第3章 RFID与物联网应用

这是一个宏大的目标：世界上的物和物之间可以对话。冷冻餐食与冰箱之间可以对话；微波炉和自动化的购物清单可以沟通；衣服可给予洗衣机、烘干机指示；药柜可阅读药物说明书，并自动配药给老年病人并把他们的用药剂量和吃药时间报告给病人的医生„„如此事例，举不胜举。

3.1 RFID基础

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物芯片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等。

3.1.1 RFID标签的基本概念

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。

一套完整的RFID系统， 是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。  

3.1.2 RFID的基本工作原理

RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，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。  

  3.1.3 RFID标签的分类

1. 按RFID的工作模式可分为： 

被动式（无源）、半被动式、主动式（有源）。 被动式：没有电源是接受靠阅读器的电磁波进行驱动。 半被动式：也是靠阅读器的电磁波进行驱动，但内部有电源，给标签供电，能有很好的回传效率。 

主动式：有电源，标签靠自己的电源工作发出信号。 

2. 按RFID的频率模式可分为： 

低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）具体见下表：

                                                                       图3-1

其性能优缺点如下：

图3-2

3.1.5 RFID在国内外发展状况

国外现状：

从全球的范围来看，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。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。RFID在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视，但至今韩国在RFID的标准上仍模糊不清。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。

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。飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了 RFID芯片市场；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；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
1）美国
    在产业方面，TI、Intel等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol等已经研发出同时可以阅读条形码和 RFID的扫描器。IBM、Microsoft和HP等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID的应用。目前美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐步应用RFID技术。在物流方面，美国已有10多家企业承诺支持RFID应用，这其中包括：零售商沃尔玛；制造商吉列、强生、宝洁；物流行业的联合包裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用。另外，值得注意的是美国政府是RFID应用的积极推动者。按照美国防部的合同规定，2005年1月1日以后，所有军需物资都要使用RFID标签；美国食品及药物管理局（FDA）建议制药商从2006年起利用RFID跟踪最常造假的药品；美国社会福利局（SSA）于2005年年初正式使用RFID技术追踪SSA各种表格和手册。
2）欧洲
    在产业方面，欧洲的Philips，ST Microelectronics在积极开发廉价RFID芯片；Checkpoint在开发支持多系统的RFID识别系统；诺基亚在开发并推广其能够基于 RFID的移动电话购物系统；SAP则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本处在同一阶段。日前，欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用实验
3）日本
    日本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步较早，政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。邮政与电信通讯部（MPHPT）在2004 年3月发布了针对RFID的“关于在传感网络时代运用先进的RFID技术的最终研究草案报告”，报告称MPHPT将继续支持测试在UHF频段的被动及主动的电子标签技术，并在此基础上进一步讨论管制的问题。从近来日本RFID领域的动态来看，与行业应用相结合的基于RFID技术的产品和解决方案开始集中出现。

国内现状：

相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。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。
    从产业链上看，RFID的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的RFID产业链，产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里，尤其是芯片、中间件等方面。中低、高频标签封装技术在国内已经基本成熟，但是只有极少数企业已经具备了超高频读写器设计制造能力。国内企业基本具有RFID天线的设计和研发能力，但还不具备应用于金属材料、液体环境上的可靠性RFID标签天线设计能力。系统集成是发展相对较快的环节，而中间件及后台软件部分还比较弱

3.2 RFID应用系统结构与组成

3.2.1 RFID应用系统结构

最基本的RFID系统由三部分组成： 

标签(Tag)：由耦合组件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； 

阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式； 天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。

3.2.2 RFID标签封装与编码打印设备

RFID标签封装方法

印刷天线与芯片的互连上,因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片(FlipChip)技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点,为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。

    为了适应更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法是:大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造,在小块基板上完成芯片贴装和互连后,再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上,再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中,芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的,简化了芯片的拾取操作,因而可实现更高的生产效率。

RFID标签封装工艺

RFID标签因不同的用途呈现多种封装形式,因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。

天线制造

绕制天线基板(对应着引线键合封装)  印刷天线基板(对应着倒装芯片导电胶封装) 蚀刻天线基板(对应着引线键合封装或者模块铆接封装) 

