射頻辨識系統設計及智慧製造應用

物聯網技術被認為是資訊產業的一次革命。在物聯網中，物品能夠彼此交流，其本質就是利用射頻辨識技術。射頻辨識技術是電子產品代碼技術的載體和完美展現者。射頻辨識技術能夠使商品實現唯一辨識，使供應鏈具有即時監控、可追溯與追蹤以及透明化管理的特點，而這正是供應鏈管理者多年來夢寐以求的技術。物聯網要實現全世界範圍內物品的廣泛物聯，廉價且易用的電子標籤是實現該目標的正確選擇，因此可以說射頻辨識技術是物聯網學科的核心，是構建物聯網的技術基礎。

如今射頻辨識技術已經在各個行業嶄露頭角，成為這些行業實現自動化、智慧化的關鍵技術之一，其中部分行業涉及智慧製造核心產業，例如電力、化工、交通、建築等。雖然射頻辨識技術在工業生產中有各種應用，但是因為物聯網本身是一個構建在現有互聯設備基礎上的超級複雜的系統，且技術實現良莠不齊，行業規範也沒有建立起來，所以射頻辨識技術還遠遠沒有達到技術標準化的水準，在很多行業的應用尚停留在研究或者試驗階段，雖有工業應用也只是行業範例而已。

本書選取射頻辨識技術在代表性工業應用中的範例，解讀本行業內技術的進展和應用前景，以期讀者對射頻辨識系統在智慧製造領域內的應用和發展前景，既有一定的認識，又能掌握技術脈絡。

本書前3章重點論述了射頻辨識技術和智慧製造的背景意義，說明了適用于智慧製造行業的射頻辨識系統的組成和工作原理，討論了物聯網中關於射頻辨識技術的三大網路服務。第4～6章介紹了射頻辨識中核心電路設計、高頻小信號分析方法以及射頻辨識中的天線理論。第7章重點介紹物聯網中形勢越來越嚴峻的安全問題、安全性原則和安全機制。第8章重點介紹5G通訊技術、MQTT協議以及NBIoT和LoRa兩種物聯網中的長距離區域網路通訊技術。第9章和第10章分別給出射頻辨識在汽車生產領域、刀具管理領域和在智慧物流、智慧倉儲中應用的實例。

本書內容很好地展現了射頻辨識技術的即時性、視覺化、可溯源三大技術特徵，從裝置到組網技術，再到智慧生產應用案例，逐步深入地介紹射頻辨識技術，邏輯清晰，技術全面，案例新穎，具有很強的實作性。

