文/深圳市先施科技股份有限公司　倪榮生

　　射頻自動識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）利用讀寫器與電子標簽之間的短距離非接觸通訊，快速自動讀出所標識的物品的識別號和存儲的信息，使各種物品信息都能采集到網(wǎng)絡(luò)，是把物理世界與IT系統(tǒng)聯(lián)系起來的橋梁。自動識別技術(shù)、通訊技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)，使管理對象在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字世界中找到它的映像，利用計算機和網(wǎng)絡(luò)進行智能化的管理，提高經(jīng)濟運行效益和質(zhì)量。

　　一、電子標簽是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵

　　RFID系統(tǒng)包括電子標簽和讀寫器二個部份。電子標簽要附著在物聯(lián)網(wǎng)每個待識別的物品上，使用量大，技術(shù)復(fù)雜，要求高；同時電子標簽的成本低、體積小、使用方便、可靠性高和使用壽命長，可以在被標識的物體靜止或運動的情況下工作、耐受戶外惡劣環(huán)境等，是物聯(lián)網(wǎng)識別管理對象，采集信息的主要手段，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的推廣形成了電子標簽的巨大需求，反過來，市場的快速增長又促進了多種多樣的電子標簽開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，滿足各種行業(yè)需要。

　　我國經(jīng)濟的高速發(fā)展及企業(yè)國際化進程的加快，為物聯(lián)網(wǎng)和RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了難得的機遇，研發(fā)低成本、高效率、高安全性的電子標簽是整個RFID和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵和核心。

　　電子標簽的產(chǎn)業(yè)鏈包括芯片設(shè)計與制造、標簽天線的設(shè)計與Inlay的加工、標簽基材的設(shè)計和生產(chǎn)制造、標簽外殼的設(shè)計和生產(chǎn)制造，電子標簽的組裝、標簽自動化印刷等，每一個電子標簽技術(shù)鏈中細分的領(lǐng)域，均有大量的公司或企業(yè)參與。根據(jù)“中國射頻識別（RFID）技術(shù)政策白皮書”的精神，必須采用技術(shù)上引進和自主創(chuàng)新相結(jié)合，引用國際標準與制定國內(nèi)標準相結(jié)合的方法，發(fā)展含有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子標簽產(chǎn)業(yè)。從技術(shù)上逐步攻破電子標簽產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所面臨的關(guān)鍵問題，推動全國RFID產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

　　目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模一直處于發(fā)展之中，電子標簽因應(yīng)用場合不同，有著多種多樣不同的要求，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模的發(fā)展，促進了電子標簽的技術(shù)發(fā)展。

　　二、超高頻電子標簽應(yīng)用已成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢

　　在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，物流、交通、設(shè)備和防偽管理需要的遠距離應(yīng)用將占大多數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)管理的對象如行駛中的車輛、傳送帶上的行李、流水線上的工件等，有動有靜，讀寫器難于對運動或移動物體貼近讀寫，需要使用遠距離電子標簽和讀寫器，離開待處理的物體數(shù)米或十余米外距離，在不影響它們運動的條件下，完成運動物體信息的自動采集。

　　工作頻率在13.56MHz或更低的范圍的近程RFID系統(tǒng)，依靠電子標簽的線圈與讀寫器收發(fā)線圈互相感應(yīng)，通過磁場耦合實現(xiàn)的信息交流。通訊距離不可能很遠，一般只能在數(shù)厘米。有的把讀寫器線圈做得很大，距離也很難超過一米。

　　要增大自動識別系統(tǒng)的通訊距離，只有提高頻率。只有當通訊的無線電波的半波長接近或小于電子標簽的尺寸時，才能在電子標簽上做出可幅射電磁波的天線。遠距離自動識別系統(tǒng)都工作在超高頻和微波頻段。按照國際標準組織的規(guī)定，有工作于UHF（Utra-High Frequency）和2.45GHz頻段的二種無源遠距離RFID系統(tǒng)。超高頻系統(tǒng)的作用距離比2.45GHz系統(tǒng)要遠得多，可在10米以上。

　　超高頻已成為物聯(lián)網(wǎng)的主要工作頻段。

　　三、隨著標簽電路功耗降低，無源RFID標簽成為主流

　　無源電子標簽采用可靠性極高的單片集成電路，可做成只有零點幾毫米厚，名片大小的薄卡，甚至做在柔性紙質(zhì)行李標簽中，不需要壽命有限的電池，體積小，壽命長，成本低，可靠性高，滿足了物聯(lián)網(wǎng)的要求。

　　但是RFID系統(tǒng)的發(fā)射功率受國家安全標準的限制，不能隨意提高。為了保證讀寫器天線的“視場”的覆蓋范圍，波束不能讓過窄。要保證足夠的作用距離，最根本的是要減少電子標簽電路的能耗，提高基站的接收靈敏度。

