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1 技术概述
RFID射频识别技术实际上是一项较早的技术,在20世纪60年代的时候,RFID射频识别技术的理论已经得到发展,并且开始了一些尝试性的应用。20世纪90年代起,这项技术进入商业应用阶段。经过多年的发展,13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟,目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术,特别是860MHz-960MHz(UHF超高频段)的远距离RFID技术发展最快 [1]。
表1 RFID技术发展的历程
时期 | 发展情况 |
1961-1970年 | RFID技术的理论得到了发展,开始了一些应用尝试。 |
1971-1980年 | RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速,出现了一些最早的RFID应用。 |
1981-1990年 | RFID技术及产品进入商业应用阶段,各种封闭系统应用开始出现。 |
1991-2000年 | RFID技术标准化问题日趋得到重视,RFID产品得到广泛采用。 |
2001-现在 | 标准化问题日趋为人们所重视,RFID产品种类更加丰富,有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展,电子标签成本不断降低。 |
从分类上看,RFID技术根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频系统(125kHz、134.2kHz),高频系统(13.56MHz),超高频(860MHz-960MHz)和微波系统(2.45GHz、5.8GHz)等。
- 低频和高频系统的特点是阅读距离短、阅读天线方向性不强等,其中,高频系统的通讯速度也较慢。两种不同频率的系统均采用电感耦合原理实现能量传递和数据交换,主要用于短距离、低成本的应用中。
- 超高频、微波系统的标签采用电磁后向散射耦合原理进行数据交换,阅读距离较远(可达十几米),适应物体高速运动,性能好;阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性,但该系统标签和读写器成本都比较高。
表2 不同频段的电子标签性能比较
频段 | 低频 | 高频 | 超高频 | 微波 | |
~135KHz | 13.56MHz | 900MHz左右 | 2.45GHz | ||
通信方式 | 电感藕合方式 | 电磁发射方式 | |||
主要通途 | 畜牧业,门禁 | 支付 | 物流管理、制造业 | 交通管制 | |
读取距离 | <10cm | <1m | 10m左右 | 2m左右 | |
使用区域 | 美国 | 多 | 多 | 多 | 多 |
欧洲 | 多 | 多 | 较少 | 多 | |
日本 | 多 | 多 | 很少 | 多 |
根据电子标签供电方式的不同,电子标签又可分为无源标签(Passive Tag)、半有源标签(Semi-Passive Tag)和有源标签(Active Tag)三种。
- 无源电子标签不含电池,它接收到读写器发出的微波信号后,利用读写器发射的电磁波提供能量,无源标签一般免维护,重量轻、体积小、寿命长、较便宜,但其阅读距离受到读写器发射能量和标签芯片功能等因素限制;
- 半有源标签内带有电池,但电池仅为标签内需维持数据的电路或远距离工作时供电,电池能量消耗很少;
- 有源标签工作所需的能量全部由标签内部电池供应,且它可用自身的射频能量主动发送数据给读写器,阅读距离很远(可达30米),但寿命有限,价格昂贵。
2 国外现状
从全球的范围来看,美国政府是RFID应用的积极推动者,在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面,欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出UID标准,但主要得到的是本国厂商的支持,如要成为国际标准还有很长的路要走。RFID在韩国的重要性得到了加强,政府给予了高度重视,但至今韩国在RFID的标准上仍模糊不清。目前,美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的RFID产品。
从全球产业格局来看,目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场;IBM、HP、微软、SAP、Sybase、Sun等国际巨头抢占了RFID中间件、系统集成研究的有利位置;Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品及设备 [2]。
1)美国