任春年，物聯網工程專家。

王景景，副教授，控制理論與控制工程碩士，計算機應用技術博士，現為碩士生指導教授。

曾憲武，副教授，鐵道運輸自動化碩士，海洋資訊探測與處理方向博士，曾從事電力自動化研發工作，現為碩士生指導教授。

第1章 概述
1.1 無線射頻辨識技術
1.1.1 無線射頻辨識技術的發展
1.1.2 無線射頻辨識技術在物聯網中的應用
1.2 智慧製造
1.2.1 智慧製造的概念
1.2.2 智慧製造的意義
1.2.3 智慧製造的發展
1.2.4 中國製造2025 與中國智造
1.2.5 RFID在智慧製造中的應用
1.3 智慧製造與射頻辨識的關係
參考文獻
第2章 射頻辨識系統組成
2.1 射頻辨識系統概述
2.1.1 電子產品碼與無線射頻辨識技術
2.1.2 射頻辨識系統的特點
2.1.3 射頻辨識系統的工作流程
2.2 射頻辨識系統的主要組成
2.3 電子產品碼標準化
2.3.1 EPCglobal網路設計的目標
2.3.2 EPCglobal服務範圍
2.3.3 EPCglobal協定體系
2.4 EPCglobalRFID實體單位及其主要功能
2.5 RFID物聯網的應用與價值
參考文獻
第3章 物聯網中的射頻辨識服務
3.1 物件名稱伺服器
3.1.1 ONS系統架構
3.1.2 ONS解析服務的分類
3.1.3 ONS的網路工作原理
3.2 電子產品碼資訊伺服器
3.2.1 EPCIS與GS1之間的關係
3.2.2 EPCglobal資訊服務EPCIS規範
3.3 EPCIS系統設計範例
3.3.1 資料庫設計
3.3.2 EPCIS的檔案目錄
3.3.3 EPCIS的系統流程
3.3.4 EPCIS中Web服務技術
參考文獻
第4章 射頻辨識的硬體設計
4.1 射頻電路設計基礎
4.1.1 射頻與頻段
4.1.2 射頻電路的一般結構
4.2 被動元件的射頻特性
4.3 射頻辨識中的濾波器設計
4.3.1 濾波器的基本結構和參數
4.3.2 無源濾波器的設計
4.3.3 有源濾波器的設計
參考文獻
第5章 射頻電路中的高頻電路信號分析
5.1 射頻電路的基本理論
5.1.1 小信號模型分析法
5.1.2 克希何夫電壓迴路定律
5.1.3 射頻振盪電路基本理論
5.1.4 回饋振盪器設計
5.1.5 高頻振盪器
5.2 混頻器
5.2.1 混頻器的原理
5.2.2 混頻器的性能指標
5.2.3 混頻器的分類
參考文獻
第6章 射頻辨識系統的天線設計與調變
6.1 天線理論基礎與天線設計
6.1.1 傳輸線基礎知識
6.1.2 基本偶極的輻射
6.1.3 天線的電參數
6.1.4 天線陣的方向性
6.2 RFID系統中的通訊調變方式
6.2.1 電子標籤通訊過程中的編碼與調變
6.2.2 射頻辨識系統的通訊調變方式
6.2.3 反射式射頻辨識系統的通訊方式
6.3 電子標籤及標準概述
6.3.1 電子標籤
6.3.2 電子標籤相關標準
參考文獻
第7章 射頻辨識物聯網的網路安全
7.1 物聯網所面臨的安全問題
7.2 端管雲架構下的安全機制
7.2.1 終端感知層的安全
7.2.2 網路安全
7.2.3 雲端安全
7.3 下一代物聯網安全方案
7.3.1 物聯網安全面臨的問題
7.3.2 物聯網安全架構
7.4 物聯網中RFID的安全技術
7.4.1 物聯網中RFID面臨的安全問題
7.4.2 物聯網RFID中潛在的攻擊目標
7.4.3 攻擊方法
7.4.4 電子標籤的數據安全技術
參考文獻
第8章 射頻辨識網路技術的進展
8.1 5G 通訊
8.1.1 5G通訊的應用
8.1.2 5G通訊的關鍵技術
8.2 MQTT協定
8.3 NB-IoT和LoRa長距離通訊
8.3.1 NB-IoT通訊
8.3.2 LoRa長距離通訊
參考文獻
第9章 射頻辨識與智慧製造應用
9.1 智慧製造
9.1.1 智慧製造背景和意義
9.1.2 智慧製造到工業 4.0發展歷程
9.2 智慧製造系統
9.3 智慧工廠
9.3.1 智慧工廠的架構
9.3.2 智慧工廠發展重點環節
9.4 射頻辨識在智慧製造中的應用
9.4.1 射頻辨識在汽車生產領域的應用
9.4.2 無線射頻辨識技術在生產工廠智慧刀具管理中的應用
參考文獻
第10章 射頻辨識在智慧物流和智慧倉儲中的應用
10.1 射頻辨識與智慧物流
10.2 射頻辨識與智慧倉儲
參考文獻

第1章　概述

物聯網（Internet of Things, IoT）應用的浪潮正在席捲整個人類社會，在多個領域產生巨大的影響，並且將會在未來幾年產生一個幾萬億的巨大市場。無線射頻辨識技術是物聯網技術的核心，是能夠滿足萬物互聯要求的一項技術。其本質就是通過近距離無線通訊技術和辨識技術實現的一種用於物品辨識的新技術。智慧製造是正在發生的新工業革命，對生產力有巨大的提升作用。無線射頻辨識技術可為智慧製造領域提供先進的物料、倉儲管理，生產過程中的自動辨識和分類以及產品的品質追溯技術，因而在智慧製造中占有重要的地位。

1.1 無線射頻辨識技術

射頻辨識（Radio Frequency Identification, RFID）利用無線射頻通訊技術自動辨識和追蹤附著在物體上的電子標籤。電子標籤包含儲存的資訊，可分為被動式標籤和主動式標籤。被動式標籤是從讀取器發出的無線電波中收集能量，啟動標籤內部的電路，並反射信號。主動式標籤有一個本機電源（如電池），可以在離射頻辨識讀取器幾百公尺的地方工作。與條碼不同的是標籤不需要在讀卡器的視線範圍內，因此它可以嵌入被追蹤的物件中。射頻辨識提供了一種優良的自動辨識和數據擷取方法。

本書從RFID的工作原理出發，分別從標籤、天線、讀取器以及中介軟體四個構成RFID系統的部件展開描述，追蹤各個部件的功能、作用以及工程實現的基本方法。結合RFID 的相關標準，重點介紹EPC、ISO（Gen2）標準。射頻辨識是當前支持EPC物聯網的最佳方案。

相比較於其他的物聯網辨識系統，電子標籤在辨識速度和價格上占有很大的優勢，因此為物聯網的辨識技術提供了最佳的選擇。但我們也必須認識到，電子標籤在安全性以及對環境的依賴性等方面存在缺陷。目前RFID已經成功應用到倉儲、分挑選、零售和生產等中。

射頻辨識系統是在IC 卡內部電路基礎上發展起來的新型辨識系統，但RFID系統的讀取器和詢答機（射頻標籤）在能量供應以及通訊方式上不同。RFID系統通過無線的磁場或電磁場進行能量供應和通訊，因而是一種非接觸式的辨識系統。

