電子標籤系統

電子標籤是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號來識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無需人工干預，作為條形碼的無線版本，RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標籤上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改自如等優點。電子標籤的編碼方式、存儲及讀寫方式與傳統標籤(如條碼)或手工標籤不同，電子標籤編碼的存儲是在集成電路上以只讀或可讀寫格式存儲的；特別是讀寫方式，電子標籤是用無線電子傳輸方式實現的。RFID電子標籤突出的技術特點是：可以識別單個的非常具體的物體，而不像條形碼那樣只能識別一類物體；可以同時對多個物體進行識讀，而條形碼只能一個一個地讀；存儲的信息量很大；採用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據，而條形碼必須靠激光或紅外在材料介質的表面讀取信息。

(1)標籤(Tag)。由耦合元件及晶元組成，每個標籤具有唯一的電子編碼，高容量電子標籤有用戶可寫入的存儲空間，附著在物體上標識目標對象。

(2)閱讀器(Reader)。手持或固定式讀取(有時還可以寫人)標籤信息的設備。

(3)天線(Antenna)。在標籤和閱讀器間傳遞射頻信號。

RFID技術的基本工作原理並不複雜。標籤進入閱讀器發出的磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑藉感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元中的產品信息(PassiveTag，無源標籤或被動標籤)，或者主動發送某一頻率的信號(ActiveTag，有源標籤或主動標籤)；解讀器讀取信息並解碼后，送至系統的信息處理中心進行有關數據處理。

電子標籤依內部保存信息注入方式的不同，可將其分為集成電路固化式、現場有線改寫式和現場無線改寫式三大類；根據讀取電子標籤數據的技術實現手段，可將其分為廣播發射式、倍頻式和反射調製式三大類；按能量供給方式(電池供電)的不同，射頻識別技術又可分為有源、無源和半有源三種。RFID通常流行的分類方法是，按照工作頻率(單位：Hz)的不同，分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波頻段(MW)4種。

(1)低/高頻系統一般其工作頻率<30MHz，典型的工作頻率有125kHz、225kHz、13．56MHz(非接觸式IC卡——射頻卡的工作頻率)等。基於這些頻點的射頻識別系統一般都有相應的國際標準，其基本特點是：電子標籤的成本較低、標籤內保存的數據量較少、閱讀距離較短(無源情況，典型閱讀距離為10cm)，電子標籤外形多樣(卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀)，閱讀天線方向性不強等。

(2)超高頻/微波系統一般其工作頻率>400MHz，典型的工作頻段有915MHz、2450MHz、5800MHz等。系統在這些頻段上也有眾多的國際標準予以支持，基本特點是：電子標籤及閱讀器成本較高、標籤內保存的數據量較大、閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米)，適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標籤天線均有較強的方向性。

(3)有源電子標籤內裝有電池，一般具有較遠的閱讀距離。不足之處是電池的壽命有限(3～10年)；無源電子標籤內無電池，它接收到閱讀器(瀆出裝置)發出的微波信號后，將部分微波能量轉化為直流電供自己工作，一般可做到免維護。相比有源系統，無源系統在閱讀距離及適應物體運動速度方面略有限制。

(4)集成固化式電子標籤內的信息，一般在集成電路生產時即將信息以ROM工藝模式注入，其保存的信息是一成不變的；現場有線改寫式電子標籤一般將電子標籤保存的信息寫入其內部E2存儲區中，改寫時需要專用的編程器或寫入器，改寫過程中必須為其供電；現場無線改寫式電子標籤一般適用於有源類電子標籤，具有特定的改寫指令，電子標籤內保存的信息也位於其中的E2存儲區。一般情況下改寫電子標籤數據所需時間遠大於讀取電子標籤數據所需時間。通常，改寫所需時間為秒級，閱讀時間為毫秒級。

(5)廣播發射式射頻識別系統。電子標籤必須採用有源方式工作，並實時將其存儲的標識信息向外廣播，閱讀器相當於一個只收不發的接收機。這種系統的缺點是：電子標籤因為要不斷地向外發射信息，既費電，又對環境造成了電磁污染，而且系統的安全保密性差。倍頻式射頻識別系統實現起來有一定難度。一般情況下，閱讀器發出射頻查詢信號，電子標籤返回的信號載頻為閱讀器發出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回波信號提供了便利。但是，對無源電子標籤來說，電子標籤將接收的閱讀器射頻能量轉換為倍頻回波載頻時，其能量轉換效率較低。提高轉換效率需要較高的微波技巧，這就意味著更高的電子標籤成本。同時這種系統工作須佔用兩個工作頻點，一般較難獲得無線電頻率管理委員會的產品應用許可。

