PDFRFID 的魔力
这些小东西究竟是如何工作的？
Roy Want，英特尔研究院
许多现代技术给人以魔术般的印象，特别是当它们自动运行且其机制不可见时。一种称为 RFID（射频识别）的技术，对于大众市场来说相对较新，就具有这种特性，并且对于许多人来说，它看起来很像魔法。RFID 是一种电子标签技术（见图 1），它允许在无需直接视线的情况下，通过电磁质询/响应交换，在远处自动识别物体、地点或人员。典型的应用包括在销售点终端为产品贴标签以进行快速结账、库存跟踪、动物标签、马拉松运动员计时、汽车安全钥匙以及安全设施的门禁控制。
事实上，自二战以来，各种形式的粗略 RFID 就已被使用。在 20 世纪 60 年代，该技术变得更加实用，但此后的应用主要是在狭窄的高价值领域进行相对较小的标签部署，公众可见度不高。此外，考虑到标签的小尺寸以及可以隐藏或模制到产品外壳中的能力，有些人可能在没有意识到的情况下就遇到了 RFID。
在过去的几年里，许多关于 RFID 的报道出现在大众媒体上。鉴于 RFID 的想法至少有 40 年的历史了，为什么现在才引起轰动？大多数技术都有一个部署机会窗口，这与其解决问题的范围、技术的成熟度和部署成本有关。在过去 40 年里，世界在所有这三点上都发生了变化。现在，以前所未有的规模需要库存跟踪，以支持不断增长的消费市场，同时保持较低的运营成本，并在发达国家劳动力成本相对较高的情况下保持价格竞争力。此外，用于构建标签和标签读取器的组件也变得更加精密。今天，它们提供更强大的功能、更远的读取范围和更快的数据传输速度。因此，它们支持同时准确读取大量共处一地的标签的能力。标准也发挥了作用——前身为 Auto-ID 中心的重要新标准（其工作现在由非营利组织 EPCglobal 继续进行）最近汇集了许多有影响力的组织，如沃尔玛、乐购（英国）和美国国防部 (DoD)，所有这些组织都认识到 RFID 为提高运营效率带来的机会。
最后，技术部署的最终动机是成本。当技术带来的收益和成本节约大于部署成本时，时机就成熟了。由于标签最常附在大量相对廉价的产品上，因此标签需要便宜。一些分析师表示，标签的成本必须低于 5 美分（另一些则低于 1 美分），这项技术才真正具有竞争力。相比之下，现有的标签技术，如条形码系统，仅仅涉及在包装上印刷线条的极低成本。目前，小批量 RFID 标签的价格在 50 美分左右，如果其使用量如预期般增长，这个数字可能会降低到目标价格。
最初，商业部署可能侧重于仓库中的托盘或箱级跟踪，并且根据其成功程度，未来可能会发展为物品级跟踪。RFID 可以大大提高仓库管理的效率。RFID 标签允许在进入或离开建筑物时远距离检查箱子的身份，无论标签是否直接可见。在相同的应用中使用的条形码很可能朝向错误的方向，从而无法自动扫描。一旦 RFID 被证明是有益的并且已经很好地建立起来，规模经济（如大规模生产）应有助于降低价格。这将使高价值商品的物品级跟踪成为可能，甚至最终可能跟踪低价值商品。
在国家或全球范围内真正采用之前就投资基础设施显然存在风险，但与此同时，除非承担这种风险，否则成本不会降低。前面提到的组织正在进行认真的试验，预计其他大型连锁店也会效仿。这些公司在各自的市场领域拥有足够的实力，可以使这个机会成为现实。一旦他们自己的仓库采用了这项技术，他们的供应商也将被要求效仿，从而加速采用过程。这些可能性引起了媒体的广泛关注，引发了大量文章和互联网上的讨论。
RFID 内部结构剖析
在考虑这项技术引发的问题之前，了解其基本操作原理是有帮助的。RFID 系统由读取器和标签组成。读取器生成双重用途的信号：它们为标签供电，并创建询问信号。标签捕获从读取器接收到的能量以提供自身电力，然后执行读取器发送的命令。最简单的命令导致标签发回一个信号，其中包含唯一的数字 ID（例如，EPC-96 标准使用 96 位），该 ID 可以在读取器可用的数据库中查找，以确定其身份，可能表示为名称、制造商、SKU（库存单位）编号和成本。
RFID 标签由三个组件构成
• 天线
• 硅芯片
• 基板或封装材料
