1 引言关于物联网（The Internet of Things）的构想有人说最早来源于1995年出版的比尔.盖茨的《未来之路》一书中[1]；能让物联网迅猛发展的关键技术—无线射频识别（RFID）技术的技术模型起源于20世纪40年代的二战战场，原本是为了快速精确地识别大型战机、航空母舰等装备，在对雷达技术进行改进研究的过程中产生的[2]。无线射频识别（RFID）技术的发展与电子芯片和电子技术的发展息息相关，随着电子标签的体积越来越小，成本越来越低，为物联网的应用提供了必不可少的条件。物联网离不开网络，但却不仅仅是网络，它离不开传感器、天线、射频电路、密码学等技术。物联网在互联网的基础上，在终端增加了射频识别和传感技术。其中射频识别系统（RFID）由于可以进行高速移动物体识别、多目标识别、不易受环境污染、穿透力强和非接触识别等优点被广泛用于物联网系统中。物联网利用无线射频识别（RFID）技术借助广泛分布的传感器及信息收集器进行信息收集，通过大数据处理系统对物品特性进行归纳、归类及整合，然后将相关信息传输给所需的用户，以实现万物互联的目的。RFID技术涉及的学科众多，包括天线技术、射频电路、计算机技术等相关学科。 2 RFID技术按照信息传递的走向，可以将物联网分为三层：感知层、网络传输层和应用层[2]。感知层包括数据采集和信息传输。网络负责把感知层传来的数据通过网络传递到应用层。感知层包括能感应温度、湿度、光照等指标的各种传感器，红外识别设备，激光识别设备，和射频识别（RFID）设备等。信息感知提供信息来源，是物联网应用的基础。信息感知其实就是数据收集，作为物联网感知层的关键技术，无线射频识别（RFID）担负着信息采集和传输的重要作用。 RFID系统一般由电子标签（tag）、读写器（reader）及后台数据库系统服务器（Database Server）组成[2]。 2.1 标签的分类电子标签作为应答器，由天线、耦合元件、芯片、稳压、逻辑控制电路、电可擦只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等组成，芯片中存有全球唯一的ID序列号，及与目标有关的隐私信息。 电子标签根据适用范围的不同，可以分为[2][8]：（1）交互式智能标签。交互式智能标签平时并不向外发射信号，只是每隔一定时间，周期性地在监听频道，接收并记录协调器以广播形式发来的信号，只有在收到唤醒指令后才跳转到读写器工作频道，完成指令所需工作后，再回到监听和睡眠状态。该标签具有低成本、低功耗的特点，并能够实现无线远距离传输。可用于智能交通等需要远距离识别、定位或数据采集的领域。（2）实时定位与跟踪标签。因为标签具有物体唯一标志的属性，依靠读写器和安装在物体上的电子标签之间的通信信号强度可以用来测量物品的空间位置。所以，适用于仓库、超市、图书馆、停车场等复杂的环境中用来检测物体间相对的位置。（3）普适计算标签。该标签由于结合了传感器技术，所以可以感知物品或环境的温度、湿度和光照等情况，将这些信息传输到计算单元，可以构建用于普适计算的基础设施。（4）移动支付标签。通过手机终端与POS终端间的短程通信进行交易，可以通过手机绑定银行账户进行交易。该标签的使用，使得手机成为了一个可代替钱包、钥匙和身份的全方位的工具。（5）防伪标签。由于每个电子标签都具有唯一的ID号，无法篡改和伪造。所以在证件管理、电子车票管理等领域被广泛地应用。 电子标签按工作原理可以分为主动式、被动式和半主动式三种[3]。（1）被动式标签。又叫无源标签（passive tags），是最常用的电子标签，其内部没有供电电源。所需读卡器信号强，从标签到阅读器的信号弱，适合近程，通常一个读卡器可以扫描数100个标签，每20个标签移动速度小于等于3米/秒，传感器仅当被读卡器激活时才进行监控，数据容量小。这种电子标签利用接收到的从射频识别读取设备中发出的电磁波驱动内部的集成电路工作，只有当接收到的电磁波信号足够强的时候才能够驱动器内部电路想读写器发送数据。这些数据包含有全世界唯一的ID号。这种标签由于价格低廉、体积小及无需专门供电等优点，所以被广为使用。但这种标签也有致命的缺陷，由于需要将信号回传到读写器，为了提高回传效率，天线必须处于短路、开路间。但是这样会使得回传信号发生反射无法传送到读写设备。