有源射頻識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2401-5042-6606

作者簡(jiǎn)介：汪少東（1985—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)/數(shù)字化方向。

摘要：有源射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為一種高效、準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)在供應(yīng)鏈管理、庫(kù)存控制、零售業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)有源RFID技術(shù)進(jìn)行了全面的分析，首先介紹了RFID技術(shù)的基本原理、系統(tǒng)組成以及標(biāo)簽和閱讀器的工作原理；其次重點(diǎn)分析了有源RFID技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，包括標(biāo)簽結(jié)構(gòu)和原理、電源供應(yīng)、通信協(xié)議，以及數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)；最后探討了有源RFID技術(shù)在智能物流、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有源射頻識(shí)別技術(shù)??物聯(lián)網(wǎng) ?智能物流 ?智能制造 ?智慧城市

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393

有源射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種無(wú)線識(shí)別技術(shù)，使用有源RFID標(biāo)簽和閱讀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽所附帶信息的讀取和識(shí)別。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能物流的發(fā)展，RFID技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)的物流管理中，信息流與物流之間存在不同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致效率低下、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。而有源RFID技術(shù)的引入能實(shí)現(xiàn)物流信息的實(shí)時(shí)采集、精準(zhǔn)追蹤和全面監(jiān)控，從而提高物流過(guò)程的效率和可視化程度，有源RFID技術(shù)還能支持大規(guī)模物品的同時(shí)識(shí)別和讀取，具備較長(zhǎng)的讀取距離和高速通信的能力，這對(duì)于物流行業(yè)來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的。因此，深入分析有源RFID技術(shù)的原理和應(yīng)用，可為物流管理提供更高效、智能化的解決方案，也為進(jìn)一步推動(dòng)物流行業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程提供了有力支撐。

1 RFID技術(shù)概述

1.1 RFID基本原理

RFID基本原理是利用無(wú)線電頻率進(jìn)行無(wú)接觸式的識(shí)別和跟蹤物品。RFID系統(tǒng)由三個(gè)核心組件組成：標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和中間件（Middleware）[1]。

RFID的工作原理是閱讀器向周?chē)h(huán)境中發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽處于閱讀器的范圍內(nèi)時(shí)，其天線會(huì)接收到信號(hào)并通過(guò)供電電流激活芯片。芯片接收到電能后，在天線回傳數(shù)據(jù)給閱讀器。閱讀器解析芯片回傳的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到中間件進(jìn)行處理。在此過(guò)程，RFID系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別和跟蹤。

1.2 RFID標(biāo)簽的工作原理

RFID標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中的被識(shí)別目標(biāo)，由芯片和天線組成。當(dāng)RFID標(biāo)簽處于閱讀器的范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器會(huì)向標(biāo)簽發(fā)送無(wú)線電信號(hào)。標(biāo)簽的天線接收到信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為電能供給芯片。芯片激活后，使用接收的能量進(jìn)行工作，并將存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)回傳給閱讀器?；貍鞯臄?shù)據(jù)有多種形式，可以是標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)碼、相關(guān)信息等。RFID標(biāo)簽的工作原理即通過(guò)接收并利用閱讀器發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)來(lái)供電并與閱讀器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和傳輸。

1.3 RFID閱讀器的工作原理

RFID閱讀器主要負(fù)責(zé)與標(biāo)簽進(jìn)行通信，并讀取、寫(xiě)入標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。RFID閱讀器的工作原理涉及無(wú)線電通信，包括發(fā)射和接收。閱讀器通過(guò)天線發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，這些信號(hào)包含了用于標(biāo)簽激活和通信的能量和指令。當(dāng)標(biāo)簽接收到信號(hào)后，利用能量激活芯片，開(kāi)始與閱讀器進(jìn)行通信。標(biāo)簽改變天線的電磁特性回傳數(shù)據(jù)給閱讀器，閱讀器接收天線接收的信號(hào)來(lái)讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。

2 有源RFID技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 有源RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及原理

有源RFID標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵組件，相較于被動(dòng)RFID標(biāo)簽，有源標(biāo)簽具有內(nèi)置電池，能獨(dú)立提供能量并主動(dòng)發(fā)送信號(hào)，因而具有更長(zhǎng)的識(shí)別距離和更高的識(shí)別速度。

有源RFID標(biāo)簽的工作原理是當(dāng)標(biāo)簽感應(yīng)到讀寫(xiě)器發(fā)射的射頻信號(hào)后，標(biāo)簽內(nèi)置電池為電路芯片提供運(yùn)行電源，芯片獲得能量后，在天線接收射頻信號(hào)并回傳存儲(chǔ)的信息給讀寫(xiě)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別和追蹤[2]。