这些标签通常被称为无源标签，因为它们不需要电池或维护。标签操作根据标签运行的频率而变化。从历史上看，已经使用了四个常见的 ISM（工业、科学、医疗）频段：128 千赫兹、13.56 兆赫兹、915 兆赫兹和 2.45 吉赫兹（见图 2）。
当早期的 RFID 标签在 20 世纪 60 年代设计时，构建这些系统仅在较低频率下是可行的。然而，现代 RFID 标签能够在高于 900 MHz 的 UHF 频段中运行。这种趋势提高了标签读取器读取许多共处一地的标签身份的能力，因为数据传输速率会更高，并且来自每个标签的数据将在更短的时间间隔内传输，从而减少了在给定的读取周期内与另一个标签的数据发生冲突的机会（例如，在装满杂货的购物车中）。为了减少两个 ID 同时传输（碰撞）的机会，使用防碰撞协议来控制标签响应的时间窗口，该时间窗口源自标签唯一的内部 ID 代码。
工作原理
在高达 100 MHz 的频率下工作的无源标签通常由磁感应供电，这与家用变压器的运行原理相同。读取器线圈中的交流电在标签的天线线圈中感应出电流，从而允许电荷存储在电容器中，然后可以用于为标签电子设备供电。标签中的信息通过随着时间的推移以变化的模式加载标签的线圈来发送回读取器，这会影响读取器线圈正在汲取的电流——这个过程称为负载调制。为了恢复标签的身份，读取器只需将电流的变化解码为在一系列电阻上产生的变化电位。
与变压器不同，读取器和标签的线圈在空间上是分开的，线圈之间的耦合只能在读取器线圈的磁力线与标签线圈相交的地方发生，即近场区域（见图 3）。超出此距离，能量会以我们称为无线电信号的传播波的形式从天线中逸出；这被称为远场区域。近场和远场的边界受交流电频率控制，并且大致限制在 c/2pf 的距离内；例如，在 ISO 15693 和 14443 标准使用的 13.56 MHz 频率下，该距离为 3.6 米，但在 EPCglobal 使用的 915 MHz 频率下，如果读取器的范围基于近场耦合，则将限制为 6 厘米，从而降低了其有用性。
请注意，即使在较低频率下，也不能保证读取器/标签对能够交换数据直至 c/2pf 距离。不幸的是，磁场强度也下降得相当快，与 1/d3 因子成正比，其中 d 是从读取器线圈中心到标签的距离。如果给定距离处的场强太弱，则不可能为标签提供启动所需的能量。可以通过增加读取器线圈和标签线圈的尺寸来缓解这种影响，但对于手持读取器和附在小物体上的标签，存在明显的限制。在实践中，在 13.56 MHz 频率下，大多数系统的运行范围在 1 到 30 厘米之间，远低于近场限制。
为了规避较高频率下的范围问题，使用不同的原理来构建在 100 MHz 以上频率下运行的标签——即电磁捕获。该技术涉及使用从远场区域中的天线传播的电磁波为标签供电。
高频标签的运行方式与老式的晶体管收音机非常相似，晶体管收音机不需要电池，因为它能够从接收到的信号中捕获足够的能量。然而，由于标签在近场之外运行，因此无法使用负载调制将数据发送回读取器；相反，必须使用射频反向散射：标签电子设备改变天线的阻抗，将一些入射的 RF 能量反射回读取器（图 4）。读取器使用灵敏的接收器，从反射模式中解码标签的 ID，反射模式表示为接收信号中变化的幅度。对于远场通信，传递给标签的能量遵循平方反比定律，返回信号遵循另一个平方反比定律。因此，即使在考虑运行效率低下之前，发射功率也会按 1/d4 定律衰减，其中 d 是标签和读取器之间的距离——衰减速度非常快，但该系统可以在三到四米的距离内工作。
现代高频标签，就像 PC 中的微处理器一样，是摩尔定律的受益者。物理定律规定了读取器可以传输到 RFID 标签的能量量。然而，由于硅技术的进步导致集成电路中光刻特征尺寸的定期减小，为以特定频率计时的数字电路供电所需的能量量每年都在下降。这也是现代 PDA 可以由电池供电的原因，即使它具有与 80 年代中期 PC 相同的计算能力。因此，每隔几年，就可以设计出具有更大读取范围的 RFID 系统，因为标签在以相同频率计时时消耗的功率更少。
