RFID基礎知識與典型應用方案

1、RFID基礎知識與典型應用一、何為RFID？    在20世紀中，無線電技術的理論與應用研究是科學技術發(fā)展最重要的成就之一。1948年哈里.斯托克曼發(fā)表的“利用反射功率的通訊”奠定了射頻識別RFID的理論基礎。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，如今，RFID技術理論日趨成熟，產(chǎn)品種類也越來越豐富。    從概念上來說，RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關的數(shù)據(jù)信息。利用射頻方式進行非接觸雙向通信，達到識別目的并交換數(shù)據(jù)。RFID技術可

2、識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。     1、RFID組成    RFID領域應用最為廣泛的一個標準是EPC標準，它將RFID系統(tǒng)分成了四個層次，包括物理層、中間層、網(wǎng)絡層和應用層。    物理層是整個系統(tǒng)的物理環(huán)境構(gòu)造，包括標簽、天線、讀寫器、傳感器、儀器儀表等硬件設備。    中間層是信息采集的中間件和應用程序接口，負責對讀卡器所采集到的標簽中的信息進行簡單的預處理，然后將信息傳送到網(wǎng)絡層或應用層的數(shù)據(jù)接口。    網(wǎng)絡層

3、是系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)聯(lián)系紐帶，各種信息在其上交互傳遞。    應用層則是EPC后端軟件及企業(yè)應用系統(tǒng)。在明晰的系統(tǒng)層次上，EPC標準還統(tǒng)一了數(shù)據(jù)的報文格式，并規(guī)范了輸出傳輸流程。這樣，RFID系統(tǒng)的部署就會變的嚴謹有序。    通常我們所說的RFID產(chǎn)品處于物理層，其最基本的組成部分包括：    射頻標簽(或稱射頻卡、應答器等)     射頻標簽也可稱作射頻卡，它由耦合元件及芯片組成，含有物品唯一的標識體系，包含著一系列的數(shù)據(jù)和信息，比如產(chǎn)地，日期代碼和其他關鍵的信息等

4、，這些信息儲存在一個小的硅片中，利用閱讀器，可以及時方便的了解精確的信息。射頻標簽能儲存從512字節(jié)到4兆不等的數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)的應用和相應的標準決定，射頻標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理等。    按照不同的方式，射頻卡有以下幾種分類：表1. 射頻標簽的分類    射頻閱讀器     在RFID系統(tǒng)中，信號接收設備一般叫做閱讀器（或讀卡器）。閱讀器的基本功能就是提 供與標簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，讀取(有時還

5、可以寫入)標簽信息的設備。在RFID相關產(chǎn)品中，讀卡器的含金量是最高的，因為它是半導體技術、射頻技術、高效解碼算法等多種技術的集合。    閱讀器從外形上大體上可分為手持式或固定式，從工作方式來看，閱讀器種類也非常的繁多，按工作頻率可分為超高頻、高頻、低頻閱讀器，通常低頻閱讀器的讀寫距離則不超過0.5米，高頻閱讀器的讀寫距離約為1m，超高頻閱讀器讀寫距離通常在110米，而讀卡器的讀寫距離通常還會受到環(huán)境干擾以及讀卡器的穩(wěn)定性等影響而有所改變，此外，若采用有源標簽，則讀取距離可達到100米。按配置可分為帶CPU、預裝操作系統(tǒng)的PAD閱讀器與普通閱讀器；按傳輸方式可分

6、為無線或者是有線閱讀器等。    射頻天線    射頻天線主要用來在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是RFID標簽上的天線，和RFID標簽集成為一體；另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。目前的天線產(chǎn)品多采用收發(fā)分離技術來實現(xiàn)發(fā)射和接收功能的集成。天線在RFID系統(tǒng)中的重要性往往被人們所忽視，在實際應用中，天線設計參數(shù)是影響RFID系統(tǒng)識別范圍的主要因素。高性能的天線不僅要求具有良好的阻抗匹配特性，還需要根據(jù)應用環(huán)境的特點對方向特性、極化特性和頻率特性等進行

7、專門設計。在選擇天線的時候的主要考慮：天線的類型；天線的阻抗等。    2、RFID工作原理    簡而言之，在工作時，RFID讀寫器通過天線持續(xù)發(fā)送出一定頻率的信號，當RFID標簽進入磁場時，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽）；隨后讀寫器讀取信息并解碼后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胄畔⑾到y(tǒng)進行有關的數(shù)據(jù)處理。圖1. RFID組成及工作原理    3、RFID應用的領域表2. RF

