馮曉媛

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用

馮曉媛

擬從物聯(lián)網(wǎng)的概念切入，談到了物聯(lián)網(wǎng)目前用到的一些關(guān)鍵技術(shù)、什么是RFID技術(shù)及其與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，并且闡述了電子代碼與射頻識(shí)別技術(shù)(EPC/RFID)的基本原理和工作特點(diǎn)。通過(guò)RFID技術(shù)被廣泛使用的條碼技術(shù)分析RFID技術(shù)對(duì)物連網(wǎng)的支持，展望了 EPC/RFID技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景。

RFID技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；M2M

中國(guó)制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，客戶需求日趨個(gè)性化，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)國(guó)際化的趨勢(shì)加劇促使中國(guó)制造企業(yè)應(yīng)更為關(guān)注信息化建設(shè)以提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。隨著全球信息革命的深入，“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)正受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。當(dāng)時(shí)基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)、EPC標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，構(gòu)造了一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)“Internet of things”(簡(jiǎn)稱物聯(lián)網(wǎng))，這也是在2003年掀起第一輪華夏物聯(lián)網(wǎng)熱潮的基礎(chǔ)。“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品和物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。

一 “中國(guó)式”物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)指的是將無(wú)處不在(Ubiquitous)的末端設(shè)備(Devices)和設(shè)施(Facilities)。Things指物體或者東西、也可以指一個(gè)事件和“外在使能”(Enabled)的，如貼上RFID的各種資產(chǎn)(Assets)、攜帶無(wú)線終端的個(gè)人與車輛等等“智能化物件或動(dòng)物”或“智能塵?！?Mote)，通過(guò)各種無(wú)線和/或有線的長(zhǎng)距離和/或短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通(M2M)、 應(yīng)用大集成(Grand Integration)、以及基于云計(jì)算的SaaS營(yíng)運(yùn)等模式，在內(nèi)網(wǎng)(Intranet)、專網(wǎng)(Extranet)、和/或互聯(lián)網(wǎng) (Internet)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、 安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級(jí)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面(集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬(wàn)物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營(yíng)”一體化。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)字中“物”就是物體智能化，“聯(lián)”就是物體智能后信息的傳輸，“網(wǎng)”就是建立網(wǎng)絡(luò)后的應(yīng)用服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、通信層和應(yīng)用層構(gòu)成的三層網(wǎng)絡(luò)體系。感知層：通過(guò)智能卡、傳感器、工業(yè)自動(dòng)化、音頻、視頻等電子工具，把物體進(jìn)行標(biāo)識(shí)、采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，使物體智能化，讓物體“活”起來(lái)。傳輸層：通過(guò)無(wú)線、光纖、電纜等方式進(jìn)行傳輸，建立通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層：將采集的信息存儲(chǔ)在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，開發(fā)各種應(yīng)用軟件，為不同的需求提供智能服務(wù)。

二 物聯(lián)網(wǎng)四大支撐技術(shù)

1. RFID： 電子標(biāo)簽屬于智能卡的一類，物聯(lián)網(wǎng)概念是1998年MIT Auto-ID中心主任Ashton教授提出來(lái)的，RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中重要起“使能”(Enable)作用。

2.傳感網(wǎng)：傳感網(wǎng)不等于物聯(lián)網(wǎng)，傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一種，通常是指由各種傳感器，通過(guò)無(wú)線通訊方式組成的網(wǎng)絡(luò)。

3. M2M：側(cè)重于末端設(shè)備的互聯(lián)和集控管理，X-Internet，中國(guó)三大通訊營(yíng)運(yùn)商在推行M2M這個(gè)理念。

4. 兩化融合：工業(yè)信息化也是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)主要推動(dòng)力之一，自動(dòng)化和控制行業(yè)是主力。

它們四者的關(guān)系如下圖

圖1 四大支撐技術(shù)關(guān)系圖

三 什么是RFID技術(shù)

