超高频RFID系统的发展和趋势分析

随着RFID技术在各领域的推广和应用，对电子标签和读写器的要求逐步细化，从对电子标签读写距离的要求来说，大致可以分为二大类：
第一类为近距离自动识别系统。RFID技术经过多年的发展，识别距离在数十厘米以内，频率在13.56MHz或以下频段的近距离RFID技术已相对成熟。一般都由人手持电子标签（卡）或读写器，让二者直接靠近进行读写。目前使用量很大，如我国的第二代智能身份证、公共汽车和地铁的IC卡电子车票，办公人员的门禁系统等等。
第二类为远距离自动识别系统，对电子标签读写距离在数米至十余米。如果要对行驶中的车辆、传送带上的行李，流水线上的工件等运动或移动物体进行近距离识别，必须使这些物体停下来，这不仅会降低效率，对有些应用甚至是不可能的。远距离RFID技术是物流、生产自动化、供应链管理和交通管理等行业进行数据自动采集，建立网络化管理信息平台的必要手段，远距离RFID产品的应用已成为不可阻挡的趋势。
远距离RFID系统使用三个工作频段：即840MHz～960MHz超高频频段(UHF)、2.45GHz频段和5.8GHz频段。早期由于RFID技术水平的限制，电子标签的电路必须靠电池供电。这就带来电子标签价格贵、使用和维护不方便，寿命有限等问题，限制了射频识别系统的应用和推广。九十年代后期半导体集成电路在集成度和降低功耗方面达到了极高的水平，在UHF和2.45GHz频段制造出了无源电子标签的单片集成电路。可以利用读写器天线幅射的电磁波能量，驱动标签电路工作。2.45GHz频段的无源电子标签识别距离很近，而UHF频段的识别距离可在10米以上，已成为远距离无源识别系统的主流。5.8GHz频段由于技术相对复杂，难于制造出无源而作用距离又远的电子标签，它的电子标签的价格是无源标签的数十倍，在我国及欧洲和日本等高速公路收费的系统仍在使用有源的5.8GHz系统。
UHF RFID系统正进入高速成长期
超高频远距离自动识别技术具有能一次性读取多个标签、穿透性强、可多次读写、数据的记忆容量大，无源电子标签成本低，体积小，使用方便，可靠性和寿命高，可以在车辆或其它被标识的物体高速运动的情况下工作、耐受户外恶劣环境等特点，得到了世界各国的重视。近年来，由于受到以美国国防部和欧美大企业的推动，确立了自动识别国际标准，加之超高频电子标签的价格逐年下降，大大降低了RFID技术的应用门槛。超高频远距离自动识别技术的应用领域已逐步由涉车应用，转为现代物流、电子商务、交通管理、电子政务以及军事管理等国民经济的各个领域，超高频远距离自动识别已开始进入高速成长期。
我国在经济高速发展，全社会运用信息技术提高效益和质量的形势的推动下，2006年科技部等十五部委联合发表了中国射频识别(RFID)技术政策白皮书，为RFID技术与产业未来的发展提供了系统性指南。中国自动识别产业经过十几年的发展已经初具规模，RFID产业链基本形成。远距离无源电了标签和读写器的应用和开发方面，在90年代中期深圳市远望谷科技有限公司等单位，开发了铁路车辆车号自动识别系统。以四川省新源现代为代表，从1997年起在深圳海关建设了“自动车辆识别管理系统”，对过境车辆进行管理。并从2001年起，将原来的有源卡系统改为超高频无源卡系统。
2001年秋，深圳市人一投资发展有限公司在全国率先开发出了符合ISO/IEC18000-6B标准的读写器和系统，成功地用于深圳海关电子转关通道管理等项目。此后南京三宝集团瑞福科技公司和深圳市先施科技有限公司等都相继投入力量，进行了有自主知识产权的远距离识别电子标签和读写器系统的开发，形成了初步的产业规模，不仅为国内提供了大量电子标签和读写器，也出口到美国、加拿大、墨西哥、巴西和中东许多国家，成为国际远距离无源识别系统大家庭的重要成员。
无源电子标签的远距离自动识别技术比较复杂，目前各公司的生产规模不大，生产成本高。在全国的众多RFID企业中，各种代理或外企分支机构和系统集成与应用系统开发企业占到近90%，真正从事RFID的核心技术开发，具有自主知识产权产品企业不到10%，是中国RFID产业最薄弱环节。针对此技术及产业化发展现状，我国科技部把“射频识别（RFID）技术与应用”列为国家高技术研究发展计划（863计划）的重大项目，组织攻克一批RFID共性基础及前瞻性、产业化关键技术和应用关键技术，建立起我国RFID技术自主创新体系、公共应用服务体系和RFID标准体系，构建具有自主知识产权技术的产业链，降低电子标签和读写器这些关键设备的生产成本，加速应用软件的开发，增大推广使用的力度，满足物流业、交通运输业、生产管理和国家安全等各方面的迫切需要。在国内外远距离自动识别技术应用加速发展的前提下，有下列值得重视的发展趋势：
一、ISO/IEC18000-6C可能成为事实上的UHF RFID空间接口标准