在产业方面,TI、Intel等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol等已经研发出同时可以阅读条形码和RFID的扫描器。IBM、Microsoft和HP等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID的应用。目前美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐步应用RFID技术。在物流方面,美国已有10多家企业承诺支持RFID应用,这其中包括:零售商沃尔玛;制造商吉列、强生、宝洁;物流行业的联合包裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用。另外,值得注意的是美国政府是RFID应用的积极推动者。按照美国防部的合同规定,2005年1月1日以后,所有军需物资都要使用RFID标签;美国食品及药物管理局(FDA)建议制药商从2006年起利用RFID跟踪最常造假的药品;美国社会福利局(SSA)于2005年年初正式使用RFID技术追踪SSA各种表格和手册。
2)欧洲
在产业方面,欧洲的Philips,ST Microelectronics在积极开发廉价RFID芯片;Checkpoint在开发支持多系统的RFID识别系统;诺基亚在开发并推广其能够基于RFID的移动电话购物系统;SAP则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。在应用方面,欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本处在同一阶段。日前,欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用实验。
3)日本
日本是一个制造业强国,它在电子标签研究领域起步较早,政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。邮政与电信通讯部(MPHPT)在2004年3月发布了针对RFID的“关于在传感网络时代运用先进的RFID技术的最终研究草案报告”,报告称MPHPT将继续支持测试在UHF频段的被动及主动的电子标签技术,并在此基础上进一步讨论管制的问题。从近来日本RFID领域的动态来看,与行业应用相结合的基于RFID技术的产品和解决方案开始集中出现。
3 国内现状
相较于欧美等发达国家或地区,我国在RFID产业上的发展还较为落后。目前,我国RFID企业总数虽然超过100家,但是缺乏关键核心技术,特别是在超高频RFID方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看,低高频RFID技术门槛较低,国内发展较早,技术较为成熟,产品应用广泛,目前处于完全竞争状况;超高频RFID技术门槛较高,国内发展较晚,技术相对欠缺,从事超高频RFID产品生产的企业很少,更缺少具有自主知识产权的创新型企业。
从产业链上看,RFID的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的RFID产业链,产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里,尤其是芯片、中间件等方面。中低、高频标签封装技术在国内已经基本成熟,但是只有极少数企业已经具备了超高频读写器设计制造能力。国内企业基本具有RFID天线的设计和研发能力,但还不具备应用于金属材料、液体环境上的可靠性RFID标签天线设计能力。系统集成是发展相对较快的环节,而中间件及后台软件部分还比较弱 [3]。
1)芯片设计
RFID芯片在RFID的产品链中占据着举足轻重的位置,其成本占到整个标签的三分之一左右。对于广泛用于各种智能卡的低频和高频频段的芯片而言,以复旦微电子、上海华虹、大唐微电子、清华同方等为代表的中国集成电路厂商已经攻克了相关技术,打破了国外厂商的统治地位。但在UHF频段,RFID芯片设计面临巨大困难:(1)苛刻的功耗限制;(2)片上天线技术;(3)后续封装问题;(4)与天线的适配技术。目前,国内UHF频段RFID芯片市场几乎被国外企业垄断。
2)标签封装
目前国内企业已经熟练掌握了低频标签的封装技术,高频标签的封装技术也在不断地完善。出现了一些封装能力很强,尤其是各种智能卡封装能力强的企业,例如深圳华阳、中山达华、上海申博等等。但是国内欠缺封装超高频、微波标签的能力,当然这部分产品在我国的应用还很少,相关的最终标准也没有出台。我国的标签封装企业大多是做标签的纯封装,没有制作Inlay的能力。提高生产工艺,提供防水、抗金属的柔性标签是我国RFID标签封装企业面临的问题。
3)读写设备的设计和制造
国内低频读写器生产加工技术非常完善,生产经营的企业很多且实力相当。高频读写器国内的生产加工技术基本成熟,但还没有形成强势品牌,企业实力差不多,只是注重的应用方向不同。例如面对消费领域(校园一卡通等)的企业中哈尔滨新中新,沈阳宝石、北京迪科创新等有一定的影响力。国内只有如深圳远望谷,江苏瑞福等少数几家企业具有设计、制造超高频读写器的能力。
4)系统集成
目前,RFID市场还是处于前期宣传预热阶段,项目机会在逐步增加,但是大部分还是处于前期的洽谈阶段,真正实施的项目并不多,还未出现真正的大规模有影响力的应用项目。因此中国市场的RFID系统集成商还是处于前期的市场宣传和投入阶段,真正能够借助RFID盈利的集成商很少。国内市场上集成商可以分为两类:国外大厂商例如IBM、HP等他们通过与国内集成商和硬件厂商合作,专攻大型的集成项目。国内较有影响力的集成商有维深、励格、富天达、实华开、倍思得等。后者做的大规模有影响力的集成项目不是很多,基本都是中小型的闭环应用。
5)RFID中间件