　　RFID技術(shù)發(fā)展早期，電子標簽的電路由分立元件組裝而成，功耗大，必須采用有源技術(shù)，用電池供電。近年來，集成電路工藝和設(shè)計的改進，微功耗芯片出現(xiàn)，電子標簽電路能耗逐年降低。九十年代中期，采用5V集成邏輯電路工藝，電子標簽的消耗電量約為55毫瓦，作用距離只能一米多一點。2003年10月NXP公司的UCODE G2芯片達50μW，2007年12月NXP公司的UCODE G2X芯片達30μW?，F(xiàn)已小于20微瓦，使無源電子標簽的靈敏度水平有進一步提高，用Alien新EPC Gen 2芯片制作出的抗金屬演示標簽M-tag，讀取距離竟然達到了驚人的30米，這幾乎是EPC Gen 2協(xié)議標準要求的三倍!現(xiàn)在電子標簽技術(shù)已由有源技術(shù)為主，發(fā)展到以無源技術(shù)為主。

　　四、超高頻電子標簽天線的設(shè)計

　　電子標簽天線的設(shè)計決定了輻射的電磁波束的形狀，也就決定了RFID系統(tǒng)的工作范圍。同時標簽天線的設(shè)計受載波頻率、載體尺寸、標簽封裝材料形式、性能和組裝成本等多種因素約束。

　　物聯(lián)網(wǎng)用的超高頻電子標簽的天線設(shè)計最困難之點是：這些標簽要嵌入或附著在不同形狀和類型的物體上。標簽所附的物體也是電子標簽天線的一部分。天線特性同時受到所標識物體的形狀以及物理特性、標簽周圍物體的距離、承載物體的介電常數(shù)、承載物體金屬表面的反射特性、局部結(jié)構(gòu)等因素的影響。使用環(huán)境的多樣性和不確定性，帶來了天線設(shè)計和集成結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性。特別要注意的是電子標簽用于塑料、玻璃、陶瓷和紙箱不同表面時，材料的介電特性不同，工作頻率和天線形式相同的標簽天線尺寸是不同的，所以不能隨便把貼在玻璃上用的標簽隨便用到紙箱上。標簽天線要足夠的小，能夠貼到需要的物品上。

　　在超高頻RFID系統(tǒng)中，電子標簽可選的天線形式有偶極子天線、折疊偶極子天線。一般偶極子天線長度應(yīng)為半個波長，在900MHz工作頻率時約為15厘米，這對大多數(shù)應(yīng)用來說太長了。為縮短長度，使用變形耦極子天線，將偶極子天線折疊，在保證仍舊諧振在工作頻率的條件下縮短尺寸，圖為NXP公司提供的一個小型天線。

圖2：NXP公司小型標簽天線（32.5mm X 20.5mm）

　　另外還有微帶天線、隙縫天線等幾種形式，前幾種天線是線極化的，但是微帶天線可以是線極化或是圓極化的。

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　　要與標簽芯片的輸入阻抗相匹配，使芯片能接收到盡可能多的射頻能量。標簽電路的輸入阻抗主要受整流器影響，它包括由寄生電容引起的虛部和依賴于輸出電流消耗的實部，這需要仔細的設(shè)計天線，使其與相連的標簽芯片的匹配。不同類型的天線阻抗不同，例如半波偶極子天線的阻抗為150歐姆，折疊偶極子的阻抗為300歐姆。選擇天線的類型，使它的阻抗能夠和標簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一方面可以并聯(lián)一個匹配電感，使之與輸入電容諧振。

　　標簽芯片的輸入阻抗缺少準確的參數(shù)，也難于在工作狀態(tài)下準確測試，通常通過實測標簽作用距離性能的辦法，調(diào)整標簽的匹配電路參數(shù)，致使標簽天線和芯片的互連匹配達到最佳。

　　五、開發(fā)多種形式的電子標簽，滿足不同行業(yè)的需要

　　物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了一個無所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于各行業(yè)所標識的物品的材料特性、幾何尺寸、外形結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境的不同，必須使用不同形式的電子標簽。例如有些電子標簽一次性使用，但量大，要求成本低。有些要求長時間和循環(huán)使用，需要有較強的結(jié)構(gòu)強度。有些要求能貼在金屬表面使用，有的要求能耐受高溫、低溫、高濕、機械沖擊等惡劣的環(huán)境。應(yīng)用要求的多樣性帶來電子標簽形式的多樣性。

　　一般來說電子標簽有一個稱之為Inlay的剛性或柔性的基片，在此基片上做了標簽天線和集成電路，在Inlay外有起保護作用的外殼或面層、底層，有的還有方便貼裝的不干膠涂層及保護紙。目前主要品種有：

