物联网实验教程:条形码与RFID技术概述

条形码和RFID技术是物联网感知层中非常重要的数据标识技术，可以用来快速准确地识别目标对象并获取相关数据，目前均有较多应用，下面分别进行介绍。

（1）条形码技术

条形码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。条形码起源于20世纪20年代，最初的目的是用来表达信封上收件人的地址。条形码技术发展到如今已经可以标出物品的各种信息，如生产日期、商品名称、生产国家、制造厂家、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等，因而在商品流通、图书管理、邮政管理等许多领域都得到了广泛的应用。条形码技术和人们的生活息息相关。比如，目前中国几乎所有的超市都使用条形码进行货品的管理。

条形码的信息读取一般是通过光扫描完成的，通俗来说，就是必须是可视的。其原理是物体的颜色是由其反射光的类型决定的，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条形码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。电信号输出到条形码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号0与1的数目来判别条和空的数目，再根据对应的编码规则（如UPC码，EAN码）将条形符号转换成相应的数字、字符信息。

条形码按照维度来划分，可分为一维码，二维码。目前，在中国应用最广泛的是一维码。一维码简便易用的特点决定了它能够被大范围的使用，但是随着社会的进步，产业的发展，一维码记录的信息有限且简单，逐渐不能满足人们记录和标识物品信息的需求，所以二维码应运而生了。二维条形码增加了一定面积上的条形码信息密度和信息量。二维条形码在水平和垂直方向都表达信息。其也有很多码制，主要可分为堆叠式二维条形码和矩阵式二维条形码两种类型。

1）堆叠式二维条形码又称行排式二维条形码、堆积式二维条形码或层排式二维条形码，其编码原理是建立在一维条形码基础之上，按需要堆积成两行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条形码的一些特点，识读设备和条形码印刷与一维条形码技术兼容，但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条形码。堆叠式条形码主要的码制有PDF417、Code16K、Code49。

2）矩阵式二维条形码又称棋盘式二维条形码，它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条形码所代表的意义。矩阵式二维条形码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。其主要的码制有DataMatrix、Aztec、MaxiCode、QRCode等。

由于受信息容量的限制，一维条形码用于对物体进行标识，而不是对物体描述。这样要是不通过链接数据库查询物体的信息，这个标识就没有意义。而二维条形码的信息容量增大，可存放1K字符，可以用于对物体进行描述，而且无需链接数据库就能用扫描仪直接读取内容，这在物流中非常有用。由于可以加密，二维条形码还具有保密性高的特点。当安全级别很高时，即使污损50%仍可读取完整信息。因此，二维条形码具有如下特点。

1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108字节的数据，或500多个汉字，比普通条形码的信息容量约高几十倍。

2）编码范围广：该条形码可以对图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码并用条形码表示出来，可以表示多种语言文字，也可表示图像数据。

3）容错能力强，具有纠错功能：这使得二维条形码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达50%仍可恢复信息。

4）译码可靠性高：它比普通条形码的译码错误率（百万分之二）要低得多，误码率不超过千万分之一。

5）可引入加密措施：保密性、防伪性好。

6）成本低，易制作，持久耐用。

7）条形码符号形状、尺寸大小比例可变。

二维条形码的这些优点，使它在邮政、铁路、机场、码头等物流上被采用，实现了货物运输全过程跟踪，加快了运输过程中数据处理的速度。但是RFID技术的出现就使得条形码相形见绌了。首先，RFID标签存储信息的容量是二维条形码的几百倍；其次，RFID标签的ID唯一性使得它能唯一的标识世界上每一件物品，而条形码往往都只能标识某一类的物品；再次，RFID标识系统能同时识别大量的带标签的物品，这样在实际应用中大大提高了速度；最后，RFID标识系统的识别范围能达到几米甚至几十米，而条形码都只能近距离的扫描；另外，条形码的内容无法随意地修改，而RFID标签可以反复重新改写内容。因此，由于RFID的技术优势将使它的发展空间比条形码更广阔。

（2）RFID技术

RFID技术是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的无线通信技术，又称电子标签（E-Tag），已经有数十年的应用历史，目前已在一些领域开始取代传统的条形码技术。标签（Tag）信息可在多个对象与读卡器（Reader）间同时传输，在一定范围内不受物理障碍、距离的限制。

RFID的基本技术原理起源于二战时期，最初盟军利用无线电数据技术来识别敌我双方的飞机和军舰。战后，由于较高的成本，该技术一直主要应用于军事领域，并未很快在民用领域得到推广应用。直到20世纪八九十年代，随着芯片和电子技术的提高和普及，欧洲开始率先将RFID技术应用到公路收费等民用领域。到21世纪初，RFID迎来了一个崭新的发展时期，其在民用领域的价值开始得到世界各国的广泛关注，特别是在西方发达国家，RFID技术大量应用于生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等民用领域中。目前，中国国内大多数公司的考勤都采用RFID技术，其新的应用范围还在不断扩展，层出不穷。