随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。EPC Global是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立，在全球拥有数百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支持，由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。2006年EPC Gen2已纳入国际标准化组织（ISO）和国际电工组织（IEC）联合的ISO/IEC18000-6标准，称为ISO/IEC18000-6C。在超高频（UHF）频段，空间通讯接口标准ISO/IEC18000-6的A、B和C三类中，由于历史原因，B类多数用于交通领域，而C类主要用于物流、生产管理和供应链管理领域。但是C类标签的速度比B类高，价格低，生产和销售的数量远远超过B类，有逐步完全替代B类的趋势，有可能成为事实上的UHF远距离的无源自动识别系统的唯一国际标准，不仅在物流、生产管理和供应链管理领域大量应用，也会在交通管理领域使用。
符合ISO/IEC18000-6的A、B和C的电子标签芯片在Philips、TI等许多集成电路大公司都已大量生产，我国复旦微电子也宣布研制成功。下面表格列出了Philips（现称NXP）公司的几种UHF频段的电子标签集成电路产品的规格：

二、面向行业需要开发多种多样的电子标签
在一个RFID系统中，电子标签一般占总投资的60%至70%。读写器和计算机系统的投资是一次性的，但电子标签的数量且随着时间的推移和应用的扩大，逐年会增加。据权威咨询机构研究报告称，到2008年，全球每年将使用200亿个RFID标签，2010年全球RFID市场将达3000亿美元。未来几年射频识别标签应用最多的市场是包装/供应链市场。到2008年，约需153亿个的货箱与托盘标签，68亿个面向药物、行李、动物、书籍和票据的RFID标签。
要使UHF的自动识别系统识别距离远，必须同时改进电子标签和读写器的性能，而电子标签是关键的一环。电子标签由外壳或面层、天线、天线所在的基片、集成电路、集成电路与天线连接电路五部分组成，性能取决于电子标签的天线、电子标签的集成电路和他们的封装。超高频电子标签最困难之点是：电子标签要嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，标签所附的物体表面也是电子标签天线的一部分，会影响标签天线的电参数。标签的使用环境的多样性和不确定性，加之标签的形状和大小受应用的要求限制，使标签天线的设计特别困难，在很多场合只能用实验的方法确定。
由于电子标签的应用场合不同，有着不同的要求。如作为汽车标识，要求电子标签安装于汽车上以后，就成为该车的电子身份证，成为管理意义上的“电子标签”，必须不能拆动，与该车建立唯一的对应关系。物流和行李包裹用的一次性电子标签，使用量大，要求成本低。生产过程管理使用的电子标签，常常需要能够循环使用。有些要求能贴在金属表面使用，有的要求能耐受高温、低温、高湿、机械冲击等恶劣的环境。应用要求的多样性带来电子标签形式的多样性。下面表格列出了常见的各种电子标签类型，需要针对这些不同的要求，开发出系列化的产品，满足各方面的需求。 
三、远距离无源识别读写器进一步集成化和模块化
随着远距离无源识别系统应用面的扩大，全球远距离无源读写器的市场也在迅速成长。全球RFID读写器市场将以年增长率在30%左右速度不断增长。到2008年 EPC读取器市场规模将达11.4亿美元，同年其他近距离读取器市场规模将达7.5亿美元。 
但在我国目前远距离无源识别系统设备的价格远比近距离系统高，其主要原因是生产规模小，随着应用面的扩大，开发和生产成本会大大降低。远距离无源系统涉及微波技术，设计、生产和调试测试的难度大。随着应用的深入，读写器的要求会有千差万别，例如天线形式、天线数量、机械结构、数据通讯方式、状态显示、环境条件和电源供给等等不同的要求。如果针对这些不同的要求，从电路设计开始，研制五花八门的读写器，而每种生产量都不大，这样会很不经济，成本将难于降低。为了降低设计复杂度、生产和调试的成本，一个重要的工作是提高读写器电路的集成度，并使通用部件模块化。现在的趋势是将读写器的核心电路模块化，然后用读写器电路模块组合成符合各种需要的读写器。如美国Sirit公司开发了INfinity 210和SM9311多协议读写模块，最近深圳市先施公司利用Intel R1000的EPC协议专用集成电路开发了仅40毫米宽60毫米长的读写器模块。
   四、UHF RFID读写器由“涉车”应用为主转向以“涉物”应用为主
电子标签的价格只有降至标识物成本的1%以内，才有可能大量推广。在前阶段，由于超高频电子标签的价格在数至数十美元，应用主要集中在汽车、铁路机车等高值物品的标识，应用于高速公路不停车收费、停车场管理、机关和社区车辆门禁管理、公共汽车调度、车辆过境监管等与车辆相关的应用领域。现在EPC电子标签的降格已降至20美分左右，一次性标签对一般货品可用于托板和卡通箱一级标识，贵重货品可在单品一级标识。复用标签可用于生产和流通过程的单品标识。这样就大大扩展了超高频远距离自动识别系统的应用范围，进入物流业、运输业、生产管理、医疗卫生和国家安全等国民经济各个广阔的领域，将呈雪崩式的增长的态势。涉车应用的UHF RFID读写器的技术要求是与“涉物”应用完全不同的。涉车应用读写器的要求读写距离远，保证在车辆高速行驶的条件下能正确识别，要求能与道路通行控制设备和计算机直接连接。“涉物”应用的UHF RFID读写器因物品的对象不同、标签安装位置不同、物流的控制点设置位置的不同而与涉车应用读写器有很大的差别。