　　1、自粘式柔性電子標簽

圖3：自粘式柔性電子標簽

　　帶自粘功能的電子標簽，可以由手工或貼標機粘貼在工件、箱、瓶等物品上，或手工粘在車窗或證件上。標簽由面層、標簽電路層（INLAY）、底層、不干膠層和保護紙組成；

　　面層和底層：可以用紙、PP、PET作覆蓋材料（印刷或不印刷）等多種材質(zhì)，是標簽打印內(nèi)容的承載體；

　　標簽電路層（Inlay）：芯片按用戶需求選用，雙面涂膠，基片一般為PET是聚脂薄膜，表面鍍鋁用以制造天線，具有優(yōu)良的介電性能，良好的防污、防刮、耐高溫等性能；

　　保護紙：一般為離型紙（硅油紙）；

　　成品形態(tài)可以是卷料或單張。

　　2、可重復(fù)使用塑殼電子標簽

　　對長期使用（如設(shè)備管理用標簽、地鐵電子車票、籌碼、鑰匙牌、手表帶）或可重復(fù)使用的電子標簽必須有較堅固的外殼，保證在使用時不因跌落、彎折、重壓、敲擊而損壞。按應(yīng)用的需要，可設(shè)計成長條、圓、方等各種外形，采用注塑加工工藝，制成內(nèi)含標簽Inlay的異形標簽產(chǎn)品。外殼可根據(jù)使用環(huán)境要求，選擇合適的工程塑料。

圖4：各種塑殼電子標簽

　　3、PVC或PET卡片類

　　配合人員管理需要，使用符合ISO-7810卡片標準尺寸的卡片。制作工藝相似于傳統(tǒng)的制卡方法，即經(jīng)過印刷、配Inlay、層壓、沖切等步驟。卡片面的材料視耐溫要求不同，選擇PVC或PET料，PET料強度大，能耐較高的溫度。

　　4、金屬表面用電子標簽

　　電磁波射到理想的金屬表面時，發(fā)生反射現(xiàn)象，反射波與入射波幅度相同，相位相反。在金屬表面反射波與入射波相互抵消，電磁波場強為0。普通的超高頻電子標簽采用的偶極子天線(Dipole Antenna)，貼在金屬表面時完全失去了功能。要在金屬表面上使用，一般采用微帶天線（Micro-strip Antenna）結(jié)構(gòu)。此類標簽分為三層構(gòu)造：金屬底層、3至5毫米厚的介質(zhì)層、天線元件及標簽芯片層。由于抗金屬標簽的底面是金屬，隔離了標識物表面對標簽的影響，所以也可以用于其它類型物品。此類標簽的又稱為“與標識物表面無關(guān)的標簽（SIT-Surface Independent Tag）。

圖5：Omni-ID各種抗金屬標簽

　　六、電子標簽的防偽防拆和安全使用

　　在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的障礙是標簽的唯一性和信息安全保護問題。

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　　電子標簽應(yīng)該是標識物的唯一表示。物品貼上電子標簽后，就成為該物品具有唯一ID號的電子身份證，不能隨意更換。如果標簽被人為撕揭標簽，轉(zhuǎn)換了標識的主體，就可能使電子標簽被非授權(quán)使用，產(chǎn)生種種經(jīng)濟和法律問題。目前主要的辦法是采用玻璃、陶瓷、易碎紙等脆性作為電子標簽基片，標簽用絲印工藝制作，將銀漿印刷在玻璃或瓷片上，經(jīng)燒結(jié)形成天線，再焊接芯片。這種標簽用膠固定在標識物上后，不能再拆動。在撕揭發(fā)生時使電子標簽破碎而自毀，以免產(chǎn)生張冠李戴現(xiàn)象，造成識別錯誤。

圖6：粘貼在車窗上的深圳海關(guān)陶瓷標簽

　　物聯(lián)網(wǎng)的安全問題主要集中在對個人用戶信息的隱私保護、對企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護、對RFID系統(tǒng)攻擊以及反利用RFID技術(shù)的防范等方面。由于在非接觸的條件下可以對標簽中的數(shù)據(jù)進行讀取，保護RFID技術(shù)的安全性以及個人隱私權(quán)的問題備受關(guān)注。從電子標簽角度一般采取的辦法是：使用前對存入信息加密，使用時讀寫器與電子標簽互相認證，使用后自動銷毀。

　　從電子標簽角度采取的辦法是：

　　1．對一次性使用的標簽，使用后隨即用物理方法或使用Kill命令銷毀，防止信息外泄；
　　2．讀取或?qū)懭胄畔⑶?，讀寫器與電子標簽需通過互相認證，防止非授權(quán)讀寫器竊取和竄改信息。
　　3．對存入電子標簽的信息加密；
　　4．設(shè)置密鑰，防止非授權(quán)存取電子標簽的信息；

　　七、結(jié)語

　　電子標簽是物聯(lián)網(wǎng)識別管理對象，采集信息的主要手段，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)需要使用遠距離電子標簽和讀寫器，在不影響管理對象運動的條件下，進行信息的自動采集。為達到此目的，必須使用超高頻頻段工作的RFID系統(tǒng)，鑒于超高頻天線和電波傳播的特點，需要對標簽天線和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，以保證信息采集性能、防偽和滿足保證信息安全的需要。