電子標(biāo)簽（RFID）關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究

　　RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的統(tǒng)稱，同條形碼、IC卡等其他識(shí)別方式相同，其基本功能是識(shí)別目標(biāo)物品的唯一標(biāo)識(shí)符（UID），所不同的是以射頻傳輸方式來(lái)完成非接觸式的自動(dòng)識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與多目標(biāo)的識(shí)別。RFID同時(shí)又是一種數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具備通信系統(tǒng)的基本構(gòu)件如發(fā)送、接收和信道以及傳輸信息等基本功能，所不同的是其傳輸?shù)男畔⑹侨藶榈?、同定的。憑借其存儲(chǔ)容量大、識(shí)別目標(biāo)多、讀取距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可加密等優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展?jié)摿?，RFID被譽(yù)為當(dāng)今重要的技術(shù)之一。RFID系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵是電子標(biāo)簽，文中重點(diǎn)介紹電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并提出了我國(guó)現(xiàn)階段應(yīng)用和發(fā)展電子標(biāo)簽的基本對(duì)策。

　　1 電子標(biāo)簽技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　在國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)中，目前對(duì)電子標(biāo)簽的研究主要集中在以下6個(gè)方面。

　　1.1 芯片技術(shù)

　　芯片技術(shù)是RFID技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，一個(gè)標(biāo)簽芯片即為一個(gè)系統(tǒng)，集成了除標(biāo)簽天線及匹配線以外的所有電路包括射頻前端、模擬前端、數(shù)字基帶和存儲(chǔ)器單元等模塊。對(duì)芯片的基本要求是輕、薄、小、低、廉。

　　在國(guó)外，TI、Intel、Philips、STMicroelectroNIcs、Infineon、NXP、Atmel等集成電路廠商在開發(fā)小體積、微功耗、價(jià)格低廉的RFID芯片上取得了出色的成果。如Atmel公司研制的UHF無(wú)源標(biāo)簽最小RF輸入功率可低至16.7 μW。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了一款最小輸入功率僅為2.7μW、讀寫距離可達(dá)12 m的2.45 GB標(biāo)簽芯片。日本日立公司在2006 ISSCC會(huì)議上提出了一款面積為0.15 mm×0.15 mm、厚度僅為7.5μm的標(biāo)簽芯片。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)集成電路廠商已能自行研發(fā)生產(chǎn)低頻、高頻頻段芯片并接近國(guó)際先進(jìn)水平，上海坤銳公司研制的UHF頻段QR系列芯片已經(jīng)通過(guò)EPCglobal官方授權(quán)認(rèn)證。總體而言，我國(guó)UHF、微波頻段RFID芯片設(shè)計(jì)目前仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在，苛刻的功耗限制。與天線的適配技術(shù)。后續(xù)封裝問(wèn)題。靈敏度問(wèn)題。可靠性和成本。

　　RFID芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是芯片功耗更低，作用距離更遠(yuǎn)，讀寫速度更快，可靠性更高，并且成本不斷降低。除增加標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量以攜帶更多的信息、縮小標(biāo)簽的體積以降低成本、提高標(biāo)簽的靈敏度以增加讀取距離之外，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)還包括：超低功耗電路；安全與隱私技術(shù)，密碼功能及實(shí)現(xiàn)；低成本芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；新型存儲(chǔ)技術(shù)；防沖突算法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)；與傳感器的集成技術(shù)；與應(yīng)用系統(tǒng)緊密結(jié)合的整體解決方案。

　　1.2 天線設(shè)計(jì)技術(shù)

　　在RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中，小型化問(wèn)題始終倍受關(guān)注。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，小型化后的天線帶寬和增益特性及交叉極化特性也是重要的研究方向。目前的RFID標(biāo)簽仍然使用片外獨(dú)立天線，其優(yōu)點(diǎn)是天線Q值較高、易于制造、成本適中，但是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標(biāo)簽形式植入動(dòng)物體內(nèi)等任務(wù)。若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，無(wú)需任何外部器件即可進(jìn)行工作，可使整個(gè)標(biāo)簽體積減小，而且簡(jiǎn)化了標(biāo)簽制作流程，降低了成本，這就引發(fā)了片上天線技術(shù)的研究。另外，目前標(biāo)簽天線研究的重點(diǎn)還包括，天線匹配技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、覆蓋多種頻段的寬帶天線設(shè)計(jì)、多標(biāo)簽天線優(yōu)化分布技術(shù)、抗金屬設(shè)計(jì)技術(shù)、一致性與抗干擾技術(shù)等。

