漫话 | 图解RFID技术的前世今生

2020-03-24

随着物联网技术的不断发展,人们对物联网寄予了越来越多的期待。相较于互联网,物联网将人与人之间的通信进一步拓宽到人与物、甚至物与物之间,给人类的社会生产与生活方式带来极大的革新。在实现物联网的感知层中,RFID技术摆脱了人工的限制,实现对物体信息的采集与处理,是感知层极重要的射频识别技术,在物联网领域占据着重要的位置。RFID系统使用RFID电子标签来标记物品,标签中包含着芯片和天线,再通过超高频RFID读写器来实现数据的收发与处理。迄今,RFID技术已经广泛应用在物流、零售、仓储、资产、医疗、图书等场景,并仍在不断开拓新的疆域。



RFID的应用发展史

RFID这一技术最早可以追溯到20世纪40年代,它源自对雷达技术的改进和应用,当时还只是局限在军事领域。在二战时期,英国空军率先在飞机上使用了这一技术,主要用于分辨敌方飞机与自方飞机。一直发展到今天,RFID仍被广泛应用在商业航空领域。


1948年,哈里·斯托克曼在IEEE的前身——无线电工程师协会(IRE)的论文集上发表了“利用反射功率的通讯”一文,正是这篇论文奠定了RFID技术的理论基础。


20世纪60年代,科研人员开始针对RFID开发新应用,商品电子监视器便是在这一时期发明出来的,它是RFID技术实现的第一个商业应用系统。


到了20世纪90年代,RFID逐渐获得一些企业内部的采用。也是在这一时期,RFID技术在美国的公路自动收费系统中得到广泛应用。1991年,美国俄克拉荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统,使得交通拥堵问题得到明显缓解。1999年,美国麻省理工学院(MIT)首次提出“物联网”这一概念,其构想的关键思路便是给所有物品提供一个电子编码,进而实现对所有物体的唯一标识。



2003年,全球知名超市零售巨头沃尔玛宣布于2005年开始使用基于RFID技术的EPC系统,随后联合利华、宝洁、卡夫、可口可乐、吉列、强生等跨国巨头纷纷选择跟进,RFID电子标签开始大量出现在货箱上。



进入21世纪后,RFID终于进入了快速增长期。随着应用面的不断拓展,RFID的标准化问题受到了空前重视,各种新型产品形态不断涌现。同时,由于RFID电子标签的成本不断降低,RFID开始进入各行各业,并从企业内部走向大众的日常生活场景。



(1)低频(LF)

其中,低频RFID所使用的频率一般为125KHz-134KHz,波长约为2500m。这一频段采用电感耦合的方式来工作,即读写器线圈和感应器线圈间存在的变压器耦合作用。相较于其他频段类型,低频RFID具有穿透性好、传输距离近、容量小、单目标读取等特性。受低频特性与成本等因素的影响,常见的应用场景有畜牧业管理、动物标识、汽车防盗、自动停车场收费、门禁等等。


(2)高频(HF)

高频RFID的工作频率一般为 13.56MHz ,该频率的波长大约为 22m,也是通过电感耦合的方式进行能量供应和数据传输。高频RFID可以同时实现多目标读取,该频段在全球实现了标准统一。在高频RFID中最常见的应用便是大众熟知的智能卡,包括第二代身份证也是使用这一频段。此外,高频RFID在图书管理、瓦斯钢瓶管理、物流等场景中应用非常普遍。


(3)超高频(UHF)

超高频RFID常用的频率有433MHz、868-950MHz。通过电磁耦合的方式进行能量和信息的传输。这一频段RFID的读取距离较远,需要通过天线布置配合来定制读写区域。目前,UHF RFID的标准化与产业链发展迅猛,已经成为RFID体量最大的市场,在鞋服、物流、零售交通、医疗等领域有着广泛的应用。深圳鸿陆技术作为物联网行业领先的RFID硬件及方案集成商,目前在工业4.0、资产管理、仓储物流、智能零售、智能称重、烟草物流、智能产线、车辆管理、智能电网等领域均有所建树,并积累了丰富的项目经验。


(4)微波

微波RFID系统频段在1GHz以上,常用的有2.45GHz与5.8GHz频段,一般采用电磁反向散射方式进行工作,电子标签通常采用有源供电方式,工作原理与蓝牙、WIFI类似,需要一个基站发射与接收信号,然后识别标签的信息,RFID标签就是一个带身份识别的节点。微波RFID对环境的敏感性很高,一般应用于行李追踪、移动车辆识别、集装箱管理、供应链管理等领域。



