探讨物联网感知技术——RFID技术

　　1.引言

　　物联网（The Internet of things）是指把射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

　　通过在物品上嵌入电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络。从而可达到对物品进行实施跟踪、监控等智能化管理的目的。通俗来讲，物联网可实现人与物之间的信息沟通。

　　2.物联网起源和背景

　　1995年，比尔盖茨在其《未来之路》一书中已提及物联网概念。
　　2005年11月，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU 互联网报告2005：物联网》报告，正式提出了物联网概念。
　　2009年1月，IBM 首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。
　　2009年8月7日，温家宝在无锡视察中科院物联网技术研发中心时指出，要尽快突破核心技术，把传感技术和TD的发展结合起来。
　　2009年8月24日，王建宙访台期间解释了物联网概念。
　　2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨”感知中国’高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。
　　2009年9月14日，在中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙高调表示：物联网商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作。
《国家中长期科学与技术发展规划(2006－2020 年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

　　3.物联网工作步骤及关键技术

　　物联网应用可以分为三层：
　　感知层，主要实现标识、识别功能；其中，采用射频识别（RFID）技术、NFC技术实现物体的标识功能，采用传感器技术实现物体的识别、感知功能。
　　传输层，主要实现信息的传输，采用无线网络技术、互联网技术。 
　　其中，感知识别是一个基础，网络传输是一个平台，是一个支撑，智能应用是一个标志和体现。 
 

图1 物联网示意图

　　在物联网中，系统应用流程如下：

　　(1)对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；
　　(2)识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；
　　(3) 将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。 

　　4.物联网感知层－RFID技术

　　物联网主要涉及电子标签、传感器、芯片及智能卡等三大领域，而在对传感网技术的开发和市场的拓展中，其中非常关键的技术之一是RFID技术。
实质是利用RFID技术结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器Reader和无数移动的标签Tag组成比互联网更为庞大的物联网，因此RFID技术成为物联网发展的排头兵。

　　4.1 RFID技术简介

　　RFID技术是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，是一项利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到物体识别的技术。

　　RFID系统主要由三部分组成：电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）。其中，电子标签芯片具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息；读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能）；天线用于发射和接收射频信号，往往内置在电子标签或读写器中。 
 

　　RFID技术的工作原理是：电子标签进入读写器产生的磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

      RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW），相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前，实际RFID应用以低频和高频产品为主，但超高频标签因其具有可识别距离远和成本低的优势，未来将有望逐渐成为主流。

　　4.2 全球RFID产业发展现状

　　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。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，RFID被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车及火车交通监控、高速公路自动收费系统、停车场管理系统、物品管理、流水线生产自动化、安全出入检查、仓储管理、动物管理、车辆防盗等场合。随着RFID技术的发展演进以及成本的迅速降低，RFID技术应用领域不断拓展，产业规模正处于高速增长期。

　　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。

　　(1)飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场；

　　(2)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；

　　(3)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。

　　4.3 我国RFID产业发展现状

　　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。

　　仅以RFID芯片为例，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。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。

　　相关政策和发展阶段：

　　2006年，由科技部、发改委、商务部、信产部等15个部委联合发布了《中国RFID技术政策白皮书》，为我国在RFID技术与产业未来发展指明了道路。我国RFID产业发展将分三个阶段实施：

　　第一阶段：培育期（2006年至2008年） 在产业化核心技术研发、标准制定等方面取得突破，通过典型行业示范应用，初步形成RFID产业链及良好的产业发展环境。
　　第二阶段：成长期（2008年至2012年）扩展RFID应用领域，形成规模生产能力，建立公共服务体系，推动规模化市场形成，促进RFID产业持续发展。
　　第三阶段：成熟期（2012年以后） 整合产业链，适应新一代技术的发展，辐射多个应用领域，提高RFID应用的效率和效益。

　　4.4 RFID技术的经济规模

　　2008年全球 RFID市场规模将从去年的 49.3亿美元上升到 52.9亿美元，这个数字覆盖了 RFID市场的方方面面，包括标签、阅读器、其他基础设施、软件和服务等。 RFID卡和卡相关基础设备将占今年市场的 57.3%，达30.3亿美元。来自金融、安防行业的应用，如非接触支付、门禁控制将推动 RFID卡类市场的增长。
 
　　全球标签使用数将达到21.6亿个，2007年为17.4亿个，而2006年仅为10.2亿个。在所有 21.6亿个标签使用量中，强制性的货盘和货箱贴标应用的标签将为 3.25亿个，即占总量的 15%。除零售商强制要求应用外，零售业标签的总体应用量都呈上升趋势。 

　　动物贴标应用快速增长，特别是中国和澳大利亚、新西兰等国家。2009年动物贴标应用将消费 900万个标签。 智能纸质标签是最主要的标签应用形式，据预测，到2018年，RFID纸质标签将占标签总数的 99.1%。 

　　2009 年中国RFID 市场规模将达到50 亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过38 亿元、读写器接近7 亿元、软件和服务达到5 亿元的市场格局。

　　5.典型应用－物联网RFID技术在ITS中的运用

　　交通是国民经济的基础和命脉，交通发展的水平是一个国家整体实力和科技水平的重要标志。RFID技术具有车辆通信、自动识别、定位、远距离监控等功能，在移动车辆的识别和管理系统方面有着非常广泛的应用。

　　在国际上，美国的IVHS、日本的VICS等系统通过车辆和道路之间建立有效的信息通信，实现智能交通的管理和信息服务。RFID技术近年来在物流与供应链管理领域以及交通运输领域智能化管理中得到了应用，如智能公交定位管理和信号优先、智能停车场管理、车辆类型及流量信息采集、路桥电子不停车收费、高速公路多义性路径识别及车辆速度计算分析等方面取得了一定的应用成效。

　　6.物联网感知层－传感器技术

　　在物联网的概念中，所有物体可以通过Intenet主动进行交互，除了互联网外，主要涉及RFID技术、传感器技术、智能嵌入技术、微波/纳米技术等。

　　6.1 传感器技术介绍

　　传感器是能感受规定的被测量，并能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一。有市场报告显示，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。我国传感器市场的增长率超过15%，预计2009年为430亿元。 

　　MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS技术建立在微米/纳米基础上，是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS传感器能够将信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它还能够使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上，从而降低成本，适用于大规模生产。 

　　6.2 物联网应用案例及经济效益

　　MEMS传感器目前主要应用在汽车和消费电子两大领域。
　　在苹果公司的iPhone中，通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变其显示格式，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。

　　预计在2007年至2012年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率(CAGR)，与2007年的41亿美元相比，五年后将实现97亿美元的年销售额。若计入各类技术实现的传感器/制动器，则其市场总规模预计将达到119亿美元。根据该报告，基于MEMS的制动器在2007年将占据整体传感器/制动器市场份额的54%。

　　7.结束语

　　预计物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。有专家预测１０年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。

　　RFID技术是物联网中关键技术之一。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

　　在物联网时代，传感器凭借着其体积小、成本低以及可与其他智能芯片集成在一起的巨大优势，必将成为传感器的主要生产技术。