8、ID領域及應用二、RFID在我國發(fā)展應用之現(xiàn)狀    RFID技術在國外得到了飛速的發(fā)展，據(jù)ABI公司根據(jù)預測,預計到2013年全球RFID規(guī)模將達到98億美元,2003-2013年均復合增長率為19%。在我國，在RFID技術與應用的標準化研究工作上已有一定基礎，2006年6月9日，科技部等十五部委制定出臺了中國射頻識別(RFID)技術政策白皮書；此外，依據(jù)ISO/IEC 15693系列標準已經(jīng)基本完成國家標準的起草工作；參照ISO/IEC 18000系列標準制定國家標準的工作已列入國家標準制訂計劃。    但是，相較于歐美等發(fā)達國家

9、或地區(qū),我國在RFID產(chǎn)業(yè)上發(fā)展較晚并較為落后。在超高頻RFID方面，產(chǎn)品的核心技術基本掌握在國外公司的手中，國外公司占有絕對的優(yōu)勢；不過，在低頻領域，我國由于發(fā)展較早，技術較為成熟，產(chǎn)品應用廣泛，已具有了與國外產(chǎn)品一決高下的能力，在市場上處于完全競爭狀況。另外，國內(nèi)低頻讀寫器生產(chǎn)加工技術非常完善,生產(chǎn)經(jīng)營的企業(yè)很多，也有較為成熟的解決方案。    應用方面，在交通、物流、防偽、制造、零售、煤礦等等行業(yè)，都有RFID技術的身影，雖然某些應用還不是特別的完善，但在國家的大力扶持與推進下， RFID技術在我國將會全面開花，得到更多、更完善的應用。三、RFID能為制造企

10、業(yè)帶來什么？    在制造業(yè)，RFID，歸根結(jié)底，可以看做一種數(shù)據(jù)采集方式，而目前很多制造企業(yè)已經(jīng)采用了條碼技術來進行數(shù)據(jù)的采集，并結(jié)合MES、ERP等信息化軟件，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行有效管理。而很多企業(yè)不禁會問，既然條碼應用已十分的成熟廣泛，為什么還要使用RFID技術呢？RFID技術，實時數(shù)據(jù)采集的必要手段    傳統(tǒng)企業(yè)在數(shù)據(jù)采集時通常使用條碼標簽，但條碼標簽受到一定的局限性，在識別速度、讀取精度、使用環(huán)境等方面存在種種限制，關鍵在于，數(shù)據(jù)采集后并不能實時的反饋到相關人員。而RFID技術通過電子標簽與閱讀器之間的射頻通信，能快速的

11、識別目標對象并且獲取其包含數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)現(xiàn)場信息及時準確的采集，賦予企業(yè)相關的跟蹤能力和實時控制能力，減少人為錯誤，幫助企業(yè)在實際提高效率和利潤的同時能夠滿足客戶的需要和法規(guī)要求。    RFID數(shù)據(jù)采集方式能為制造企業(yè)帶來的便利：    1）在及時采集各個加工工序的人員與工時信息的基礎上，可以獲取準確的實際生產(chǎn)成本信息。    2）通過及時反饋加工質(zhì)量和設備信息，可以實現(xiàn)整個車間生產(chǎn)過程的可視化，從而實現(xiàn)制造過程的可追溯。    3）RFID技術為及時準確采集車間信息，實現(xiàn)“

12、實時”企業(yè)，提供了經(jīng)濟有效的解決方案。表3. RFID與傳統(tǒng)條碼采集方式之比較四、制造企業(yè)如何正確的選擇和使用RFID？    縱然RFID技術有著許多的優(yōu)點，但面對RFID，企業(yè)必須有清醒的認識，僅憑頭腦發(fā)熱便如同一窩蜂的上ERP等信息化軟件一樣，得不償失。    在制造企業(yè)，RFID技術通常能很好的應用于生產(chǎn)管理、員工管理、倉儲管理、物流管理、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)，結(jié)合MES等信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)實時的控制管理。但由于RFID廠商的參差不齊，或者企業(yè)對于RFID概念的理解偏差，在某些企業(yè)，RFID應用也走進了種種誤區(qū)。以下，將為您剖析，何種