(1)有源电子标签

其中,有源电子标签通过外接电源供电,能主动向读写器发送信号,传输距离更远、速率更高,通常在微波频段使用,超高频频段亦有少量应用。目前,有源电子标签的应用并不多,主要场景有用RFID进行定位、电动车定位以及高速公路上对车辆进行识别等等。


(2)无源电子标签

无源电子标签通过超高频读写器读取天线发出的无线电磁波,再在标签内部产生信号传输,有着体积小、读取距离近、稳定性高等特点。无源RFID标签目标客户大多是需要高度可靠、经过加固而又使用寿命长的RFID标签的客户;加之其成本方面的优势明显,所以适应的应用领域相当广阔,可以涵盖工业、建筑施工、车辆管理、零售、资产管理、仓储管理、医院、政府/军队等等。


(3)半有源电子标签

半有源电子标签通常处于休眠状态,当标签进入读写器识别范围便会被激活而进入工作状态。半有源RFID系统工作时,需要在不同位置安置多个读写器用于激活半有源RFID标签,适合在既有定位需求,又有信息采集与传输需求的频率信号大范围覆盖的场合中使用。



(1)电子标签企业重生产

RFID电子标签的市场需求量极大,并一直保持着快速增长的态势。近年来,尤其UHF标签的标准化程度越来越高。因此,为了满足庞大的市场需求,电子标签厂商们更注重的是生产环节。


(2)读写设备定制化

相较于电子标签产品,读写设备的数量要少许多。根据应用场景的不同,RFID读写设备的定制化现象十分普遍。因此,超高频读写设备的产业链表现出明显的方案化特征。


(3)标签+读写设备+应用软件的集成方案玩家越来越多

在RFID产业链中,提供标签+读写设备+应用软件的集成方案玩家越来越多,这主要是由市场环境造成的。主要体现在两个方面,第一个方面是做单品的玩家越来越多,在激烈的市场竞争下,行业的利润变薄,企业需要丰富自身产品线,以此保障经营利润。第二个方面在于物联网客户需求的转变,它们需要技术供应商提供更完整的方案。



根据相关市场统计数据,国内RFID市场规模在2015年首次突破500亿元大关,经过短短四年便又实现翻番,2019年的市场规模已经约为1100亿元。如今,RFID技术已经在国内物流、零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、资产管理、交通、食品、动物识别、图书馆、汽车、航空、军事等领域得到广泛应用。



(1)超高频RFID与微波RFID有望迎来新的发展机遇

随着新零售和传统服装零售的大规模应用,超高频RFID的需求随之上升。为应对日益增长的市场需求,政府相关部门出台了物联网“十三五”规划,指出未来将重点发展超高频和微波RFID,超高频RFID与微波RFID有望迎来新的发展机遇。


超高频RFID虽然得到了政府的大力支持,但我国在超高频领域仍面临着不小挑战。虽然国内从事RFID的企业并不在少数,但真正触及RFID超高频核心技术开发的企业却寥寥无几,这也是国内RFID产业链里相对薄弱的环节。深圳鸿陆技术作为物联网行业领先的RFID硬件及方案集成商,多年来一直专注于RFID核心技术的研究,获批多项发明专利与国际认证。


(2)“RFID+”蕴藏巨大市场潜力

未来,RFID技术将与其他物联网技术相结合,包括传感器、红外、生物识别、超声波等。通过与这些技术结合不仅能取长补短,更能帮助RFID开辟出新的应用市场。


(3)电子标签体积更小、价格更低

随着标签和芯片技术的更新升级,电子标签会向体积更小、更精细的方向发展,其价格也会进一步降低,这将促使RFID的应用市场变得更大。


(4)个性化定制需求致行业市场细分化

RFID个性需求日益凸显,行业定制化愈加普遍。RFID企业正在积极寻求开拓新的应用市场,面对不同的RFID用户群,由于需求、行业、经营规模等属性不同,导致RFID方案差异性较大。因此,行业化、细分化将是未来RFID产业的一大发展趋势。



面对不断临近的物联网时代,RFID的市场前景无疑是明朗的。就国内RFID产业而言,重点应该放在补齐短板上来,针对关键技术进行攻关突破,这样才能从根本上提升自身竞争力,进而把握住发展契机。未来,相信随着RFID应用成本的降低与技术的发展成熟,RFID技术将会像日用品一样出现在我们身边,我们的每一件衣服、每一个包裹、每一个商品都会有一个RFID电子标签。


(部分图文来源于RFID世界网,侵删)

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