(6)反射調製式射頻識別系統的實現主要是要解決同頻收發問題。系統工作時，閱讀器發出微波查詢(能量)信號，電子標籤(無源)將部分接收到的微波查詢能量信號整流為直流電供電子標籤內的電路工作，另一部分微波能量信號被電子標籤內保存的數據信息調製(ASK)后反射回閱讀器。閱讀器接收到反射回的幅度調製信號后，從中解出電子標籤所保存的標識性數據信息。系統工作過程中，閱讀器發出微波信號與接收反射回的幅度調製信號是同時進行的。反射回的信號強度較發射信號要弱得多，因此技術實現上的難點在於同頻接收。

電子標籤耦合就是用不同的方法傳送不同的信號。射頻識別系統中射頻標籤與讀寫器之間的作用距離是射頻識別系統應用中的一個重要問題，通常情況下這種作用距離定義為射頻標籤與讀寫器之間能夠可靠交換數據的距離。射頻識別系統的作用距離是一項綜合指標，與射頻標籤及讀寫器的匹配情況密切相關。根據射頻識別系統作用距離的遠近情況，射頻標籤天線與讀寫器天線之間的耦合可分為三類。

(1)密耦合系統。系統的典型作用距離範圍為0～lcm。實際應用中，通常需要將射頻標籤插入閱讀器中或將其放置到讀寫器天線的表面。密耦合系統利用的是射頻標籤與讀寫器天線無功近場區之間的電感耦合(閉合磁路)構成的無接觸的空間信息傳輸射頻通道工作的。密耦合系統的工作頻率一般局限在30MHz以下的任意頻率。由於密耦合方式的電磁泄露很小、耦合獲得的能量較大，適合安全性要求較高、作用距離無要求的應用系統(如電子門鎖)。

(2)遙耦合系統。遙耦合系統的典型作用距離可以達到lm。遙耦合系統又可細分為近耦合系統(典型作用距離為15cm)與疏耦合系統(典型作用距離為lm)兩類。遙耦合系統的典型工作頻率為13．56MHz，也有一些其他頻率，如6．75MHz、27．125MHz等。遙耦合系統與密耦合系統的主要區別在於電感耦合的功率不同，從而使耦合距離不同。目前遙耦合系統仍然是低成本射頻識別系統的主流。

(3)遠距離系統。遠距離系統的典型作用距離1～10m，個別的系統具有更遠的作用距離。所有的遠距離系統均是利用射頻標籤與讀寫器天線輻射遠場區之問的電磁耦合(電磁波發射與反射)構成無接觸的空間信息傳輸射頻通道工作的。遠距離系統的典型工作頻率為915MHz、2．45GHz、5．8GHz，此外，還有一些其他頻率，如433MHz等。遠距離系統的射頻標籤根據其中是否包含電池分為無源射頻標籤(不含電池)和半無源射頻標籤(內含電池)。一般情況下，包含電池的射頻標籤的作用距離較無電池的射頻標籤的作用距離要遠一些。半無源射頻標籤中的電池並不是為射頻標籤和讀寫器之間的數據傳輸提供能量的，而是只給射頻標籤晶元提供能量，為讀寫存儲數據服務。遠距離系統一般情況下均採用反射調製工作方式實現射頻標籤到讀寫器方向的數據傳輸。遠距離系統一般具有典型的方向性，射頻標籤與讀寫器成本目前還處於較高的水平。從技術角度來說，滿足以下特點的遠距離系統是理想的射頻識別系統：射頻標籤無源，可無線讀寫；射頻標籤與讀寫器支持多標籤讀寫；適合應用於高速移動物體的識別(物體移動速度大於80kin/h)；遠距離(讀寫距離大於5--10m)；低成本(可滿足一次性使用要求)。

電子標籤直接繼承了雷達的概念，並由此發展成為一項生機勃勃的新技術——RFID技術。20世紀中期，無線電技術的理論與應用研究是科學技術發展最重要的成就之一。1948年，哈里·斯托克曼發表的理論文章“利用反射功率的通信”，奠定了射頻識別RFID的理論基礎。由此可知，RFID技術的發展已走過了整整60年的歷程，以10年為界可劃分如下。