RFID中间件又称RFID管理软件,它屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性,能够为后台业务系统提供强大的支撑,从而驱动更广泛、更丰富的RFID应用。当前我国的RFID中间件市场还不成熟,应用较少而且缺乏深层次上的功能。市场上比较有影响力的中间件企业有SAP、Manhattan Associatesz、Oracle、OAT Systems等。
6)标准发展
中国在RFID技术与应用的标准化研究工作上已有一定基础,目前经从多个方面开展了相关标准的研究制定工作。制定了《中国射频识别技术政策白皮书》、《建设事业IC卡应用技术》等应用标准,并且得到了广泛的应用;在频率规划方面,已经做了大量的试验;在技术标准方面,依据ISO/IEC 15693系列标准已经基本完成国家标准的起草工作,参照ISO/IEC 18000系列标准制定国家标准的工作已列入国家标准制订计划。此外,中国RFID标准体系框架的研究工作也基本完成。
4 发展趋势
1)市场趋势
近年来,RFID技术已经在物流、零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、资产管理、食品、动物识别、图书馆、汽车、航空、军事等众多领域开始应用,对改善人们的生活质量、提高企业经济效益、加强公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要的影响。我国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。
据ABI公司根据预测,RFID技术将在未来2-5年逐渐开始大规模应用,2003年全球RFID市场规模为16.5亿美元,至2008年达到52.5亿美元,2009受到金融危机影响增长幅度趋缓,估计将达到55.6亿美元,预计到2013年全球RFID规模将达到98亿美元,2003-2013年均复合增长率为19%。RFID电子标签方面,2005年全球共发货10.2亿,2008年达到19.7亿,预计至2009年将为23.5枚,2005-2009年均复合增长率为23% [4] [5]。
据Frost & Sullivan公司2008年发布的调查显示,2004-2014年间,亚太地区不同种类RFID构成将发生变化,低频RFID市场份额将快速下降;高频RFID市场份额小幅下降,但仍占各类RFID的主导地位;而超高频RFID市场份额呈现快速上升的格局,至2014年,其市场份额将与高频RFID接近 [6]。
2)技术趋势
就技术而言,在未来的几年中,RFID技术将继续保持高速发展的势头。电子标签、读写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着关键技术的不断进步,RFID产品的种类将越来越丰富,应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。
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,读写速度与可靠性更高,成本不断降低。芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密结合。
RFID标签封装技术将和印刷、造纸、包装等技术结合,导电油墨印制的低成本标签天线、低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产,并成为未来一段时间内决定产业发展速度的关键因素之一。
RFID读写器设计与制造的发展趋势是读写器将向多功能、多接口、多制式、并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。同时,多读写器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。
RFID技术与条码、生物识别等自动识别技术,以及与互联网、通信、传感网络等信息技术融合,构筑一个无所不在的网络环境。海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。RFID系统集成软件将向嵌入式、智能化、可重组方向发展,通过构建RFID公共服务体系,将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。
参考文献:
1、闫娜. 低功耗低成本无源射频识别标签芯片的研究与设计[D]. 博士学位论文. 20070410
2、贾伟. 超高频电子标签数字处理系统的研究与设计[D]. 硕士论文. 20070325
3、刘锡杰. UHF频段RFID读写器的设计[D]. 硕士学位论文. 20071220
4、Field, Alan. RFID Market Growing. Journal of Commerce[N]. Apr 22, 2009
5、RFID to become a $9.7 billion industry within five years, according to ABI Research. RFID (Radio Frequency Identification) [N]. Newsletter , 2008,5(6): 13
6、Frost & Sullivan. Asia Pacific RFID Tags Markets[R]. 2008 Market Engineering Research.