射頻卡，俗稱電子標(biāo)簽，是一種能夠組成無(wú)線系統(tǒng)的智能卡，用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。它最早應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)中的雷達(dá)，識(shí)別敵機(jī)和友機(jī)，現(xiàn)在的用途之一就是我們的二代身份證，它應(yīng)用了高頻射頻卡技術(shù)。除高頻之處，還有低頻、超高頻和微波射頻卡技術(shù)。另一個(gè)著名的應(yīng)用是在物流領(lǐng)域，即用射頻卡監(jiān)測(cè)貨物的屬性、位置及其變化。射頻卡的使用離不開讀寫器來(lái)識(shí)別和更改電子標(biāo)簽。2005年，美國(guó)沃爾瑪公司應(yīng)用了FRID射頻卡的技術(shù)，建立了新型物流大網(wǎng)絡(luò)，銷售額提高了14%，同時(shí)提供99%的店面庫(kù)存可見度，并減少30%的勞動(dòng)力和15%的庫(kù)存。

四 RFID與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)，指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別(RFID)、二維碼、全球定位系統(tǒng)等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，方便識(shí)別和管理，RFID電子標(biāo)簽是核心技術(shù)。

一條完整的RFID產(chǎn)業(yè)鏈包括標(biāo)準(zhǔn)、芯片、天線、標(biāo)簽封裝、讀寫設(shè)備、中間件、應(yīng)用軟件、系統(tǒng)集成等，其中最關(guān)鍵的技術(shù)是芯片的設(shè)計(jì)與制造。通用芯片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)掌握在國(guó)外飛利浦(Phillips)、德州儀器(TI)、Amtech等公司。

RFID的應(yīng)用正在從閉環(huán)市場(chǎng)到開環(huán)市場(chǎng)，類似互聯(lián)網(wǎng)初期的局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程。

RFID技術(shù)是以網(wǎng)絡(luò)為支撐的大系統(tǒng)，它一方面利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)資源，另一方面可在世界范圍內(nèi)構(gòu)建出實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)。如圖2所示為基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在這個(gè)由RFID電子標(biāo)簽、識(shí)別設(shè)備、Savant服務(wù)器、Internet、0NS服務(wù)器、EPC信息服務(wù)系統(tǒng)以及眾多數(shù)據(jù)庫(kù)組成的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)中，識(shí)別設(shè)備讀出的EPC碼只是一個(gè)指針，由這個(gè)指針從Internet找到相應(yīng)的IP地址，并獲取該地址中存放的相關(guān)物品信息，交給Savant軟件系統(tǒng)處理和管理。由于在每個(gè)物品的標(biāo)簽上只有一個(gè)EPC碼，計(jì)算機(jī)需要知道與之匹配的其它信息，這就需要用ONS來(lái)提供一種自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，Savant將EPC碼傳給ONS，ONS指示Savant到一個(gè)保存著產(chǎn)品文件的信息服務(wù)器中查找，Savant可以對(duì)其進(jìn)行處理，還可以與信息服務(wù)器和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)交互。

圖2 基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

五 RFID技術(shù)的基本工作原理

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

一套完整的RFID系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成, 其工作原理是Reader 發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給Transponder, 用以驅(qū)動(dòng) Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí) Reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

以RFID 卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來(lái)看大致上可以分成, 感應(yīng)偶合(Inductive Coupling) 及反向散射偶合(Backscatter Coupling)兩種, 一般低頻的RFID大都采用第一種方式, 而較高頻大多采用第二種方式。

閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時(shí)閱讀器通過(guò)耦合給無(wú)源應(yīng)答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過(guò)Ethernet或WLAN等實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件(線圈、微帶天線等)和微芯片組成無(wú)源單元。

六 物聯(lián)網(wǎng)與RFID技術(shù)應(yīng)用展望

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以使電子商務(wù)變得更強(qiáng)大，它使消費(fèi)者可以在網(wǎng)上查到任何一家商店的任何一件商