近年来，RFID 标签的功能也变得更加复杂。今天的标签可以容纳比早期型号更多的 ID 代码位数，从而可以创建数十亿个具有唯一 ID 的标签 [EPCglobal 规定标签具有 96 位代码，代表 79 万亿亿亿（千垓）个数字——尽管由于包含校验和代码，其中一些是冗余的]。通过开发能够检测无电池 UHF 标签可以返回的微小信号的廉价接收器，RFID 读取器也得到了改进，在三米距离处的功率水平约为十亿分之一毫瓦。
扩展 RFID 应用：传感器、安全性和内存
RFID 提供了一种标签和读取器之间的数据传输机制，可以扩展该机制以提供比返回简单标识号更大的实用性。电子标签的三个重要扩展是：环境感知、安全性和电子内存。
传感器
在标签上添加物理传感器是一项重要的发展，它使店主能够在询问产品标签时了解产品过去所经历的状况。考虑一下正在运输到商店的冷冻鸡肉。如果运输卡车的冷藏设备在路上发生故障，鸡肉很可能会开始解冻，并可能受到细菌生长的污染。通过将温度敏感材料 incorporated 到标签中，以及可以检测其状态变化的电子设备（例如，其电阻可能会永久增加），可以确定哪些鸡肉可能受到污染。在这种情况下，不仅可以保护客户，而且如果传感器显示未超过临界温度（可能在卡车中更隔热的部分），还可以挽救部分产品。在这种情况下，对于肉类公司和零售商店来说，这也是双赢的。德国 KSW-Microtec 生产了一种名为 TempSens 的 RFID 标签（见图 5），该标签基于这些原理，并且正在被一家欧洲制药公司试用。
安全性
现代产品的包装经常与防篡改机制相关联，以在产品从工厂到购买时间之间被打开时提醒客户。通过这种方式，可以警告消费者可能已从包装中取出某些东西，或者更严重的是，产品可能已被故意污染。通过将 RFID 与开关结合使用——可能是一根连接到标签和包装的简单电线，当产品被打开时，电线会断开——标签可以在购买时读取时指示可疑情况。如果同一个标签产品先前已被其他读取器询问过，则读取时间可用于大致确定产品何时被篡改，从而可能导致逮捕肇事者。美国食品和药物管理局已建议考虑使用 RFID 来保护药品。
内存
以 EEPROM（电可擦可编程只读存储器）形式的稳定存储是对电子标签的相对简单的补充，无需修改其封装。相比之下，传感器标签需要不易集成的附加组件，并且需要仔细重新设计封装以适应它们。向标签添加用户可编程内存为其使用开辟了许多新的可能性。它可以用于存储与标签产品相关联的信息，而无需工厂、运输公司、零售商店和客户共享一个公共数据库来查找有关其历史的信息。例如，如果汽车的 VIN（车辆识别号）存储在 RFID 标签中，则可以将其与汽车的每位车主的姓名一起存储，从而提供汽车生命周期内的所有权记录；它保留在汽车中，并且不易丢失。服务信息可以以类似的方式存储，独立的汽车修理厂将能够了解任何先前的服务历史，以帮助指导他们的工作。包括飞利浦、德州仪器 TIRIS 和金普斯在内的许多公司都提供读/写 RFID 标签；但是，目前还没有任何标准来指导客户如何使用此内存。
RFID 待解决的问题
鉴于您到目前为止所读到的所有内容，您可能会认为除了成本之外，RFID 的其余技术问题都已解决。然而，许多问题仍然构成挑战：标签方向、读取器协调、多重标准、存储数据、范围、成本和客户疑虑。
方向
尽管 RFID 不需要视线即可运行，但当标签垂直于读取器天线定向时，读取器无法有效地与标签通信。这类似于我们在便携式收音机上尝试接收弱无线电台时都遇到过的问题。通过旋转收音机可以显着改善接收效果，但在某些方向上，它几乎无法接收到该电台。如果将许多产品随机方向放置在购物篮中，则某些产品的方向会使其对读取器不可见。
由于无法重新定向标签产品，因此解决此问题的方法是改变读取器的位置或构建对方向不太敏感的先进天线。一种方法是使用许多相对于读取区域具有不同方向的读取器，并按顺序执行来自不同方向的多次扫描。然后可以将读取结果合并，从而大大提高识别所有存在的标签的机会。另一种解决方案采用天线分集，即使用具有多个可切换天线的单个读取器，这些天线可以按顺序连接到读取器。这可能是一种更具成本效益的解决方案，因为它将减少构建系统所需的相对昂贵的无线电和处理组件的数量。
读取器协调和信号处理