RFID技术的基本工作原理是：标签进入磁场后，接收读卡器发出的射频信号，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（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；读卡器读取信息并解码后，送至后台控制端进行有关信息数据处理。

一套完整的RFID系统，由Reader与Tag，也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统3部分所组成。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。(www.xing528.com)

RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID，以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。

RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW），相对应的代表性频率分别为：低频135kHz以下、高频13.56MHz、超高频860～960MHz、微波2.4GHz，5.8GHz。电子标签的工作频率是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。下面对高频和超高频以及有源RFID进行介绍。

（3）高频RFID

13.56MHz的高频波段是世界范围内有效的国际科学和医学波段。高频RFID标签一般以无源为主，射频的距离一般小于1m。工作时，标签必须位于读卡器天线辐射的近场区内才能和读写器交换数据。高频RFID系统的这种近场感应耦合减少了无线电干扰，因此使得它具有极强的抗干扰能力。

高频标签多半是无源的，因此成本较低，可以做成卡状、薄皮状等。高频系统的特点是：成本较低，穿透非金属物体的能力强，工作频率受无线电频率的干扰低，大多应用在证件防伪、电子支付（如电子车票）、门禁系统中。

高频技术相比下面即将介绍的超高频技术成熟很多，已经得到广泛的应用，目前市场的标签主要以高频标签为主。高频技术也得到了用户的好评，很多医药行业、图书馆等都青睐高频标签。高频标签非常适合应用在单品极方面，因为单品极标签需要体积足够小，抗液体、金属干扰力强等要求，都正好符合高频标签的特点。

在标准方面，由于13.56MHz的RFID技术发展较早，相关标准也较为成熟，主要的国际标准有ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693两种，国内13.56MHz的RFID标准也主要源自于这两个国际标准。13.56MHz的RFID技术，已在国内得到广泛的应用，主要集中于身份识别、公共交通管理等领域。

● 各地公交卡、校园卡，主要基于ISO/IEC 14443-A标准的13.56MHz电子标签。

● 中国第二代居民身份证，基于ISO/IEC 14443-B标准的13.56MHz电子标签。

● 教育部学生购票优惠卡，基于ISO/IEC 15693标准的13.56MHz电子标签。

● 国内许多城市（如上海），使用基于ISO/IEC 14443-A标准的13.56MHz电子标签作为地铁、出租、公交的电子车票。

（4）超高频RFID

超高频RFID系统的工作频率在世界范围内没有统一，各个国家的频率段标准不一样。欧盟指定的是865～868MHz，美国是902～928MHz，日本是952～954MHz。而我国的这些频段已经被公共通信、数字通信等占用，现在还没有指定一个合适的频段给超高频使用。

超高频RFID系统的标签也包括有源和无源两种，标签及读卡器的成本较高。标签只要在读写器天线辐射场的远场区内就可以工作，标签和读卡器之间的耦合方式为电磁耦合方式。超高频系统的特点是标签存储的数据量大、识别距离远（几米到几十米）、适应高速运动的物体、传送数据速度快、可靠性和寿命高、耐受户外恶劣环境。这些特点使它受到世界各国的重视和青睐。超高频的应用已逐步转到物流中的集装箱识别、交通管理中的铁路车辆自动识别、电子商务以及军事管理等领域。但是超高频有其弱点，其能耗较大、穿透力较弱，容易受无线电频率的干扰，成本较高。

在我国，超高频技术的应用还在起步阶段，技术水平还不成熟。同时，由于超高频的成本较高，因此超高频在市场的占有率还较低。然而，随着技术的进步，标签成本的下降，超高频将成为市场的主流。

（5）有源RFID

有源RFID标签使用标签内电池的能量，因此在识别距离和安全性上做得更好。但它的成本高，且寿命有限，而且由于带有电池，在体积上较大。

根据标签的数据调制方式的不同，可以将标签分为主动式、被动式和半主动式。有源RFID标签一般是主动式，无源的一般是被动式。主动式标签使用自身的射频能量主动向读写器发送数据。被动式必须利用读写器的载波得到能量发送数据，常用在门禁系统和交通应用中。主动式由于射频距离远，适合应用在有障碍物的应用中。

在实际的应用中，有源标签可以通过对电池设计不同的寿命来控制标签的读写次数。这在需要控制标签的使用次数的应用中非常有用。有源标签的主要缺点是电池的寿命有限，特别是随着电池能量的消耗，标签射频能量减弱，射频的距离会减少，就会影响系统的正常工作。有源RFID具有识别距离长、传输数据量大、安全性好、低发射功率等特点，因此被广泛地应用在港口货运管理、交通管理中。

目前，有源RFID的标准比较混乱，没有比较统一的标准，从433MHz～2.4GHz都有人应用。不过，目前也逐渐开始规范，在433MHz工作频率上ISO 18000-7逐渐成为事实上的标准，组成ISO 18000-7的多项知识产权都属于美国塞维公司（Savi Technology）。