凸点的形成

目前RFID标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等

特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID标签的柔性化生产提供条件。

RFID芯片互连方法

    RFID标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选择低成本材料,减少工艺时间。 倒装芯片凸点与柔性基板焊盘互连可采用三种方式:各向同性导电胶(ICA)加底部填充,各项异性导电胶(ACA,ACF),不导电胶(NCA)直接压合钉头凸点的方法。理论上,应优先考虑NCA互连,可以同点胶凸点相配合实现低成本制造,但存在一定的局限性和可靠性。 采用ICA,优点是成本低,固化不需要加压。操作工艺步骤繁琐,难以降低成本,通常固化时间长,难以提高生产速度。在采用先制造连接芯片的小块基板,再与大尺寸天线基板连接的形式下,通过ICA的粘连完成电路导通是首选。通常是使用低成本、快速固化的ACF和ACA,具体做法是用普通漏版印刷技术在天线基板焊盘相应位置涂刷一层ACA,利用倒装芯片贴片机将芯片贴放到对应位置,然后热压固化。还有另一种键合方式是先制造RFID模块,然后将其与天线基板进行铆接组装。

RFID标签封装设备

     目前RFID产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式,该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造RFID模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现,因而生产效率得以提高。

柔性基板的标签通过全自动高速卷对卷的设备生产,非接触Transponder的生产通过将导电胶准确附于天线的引脚,倒扣芯片封装,并对每个Transponder检测以达到最佳的产品质量。设备点胶采用钢箔网印技术,应用视觉定位系统,使用两组机械手臂高精准取放芯片,通过可调温度、时间与压力的热压头封装,读卡头自动全检ISO标准Transponder并统计合格率。

电子标签的封装形式

从实际应用看,电子标签的封装形式较多,不受标准形状和尺寸的限制,而且其构成也是千差万别,甚至需要根据各种不同要求进行特殊的设计。目前已得到应用的Transponder的尺寸从￠6mm到76×45mm,小的甚至使用微米级芯片制成、包括天线在内也只有0.4×0.4mm的大小;存储容量从64-200bit的只读ID号的小容量型到可存储数万比特数据的大容量型(例如EEPROM32Kbit);封装材质从不干胶到开模具注塑成型的塑料。对于电子标签的各种封装形式,其材质、构成等各不相同。

卡片类(PVC、纸、其他)

层压式,有熔压和封压两种。熔压是由中心层的INLAY片材和上下两片PVC材加温加压制作而成。PVC材料与INLAY熔合后经冲切成ISO7816所规定的尺寸大小。当芯片采用Transponder时芯片凸起在天线平面之上(天线厚0.01～0.03mm),可以采用另一种层压方式,即封压。此时,基材通常为PET或纸,芯片厚度通常为0.20～0.38mm,制卡封装时仅将PVC在天线周边封合,不是熔合,芯片部位不受挤压,可以避免出现芯片被压碎。胶合式,采用纸或其他材料通过冷胶的方式使Transponder上下材料胶合成一体,再模切成各种尺寸的卡片。

标签类

 粘贴式，成品可制成为人工或贴标机揭取的卷标形式，是应用中最多的主流产品，即商标背面附着电子标签,直接贴在被标识物上。如航空用行李标签，托盘用标签等。吊牌式，对应于服装、物品采用吊牌类产品,特点是尺寸紧凑，可以回收。

    异形类

    金属表面设置型，大多数电子标签不同程度地会受到金属的影响而不能正常工作。这类标签经过特殊处理,可以设置在金属上并可以读写。用于压力容器、锅炉、消防器材等各类金属件的表面。

    腕带型,可以一次性(如医用)或重复使用(如游乐场)。 动、植物使用型,封装形式可以是注射式玻璃管、悬挂式耳标、套扣式脚环等。电子标签技术以其突破性的技术特点和广泛的适用性，越来越多的得到了市场的认可。随着芯片制造工艺、封装工艺的进一步改善，以及封装设备和材料的日趋成熟，电子标签必将更加适合我们的需求。同时也留给我们一系列新的课题，有待我们去改进和完善。

3.2.3 RFID标签读写器

RFID标签读写器系统结构

RFID读写器/读写模块的核心部份包括一个控制用微处理器和一个RFID基站芯片。它能独立完成对符合ISO 15693标准卡片的所有操作，它还具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对RFID卡的读写操作，并将所得数据返回给用户系统，这个用户系统可以是一个主控板或PC机。