“涉物”应用UHF RFID读写器的要求有这样几个特点：
1． 能适应电子标签位置和朝向的随意的条件
物品在交接、传递和运输的过程中，物品放置的位置和朝向都有可能变化，不可能象汽车那样，电子标签贴在车窗玻璃上永远朝着前进方向。所以物流应用UHF RFID读写器必须适应电子标签位置和朝向的随意性，能作到从各个不同的方向读。比较好的办法是设计门框式或隧道式多天线读写器。为了避免不同天线发出的电磁波互相干扰，这些天线应采用时分制方式工作，相当于电磁波波束围着一个环向中心进行电扫描，这样就可以读到贴在不同面上的标签。
电子标签通常是线极化的，为了保证能读到各种不同极化朝向的标签，物流读写器的天线应采用园极化天线。
2． 有高效的多标签仲裁能力
汽车的物理尺寸大，在UHF RFID读写器的有效覆盖范围内，出现多个标签的机会不多，即使有，数量也不会很多。然而在物流应用中，在UHF RFID读写器视场内出现几十电子标签是极其平常的事，因此物流UHF RFID读写器必须有极强的多标签仲裁能力，有高的速度和准确性。ISO18000-6C电子标签的通讯速率能高达640Kbits/S，为高速仲裁创造了条件，所以针对物流应用ISO18000-6C电子标签有明显的优势。
3．高读写器密度环境下的工作能力
在物流管理和其它应用中，有可能出现在一个区域内有多个频率范围相同的读写器，出现微波电磁场互相覆盖而形成互相干扰的现象，解决此问题的方法，主要是采取让读写器的工作时间或工作频率范围或天线幅射范围作科学的分割。例如读写器的LBT功能（Listen Before Talk），互相避让。EPC Class1/Gen2(ISO18000-6C)包括了支持“密集询问器信道化信令”（dense-interrogator channelized signaling）。密集询问器信道化信令有时名为“密集阅读器模式”（dense reader mode），通过减小阅读器信号“淹没”标签响应信号的可能性，减少EPC阅读器之间的干扰。
4．网络环境下的工作能力
现代物流的管理实现物流全过程的智能化“无缝隙”的管理，这种管理是在网络环境下实现的。远距离自动识别系统是在此网络环境下的信息采集点的组合，进行物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换。与计算机及通讯技术结合可形成跨地区跨行业的管理网络，实现对原料、半成品、成品、运输、仓储、配送、上架、最终销售，甚至退货处理等环节进行实时监控，物品的识别跟踪范围可从一个小区域扩展到全国甚至全世界，提高了物流过程的自动化程度，实现国际大流通。为此读写器必须带网络接口，有能力直接联网。数据通讯的数据格式必须遵从国际标准和中间件的要求。
五、可移动UHF RFID系统成为发展的新热点
可移动超高频RFID读写器是RFID读写器中的重要的一类，在物流和供应链管理中有着大量的需求。可移动UHF RFID系统包括手持式读写器，车载读写器，叉车读写器、手推车式读写器。
不同的应用领域需要不同规格的可移动读写器，此类读写器技术要求需针对行业应用需要进行细化。对可移动UHF RFID系统来说，要输出四个数据：标签的ID、标签的DATA、识别时的即时位置和识别时间。固定读写器的位置是确定的，但可移动设备的位置是变化的，系统的定位是一个重要的要求。可移动UHF RFID系统可以用一般的常用技术，如GPS技术，这对于交通运输监控用的车载可移动UHF RFID系统是适用的。但是技术对于室内应用的可移动UHF RFID系统不一定合适，如仓库内根本收不到要解决GPS信号，加之定位的精度不一定能满足精确到货位的管理要求。在货场或仓库内定位比较好的办法是用地面和货架的定位标签。这种方法成本低，位置精确，可利用移动设备本身原有读写器定位。
其次，可移动UHF RFID系统的是天线要同时满足电气特性、机械安装、结构强度等方面的要求不是一件容易的事，对于象叉车读写器这样一类位置限制严格，结构强度要求高的设备，很多选择强度大、厚度小、容易安装的微带天线。
可移动UHF RFID系统第三个问题是系统供电，特别是手持式RFID读写器，要求体积小、重量轻、携带和使用方便、电池功率消耗少，待机和工作时间长。在电路设计时特别要注意减少待机时的电源消耗，关闭所有不必要的电路，学习手机的电源控制和管理技术。
可移动UHF RFID系统第四个关键要求是在移动条件下的数据通讯，在这方面有许多现成的解决方案，可以选用就成熟的通讯模块组合到读写器中去。