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无线射频技术及其运用
作者：石峰　来源：　更新时间：2007-01-05 11:30:00　编辑：IT银河

　　无线射频(Radio Frequency Identification：RFID)技术是自动识别技术的一种，可用于识别单件物品、多种装备、空运托盘和集装箱，提供准确、及时的装备资源状态信息，在民用的物流控制和军用后勤物资保障中发挥重要作用。
　　一、无线射频技术的概念和工作原理
　　RFID是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是电磁理论，主要基础是计算机芯片。芯片非常之薄，与纸制标签厚度相仿，所它置于条形码标签之中，固定在集装箱、货盘和货包上面。由于它对电子方式储存信息，所以能快速地收集和报告藏在标签里的品名、位置、时间和业务数据，对由装有天线的阅读器或询问机发出的无线电查问或质询作出反应。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
　　1、RFID的系统组成
　　最基本的RFID系统由电子标签、阅读器和微型天线三部分组成。电子标签（Tag），由耦合无件及芯片组成，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。当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。
　　阅读器（Reader），也称查询器、通讯器或读出装置，用以产生发射无线电射频信号并接收电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可作为写入标签信息的设备，可设计成手持或固定式。微型天线（Antenna），在标签和阅读器间传递射频信号。
　　在实际应用中，RFID系统电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至计算机进行有关处理。因此，阅读器必须在可　　阅读的距离范围内产生一个合适的能量场，以激励电子标签。
　　阅读器发送时所使用的频率称为RFID系统的工作频率，通常分低频和高频。
　　低频系统的工作频率小30MHz，典型的工作频率为125kHz、225kHz、13.56MHz等。这些频点应用的射频系统一般都有相应的国际标准予以支持，其特点是电子标签的成本较低，标签内保存的数据量较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。
　　高频系统的工作频率大于400MHz，典型的工作频段有915MHz、2450MHz、5800MHz等。在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的特点是电子标签及阅读器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米到十几米），适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。
　　2、RFID标签类型
　　RFID标签分为被动标签（Passive tags）和主动标签（Active tage）两种。主动标签自身带电池供电，也称为有源标签，读/写距离较远时体积较大，成本更高，一般具有较远的阅读距离。不足之处是电池的寿命有限（3-10年）。被动式电子标签内无电池，也称为无源标签。它接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适用物体运动速度方面略有限制。
　　电子标签分集成固化式和现场改写式。集成固化式电子标签内的信息，一般在集成电路生产时就以ROM工艺模式注入，其保存的信息是一成不变的。现场有线改写式电子标签，一般是将电子标签保存的信息写入其内部的存储区，改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程必须为其供电。现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息位于其中的存储区。一般情况下，改写电子标签数据所花费的时间远大于读取电子标签所花费的时间。常规下改写时间为秒级，阅读时间为毫秒级。
　　3、RFID识别系统类型
　　可以将RFID识别系统简单地区分为3种类型：广播发射式射频识别系统、倍频式射频识别系统和反射调制式射频识别系统。
　　广播发射式射频识别系统实现起来最简单，其电子标签必须采用有源方式工作，并实时将其存储的标识信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是，电子标签因需不停地向外发射信息，不但费电，而且对环境会造成电磁污染，同时系统不具备安全保密性。