2.2 有源RFID標(biāo)簽的電源供應(yīng)

有源RFID標(biāo)簽的電源供應(yīng)是其正常工作的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗枰娫磥?lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的電路芯片和發(fā)送射頻信號(hào)。有源RFID標(biāo)簽的電源一般采用內(nèi)置電池的方式來(lái)提供。電池是有源RFID標(biāo)簽中的核心部件，通常采用小型的鋰電池或者其他類(lèi)型的電池，這些電池能為標(biāo)簽提供所需的電能，以保證標(biāo)簽在通信過(guò)程中能正常工作。相較于被動(dòng)RFID標(biāo)簽，有源標(biāo)簽的電池使其能以較長(zhǎng)的距離和更高的速度與讀寫(xiě)器進(jìn)行通信，從而適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。

2.3 有源RFID標(biāo)簽的通信協(xié)議

有源RFID標(biāo)簽的通信協(xié)議是其與讀寫(xiě)器進(jìn)行通信時(shí)所遵循的規(guī)范和約定，這些協(xié)議確保了標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間能有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。通常，有源RFID標(biāo)簽會(huì)采用一種特定的協(xié)議來(lái)進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)送和接收。其中，常見(jiàn)的有源RFID標(biāo)簽通信協(xié)議包括ISO 18000-7、ISO 15693、ISO 14443等，這些協(xié)議規(guī)定了標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的射頻通信方式、數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)傳輸速率、錯(cuò)誤檢測(cè)糾正碼等相關(guān)參數(shù)，從而確保標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間能準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換[4]。

2.4 有源RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

有源RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)是指標(biāo)簽內(nèi)部處理和存儲(chǔ)識(shí)別碼、傳感器數(shù)據(jù)等信息的能力。相較于被動(dòng)RFID標(biāo)簽，有源標(biāo)簽通常配備更強(qiáng)大的處理器和存儲(chǔ)器，使其能完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)任務(wù)。

在數(shù)據(jù)處理方面，有源RFID標(biāo)簽內(nèi)部的處理器對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，也能根據(jù)預(yù)設(shè)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。有源標(biāo)簽還能與傳感器結(jié)合，對(duì)環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，從而在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和追蹤物體時(shí)提供更多的信息[5]。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，有源RFID標(biāo)簽通常配備了內(nèi)部存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)識(shí)別碼、傳感器數(shù)據(jù)、操作歷史記錄等信息，并在不需要與讀寫(xiě)器通信的情況下被讀取，在需要時(shí)被更新，有源標(biāo)簽的存儲(chǔ)器還支持加密和安全認(rèn)證，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

3 有源RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

3.1 有源RFID技術(shù)在智能物流中的應(yīng)用

3.1.1 貨物追蹤和庫(kù)存監(jiān)測(cè)

在智能物流中，有源RFID技術(shù)在倉(cāng)庫(kù)管理中發(fā)揮著重要作用。首先，通過(guò)在貨物上附加有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的實(shí)時(shí)追蹤。利用射頻信號(hào)傳輸?shù)奶匦?，倉(cāng)庫(kù)管理人員可準(zhǔn)確地了解貨物的位置、運(yùn)輸狀態(tài)和軌跡，從而提高貨物的可視性和運(yùn)輸效率。有源RFID標(biāo)簽還能記錄貨物的相關(guān)信息，如生產(chǎn)日期、批次號(hào)等，有助于實(shí)現(xiàn)全程質(zhì)量追溯。其次，有源RFID技術(shù)能提供精確的庫(kù)存管理。在倉(cāng)庫(kù)中部署讀寫(xiě)器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄貨物的進(jìn)出庫(kù)情況，從而減少人工盤(pán)點(diǎn)的工作量和錯(cuò)誤率。結(jié)合有源RFID技術(shù)與倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的集成，還能自動(dòng)進(jìn)行庫(kù)存更新和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)更高效的庫(kù)存管理和補(bǔ)貨策略。

案例1：A某電商公司利用有源RFID技術(shù)在倉(cāng)庫(kù)管理中實(shí)現(xiàn)了貨物追蹤和庫(kù)存管理的全流程自動(dòng)化。在商品上粘貼有源RFID標(biāo)簽，他們能準(zhǔn)確記錄每個(gè)貨物的位置和狀態(tài)。當(dāng)貨物需要出庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別貨物并生成出庫(kù)指令，提高了出庫(kù)的準(zhǔn)確性和效率。在庫(kù)存管理方面，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和更新庫(kù)存，預(yù)警低庫(kù)存和過(guò)期庫(kù)存，并自動(dòng)生成補(bǔ)貨訂單，大大提高了庫(kù)存管理的自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確性。