大多数 RFID 读取器并非设计为在另一个也在扫描标签的读取器存在的情况下运行。迄今为止，这还不是一个重要的问题，因为 RFID 的部署有限，读取器之间没有太多机会相互干扰。然而，随着电子标签变得越来越普遍，读取器将更大规模地部署，有效地混淆彼此附近系统的数据。如果许多移动手持读取器在彼此的近距离范围内使用，则此问题将变得尤其严重。将需要标准来定义一种协议，以允许这些系统共享可用带宽，这可能基于无线 CSMA（载波侦听多路访问）协议。ISO 正在解决这些问题，但细节超出了本文的范围。
此外，在解释读取器接收到的标签信号、智能地滤除噪声时，可以进行改进。在标签电子设备中应用先进的数据编码技术也可能提高抗噪能力，并允许一些多标签信号冲突被分离并正确解释。这可能需要在读取器中进行更昂贵的信号处理，但更高精度的优势最终将导致更大的市场接受度，并将再次降低成本。
产品包装独立性
与 RFID 相比，条形码可以印刷在标签上，并且仍然可以读取，而与产品或包装的内容无关。另一方面，RFID 可能会受到产品本身材料的干扰。由于标签使用调谐射频电路来接收询问信号，因此如果放置在某些类型的包装旁边，则可能会使信号失谐或衰减。黑色金属是一些最糟糕的罪魁祸首——RFID 和罐头食品不是一个好的组合。这个问题具有挑战性，因为最明显的解决方案是更换包装材料，但显然某些产品没有金属或金属化包装的经济替代品，尤其是在需要坚固耐用和气密存储的情况下。看看 RFID 的普及最终是否会对工业包装中使用的材料产生影响，或者材料科学是否可以提供一种材料来隔离产品对标签的影响，这将是一件有趣的事情。
多重标准
如前所述，已经使用了几种频率和标准用于 RFID 标签解决方案——例如，流行的 ISO 14443 标准，该标准在 13.56 MHz 频率下运行，EPCglobal（96 位）915-MHz 标准以及其他几个标准。在理想的世界中，行业将采用一个标准；然而，存在成本权衡、国家频率使用限制和政治因素，这些因素使其中几个标准在其自身的商业领域中保持活跃。例如，虽然沃尔玛正在考虑采用 EPCglobal 标准，但诺基亚（世界上最大的手机制造商）即将发布一款集成了基于 ISO 14443 标准的 RFID 读取器的手机。这种组合允许呼叫者扫描包含嵌入式标签的海报和贴纸，并购买描绘的产品，费用会自动出现在他们的下一张电话账单上。解决此标准化问题的一种方法是构建可以使用多种标准运行的读取器，可能自动搜索跨越多个频段的标签，使用一套协议，并且是可编程的，从而允许它们适应国家频率限制。
数据格式
尽管只读标签返回的数据格式由标准定义，但可写标签提供闪存，客户可以以专有方式使用该闪存。标准化此处表示数据的方式可能具有潜在的好处，可能允许信息在供应链中移动时在独立组织之间共享或传递。例如，产品可能从工厂通过公路、航空，然后再次通过公路运到国外仓库，最后运到零售商店，每个环节都使用自己的计算机化库存系统。运输过程中可能会因任何中间处理者的疏忽而发生损坏。
如果每家运输公司在收到包裹时将包裹的状态记录在标签中，则制造商和零售商可以定位供应链中出现问题的位置。这要求以所有各方都可以解释的形式将数据写入标签。最终，可能会为此目的采用基于 XML 的格式。然而，当前标签中可用的内存（通常为 2 千比特）可能太小，无法有效地以 XML 表示；将需要标准化更紧凑的表示法。虽然摩尔定律继续增加以合理成本实现的 RFID 标签的内存容量潜力，但 XML 很可能在未来用于此目的。
更远的范围
实际上，大多数较低频率的 RFID 系统可以在大约一米的最大距离内读取标签，而 UHF 系统将该距离扩展到三到四米。一些公司现在声称可以实现超过五米的距离，尽管这可能是在非常理想的条件下、对方向高度敏感的情况下，并且可能带有标签电池辅助或能量收集。随着标签中硅的功率要求降低，半导体行业设计出成本合理的更灵敏的接收器，可靠的更远距离系统应该会成为可能，并扩大 RFID 在仓库和其他大容量环境中的用途。
降低制造成本