无源标签的优点是体积小便携，可以长期反复使用，生产成本低，应用广泛，缺点是传输距离近，稳定性较差。（2）半自动式标签。又叫半有源标签（semi-active tags），半自动标签与被动式标签相比，在内部多了一个微型电池给内部集成电路供电，这样可以使集成电路处于正确的工作状态，响应速度更快，传输效率更高。（3）主动式标签。又叫有源标签（active tags），标签内部有微小电源供电并能够向读写器发射具有足够强度的电磁波。所需读卡器信号弱，从标签到读写器的信号强，适合远程工作，通常一个读卡器可以扫描数千个标签，每20个标签移动速度大于100米/秒，传感器处于持续监控状态，数据容量大，具有作用距离长，存储量大的优点[4]。虽然有源标签的稳定性较高，并且通信距离很远，但缺点是体积太大，生产成本高，不能持续使用。 2.2 RFID工作原理读写器是利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器由天线、读写模块、控制模块和数据处理模块构成。读写器主要通过天线向标签发送指令，通过半双工方式与标签进行信息交换。读写器分为手持式和固定式[5]。RFID系统的频段、识别范围、应用场合均由读写器的工作频率、发射功率和体积大小决定，所以，读写器的性能在整个RFID系统中起着至关重要的作用[6]。读写器与电子标签之间的信息传递一般有以下两个过程[6]： （1）建立应答机制 应用系统中的上位机向读写器发送指令，读写器再通过天线将指令传给标签，标签从发送来的电磁波信号中获得能量，会向读写器发送一个响应，读写器获得这个响应，在读写器和标签间建立安全的应答机制，然后再进行信息的读取。 （2）信号的发射与接收 读写器通过调制射频信号向标签发送编码信息和连续的载波信号。标签从接收到的电磁波信号中解调出有用信息，并且利用接收到的电磁波来驱动自身天线，通过调节天线的反射阻抗系数来向读写器传送信息。 一般来说，RFID的工作原理有以下两种方式[6]： （1）电感耦合方式 基于法拉第电磁感应定律，读写器通过天线产生电磁波，当标签处于其天线的近场区域时，接收到其电磁波能量，通过自由空间中的交变的电磁场实现将能量传送到标签，使得标签完成自身充电，在很短时间内稳定电压输出标签所需的工作电压。这种通信方式需要将标签紧贴在读写器上以产生互感效应，识别范围一般在10cm左右，所以常用于较近的RFID系统，如：门禁，电子票据、公交卡、校园卡等场合。 （2）电磁反向散射耦合方式 首先通过读写器的天线向标签发送指令，一般情况下，标签的负载处于匹配状态准备接受来自读写器的指令，当标签收到指令后，通过改变自身的负载阻抗以改变匹配状态，标签向读写器发送所需信息，发出的连续波信号的数据位会随匹配状态的变化而变化，这种系统的识别范围一般在10m到15m左右，可用于ETC收费站。 2.3 RFID的工作频率RFID产品的应用频段有[7]：低频（LF,125-134KHz）、高频（HF,13.56MHz）的近距离RFID系统，通过读写器天线和标签天线，依靠磁场的电感耦合来工作；超高频（UHF，433MHz，840-960MHz）、微波（2.45和5.8GHz）属于远距离RFID系统，依靠读写器天线和标签天线发射电磁波实现远距离通信。 低频RFID读写传输距离短，数据传输率低，可以穿透水，不能穿透金属，其探测半径小于0.5米，每秒信息传输量小于1千比特，一般用于动物识别[4]。高频RFID传输距离长，具有较高的数据传输率，可以穿透水，不能穿透金属，超高频RFID的传输距离更远，数据传输率很高，能同时读取100以上的标签，不能穿透水和金属，频率范围在433到956MHz范围的超高频标签，其探测距离最高可达100米，一般用于物流业。对于2.45GHz微波频段的标签，其探测距离为10m，一般用于车辆收费系统。5.8GHz的RFID在阅读距离和数据传输率上有不可比拟的优势，但其不能穿透水和金属。 3 RFID系统的优势RFID工作不需要光源，不需要人工参与，能够适应不同的工作环境，使用寿命长，能够嵌入在不同的物体上，通信覆盖范围广，传播距离远，可以对识别目标进行追踪，同时处理多个标签，能通过加密提高数据的安全性。扫描范围广，视线局限性小。