实现了标签的超低功耗无线远距离传输，其代价是需要额外使用一个协调器。由于交互式智能标签解决了物联网应用中的低成本、低功耗和无线远距离传输等关键问题，从而拓展了电子标签的应用范畴，可广泛应用于城市智能交通系统、城市基本数据采集系统等需要远距离识别、定位或数据采集的领域。
    (2)实时定位与跟踪标签。现有的定位系统主要包括卫星定位系统、红外线或超声波定位系统以及基于移动网络的定位系统，但受定位时间、定位精度及环境条件等限制，目前还未出现一种定位技术能够较为完善地解决诸如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、地下矿井等室内复杂环境中设施与物品的位置信息问题。RFID技术为空间定位与跟踪服务提供了新的解决方案，尤其适用于卫星定位系统难以应对的室内定位。其主要利用标签对物体的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度来测量物品的空间位置。
    (3)普适计算标签。通过与传感器技术相结合，RFID标签还可以感知物联网节点处物品或环境的温度、湿度及光照等状态信息，并利用无线通信技术将这些信息及其变化传递到计算单元，提高环境对计算模块的可见度，构建未来普适计算的基础设施。
    (4)移动支付标签。RFID移动支付通过在手机终端与POS终端间采用短程通信方式进行交易，既可采用手机话费支付交易金额，又可采用SIM卡绑定银行账户由银行处理交易。RFID移动支付是RFID产业与电信业相互融合的产物，现阶段主要有Felica、NFC、DISIM和RF-SIM 4种应用方式。其中RF-SIM是一种基于SIM卡的中近距离无线通信技术，是将RF模块镶嵌在SIM卡内，SIM卡用于正常的手机移动通信、鉴权，与手机建立物理连接。RF-SIM卡支持市面上所有手机，是一个可代替钱包、钥匙和身份证的全方位服务平台。
    (5)防伪标签。传统防伪技术如物理防伪、生物防伪、结构防伪、条码和数码防伪等由于不具备唯一性和独占性，易复制，不能起到真正的防伪作用。RFID技术防伪具有绝对性的优势，因为每个标签都有一个全球唯一的ID号，无法修改和仿造。此外，RFID防伪技术还具有无物理磨损、读写器物理接口安全性高、标签数据可加密、读写器与标签之间相互认证等特点，所以基本上无法完全仿制，从而起到杜绝伪造之功效。目前，RFID防伪在证件管理、门票管理、电子车牌、酒类防伪、艺术珍品防伪等领域已逐步得到应用，且呈扩大趋势。
1．5 标准问题研究
    当前，国际上与电子标签相关的通信标准主要有：(1)ISO／TEC18000标准。(2)EPC标准、(3)DSRC标准。(4)UID标准。除此之外，还有许多国家和机构均在积极制订与RFID相关的区域、同家或产业联盟标准，并希望通过不同渠道提升为同际标准。各标准体系均按照工作频率划分为多个部分，它们之间并不兼容主要差别在于通信方式、防冲突协议和数据格式三个方面。2008年1月，欧盟FP7项目组出资赞助举办全球RFID通用性标准论坛(GRIFS)，旨在通过加强协作使RFID标准在全球取得最大程度的一致。随着RFID技术的发展，电子标签的各种标准出现了融合的趋势，如用于高频13．56 MHz的ISO／IFC15693标准已经成为ISO18000-3标准的一部分，EPC GEN2标准也已经成为ISO18000-6C标准。就目前而言，美国、欧盟及其他国家分别采用各自不同的标准，由于利益难以协调，标准的统一尽管迫切，但过程仍较为漫长。
1．6 安全隐私问题研究
    研究和采用的安全性机制主要有物理方法、密码机制以及二者的结合。物理方法通常使用在低成本标签中，通过静电屏蔽或主动干扰实现对标签信息的保护。与基于物理方法的硬件安全机制相比，基于密码技术的软件安全机制受到更多的青睐，其主要利用各种成熟的密码方案和机制来设计符合RFID安全需求的密码协议。

2 电子标签的发展趋势与对策
    电子标签的应用和发展是建立在RFID产业链发展的基础上的，任何一个环节的落后都将影响整个产业发展。我围在RFID领域研发时间上落后于欧美韩日等同，在UHF和微波频段上还缺少完整的产业链，在目前国内RFID已有的技术和市场基础上发展中国的电子标签，就必须瞄准整个RFID产业链，并制定具体的措施和策略。
    (1)加大研发力度，寻求技术突破。电子标签目前还存在较多缺陷，如由于天线具有方向性使得单标签读出可靠性偏低容易产生漏读、射频识别信号容易受金属和水等导电物质影响造成识别距离下降、RFID系统与频段接近的其它无线通信系统同时工作时可能产生电磁干扰影响彼此的性能、大量RFID标签放置在一起时标签天线产生阵列效应可能表现出与单个标签天线不同的特性等，都对电子标签的发展构成挑战。
    (2)尽快制定电子标签的相关标准。
    (3)找准应用的突破口，提升行业应用规模。由企业甚至停留在表层，业务流程简单，逻辑单一，缺少后端系统的集成，未真正发挥出电子标签在供应链管理及企业信息化建设中的作用。因此，如何整合RFID与企业现有的信息系统如ERP、SCM、MIS等，对业务流程进行创新，充分发挥电子标签的优势，提升行业应用的规模，形成完整的产业链，是日前急需解决的问题。
    (4)加强技术融合，实现跨区域、跨行业应用。随着RFID的发展不断拓展，近年来在世博会门票管理、智能交通、物流、食品安全、商品防伪、电力等领域得到新的应用。中国RFID产业已从政府需求转向市场需求。在RFID发展过程中，既要看到RFID产业的发展潜力，又要看到在这个发展过程中出现的问题，用更加科学的方法来不断深化RFID的应用，以此推动围内RFID产业的发展。

3 结束语
    文中描述了RFID的基本功能、优点及发展趋势。并介绍了电子标签的关键技术，以及对国内外所出现的标准问题和安全隐私问题进行了分析与研究。最终就国内现阶段的电子标签应用与发展，提出了基本政策和发展趋势。这对RFID发展起到了关键性的作用。