　　1.3 封裝技術(shù)

　　電子標(biāo)簽的封裝主要包括芯片裝配、天線制作等主要環(huán)節(jié)。隨著新封裝技術(shù)的發(fā)展，在標(biāo)簽封裝技術(shù)上相繼出現(xiàn)了新的加工工藝，如倒裝芯片凸點(diǎn)生成（Bunping）、天線印刷等。與傳統(tǒng)的線連接或載帶連接相比，倒裝芯片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是封裝密度較高、具有良好的電和熱性能、可靠性好、成本低。使用導(dǎo)電油墨印刷標(biāo)簽天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腐蝕法制作標(biāo)簽天線，大幅降低了電子標(biāo)簽的制作成本。除此之外，標(biāo)簽封裝技術(shù)的研究熱點(diǎn)還包括低溫?zé)釅悍庋b工藝、精密機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、多物理量檢測(cè)與控制、高精高速運(yùn)動(dòng)控制、在線檢測(cè)技術(shù)等。

　　1.4 標(biāo)簽應(yīng)用技術(shù)

　　基于RFID標(biāo)簽對(duì)物體標(biāo)識(shí)的唯一特性，引發(fā)了對(duì)各種功能標(biāo)簽的研究熱潮。除了傳統(tǒng)意義上的物品識(shí)別、追蹤和監(jiān)控之外，研究熱點(diǎn)還包括交互式智能標(biāo)簽、空間定位與跟蹤、普適計(jì)算、移動(dòng)支付、物品防偽等。

　?。?）交互式智能標(biāo)簽。交互式智能標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)仍由單芯片無(wú)線微功率收發(fā)機(jī)和單片機(jī)組成。在單片機(jī)中預(yù)先寫入各種所需的應(yīng)用程序，必要時(shí)通過(guò)無(wú)線指令來(lái)調(diào)用這些程序，使標(biāo)簽執(zhí)行包括識(shí)別、定位、數(shù)據(jù)采集等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的各種工作。標(biāo)簽平時(shí)并不向外發(fā)射任何信號(hào)，而根據(jù)需要每隔一定時(shí)間，周期性地在監(jiān)聽(tīng)頻道上接收并記錄協(xié)調(diào)器以廣播方式發(fā)來(lái)的信號(hào)，只有在收到喚醒指令后才跳轉(zhuǎn)到讀寫器工作頻道，接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的指令，并根據(jù)指令按照預(yù)先寫入的程序方式進(jìn)入與讀寫器進(jìn)行信息交流的狀態(tài)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的工作任務(wù)，再回到監(jiān)聽(tīng)和睡眠狀態(tài)?？梢?jiàn)，該技術(shù)的核心是通過(guò)快速過(guò)濾無(wú)效信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽的超低功耗無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，其代價(jià)是需要額外使用一個(gè)協(xié)調(diào)器。由于交互式智能標(biāo)簽解決了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的低成本、低功耗和無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)汝P(guān)鍵問(wèn)題，從而拓展了電子標(biāo)簽的應(yīng)用范疇，可廣泛應(yīng)用于城市智能交通系統(tǒng)、城市基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等需要遠(yuǎn)距離識(shí)別、定位或數(shù)據(jù)采集的領(lǐng)域。

　?。?）實(shí)時(shí)定位與跟蹤標(biāo)簽。現(xiàn)有的定位系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、紅外線或超聲波定位系統(tǒng)以及基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，但受定位時(shí)間、定位精度及環(huán)境條件等限制，目前還未出現(xiàn)一種定位技術(shù)能夠較為完善地解決諸如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)、地下礦井等室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中設(shè)施與物品的位置信息問(wèn)題。RFID技術(shù)為空間定位與跟蹤服務(wù)提供了新的解決方案，尤其適用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)的室內(nèi)定位。其主要利用標(biāo)簽對(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量物品的空間位置。