只要在读写器的带宽范围内，都可以进行扫描，而且，由于电磁波能够穿透大多数的障碍物，所以，并不需要像其他识别方式一样，需要面对面才能识别。识别物体多，RFID系统不必对每个物体进行单独扫描，它可以同时扫描多个物体，同时每个标签可以包含很多的信息，甚至可以反复改写数据。在安全性方面，由于RFID标签与读写器之间是通过电磁波来传输信息，所以，可以将标签植入物体内部或使用一些不会阻挡电磁波传播的材料来进行伪装，安全性更强。其识别速度快，更便利。射频识别这种无接触的识别方式，比传统的光学扫描识别更快速、安全。应用范围更广，比如，在很多场合，携带钱包或银行卡很不方便，如果将RFID标签安装到便携设备，比如腕带上，就可以实便捷支付，也不会造成拥堵，例如：买票，或汽车过收费口等[7]。 4 RFID技术中存在的问题及解决方法4.1 芯片技术芯片是RFID系统的核心，一个标签芯片就是一个系统，集成了除标签天线及匹配线以外的所有电路[8]。芯片一般具有轻薄、小巧、成本低廉的特点。RFID芯片设计与制造技术的趋势是功耗更低，作用距离更远，成本更低。标签的生产成本决定了其使用范围，所以降低标签的生产成本对于物联网的发展具有重要意义。文章[9]中研制的无芯片标签由于没有集成电路（Integrated Circuit,IC），其成本远远低于传统标签，对于物联网的普及有极大的推动作用。 4.2 天线技术小型化一直是RFID标签天线设计中重点考虑的问题。天线带宽和增益及极化特性也是重要的研究方向。片外独立天线虽然Q值高、易于制造，但是体积太大，容易折断，将天线集成于标签芯片上，则无需外部器件就可以工作，从而使得标签体积大为缩小，制作也更为简单，降低了生产成本。一般来说，很多材质对电磁波的传播都不会有影响，但是对于金属结构的物体来说，金属对天线会产生非常严重地干扰，由此产生了一系列抗金属天线。对于金属材质的物品，可以利用物品结构的金属特性，在金属体上开缝，做成缝隙天线[10]。 4.3 IP地址在物联网普及的过程中，为所有物品中的标签芯片编上唯一的ID编号是一项很大的挑战，随着物联网技术的发展，物品上网的数量将远远超过人上网的数量，IP地址需求量更大。据360百科，IPv6（Internet Protocol互联网协议version 6），IPv6是IETF（Internet Engineering Task Force）设计的用于替代现有IP协议（IPv4）的下一代IP协议，IPv6地址数量充足，足以支撑现有和未来的出现的新应用，据称可以为全世界的每一粒啥子编上一个网址。 4.4 安全技术由于大部分RFID设备采用公开的标准通信协议进行数据传输，使得RFID系统容易受到恶意的入侵。RFID空中接口常遇到的风险如下[11]：（1）数据窃听：无线传输是开放的，任何人都可以通过接收设备接收到信息。（2）假冒攻击：由于通用RFID协议如EPC、ISO等没有规定对标签进行认证，所以读写器无法鉴别克隆标签的真伪。攻击者可以将接收到的信息进行篡改后传给读写器。（3）目标跟踪：RFID标签以明文发送EPC编码，任何一台拥有兼容该协议的读写器都可以读取标签的编码。由于电子编码具有全球唯一的ID编号，攻击者可以通过获取EPC编码分析出目标的位置和个人信息，造成极大的安全隐患和隐私泄露。目前针对RFID空中接口数据防护的方法主要有：数据加密、专有安全协议、空中接口入侵检测等。 由于无源被动式标签只能从读写器信号获得极少能量，在获得能量后向读写器反馈信号，这种标签会对所有提供能量的读写器进行响应，会造成标签存储的信息暴露，甚至会泄露隐私信息，为了保护其信息安全，常常采用隐私保护认证（Privacy-Preserving Authentication，PPA），但是PPA要求读写器和标签之间利用共享密钥进行认证和识[12]。如果制造商在标签中预置密钥会造成密钥托管问题，用户不能生成自己的密钥；同时，目前被动式无源标签没有物理接口能与别的设备相连，所以，不可能通过物理连接生成密钥；另外，由于读写器与标签之间的通信通过天线传输，无法避免被人截取信息，所以也不能将密钥由读写器传给标签；由于标签的体积及生产成本决定了其存储和计算能力都非常有限，所以不可能实施基于密码学的一些运算来加密。