13、RFID解決方案才是您的企業(yè)最需要的呢？    1、有線 or 無線？    RFID無線射頻識別技術，顧名思義，RFID數(shù)據(jù)的采集，是通過無線的識別進行的，RFID標簽通常附著于物料、生產(chǎn)設備、員工、以及需要采集的物體上，讀卡器對標簽上的數(shù)據(jù)進行識別，而識別之后如何實時的傳輸給生產(chǎn)管理軟件比如MES系統(tǒng)，則需要在企業(yè)內(nèi)部進行網(wǎng)絡的部屬。如上文所說，讀卡器可通常分為手持式與固定式，有線讀卡器與無線讀卡器。手持式的讀卡器通常是無線的，固定式的讀卡器則有無線與有線兩種可選，這時，就需要企業(yè)根據(jù)自己的需求進行選擇。  &

14、#160; 基于有線局域網(wǎng)的RFID解決方案： 圖2. 基于有線局域網(wǎng)的RFID解決方案    在該解決方案下，企業(yè)可利用現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)，將有線讀卡器布置于設置好的位置，讀取數(shù)據(jù)通過TCP/IP組網(wǎng)方式，通過交換機連接計算機進行數(shù)據(jù)交互。有線網(wǎng)絡可與公司的局域網(wǎng)融為一體，其優(yōu)點是可以使用公司成熟的網(wǎng)絡，讀卡器與中間件之間進行有線通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、反應迅速，并且沒有距離的限制。而這種方案的缺點在于：布線較為繁瑣，可能會影響工作環(huán)境的美觀，并且在某些特殊的制造場合，并不適合大量的走線。這種方案通常適合于公司有線網(wǎng)絡方便布置的，工位固定，讀卡器使用量大

15、、跨地域的紡織、服裝、玩具等勞動密集型制造行業(yè)。    基于無線局域網(wǎng)的RFID解決方案：    基于無線局域網(wǎng)的方案，即RFID設備通過接在計算機上的無線基站以無線通信的方式和計算機進行通信。無線讀卡器閱讀RFID卡片上的數(shù)據(jù)信息后，通過無線基站，將數(shù)據(jù)信息上傳到中間件，中間件通過存儲過程與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。對于無線組網(wǎng)方式來說，優(yōu)點在于讀卡器與中間件所在的電腦組網(wǎng)布置靈活，省去布線的麻煩，并且技術成熟、網(wǎng)絡容量大，施工快速。相應的，無線組網(wǎng)方式的缺點在于讀卡器與中間件之間具有一定距離限制，并且在某些車間環(huán)境下易受其他無線信號的干

16、擾，因此，采用無線組網(wǎng)方式的RFID解決方案適用范圍雖然比較大，但更適合于其他無線信號干擾少，對工作環(huán)境整潔程度要求高的制造企業(yè)。圖3. 基于無線局域網(wǎng)的RFID解決方案    對于無線組網(wǎng)方式，目前的解決方案也存在兩種，一種是基于WiFi技術的，另一種是基于Zigbee技術。    WiFi即無線局域網(wǎng)，基于802.11a/b/g/n等協(xié)議，也是目前最常見的無線通信技術。    ZigBee是國際標準的工業(yè)級網(wǎng)絡，基于IEEE 802.15.4協(xié)議。是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）

17、、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線通信技術。簡單的說，Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。 表4. Wifi與Zigbee技術對比    二者相比，ZigBee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性，布網(wǎng)容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網(wǎng)絡覆蓋范圍擴展至數(shù)十

18、倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環(huán)境到復雜空間環(huán)境的場合都可以使用。但相比于WiFi技術，Zigbee是定位于低傳輸速率的應用，因此Zigbee顯然不適合于高速上網(wǎng)、大文件下載等場合，更適合某些數(shù)據(jù)傳輸量不大的制造企業(yè)。制造企業(yè)可根據(jù)企業(yè)的實際情況進行選擇。    2、RFID在不同環(huán)節(jié)的使用選擇    以上談了許多關于RFID的技術與適用場合，那么RFID是如何在企業(yè)中得到應用的呢？ 圖4. RFID在制造業(yè)生產(chǎn)過程中的應用    生產(chǎn)管理：生產(chǎn)環(huán)節(jié)是制造企業(yè)重中之重，生產(chǎn)過程的可控是制造