3.1.2 運(yùn)輸監(jiān)控：實(shí)時(shí)位置追蹤和安全監(jiān)控

有源RFID技術(shù)還在運(yùn)輸監(jiān)控中扮演著重要角色。首先，在運(yùn)輸工具（如卡車(chē)、集裝箱）和貨物上植入有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛和貨物的實(shí)時(shí)位置追蹤，這樣，物流公司和客戶能實(shí)時(shí)了解運(yùn)輸工具和貨物的位置，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)度和安排，提高運(yùn)輸效率和準(zhǔn)確性。其次，有源RFID技術(shù)還可用于安全監(jiān)控。通過(guò)標(biāo)記運(yùn)輸工具和貨物來(lái)確保運(yùn)輸工具和貨物的安全。一旦有運(yùn)輸工具或貨物被盜或遺失，利用有源RFID技術(shù)快速定位和追蹤，提高貨物的安全性，并加強(qiáng)對(duì)異常事件的響應(yīng)和處理。

3.2 有源RFID技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

3.2.1 設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)流程優(yōu)化

有源RFID技術(shù)在智能制造中可應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制，設(shè)備附著有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，有源RFID標(biāo)簽還可用于生產(chǎn)流程優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。一方面，在生產(chǎn)設(shè)備上安裝有源RFID標(biāo)簽，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工作參數(shù)和維護(hù)記錄，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程健康管理。制造企業(yè)根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，減少設(shè)備故障和停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。另一方面，有源RFID技術(shù)還能用于生產(chǎn)流程優(yōu)化。標(biāo)記物料和半成品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動(dòng)跟蹤和管理，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確性。讀取有源RFID標(biāo)簽所攜帶的信息，生產(chǎn)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)流程，并實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，從而更好地滿足客戶需求。

3.2.2 產(chǎn)品溯源和缺陷檢測(cè)

有源RFID技術(shù)在智能制造中還可應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量管理。一方面，在產(chǎn)品上植入有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源和質(zhì)量監(jiān)控；另一方面，有源RFID技術(shù)還可用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。首先，有源RFID標(biāo)簽植入產(chǎn)品，能記錄產(chǎn)品的制造工藝、生產(chǎn)批次、檢驗(yàn)記錄等信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全程追溯。在產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，依靠有源RFID技術(shù)快速定位，并采取相應(yīng)的措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控能力。其次，有源RFID技術(shù)還可用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。在產(chǎn)品上附著有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)識(shí)別和質(zhì)量檢測(cè)。結(jié)合傳感器和有源RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，從而提高產(chǎn)品檢測(cè)的精準(zhǔn)性和效率。

3.3 有源RFID技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

3.3.1 智能停車(chē)導(dǎo)引和自動(dòng)收費(fèi)

有源RFID技術(shù)在智慧城市中被廣泛應(yīng)用于停車(chē)管理系統(tǒng)。首先，在停車(chē)場(chǎng)設(shè)備和車(chē)輛上植入有源RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的智能停車(chē)導(dǎo)引。通過(guò)讀取車(chē)輛攜帶的有源RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)告知駕駛員哪些停車(chē)位可用，節(jié)約了時(shí)間并降低了尋找停車(chē)位的難度。有源RFID技術(shù)還可用于自動(dòng)收費(fèi)，車(chē)輛在進(jìn)出停車(chē)場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛身份并進(jìn)行計(jì)費(fèi)，提高了停車(chē)場(chǎng)的管理效率。

3.3.2 空氣質(zhì)量和垃圾監(jiān)測(cè)

有源RFID技術(shù)在智慧城市中可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。第一，在垃圾桶、污水管道等設(shè)施上植入有源RFID標(biāo)簽，能實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能管理和污水管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并幫助城市進(jìn)行垃圾管理和環(huán)境保護(hù)。第二，有源RFID技術(shù)還可用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，在城市不同地點(diǎn)安裝有源RFID感應(yīng)器，結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，并為市民提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

有源射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)作為一種先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)在物流、制造、零售和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)價(jià)值。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的不斷發(fā)展，RFID技術(shù)還面臨著許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。未來(lái)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等關(guān)鍵技術(shù)的不斷融合，RFID技術(shù)將更加智能化、高效化和安全化，使其在供應(yīng)鏈管理、智能物流、智能制造和智慧城市等領(lǐng)域中發(fā)揮更加重要的作用。應(yīng)在降低標(biāo)簽成本的、提升讀寫(xiě)性能、加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性等方面不斷深入對(duì)RFID技術(shù)進(jìn)行研究和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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