    RFID读写模块提供多种通信方式与用户系统进行通信，极大地方便了用户的联接。

    RFID读写器/读写模块硬件主要由中央微处理器（89C52）、RFID基站芯片、高频电路、模块天线、RS232通信电路、复位电路、LED状态显示和喇叭驱动电路等组成。

其硬件结构图为：

                           图3-3

RFID读写器功能说明

RFID系列读写器/模块可以完成对符合ISO 15693标准的卡片的所有读写操作，其操作由连接的主控系统发出的读写命令控制完成，具体可以完成如下功能：

·模块操作：连接模块，读取模块号，

·卡片呼叫：防冲突处理，读取卡片序列号

·卡片静止：使卡片处于静止状态

·读取卡片系统信息

·选择卡片

·复位卡片

·读取卡片数据

·写卡片数据

·锁定卡片数据

·写卡片的AFI

·锁定卡片的AFI

·写卡片的DSFID

·锁定卡片的DSFID

·读取卡片的“写锁定”位信息

3.3 RFID标签编码标准

3.3.1 RFID编码标准研究的必要性

在RFID应用系统中要使每一件物体的信息在生产加工、市场流通、客户购买与售后服务过程中都能够被准确地记录下来就必须形成全球统一的、标准的、唯一能够准确标识各国、各个企业生产的各个产品的电子编码标准。

RFID技术广泛应用的基础是RFID标签编码的标准化与RFID标签体系的建立

目前最有影响的标准主要有

—EPC Global RFID标准

—UID RFID标准

—ISO/IEC RFID标准

3.3.2 EPC Global RFID标准

美国MIT Auto-ID 实验室EPC研究的核心思想是

1．为每一个产品分配一个唯一的电子标识符—EPC码?EPC码存储在RFID标签的芯片中

2.通过无线数据传输技术RFID读写器可以通过非接触的方式自动采集到EPC码

3.连接在互联网中的服务器可以完成对EPC码所涵盖内容的解析

                                                                           图3-4

EPC的研究体系及范围

EPC编码体系：

EPC编码体系研究的是产品电子代码的全球标准，2004年6月EPCglobal公布了第一个EPC标准目前正在研究和推广第二代(GEN2)EPC标准。

EPC编码体系EPC编码体系特点：兼容性/全面性/科学性EPC码由四个数字字段组成

版本号表示产品编码所采用的EPC版本

域名管理标识生产厂商

对象分类标识产品类型

序列号标识每一件产品

EPC编码长度分为三种：64位、96位与256位

                                                                           图3-5

EPC-96 I型编码标准字段结构与意义

EPC射频识别系统：

EPC射频识别系统研究包括EPC标签与EPC读写器

EPC信息网络系统：

         EPC信息网络系统是由互联网连接的多个支持EPC应用的网络系统与EPC基础设施组成，通过EPC中间件软件、对象名字服务（ONE）与EPC信息服务（EPCIS）实现全球的“物与物”互联，对象名字服务（ONS）也称作“对象名字解析服务”

图3-6

联网对象名字服务ONS工作原理

图3-7

EPCIS结构

3.3.3 UID编码体系

图3-9UID编码体系结构

3.3.4 ISOIEC RFID标准体系

图3-10ISO/IEC RFID标准体系结构

3.3.5 我国RFID标准体系研究的发展

目前来讲，在这方面确定的技术难点就是物品编码转换和映射，主要想克服信息孤岛的难点，在这里我想谈一下自己观点：通过RFID的发展我们看到，无论是编码也好，空中接口协议也好，这些东西都是把RFID的作用扩大了，可以说把它的作用扩大了很多倍，通过物品编码，RFID的作用更加明显，某种程度上我们不得不佩服美国，实际上他们从90

年代就在搞这方面的研究，等到他让世界都知道的时候，无论在芯片、编码、在空中接口协议等等领域都有了一大批的专利和技术，等你知道的时候美国已经领先世界一大块了，现在国内RFID的应用搞的很热闹，从美国的战略来讲，希望中国的这些企业开展RFID应用，推广RFID应用，一方面他卖芯片、卖读写器获取利润；另一方面把美国的战略向全世界推广，这是他们的优势。在物品编码领域，我们已经完成了3项国家标准的立项。

第3章 RFID与物联网应用