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解读物联网的“初心”:RFID

作者:悟联王 此文帮助了[72]个人!
摘要:90年代,美国麻省理工学院RFID研究机构——自动识别中心(Auto-IDCenter)的创始人,Kevin Ash-ton教授提出了一个物联网概念,他将物联网定义为:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。虽然在这个定义中,把物联网“感知”技术局限在了RFID等
关键词:RFID  RFID标签  射频识别  

 说到物联网的历史,有一项技术不得不提,那就是RFID技术(Radio Frequency Identification,射频识别)。90年代,美国麻省理工学院RFID研究机构——自动识别中心(Auto-IDCenter)的创始人,Kevin Ash-ton教授提出了一个物联网概念,他将物联网定义为:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。虽然在这个定义中,把物联网“感知”技术局限在了RFID等为数不多的几项测感技术中,和我们现在的理解有很大差异,但从中也看到了RFID技术在物联网应用中的巨大潜力。

(注释:麻省理工对物联网的完整定义:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定协议,把任何物品通过物联网域名相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。)

 如果要问RFID技术的年龄,那需要回溯到二战期间的欧洲。1940年至1941年,纳粹德国对英国挑起了大规模空战(“不列颠空战”)。由于空战中德国的“BF-109”战机与英国的“飓风MK.I”、“喷火MK.I”战机十分相似,所以英国皇家空军首先在战机上使用RFID技术,用来识别出自家和盟军的飞机。

 而后几十年间,RFID技术被陆续用在了商业、农业等领域:在百货店内做成电子标签,用于防盗和结算;做成颈环、脚环套在动物身上,便于跟踪研究;现在,高速公路上的ETC收费系统已经成为了收费站的一种标配,它也是使用了RFID技术。如今RFID技术所涉及的行业领域,已经远远超出了人们当初的预计:包括农业、工业、支付、零售、公共事业、安防等等。



(该图摘自:《物联网射频识别(RFID)核心技术教程》)

RFID技术定义

  RFID技术,属于自动识别技术中的电子标签技术(自动识别技术还包括“条码/二维码识别技术”、磁卡识别技术等等),是一种非接触式的自动识别技术:通过射频(无线)信号自动识别目标对象(标签)并获取相关数据。在各类行业应用中,RFID技术实现了采集实体对象数据的功能。

 因为RFID具有无线信号识别的特性,所以携带标签的物体在运动过程中也能够被识别,距离可以达到几十米。

EPC/RFID基本结构

 在90年代之前,RFID的应用并不连接到互联网,电子标签内的数据都是企业或组织各自定义的。90年代提出的物联网概念,其实就是在RFID技术基础上,融入互联网技术,并规范标签的编码格式,建立跨越全球的、开放的EPC(产品电子代码)系统。EPC系统和RFID技术相结合,被业内认为是物联网雏形。

 根据RFID技术结构,业内将EPC/RFID技术分成了两个部分:“边沿系统”和“软件系统”。边沿系统主要包括有电子标签、读写器;软件系统主要是指应用系统、中间件系统。虽然中间件系统属于软件系统,不过实质上其各有一部分在“边沿”和“软件”两侧系统中,介于边沿系统和软件系统之间。

 如果将EPC/RFID技术架构放在物联网技术矩阵之中,可以将边沿系统理解为“边缘域”,而软件系统理解为“云端域”。在边沿系统中,主要是由读写器采集电子标签中物件数据,再通过中间件在网络中转译并获取映射数据,最后送至应用系统(高层软件系统)。而应用系统,则负责信息集中化的处理---应用逻辑的实现。

 然而,现今的很多RFID行业应用基于成本和安全性的考量,依然没有中间件和联接互联网的配置:数据在经过读写器读取后,直接送至私有网络中的专用系统进行应用处理。(本文介绍的RFID技术,主要针对EPC/RFID系统,具有物联网特性的RFID系统)

EPC/RFID主要部件

1、电子标签

 电子标签(ElectronicTag)也称应答器或智能标签(Smart Label),其本质上是一个微型的无线收发装置,主要由内置天线和芯片等电子元器件组成。通常情况下,电子标签附着在待识别的物品上,芯片中具有全球唯一的电子编码(EPC编码),是RFID边沿系统中的数据源。应用中的大多数电子标签不配置电源,直接通过无线信号获取能量。

    在RFID电子标签最基本的元器件中,专用芯片主要用来存储数据和实现控制功能,天线则用来感应无线信号接收能量,并收发无线电信号。一部分电子标签自配电源,具备主动发射信号的能力。


2、读写器

 读写器,也称为阅读器Reader),用于读取电子标签中的内存信息,或者将信息写入电子标签内。读写器既可以是独立的终端,也可以嵌入在其他系统之中进行使用。读写器的硬件主要包括天线、射频模块、控制器、网络通信模块、I/O接口等部件。

  • 天线和射频模块,用于通过无线信号向电子标签发送或读取数据;

