面向食品安全的无线射频识别（RFID）技术研究

食品安全检测中常用到射频识别技术（Radio Frequency Identification）简称RFID。RFID，是一种非接触式自动识别通信技术，兴起于20世纪90年代。无线射频识别涉及到产品、管理、生活等各个方面。其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。阐述了无线射频识别系统基本电路的工作原理、硬件设计、优势分析及RFID技术的应用等研究现状对其进行论述并对未来发展进行展望。

【关键词】数字通信 电磁耦合 无线识别

1 RFID技术的基本工作原理

食品安全检测中常用到射频识别技术（Radio Frequency Identification）简称RFID。其系统一般有两部分组成，为硬件组件和软件组件，工作原理是通过电频信号和电感或电磁耦合传输信息，进而对物体自动识别。

1.1 RFID系统组成

1.1.1 硬件组件

硬件组件分成标签（Tag）和读取器（Reader）。标签就是一个微型的无线收发装置，其内部有芯片，芯片中存储有识别数据的信息。标签无需像条码标签那样瞄准读取，只要在电磁场内就可准确读到，更适合自动化处理设备使用，减少甚至排除人工干预带来的人力资源和产生差错及纠错的成本。对于标签的识读，它不依赖于可见光，可以在条形码技术无法适应的恶劣环境下使用，扩张了RFID技术的使用范围。读取器是捕捉和处理数据的装置，有手持和固定两种形式。读取器通过无线接收和传输信息，通过接收标签发出的无线电波读取数据。同时读取器还负责与后台处理系统接口。可以实现对标签和内存数据的读出和写入操作，典型的读取器包含有高频模块：发送器和接收器、控制单元和阅读器天线。标签将芯片转换成电磁波发送给读取器，读取器又把它转换成数据，控制计算器就可以处理数据并可以识别和管理这些数据。

1.1.2 软件组件

软件组件分为RFID系统软件、RFID中间件和后台应用程序。RFID中间件是读取器和后台处理系统之间运行的一组软件，起着桥梁的作用。

1.2 RFID工作原理

读取器也称扫描器或读取装置，标签又称数据载体或应答器。二者之间通过耦合元件实现射频信号的传递。耦合类型分为电感耦合和电磁方向散射耦合两种。

1.2.1 电感耦合

电感耦合是依据电磁感应定律使用感应磁场进行能量传递和数据交换。当读取器周围形成了电磁场，从读取器到标签传递指令时需要一个参数，例如频率fpd=fref/224等，Tag获取指令承载数据，接着改变电压通过空气介面把数据返回给读取器，读取器接收数据可以通过改变这个参数来实现，例如Δf=N × fpd，N是预标值（一般为256、512）。实则是变压器模型。

1.2.2 电磁方向散射耦合

电磁方向散射耦合是依据电磁波的空间传播规律，它的原理类似于雷达，形成磁场周围的电磁波撞到目标后携带大量信息被反射回来，典型的工作频率有433.92MHz、915MHz和5.8GHz，这种方式适用于较高频。

1.2.3 RFID数据传输方式可分为三种：

（1）幅移键控（Amplitude Shift Keying， ASK）。

（2）频移键控（Frequency Shift Keying， FSK）。

（3）相移键控（Phase Shift Keying， PSK）。

1.3 RFID天线

设计一个无线识别系统需要有Tag、Reader和耦合线圈。天线的种类很多，根据应用需求的不同选择，耦合线圈环形天线是比较常用的一种。

（1）无方向性天线也称为全向天线，通常是指点源各向通性天线和半波振子天线，天线增益G=η·D，其中η是该天线的效率，D是该天线的方向性系数。无方向性天线是各有方向天线用以比较的标准天线。

（2） ≤ （L：天线的最大几何尺寸，

λ：工作波长），此为电小环天线的定义。PCB环形天线属于其范围。基于13.56MHz、200mw的低功率Reader的天线设计方法：

物理参数：A1（环形天线宽度m）、A2（环形天线长度m）、B1（环形导体厚度m）、B2（环形导体宽度m）。

天线参数：将环形天线看成正方形等效电路，那正方形边长A=；环形导体等效导线截面圆半径B=0.35×B1+0.24×B2；RR（辐射电阻）、RL（环形导体损耗电阻）、RX（额外欧姆损耗电阻）、LA（环形天线电感）、LI（环形导体电感）；环形天线输入抗阻ZIN=（RR+RL+RX）+j2πf0（LA+LI）；辐射电阻RR=31171·（λ=C/f0，C：光速3×108m/s），f0：谐振频率）；RL==（p：周长，μ0=4π×10-7H/m，σ：导体电导率）；额外欧姆损耗电阻来自电容CP上的等效串联电阻：RX=?RR?RL；CP用来表示分布寄生电容。CP=；谐振下的输入阻抗Z'IN=RR+RL+RX+；环形天线电感LA =μ0A；环形导体电感LI =μ0；天线的效率η= = ；天线Q指必须与用来调谐天线正确频率电容相匹配， （tol：电容的误差值），变化引起的辐射功率变化低于 为等式基础。

2 RFID技术的优势分析

RFID与目前常用的自动识别技术，从概念上都是快速准确确认追踪目标物体；从技术上是属于不同技术适用于不同作用范围（有时会重叠）。最大区别是“可视技术”，条形码只能在可见光和短距离内通过人力来识别信息，而RFID只要在接收器作用范围内就可以被读取。条形码如果被污染或破损就不可以被识别，也不能辨认具体商品，如果想分辨过期食品和正常食品是无法实现的。然而全世界每年生产超过五亿种商品，而条形码的号码是由十二位数字组合而成，满足不了当今社会的需求，RFID技术优势有五个低：近距离、低复杂度、低功耗、低数据效率、低成本。