品，選擇起來(lái)得心應(yīng)手。在物流領(lǐng)域，RFID電子標(biāo)簽可以應(yīng)用于自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存管理、產(chǎn)品物流跟蹤、供應(yīng)鏈自動(dòng)管理、產(chǎn)品裝配和生產(chǎn)管理、產(chǎn)品防偽等多個(gè)方面。生產(chǎn)組織大量使用RFID電子標(biāo)簽可以提高整個(gè)供應(yīng)鏈和生產(chǎn)作業(yè)管理水平。

1.物聯(lián)網(wǎng)開辟智慧城市“新大陸”。在地理信息系統(tǒng)上，建立大型數(shù)據(jù)中心即云計(jì)算中心。將國(guó)土、建設(shè)、城管、規(guī)劃、市政、公安、教育、交通、醫(yī)療、旅游等信息，由各種智能設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，傳到云計(jì)算中心。根據(jù)不同的需求，建立各種應(yīng)用系統(tǒng)。政府可以統(tǒng)一調(diào)配資源，增強(qiáng)城市管理，提供城市服務(wù)，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)指揮等。建立數(shù)字城市也就是建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程，即“一個(gè)資源中心、地眼工程、四個(gè)應(yīng)用、兩個(gè)公共平臺(tái)”。一個(gè)資源中心：城市政府云計(jì)算中心；四個(gè)應(yīng)用：“數(shù)字城管”、“數(shù)字土地”、“數(shù)字校園”、“數(shù)字交通” ；兩個(gè)公共平臺(tái)：物聯(lián)網(wǎng)政府管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)系統(tǒng)；“地眼”工程——感知地下，服務(wù)地上， “地眼”工程由城市地下管網(wǎng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和城市管網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急指揮聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)組成。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)地理信息系統(tǒng)，把地上、地下連接起來(lái)，地上有天眼、地下有地眼，天地融合，服務(wù)城市。

2.物聯(lián)工廠。當(dāng)我們把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代。傳統(tǒng)的工廠將成為物聯(lián)的世界。

3.物聯(lián)煤礦物。聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與煤礦管理的結(jié)合。采用智能的設(shè)備，將下井人數(shù)降到最少，設(shè)備聯(lián)動(dòng)率提到最高。把井上井下的各種設(shè)備連通，監(jiān)測(cè)和控制礦山生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售。

隨著中國(guó)企業(yè)信息化的進(jìn)程，RFID的應(yīng)用將會(huì)由點(diǎn)到面，逐步拓展到更廣的領(lǐng)域而RFID的實(shí)施成本必然隨著RFID應(yīng)用的推廣和市場(chǎng)的擴(kuò)大而逐步降低，RFID的應(yīng)用將會(huì)從目前的托盤或整箱的貨物跟蹤逐步擴(kuò)展到單品貨物跟蹤的水平。盡管物聯(lián)網(wǎng)道路曲折,但前途絕對(duì)光明?；ヂ?lián)網(wǎng)也是曾經(jīng)歷過(guò)一場(chǎng)泡沫才走到今天,一旦相關(guān)的技術(shù)和配套系統(tǒng)得以完善,物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)也就一定會(huì)爆炸式地增長(zhǎng)。因?yàn)殡S時(shí)、隨物之前自由的交流是人類長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。我們期盼著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。

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ClassNo.:TP393.03DocumentMark:A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

ApplicationofInternetofThingsBasedonRFIDTechnology

Feng Xiaoyuan

This paper discusses the key part of the Internet of Things technology from the concept of the IOT perspective and analyzes the principle and features of the electronic code and RFID technology (EPC/RFID) . The paper also view the application prospect of EPC/RFID technology through explanation of the application of RFID in the Internet of Things .

RFID technology; Internet of Things ; M2M

馮曉媛，碩士，講師，太原理工大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，山西·太原。研究方向：人工智能。郵政編碼：030012

1672-6758(2011)03-0069-2

TP393.03

A