文献[12]提出在标签上使用密钥安全无线生成法（Wireless Key Generation,WiKey）。WiKey利用了读写器与标签前后信道（Forward Channel,Backward Channel）的非对称性，读写器天线的发射功率一般较大，其辐射范围也更广，容易被监听，而无源被动式标签仅当收到信号时才向读写器发射信号，其自身没有辐射源，所以其信号弱作用距离短，不容易被监听。现有的工业标准协议EPC Class 1 Generation 2（EPC C1G2），由两部分组成读：取产品码（Electronic Product Code,EPC）和读/写用户区操作。当标签收到读写器发来的查询指令后返回一个16比特的随机数，读写器收到这个随机数后，将该数作为应答返回给标签，标签验证这个数与自己所发的数一致的时候，就向读写器发送其产品码（EPC）或标签地址（Tag ID），在读/写用户区操作中，读写器收到电子标签的ID后再向标签发送指令请求一个新的随机数作为读/写操作的会话句柄。确认身份后，读写器再向标签发送信息以进行读或写的操作，文献[12]认为由于标签用户可以目测到进入标签区域的监听设备，所以不容易布置监听设备。另外，由于无源标签的信号很弱，距离稍远则监听困难。但是，由于标签自身条件的限制，导致应用于标签的身份认证协议不能有太高要求，很多RFID身份认证协议不能使用传统的加密算法，只能使用计算量更小的单向哈希函数和伪随机数生成器来保证其信息的安全。现有的EPC及与EPC C1G2标准相符的身份认证协议，被称为轻量级RFID身份认证协议。另一个富有挑战的RFID设计协议思想是将标签所需的计算复杂度降低最低，不用密码学元件，仅仅使用最简单的或、与等操作，该协议被称为超轻量级RFID身份认证协议。 4.5 碰撞问题被动电子标签身份识别中常常涉及到碰撞问题。防碰撞算法可以解决读写器读取标签耗时过多、误读、漏读、读取距离近、识别区域受限等问题[13]。防碰撞算法可以分为：空分多址（SDMA，Space Division Multiple Access）、码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access），频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）和时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）[14]。被动标签识别中现有的碰撞算法大都基于TDMA。TDMA对各个参与者将整个信道容量按时间进行分配。基于ALOHA的TDMA算法是由标签驱动，各个标签随机选择时间发送信息；基于二叉树的TDMA算法是由读写器发送指令，符合指令的标签响应，如果存在碰撞，读写器就按一定准则将该标签分成两组，再逐一进行识别，分组持续到没有碰撞为止。前者相对简单，但是基于ALOHA的算法，有可能存在某些标签的时间点始终跟别的标签有冲突的情况，会导致标签一直无法被识别。通常，会将两种算法相结合，以获取更好的性能。 5 展望随着互联网与人们的生活日益息息相关，物联网已经渗透到人们生活和工作中的每一个角落，相信物联网将让我们的生活发生翻天覆地的变化。从以上的分析我们能够看出，作为物联网关键技术的无线射频识别（RFID）技术的发展离不开芯片技术、天线技术、数据加密技术及大数据处理技术的革新和发展。未来的芯片必将越来越轻薄、小型化，生产成本也会极大降低，天线的小型化程度越来越高，芯片加密技术的提高，大数据处理手段的多元化、智能化，加上IPv6的普及，这一切都将给物联网的发展与普及带来巨大的生机。 参考文献 [1] 李傲宇.物联网的应用与发展[J/OL].现代工业经济和信息化,2017(19):51-53+97(2017-11-20).http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1362.N.20171120.1407.021.html.DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2017.19.21. 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