19、企業(yè)進行庫存管理、質(zhì)量管理、員工管理、財務管理等環(huán)節(jié)的前提，生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)也是構(gòu)建實時企業(yè)必不可少的關鍵。在生產(chǎn)管理過程中部署RFID系統(tǒng)，及時的采集生產(chǎn)信息，是獲取實時數(shù)據(jù)的關鍵。    采用條碼方式采集生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)在手工計件的基礎上提高了企業(yè)的信息化水平，但條碼統(tǒng)計信息無法實時，待數(shù)據(jù)輸入至少滯后半天到一天的時間，其次，條碼的信息容量有限，無法監(jiān)測每個工序的情況，無法反應每個員工的生產(chǎn)情況，責任不能落實到個人，質(zhì)量管理無法落實到實處，再次，條碼對應用環(huán)境的要求高，許多場合下并不適用。因此，采用RFID技術來進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集是有效的解決方案。 

20、;圖5. RFID結(jié)合MES進行生產(chǎn)管理    在生產(chǎn)車間，企業(yè)可依據(jù)生產(chǎn)過程以及關鍵工位布置合適的數(shù)據(jù)采集點，安裝好讀寫器，根據(jù)生產(chǎn)任務單，將產(chǎn)品的生產(chǎn)過程信息和產(chǎn)品的型號、完成時間等產(chǎn)品信息寫入電子標簽，附著在在制品框上，隨著生產(chǎn)過程流動，來指導整個生產(chǎn)過程。在關鍵工位對數(shù)據(jù)進行讀取，配合電子看板等在車間實時顯示加工狀況，結(jié)合ERP、MES等信息化系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進行全方位的管理。同時，對物料以及員工的識別管理，能幫助企業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量進行管理追溯，出現(xiàn)問題時可以準確的定位到生產(chǎn)責任人，降低企業(yè)產(chǎn)品瑕疵率，也可促進售后維修服務的管理。若同一批產(chǎn)品工序相同，可采用

21、只讀標簽，在制品變成成品下線后，標簽可以回收繼續(xù)使用，當然，企業(yè)也可根據(jù)實際情況，選擇可擦寫標簽。通常來說，勞動密集型企業(yè)，生產(chǎn)過程中的電子標簽可選用低頻無源只讀標簽，價格低廉，并且相比打印條碼方式，成本能得到很大程度的降低。對于工序復雜的制造企業(yè)，RFID標簽及讀卡器的選擇，應結(jié)合其他信息化系統(tǒng)，對企業(yè)生產(chǎn)流程進行分析后，再來決定，手持式和固定式讀卡器結(jié)合，超高頻的RFID系統(tǒng)目前在我國大多應用在機械以及汽車等行業(yè)。    員工管理：對于員工管理，比如在服裝、玩具等制造企業(yè)，可以為每位員工配發(fā)識別卡，應用于考勤以及生產(chǎn)過程管理，對物料以及工作流程實時的加工數(shù)據(jù)采

22、集能方便管理人員了解目前員工的生產(chǎn)工作狀態(tài)，并且，可以根據(jù)員工的加工情況，對成品進行追溯跟蹤，工時統(tǒng)計及產(chǎn)品質(zhì)量的跟蹤可以更好的方便企業(yè)對員工的績效情況進行管理。    在員工管理過程中，可根據(jù)企業(yè)的實際需要來選擇RFID卡的性質(zhì)，低成本的低頻無源卡往往更適合于員工管理。    倉儲管理：在企業(yè)的倉儲管理過程中，RFID技術能發(fā)揮極大的作用，以往，倉儲管理系統(tǒng)通常使用條碼標簽或是人工倉儲管理單據(jù)等方式來進行。但是條碼的易復制、不防污、不防潮等特點，和人工書寫單據(jù)的繁瑣性，容易造成人為損失，另外，條碼數(shù)據(jù)采集后，需要再次將數(shù)據(jù)錄入到電腦

23、，不能及時反饋倉庫的最新動態(tài)，這使得許多制造企業(yè)在倉儲管理時始終存在著缺陷。企業(yè)在引入RFID系統(tǒng)后，可以在RFID標簽中寫入貨物的名稱、日期、存放位置等各類信息，并貼在每個物品的包裝上或托盤上。這樣，讀卡器能搞清楚的掃描到托盤上貨品的信息，并可以及時的將倉儲物流信息反饋到生產(chǎn)加工，指導生產(chǎn)。在倉儲管理的過程中，企業(yè)應選擇手持式的讀卡器，通過無線方式與中間件進行連接，上傳至電腦及時獲取最新的倉儲情況，手持式的讀卡器不受人員以及地理位置的限制，具有小型化、便攜、使用靈活等特點，目前市場上也有許多帶PDA的手持式讀卡器供選擇，帶PDA手持式讀卡器具備CPU以及操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集完成后可直接顯示在液