1941～1950年。雷達的改進和應用催生了RFID技術，1948年奠定了RFID技術的理論基礎。

1951～1960年。早期RFID技術的探索階段，主要處於實驗室的實驗研究。

1961～1970年。RFID技術的理論得到了發展，開始了一些應用嘗試。

1971～1980年。RFID技術與產品研發處於一個大發展時期，各種技術的測試加速，出現了一些最早的RFID應用。

1981～1990年。RFID技術及產品進入商業應用階段，各種規模的應用開始出現。

1991～2000年。RFID技術標準化問題得到愈來愈多的重視，RFID的產品得到廣泛採用，逐漸成為人們生活中的一部分。

·2001年2018年。RFID產品種類更加豐富，電子標籤成本不斷降低，規模應用行業擴大。

幾十年來RFID技術的理論得到了豐富和完善，有源、無源及半無源電子標籤均得到了飛速發展，單晶元電子標籤、多電子標籤識讀、無線可讀可寫、無源電子標籤的遠距離識別、適應高速移動物體的RFID正在成為現實。目前電子標籤的應用領域包括以下幾個方面。

物流業：物流過程中的貨物追蹤，信息自動採集，倉儲應用，港口應用，郵政快遞。

零售業：商品銷售數據的實時統計，補貨，防盜。·製造業：生產數據的實時監控，質量追蹤，自動化生產。

醫療行業：醫療器械管理，藥品管理和HIS系統。

身份識別：電子護照，身份證，學生證等各種電子證件。

防偽：貴重物品(煙，酒，藥品)及票證的防偽。

資產管理：各類貴重的，或數量大相似性高的，或危險品等資產的管理。

交通運輸：高速公路收費管理，計程車、公交車的車輛識別與管理。

食品：水果、蔬菜、生鮮食品等保鮮度的管理。

動物識別：馴養動物、畜牧牲口及寵物的識別管理。

圖書館：書店、圖書館和出版社的圖書管理應用。

汽車：製造，防盜，定位，車鑰匙。

航空：製造，旅客機票，行李包裹追蹤。

軍事：彈藥、槍支、物資、人員及車輛的識別與追蹤。

目前，RFID電子標籤的應用肯定還存在一些短期難以解決的問題。

(1)成本。RFID電子標籤畢竟是電子產品，每個標籤都是一個完整的電子線路，其成本比條碼、磁條高几倍或幾十倍。這是造成電子標籤幾乎所有身份識別的場合都有需求，但真正實現的卻很少的主要原因。如一次性使用的場合就不便使用，如零售業的超市商品，可能有些商品本身的價值還沒有一個電子標籤的價值高，這樣的場合目前使用電子標籤就不太現實。而製造業的生產線上，可以將電子標籤裝到“拖盤”上重複使用，這樣攤到每個部件上的成本就相對很低了。再如不停車收費的標籤，雖然不是“拖盤”式的重複使用，但可以長期使用，攤到每次使用的成本也很低，這些場合就容易實現電子標籤的應用。

(2)數據基礎。RFID電子標籤技術的應用是基於資料庫的管理，這就要求對應的管理應用系統必須要有規範、統一的數據形式，需要對所有管理數據進行一次變革。

(3)業務流程。由於高科技手段的採用，RFID電子標籤的使用或大或小地對原有的手工標籤數據處理的流程要求有所提高，一定程度上需要使用者再造流程。

(4)技術基礎。RFID電子標籤系統是一個完整的IT系統，要保持系統的正常運行，就必須要有一支強有力的系統維護的技術隊伍長期存在。

(5)標準化問題。2007年國家標準局開始制定我國RFtD電子標籤的應用技術標準，但還沒有發布，因此現階段電子標籤的應用還沒有統一的標準，不能形成不同領域、不同場合的一致標準。雖然存在這些使用中成本、技術和標準的問題，但為了提高管理效率，RFID電子標籤的應用已是大勢所趨。同時隨著應用的不斷擴展，其成本會不同程度地下降，技術應用的適應度也會不斷改善，標準的統一已指日可待。所以RFID電子標籤的應用前景非常廣闊，就目前的應用情況來看，還沒有不成功的，只有不成熟或不適應的。