  • 控制器,即微处理器,作为读写器的“大脑”,控制设备各部件实现应用功能:获取电子标签数据,实现内部信号转换,与外部系统通信。

  • 网络通信模块,负责与云端的数据通信,对上下行的数据进行封装、解码,实现路由转送的功能。

  • I/O接口,与其它系统内某块或外围设备通信。

    对于无源的RFID电子标签,读写器需要具有激活标签的功能,即通过电磁波向电子标签输送能量。读写器的天线、射频模块在收到电子标签传来的信息后,会交给控制器对标签信息进行初步处理(数据格式转换等),而后会通过网络接口(外部网络接口、本地I/O接口)将其传送到其它信息处理设备。


3、RFID中间件

  RFID中间件的诞生,一方面是为了解决RFID应用系统中各类设备和软件(电子标签、读写器、应用服务器和操作系统)的异构问题,另一方面使得RFID应用更易于部署:满足海量数据处理、分布式计算、开发效率、成本控制等等的需要。

  RFID中间件将应用过程中的通用功能进行封装(源数据的采集/过滤/整合/传送、互联网路由解析和物品信息查询),形成标准的数据(结构化数据)和能力接口向外部开放。通过中间件,应用系统可以直接和读写器建立联接,获取电子标签相关信息,并在网络中查询其关联数据。RFID中间件有效地降低了应用的软硬件架构与维护的复杂性,实现敏捷开发、轻载运营。

  RFID中间件功能往往不是由一台实体设备实现的。各类RFID基本和拓展应用功能,通常需要多台相关设备(服务器、网络设备),根据业务需求来部署实现。RFID中间件主要包括以下基本功能:读写器接口网络访问接口(公网访问接口)、应用软件接口中间件功能模块

 读写器接口、网络访问接口、应用软件接口,分别对接到边缘网络的终端和设备(电子标签、读写器)、互联网应用服务、内部专用应用系统。三个接口功能,实现了各方向上的信号连接和通信协议适配,并将数据集中到中间件功能模块中做应用前的处理。

 中间件功能模块是RFID中间件的核心控制单元,主要实现数据映射转换、数据过滤、设备管理、业务控制、RFID基本应用功能。其中,基本应用功能包括提供EPC/RFID 的“名称解析服务IOT-NS)”和“信息发布服务IOT-IS)”。

  RFID中间件具有呈上其下的连接作用,提供RFID领域的基本工具、以及数据的格式转换和封装服务,并向外(互联网)开放能力,具有典型的物联网平台(Paas)特性。

 目前,已经有许多科技巨头实现了RFID中间件类型的物联网平台的商业部署,包括IBM的“WebSphere”、微软的“BizTalk RFID”、Oracle的“Xterprise”等等。

4、应用系统

  EPC/RFID技术使应用系统可以连接到所有生产资料,进行集中化的设备管理和生产运营。

 从技术原理来看,只要给实物对象(人、动植物、物品)一个唯一的ID标识号,就可以采用RFID进行信息化的管理。这个对象,可以是工作证、会员卡(标识“人”),也可以是脚环、颈套(标识“动物”),亦可以是汽车、快递盒(标识“物品”)。企业内的各类生产信息系统都可以通过集成RFID技术,提高生产流程的“透明度”和“精细度”,提升监控管理的“实时性”和“准确性”,并实现各系统间、企业间的信息共享和互动,扩展应用边界、形成产业生态。

         RFID的应用软件包括商业应用:客户关系管理系统(CRM)、企业资源管理系统(ERP)、供应链管理系统(SCM)、仓库管理系统(WMS)、订单管理系统(OMS)、资产管理(AMS)、物流管理系统(LMS)等等,以及公共服务类应用:ETC(不停车电子收费系统)、电子票证(例如一次性地铁票)、门禁安保系统等等。

EPC/RFID的识读流程

EPC/RFID系统所实现的功能,就是对RFID数据进行“识读”的数据采集过程。识读的基本过程如下:

1、  电子标签贴于物品上,当物品靠近读写器时,电子标签在读写器的信号磁场内产生各种类型的电磁耦合效应并获得能量(电能),通电后的电子标签开始与读写器进行信息交互:电子标签和读写器先相互进行安全认证,而后由电子标签接受读写器指令回送其存储的数据信息。

2、  读写器在收到电子标签内的数据后,传送给RFID中间件。标签内的数据为“EPC编码”,包括嵌入信息(Embedded Information,货品特性信息,包括物品ID等属性)和参考信息(Information Reference,数据的网络信息)。

3、  RFID中间件将读写器获取的标签信息(EPC编码),通过互联网送至物联网名称解析服务(Internet of Things Name Service,IOT-NS)。IOT-NS在收到标签信息后,会根据EPC编码中的“参考信息”找到相应的服务器IP地址,该IP地址就是信息发布服务(Internet of Things InformationService,IOT-IS)的服务器地址。

(该步骤类似于互联网的DNS-域名解析)

4、  IOT-IS服务器会根据RFID中间件送来的标签信息,查询到对应物品ID的详细信息,并返回给RFID中间件

5、  RFID中间件根据需要,将和物品相关的所有信息(电子标签信息、物品详细信息、读写器的读取情况等)送到应用系统。应用系统软件在收到数据后会做出相应处理:发出指令信号-控制执行器动作,或将现场状态进行可视化界面呈现,或进行数据分析后出具业务报表等等。