　?。?）普適計(jì)算標(biāo)簽。通過(guò)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，RFID標(biāo)簽還可以感知物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處物品或環(huán)境的溫度、濕度及光照等狀態(tài)信息，并利用無(wú)線通信技術(shù)將這些信息及其變化傳遞到計(jì)算單元，提高環(huán)境對(duì)計(jì)算模塊的可見(jiàn)度，構(gòu)建未來(lái)普適計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施。

　?。?）移動(dòng)支付標(biāo)簽。RFID移動(dòng)支付通過(guò)在手機(jī)終端與POS終端間采用短程通信方式進(jìn)行交易，既可采用手機(jī)話費(fèi)支付交易金額，又可采用SIM卡綁定銀行賬戶由銀行處理交易。RFID移動(dòng)支付是RFID產(chǎn)業(yè)與電信業(yè)相互融合的產(chǎn)物，現(xiàn)階段主要有Felica、NFC、DISIM和RF-SIM 4種應(yīng)用方式。其中RF-SIM是一種基于SIM卡的中近距離無(wú)線通信技術(shù)，是將RF模塊鑲嵌在SIM卡內(nèi)，SIM卡用于正常的手機(jī)移動(dòng)通信、鑒權(quán)，與手機(jī)建立物理連接。RF-SIM卡支持市面上所有手機(jī)，是一個(gè)可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務(wù)平臺(tái)。

　　（5）防偽標(biāo)簽。傳統(tǒng)防偽技術(shù)如物理防偽、生物防偽、結(jié)構(gòu)防偽、條碼和數(shù)碼防偽等由于不具備唯一性和獨(dú)占性，易復(fù)制，不能起到真正的防偽作用。RFID技術(shù)防偽具有絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的ID號(hào)，無(wú)法修改和仿造。此外，RFID防偽技術(shù)還具有無(wú)物理磨損、讀寫器物理接口安全性高、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、讀寫器與標(biāo)簽之間相互認(rèn)證等特點(diǎn)，所以基本上無(wú)法完全仿制，從而起到杜絕偽造之功效。目前，RFID防偽在證件管理、門票管理、電子車牌、酒類防偽、藝術(shù)珍品防偽等領(lǐng)域已逐步得到應(yīng)用，且呈擴(kuò)大趨勢(shì)。

　　1.5 標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題研究

　　當(dāng)前，國(guó)際上與電子標(biāo)簽相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn)主要有：（1）ISO/TEC18000標(biāo)準(zhǔn)。（2）EPC標(biāo)準(zhǔn)、（3）DSRC標(biāo)準(zhǔn)。（4）UID標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還有許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)均在積極制訂與RFID相關(guān)的區(qū)域、同家或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，并希望通過(guò)不同渠道提升為同際標(biāo)準(zhǔn)。各標(biāo)準(zhǔn)體系均按照工作頻率劃分為多個(gè)部分，它們之間并不兼容主要差別在于通信方式、防沖突協(xié)議和數(shù)據(jù)格式三個(gè)方面。2008年1月，歐盟FP7項(xiàng)目組出資贊助舉辦全球RFID通用性標(biāo)準(zhǔn)論壇（GRIFS），旨在通過(guò)加強(qiáng)協(xié)作使RFID標(biāo)準(zhǔn)在全球取得最大程度的一致。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)簽的各種標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了融合的趨勢(shì)，如用于高頻13.56 MHz的ISO/IFC15693標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)的一部分，EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)成為ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。就目前而言，美國(guó)、歐盟及其他國(guó)家分別采用各自不同的標(biāo)準(zhǔn)，由于利益難以協(xié)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一盡管迫切，但過(guò)程仍較為漫長(zhǎng)。

　　1.6 安全隱私問(wèn)題研究

　　研究和采用的安全性機(jī)制主要有物理方法、密碼機(jī)制以及二者的結(jié)合。物理方法通常使用在低成本標(biāo)簽中，通過(guò)靜電屏蔽或主動(dòng)干擾實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽信息的保護(hù)。與基于物理方法的硬件安全機(jī)制相比，基于密碼技術(shù)的軟件安全機(jī)制受到更多的青睞，其主要利用各種成熟的密碼方案和機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)符合RFID安全需求的密碼協(xié)議。