　　倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下，阅读器发出射频查询信号，电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利，但是，对无源电子标签来说，电子标签将收到的阅读器发来的射频能量转换为倍频回波载频时，其能量转换效率较低，提高转换效率需要较高的微波技巧，这就意味着更高的电子标签成本。
　　反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时，阅读器发出微波查询（能量）信号，电子标签（无源）收到微波查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制（ASK）后反射回阅读器。阅读器接收反射回的调幅信号，从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的，反射回的信号强度较发射信号要弱得多，因此技术实现上的难点在于同频接收。
　　4、RFID系统的局限性
　　RFID系统已获得广泛应用，但也有一定的局限性。一是价格昂贵。射频识别技术作为自动化识别系统的一种，目前还处于发展初期，成本非常高。与条形码相比，射频识别芯片的成本高得多。除了芯片本身，阅读器和中继器的成本与类似技术相比仍然非常高，因此限制了其推广应用。二是安全性。无线查询技术的难点是保密问题。在查询我方装备物资的同时，也可能让敌方得知我方装备物资的具体位置、数量等信息。因此，需要编制特别密码，使芯片不会对未经授权的查询信号作出反应。三是信息系统的兼容性。射频标签上的信息必须有统一的编码标准，这对装备物资属性信息的标准化提出很高要求，其工作量也相当大。四是读错率高。无线查询中如何解决识别的精确性，是个非常重要的问题。在美国国防部最近的一次现场演示中，射频识别的失误率达到20%这些问题都尚待解决。同时，复杂的射频系统需要大量经过专门训练的人员来进行安装配置。
　　二、新军事变革对后勤保障提出挑战，要求加速后勤保障的改革
　　20世纪80年代以来，在以信息技术为代表的一大批高新技术的推动下，世纪范围内的新军事变革蓬勃发展。新军事变革的本质是信息化，它使军队的作战理论、作战方式、体制编制和后勤供给等发生的深刻的变化，也对军队后勤保障提出了全新的要求。首先，随着高技术武器装备的大量使用，作战强度越来越大，战场物资消耗成倍增长。海湾战争中，美军地面作战部队人均日消耗物资为200千克左右，是第二次世界大战的10倍；海军航母编队人均日消耗物资达1100～1380千克，为二战的55～69倍。其次，新军事战略摧生后勤保障全面转型。冷战后，美国军事战略的一个重大变化是从过去的前沿部置型转变为前沿存在与兵力投送相结合。为适应这一转变，美军后勤也由前沿部署型，即主要依托海外基地和海外物资储备，转变为兵力投送型，即以美国本土的基地和物资储备为依托，战时从本土向海外战场投送。在伊拉克战争中，美军先后动用运输机1100余架、大型滚装船70余艘，向海湾地区输送了20多万人员、300多万吨物资、700余架直升机、1500余辆坦克和装甲车。第三，战争节秦的加快和作战样式非接触化、非线式化、作战空间大幅拓展，后勤保障对象点多、线长、面广、要求后勤提供与之相适应的伴随保障、即时保障，对后勤保障精确性要求越来越高。美军继《2010联合构想》后，在《2020联合构想》中再次把“聚焦后勤”作为指导军队建设和作战的4项重要原则之一，强调把信息、后勤与运输技术相结合，通过信息流对物资流、能量流的精确控制，为作战部队提供适时、适地、适量的后勤保障。
　　面对新军事变革对后勤保障提出的新挑战，传统的做法是加大战场物资数量，来满足作战部队对后勤保障不断增长的需求。然而，这种做法更加导致“后勤迷雾”，即后勤资源不透明和后勤需求不透明。一方面物资品种繁多，规格型号复杂，物资管理难度大；另一方面，现代战场环境复杂，作战部队需求变化快，对物资供应的准确性、及时性要求高。这种保障方式往往会带来重复申请、重复采购、库存积压、无效运输、保障效率低下等问题，并进一步加剧了后勤供需矛盾。对此，美国学者将这种情况形象地描述为“后勤雪球现象”，指出，“后勤的机构和职能会像滚雪球一样，有过分膨胀和扩大的倾向”。在海湾战争中，美军运抵战区的4万多个集装箱中，有的接收单位不明，有的内容不详，不得不临时把28000个集装箱逐一打开清点。到战争结束时，还有20%的集装箱没有打开，美军又不得不从国内征调6000名预备役人员和志愿者，用了一年的时间，才把价值100亿美元的作战物资运回国内，各种损失高达27亿美元。
　　正因为此，战后美军根据海湾战争的教训，并借鉴沃尔玛公司物流可视化管理经验，开展了资产可视性论证和建设，重点解决物资不透明的问题。目前，美军储存的物资达670多万种，存储在全球1000多个地方，每年收发超过20亿次，运输任务达700多万次。面对如此庞大的保障任务，美军依靠的就是后勤革命，通过信息化手段来驱除“后勤资源迷雾”。美国强调，“21世纪的后勤人员必须对作战与后勤情况有近实时的了解，获得包括有关敌我双方部队的近实时的信息，以及整个作战地域内补给所和在运物资的信息”。美军就是通过运用包括无线射频技术在内的一系列自动识别技术，来实现全部在储、在运、在处理资产可视，进而为作战部队提供适时、适地、适量的精确化后勤保障。