此外，RFID具有写入信息和更新内存的能力。其特有的辨识器不能被复制，信息可以通过电波传输，可以对数据加密具有防伪功能，抗干扰能力大大增强。传统条形码可容纳50Bytes的数据，二维条形码最大可储存2-3000字符的数据，而RFID的容量最大，可达到数Megabytes的数据。识别效率也是其他技术的几倍。在不用接触识别情况下可以实现同时读取多个标签，并且不受距离限制。重复使用性使信息存储的寿命更加长久。

3 RFID技术的应用

RFID技术越来越受到人们的重视，尤其是21世纪后。在国外，射频识别技术发展非常迅速，种类也很繁多。像工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等众多领域已经覆盖使用无线射频技术，具体如汽车：制造，防盗，定位，车钥匙；交通：高速不停车，高速公路自动收费系统；食品：水果蔬菜生鲜等保鲜度管理；门禁；汽车门锁和车辆防盗等等。像零售、物流行业，在欧美国家包括美国沃尔玛（Wal-Mart）、英国特易购（Tesco）等大型超市物流行业，都以提升内部物流系统和管理效率为首要。在我国，由于RFID技术起步较晚，应用的领域没有国外那么广，主要应用仅限于射频卡。射频卡主要就是应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。像上海、深圳、北京等一线城市陆续采用了射频公交卡。在前不久，我国射频卡成功应用于第二代公民身份证上。2005-10-11，我国的大型家电连锁公司国美电器开通国内第一个RFID系统店面。2011深圳举行国际物联网技术与应用博览会邀请了大量的RFID各大应用行业的终端客户，通过广有力的宣传实现了相互了解和商务合作。相信在不久的将来RFID技术发展前景会越来越好。

射频识别技术（RFID）一般可以分为两种，一种是短距离范围内使用的短距离射频识别，另一种是长距离射频识别。使用第一种短距离射频识别可以抵御外界不良环境影响，用在工厂的流水线上跟踪物体；用于电子钱包和电子票证，实现非现金结算业务，方便用户现金管理，增强物联网与食品的联系，有益于快节奏，高效率的只能城市发展；货物的跟踪管理和监控，提供快捷、准确、自动化的快捷方式跟踪货物对其管理；对于长距离射频识别，应用于交通、远距离作业是最适合的，可识别距离高达几十米，如车辆自动识别，通过对铁路车号自动识别技术，实现客车站或高速公路自动收费功能；食品消费管理系统；银行可、考勤系统；动物跟踪管理，在大型养殖场通过RFID技术身份识别系统，预防接种档案等，达到高效、自动化管理牲畜的目的。

4 RFID技术的发展趋势

RFID智能环保系统：当今环境是国民关注一大热点。十二五期间，我国进行环保物联网第三次的推进。在首都北京，防尘口罩当然挡不住恶劣的雾霾，市区可吸入颗粒物（PM10）日均值为165微克/立方米，超过国家年二级标准65%。将RFID技术与环境相结合的技术研究，希望能改善我们赖以生存的环境。可用标签芯片的安全算法及其实现技术研究。Tag与Reader之间通信的数据安全可以通过各种认证及加密的方法和途径实现，比如当RFID电子标签处于锁定状态时让Reader发送密码来解锁数据。但是还要考虑到RFID电子标签的成本，因为它直接影响了计算能力和采用算法的强度。通过不完全统计，我国已建成343个省市两级污染源监控中心、对1.5万多家重点污染源实施了自动监控。此项统计奠定了RFID智能环保系统是21世纪主流发展。

RFID校园安全智能管理系统：随着经济迅速发展，社会开放程度也日益提高，难免有社会上不良行为影响到校园。中小学正是国家的花朵、社会关注的群体，牵动着每个家庭的幸福，RFID校园安全智能管理系统应该应用于各个城市各个校园以确保保证孩子们的安全。设置校园RFID卡和人脸识别终端，通过网络掌握校学生进出信息，人数统计以及外来人识别。此系统不惧环境影响，即使刮风下雨也能正常进行工作，使用寿命长，读取距离大，为了防止人员信息泄露，可以对RFID校园安全智能管理系统的存储数据进行加密，大大维护了学生们的安全。

超高频低成本单品级RFID技术：超高频RFID技术因为其识别距离远、识别速度快、有较强的防冲突能力而被主要用在物流和供应链管理上。超高频RFID射频识别技术目前发展主要为ISO/IEC18000-6C（EPCGen2），同时有部分ISO/IEC18000-6B的应用。超高频RFID射频识别技术在电子标签应用上尚存疑点，在靠近液体和金属等特殊介质材料的超高频RFID电子标签的读取差错率还比较高。

5 结束语

RFID技术是结合了无线电、计算机及芯片制造和食品安全等多学科的新技术，不仅广泛应用于产品、管理、生活和食品等各个方面，它的应用也给零售、物流等产业带来革命性变化。 其带来的经济效益开始在世人面前呈现。

RFID技术已经走过了50余年，在迅速发展技术不断进步的今天，RFID技术广泛应用于各行各业中，可以说种类丰富，在满足现有需求又不断探索不断追寻更大发展空间的情况下，RFID在不断趋向于完善的技术。我国坚持“以应用促标准，以标准带应用”原则开始制定自己的RFID标准，以给中国企业一个快速发展的空间。可以肯定的是，编码管理，核心技术和数据库是未来RFID工作的重点。

参考文献

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作者简介

王娇，女，现就读于渤海大学。研究方向为物联网。

鄂旭，通讯作者，男，博士学位。现为渤海大学信息科学与技术学院教授，研究方向为物联网。

作者单位

渤海大学信息科学与技术学院 辽宁省锦州市 121001