降低标签和系统成本可能会进一步推动 RFID 的采用，特别是对于物品级标签。如果标签也花费 50 美分，那么在 50 美分的糖果棒上贴上 RFID 标签几乎没有动力。虽然，如前所述，大型公司采用 RFID 驱动的标签数量将在此过程中发挥作用，但技术创新也可以提供帮助。最近，两个想法已变得可行
• 一种独特的标签流体自组装工艺，允许有源硅组件在液体介质中漂浮并粘合到天线组件上。硅器件的形状恰好可以锁定到其目标中，当它漂浮到位时。在粘合过程中，溶液中可以同时存在数百个器件，从而降低了组装成本。
• 一种完全塑料的 RFID 标签，由柔性基板上的塑料晶体管制成。这种设计将允许同时创建标签的所有部件，从而简化组装过程，甚至可以使用廉价的喷墨印刷技术来构建电路——所有这些都有效地降低了成本。
这两种解决方案仍处于实验阶段，在证明其价值之前还需要时间。与此同时，更传统的方法可能会通过简化现有的工程流程而胜出。
隐私和客户抵制
该行业的许多公司对最近零售商店 RFID 标签试用部署引起的社会反响感到惊讶。隐私团体声称，嵌入在衣服中的 RFID 可用于在人们走进商店时向他们提供定向营销。零售商表示，他们只是想阻止商店被盗，提高结账效率，并快速廉价地执行商店级库存检查。库存检查对于服装店来说尤其困难，因为服装经常在顾客试穿各种商品时在过道之间移动。
一些隐私团体还担心，标签可以在佩戴者不知情的情况下在很远的距离被读取。有些人甚至担心，停在人们家中的汽车可能会读取房屋中的标签。根据本文前面给出的技术描述，应该清楚的是，由于近场限制、方向、建筑材料的吸收以及远场信号随距离的衰减，这些情况要么是不可能的，要么是非常难以实现的。
然而，对技术的恐惧可能是非常真实的，如果早期采用者不能成功解决这些问题，他们很可能会面临客户的抵制和销售额的损失。EPCglobal 标准预测了其中一些问题，并定义了使用内置开关（“自毁开关”），该开关可以在销售点禁用标签。这种信息需要随时可用，以帮助减轻消费者的担忧。
结论
RFID 是一种可以在运营成本通常由人工时间主导的世界中提供可观价值的技术。随着对该技术的进一步投资，与 RFID 相关的技术问题可能会得到解决。目前已取得足够的进展，RFID 的首次真正大规模推广的试验正在开始。
下一个主要障碍与技术没有直接关系，而是管理基于 RFID 的库存控制所需的软件系统。广泛使用电子标签技术将产生比现在大几个数量级的产品信息流。未来的数据库管理软件将需要处理物品级参考、在发生召回事件时跟踪产品销售、响应从标签可写内存中恢复的数据，并根据购买趋势的发展自动决定重新订购商品。许多这些过程将需要在实时中运行，因为标签跟踪是自动且连续的，并且数据流将来自在全球所有时区运输的产品。涵盖所有这些功能的系统今天不存在，但当它们被构建时，它们将需要集成到功能较弱的旧式库存管理系统中，这是一项将挑战商业软件系统开发人员的任务。
所有这些努力都将促进标签技术在全球范围内的扩展使用，以便有一天每件制成品都可能包含 RFID 标签，从而为消费者和供应商带来此处概述的许多优势。
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ROY WANT 是英特尔研究院的首席工程师，自 2001 年以来一直负责管理 Ubiquity 项目。他于 1983 年在英国剑桥大学丘吉尔学院获得计算机科学学士学位，并在剑桥继续研究可靠的分布式多媒体系统。他于 1988 年在剑桥获得博士学位，然后加入 Olivetti Research。在那里，他开发了 Active Badge，这是一种用于自动定位建筑物内人员的系统。Want 博士后来于 1991 年加入施乐 PARC 的普适计算计划，并领导了一个名为 PARCTab 的项目，这是最早的上下文感知计算机系统之一。在 PARC，他管理嵌入式系统组并获得了首席科学家的职位。
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最初发表于 Queue vol. 2, no. 7—
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