　　三、RFID在后勤领域的运用
　　运用无线射频技术开发的射频识别装置，是一个全方位数据存储装置，使用无线电频率阅读和传输数据。射频标签信息可以通过普通电话线或全球海事卫星传送到美军的某个数据库。目前，美国防部使用的标准SAVI系统的射频标签有256字节的标准存储量和128千字节的扩展数据存储容量。后勤人员将存有货物信息的射频标签贴在集装箱外部，标签所含的信息包括集装箱号、运输控制号、接收单倍的识别代码和名称，以及集装箱内每种物资的国家物资编号、数量和简介。当货物到达和离开装有射频标签识别数据电子检索，自动判读射频标签上的信息，并将所有数据传送给美军的全球运输网和联合全资产可视性系统，并作为在运可视性的数据源。通过全资产可视性系统，后勤人员就可不间断地对各种物资的空运、海运和铁路运输进行全程跟踪和管理，确切地掌握物资当前的准确位置，还可在紧急需要时改变运送路线，帮助部队更有效地分发。美军使用无线射频技术，可对300英尺范围内的物资器材进行自动识别、区分，并确定其位置。
　　无线射频技术分为被动和主动两种类型，主动射频识别标签通常称为射频卡或发射应答器，如一副纸牌大小，内装微型无线电收发机、微处理器和电池。微处理器可以特定的数据库文件格式存储128千字节信息，相当于300页的文字资料。手持式无线电询问机能发出脉冲电波“唤醒”射频卡，并能在90多米范围内阅读卡上的信息。除了阅读射频卡外，用户利用询问机能在有效距离内更新卡内信息。美军主动射频卡的主要用户是后勤部署部队、仓库、弹药工厂、支援部队、港口、战区补给和分发单位。射频卡可更新区域自动化信息系统，并支持集装箱管理、港口作业、接收和分发等许多后勤业务处理。射频识别最适合在用户需要了解远处集装箱内物品可视性时使用，或用在缺合适通信基础设施的恶劣环境中。一个集装箱货场上通常堆放着几百上千个集装箱，当需要紧急查找某种物品时，询问机可根据该物品的名称和编码提出询问，所有装有该物品的集装箱上的射频卡即会作出应答，随后利用询问机激活射频卡上的蜂鸣器，作业人员即可循声找到所需的物品。如果声音在听觉范围之外，则可根据询问机上测距仪显示的距离去逐步接近，整个寻找过程只需几分钟。射频卡相当坚实，耐恶劣气候，耐冲击，能在野战条件下多次使用。
　　被动射频卡工作原理与主动射频卡相似，采用无动力、廉价、低容量（20字节）发射应答装置进行视距范围内询问。被动系统因其数据容星和视距限制而未被自动识别技术运行方案采用。
此外，美军还使用超高频的无线射频标签，来监测后勤配置地域的入口安全控制。这种射频标签最早在2002年11月投入使用，并仍在改进中。在经安全许可的车辆挡风玻璃上都贴有这种射频标签，当车辆接近军事要地的入口处时，它们会遇到一个简易的配有斜栏杆的大门。无线射频识别器检测到射频标签时，门就会自动开启。然后车辆前行到一个常规的入口验证处，接受规定的、非无线射频识别程序的验证。这种监测的技术产品包括附于挡风玻璃的细小射频标签和射频阅读器。这种标签含有1024比特的内存，成本大约是10美元。
　　目前，美军资产可视性建设已取得显著成效，在储资产可视程度已达到90%以上。把无线射频技术与传统的运输工具相结合，大大提高了运输保障效率和安全效能。据报道，在伊拉克战争前，在运往海湾的集装箱、物资托盘上，美国普遍加装了饭含装载物品种类、数量、目的地等信息的射频识别标签，通过在机场、港口、车站、补给仓库等处安装的64套机动式无线射频识别系统，准确实现对所运资产的跟踪。美军通过给整装整卸车等运输装备加装由射频卡、阅读器、全球定位接收器、微机等组成的“移动跟踪系统”，极大地提高了不起物资补给的快速性、透明性和准确性。射频卡用来储存车上的物资信息，全球定位接收器可随时确定车辆的位置，与终端相连的阅读器可阅读射频卡上的信息。通过无线电收发车和通信卫星，车上的物资信息和位置可传给美国本土的中心数据库。与普通运输车相比，增配这些信息技术设备花费并不多，但却能实现物资运输的全程监控，显著提高运输保障效能。另外，“移动跟踪系统”还可加装在运加油车、救护车等后勤保障车辆上，使它们整个数字化的战场环境融为一体。
　　与条形码技术相比，无线射频技术除了可省去人工操作，还具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大等优势。另外，由于射频标签上的数据可以加密，存储数据容量大，而且存储信息可以更新，因而它比条形码的应应范围更广泛，使用起来也更方便。目前，美军已在40多个国家的400多处海港、机场、军事基地、铁路车站安装了射频识别标签系统，逐步建成庞在的以互联网为基础的全资产可视性网络系统，实现了从军工企业、保障基地到前线散兵坑的全程物流精确控制和快速投送，不但减少了物资的浪费，而且减少了作战的准备时间，提高了后勤保障效率。

 
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