24、晶屏幕上，或存儲于PDA中，通過無線方式傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)平臺，某些讀卡器還可以對電子標簽進行數(shù)據(jù)寫入，功能十分強大。    對于某些小型的制造企業(yè)，可以選擇工作在低頻的RFID系統(tǒng)，讀寫距離較短，技術成熟，并且價格便宜，但對于大型的制造企業(yè)，工作在低頻的RFID系統(tǒng)將無法滿足企業(yè)的要求，應選擇工作在高頻及超高頻，能讀取中長距離的讀卡器。    物流管理：企業(yè)物流方面，是RFID系統(tǒng)應用最多的領域，制造企業(yè)內(nèi)物流可大體上分為供應鏈物流與生產(chǎn)系統(tǒng)物流兩部分，在企業(yè)原材料的采購以及貨物入庫的過程中，通過在貨物或者貨箱上面安裝RFID標簽，閱讀

25、器自動識別標簽中的數(shù)據(jù)，不需要打開貨物，便知道里面貨物的情況，甚至不需要停留，就可以直接完成驗收工作，同時將數(shù)據(jù)記錄至數(shù)據(jù)庫，修改系統(tǒng)中的相關數(shù)據(jù)，完成物料的入庫，大大提高工作效率。在入庫的過程中，RFID數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還會根據(jù)標簽所標識的貨物的體積、大小和類別等，自動的選定庫位，將信息返回到入庫人員，對貨物進行入庫存放。結(jié)合倉儲管理過程，對貨物進行準確及時的動態(tài)管理。幫助企業(yè)減少庫存積壓，降低運營成本。在此過程中，可以設置超高頻的RFID系統(tǒng)來進行管理。    在生產(chǎn)系統(tǒng)物流方面，根據(jù)生產(chǎn)任務單，利用RFID技術，快速選取物料出庫，更新系統(tǒng)中相關的數(shù)據(jù)，同時，在生

26、產(chǎn)物料上附著標識這物料信息的電子標簽，跟隨物料進入生產(chǎn)流程中的每道工序。通過各工位設置好的讀寫器閱讀標簽信息，依次行進，減少錯誤率。在工序完成后，某些勞動密集型的企業(yè)，RFID標簽后還可以回收進行再利用，節(jié)約以往打印條碼打印的成本。    在生產(chǎn)系統(tǒng)的物流過程中，RFID標簽可根據(jù)企業(yè)實際情況設置，RFID讀卡器也可按企業(yè)實際情況選取。    3、企業(yè)應用誤區(qū)    目前，RFID雖已在許多企業(yè)得到了應用，并且有著不錯的發(fā)展，但還存在著十分巨大的挑戰(zhàn)，RFID是提升企業(yè)效率的手段，但不是必然的選擇，在某些

27、情況下，RFID更適合企業(yè)信息化水平應用較高的企業(yè)。        同時，隨著RFID系統(tǒng)在企業(yè)得到越來越多的應用，也存在著一些誤區(qū)，比如，某企業(yè)使用RFID技術對生產(chǎn)過程的追蹤控制，使用RFID標簽標識物料以及跟蹤產(chǎn)品的整個生產(chǎn)流程，結(jié)合MES以及電子看板進行生產(chǎn)過程的遠程控制，質(zhì)量管理，工位協(xié)調(diào)等工作，從而實現(xiàn)產(chǎn)品整個生命周期的有效管理及可控，整個RFID方案設計完整，但是，在實際操作中，在生產(chǎn)線布置了工作在2.45G的超高頻RFID系統(tǒng)，使用超高頻的RFID卡以及讀卡器，而其生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)并不需要長距離的讀寫，這樣就會造成資源的浪費，同時帶來成本的增加。    此外，某些企業(yè)在上信息化系統(tǒng)時一味求好，喜歡追求國際名廠產(chǎn)品，購買許多帶有CPU和操作系統(tǒng)的高配讀卡器應用在條碼的讀寫過程中，而這種讀卡器，硬件配置極高，且在高頻領域，核心技術以及市場大多被國外知名公司占有，導致了讀卡器的價格高昂，甚至是國產(chǎn)產(chǎn)品的幾十倍。對于企業(yè)來說，部署整個企業(yè)的RFID系統(tǒng)，這將帶來一筆巨額的投資，以及殺雞用牛刀般的大材小用。    目前，雖然RFID技術發(fā)展迅猛，但與條碼相比，由于成本、使用環(huán)境、技