 这里介绍的识读过程,是基于EPC/RFID的系统构架。在大量的实际应用中,RFID的行业应用并没有部署EPC系统功能:既没有RFID中间件,也没有基于互联网的名称解析服务和信息查询服务。其采用了非联网的模式:读写器在接收到电子标签数据后,直接将其送到本地应用服务器进行处理。

RFID和物联网的系统对应关系

  EPC/RFID系统具有典型的物联网结构特性,从边缘的设备和网络,到云端的中间件服务,都体现了物联网数据汇聚、开放共享的本质属性。

 在RFID边沿系统中,从物联网接入云端的网络模式来看,EPC/RFID技术属于网关连接型的物联网。网关连接型物联网的连接设备,主要包括传感器、转发节点、网关设备,分别对应EPC/RFID系统中的电子标签、读写器、RFID中间件或网关路由器。

(备注:1、“转发节点”是指:在物联网边缘网络中,实现多种通信协议转换的网络交换设备。2、和“网关连接型”对应的云端接入方式是“直接连接型”,即物联网终端直连云服务系统。)

1、  电子标签-物联网终端

 “电子标签”负责存储物品数据,虽然它并没有感知的功能,但其在应用中的角色和传感器类似,属于“数据源”-终端设备。

2、  读写器-物联网转发节点

  RFID的“读写器”是物联网的转发节点设备。读写器很容易被误解为传感器设备,但实时上它并非传感器:读写器读取电子标签数据所采用的是无线通信技术,数据在电子标签内按照RFID通信标准,先经过编码、调制等步骤处理,再通过天线转换成无线信号向读写器发送;读写器接收到无线信号后,同样需要按照RFID通信标准,对信号进行解调、译码和放大等系列操作,而获得标签数据。读写器在获得标签数据后,还需要将其通过其它通信方式向云端传送。读写器的核心功能就是“一收一发”,实现通信协议转换以及在局部区域中的数据转发,在物联网边缘网络中,即称为“转发节点”(例如:将标签数据从“无线信号”转换为“RS232串口信号”,送到后端服务器)。

3、  物联网网关设备

 在边缘网络中,RFID实现互联网连接,主要有两种方式:

    A、读写器具备通信协议栈和互联网应用功能,可以将标签数据直接送至互联网应用服务器。在这种情况下,读写器同时具备物联网转发节点和网关功能。(例如:便携式自带运营商SIM卡的读写器)

    B、读写器需要先将数据送至本地网络服务器、网关路由器或中间件设备等其它网络服务设备,再由这些网络服务设备将数据进一步处理并送至互联网。在此读写器属于物联网中的转发节点,不承担物联网的网关功能。而转发数据至互联网的网络服务设备即为物联网网关设备。

4、    RFID中间件-物联网平台

 在RFID软件系统中,RFID中间件封装了基本的RFID功能(IOT-NS、IOT-IS、数据过滤和格式转换、读写设备管理等),解决了各厂家设备的兼容性问题,统一了相关系统之间通信标准和数据格式,实现各类设备和系统间的无缝对接,支持实时动态地进行数据传递。RFID中间件,其实就是专用的物联网平台,偏重于物联网平台的连接服务。各类软件应用部署在RFID中间件上,则可以更加地“轻载”和“灵活”。

  EPC/RFID系统所构建的是一个全球化的物联网应用,是一个以RFID信息采集技术为基础的、结合互联网技术(EPC系统)的、开放共享的大系统。借助这个系统工具,各生产分工环节上的企业能够更紧密地协同合作,产品的生产流水线更具有弹性和张力,企业内部资源能够更有效地和外部资源联动,提升商业软实力。

RFID物联网是机遇也是挑战

 企业采用RFID技术,是为了满足企业自身对实时管理决策和业务流程优化的需求,也是为了迎合各行业数字转型、技术创新的发展趋势。然而,一方面RFID技术中还存在不少待解决的问题:还没有足够的安全技术应对资产信息在互联网中暴露的风险;标签成本价格制约了市场的扩大;产业生态需要进一步推进全球标准化。另一方面,很多企业只是将RFID应用作为现有业务的补充或增效工具,这些“孤岛应用”将很难适应未来数字化的商业环境【1】。而老牌企业要切实推进数字化转型,则往往需要从顶层战略开始,调整组织结构、落实人才培养、改变投资机制及重订关键绩效指标。这亦是一场无比艰巨的冒险。

(【1】注释:“从1965年到2012年,由于数字技术加剧了竞争,扰乱了产业格局,并迫使企业不得不明确战略、发展新能力以及变革自身的文化,衡量企业失去领导地位的“翻覆率”提高了近40% 。但机会也显而易见。麦肯锡的相关研究表明,众多企业正在摩拳擦掌,预计在未来3—5年里,数字举措带来的年增长以及成本效率将达到5%—10%甚至更多。”《提高你的“数字商”》-麦肯锡)


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