射頻辨識以電子標籤標識物體，利用電磁波實現電子標籤與讀取器之間的通訊（數據交換）。讀取器自動或從上層伺服器中接收指令完成對電子標籤的讀取操作，再把電子標籤內的數據傳送到伺服器，伺服器完成對物品資訊的儲存、管理和控制。由於標籤數量一般是十分巨大的，所以伺服器一般要維護一個大型的資料庫，而對於標籤較少的環境，讀取器內部也可以維護一個較小的本機資料庫。要依據實際系統的需要放置資料庫。

電子標籤由外部天線和內部電路組成，電子標籤的應用場合不同，外部天線與內部電路也不同。根據電子標籤內部是否有電源，可將其分為無源（Passive）標籤、半無源（Semi-passive）標籤和有源（Active）標籤三種類型。由於無源標籤在價格和使用期限等方面有優勢，因此，多數應用場合使用的是無源標籤。

無線射頻辨識技術近年來表現出了迅猛的發展態勢，在多個應用領域造成了不可替代的作用。例如，企業管理中的人員、物料、倉儲管理，產品的追蹤溯源，物流領域內的自動分挑選，農牧業中的自動辨識，銷售行業內的單品辨識和自動結算，以及圖書管理領域的圖書儲存和查找。又如，在工業生產過程中，附著在產品上的RFID標籤可用於在裝配線上追蹤進度；標籤也可以用在商店中，以加快結帳速度，並防止客戶和員工盜竊。無線射頻辨識技術促成了當前蓬勃發展的物聯網行業，RFID標籤正應用於更多的領域中。

無線射頻辨識技術在各個行業內蓬勃發展，使萬物互聯、萬物感知逐漸成為現實，無線射頻辨識技術已經帶動了一個龐大的市場。據悉2020年全球物聯網連接數量已達到200億～500億，RFID 作為物聯網感知外界的重要支援技術，近年來的發展有目共睹。預計到2026年，市場價值預計將上升至186.8億美元。相關市場調研的專業報告顯示，到2025年，中國RFID 應用的市場價值將達到43億美元。

1.1.1 無線射頻辨識技術的發展

儘管RFID技術正經歷著前所未有的發展，但其基本原理，如調變後的後向散射，起源於幾十年前。事實上，現代射頻辨識系統是基於第二次世界大戰的身分辨識系統的，身分辨識系統旨在辨識進入周邊環境的敵友戰機。1930年代後期的系統，也是現代射頻辨識系統的第一個版本，在1939年測試並投入運行，安裝在響應特定頻率的雷達脈衝的飛機上，接收獨特的回波信號，其技術特徵是隨時間的推移回波資訊逐漸疊加，因而信號幅度逐漸增大，從而達到能夠準確辨識對方身分的目的。隨後，人們在最初的協定基礎上發展了更為複雜的系統，形成了像Transponder Mark Ⅲ的更加先進的戰機辨識方式。

第二次世界大戰結束後不久，無線射頻辨識技術的商業應用逐漸增多。1948年，這一課題的第一項里程碑式的工作由哈里．斯托克曼完成。哈里．斯托克曼討論了後向散射通訊的基本理論，並提出了幾種技術實現的模式。

1950年代和60年代，無線射頻辨識技術發展相對緩慢，但有關射頻辨識的想法和專利已發布，如哈里．斯托克曼的「可鎖定被動詢答機」，進一步的理論研究由哈林頓於1964年提出。然而，真正實用化的發明和開發整合是在1960年代後期，無線射頻辨識技術大量地應用於日常生活中。整合電子技術的發展，指數級地降低了電子設備、微波接收器的價格和尺寸，最終滿足了實際應用對尺寸和價格的需要，為未來幾十年RFID 爆炸式發展奠定了技術基礎。1975年，阿爾弗雷德等人給出了後向散射信號調變的實際解決方案，從實用性方面來講，這是第一個可接受讀取範圍的實用被動標籤的實驗方案。在此期間，無線射頻辨識技術仍處於高速發展階段，許多公司，如Raytag、RCA、AlfaLaval和NEDAP，政府實驗室和學術機構都參與了這項工作。最終，在1980年代後期，無線射頻辨識技術應用第一個全球商業案例——自動收費系統成功了。此系統採用低功耗CMOS數位電路和EEPROM （非易失性儲存器），但此時電路的尺寸仍然是一個限制因素，占標籤大小的一半。在1990年代，RFID 技術應用開始遍布世界各地，中國、歐洲各國、日本、澳洲等多個國家已經開始將其應用在收費和鐵路票務方面。此階段最大的技術進展是：微波肖特基二極體可以整合在CMOS技術中，在1990年代末，這一突破使詢答機電路完全包含在單個積體電路（RFIDASIC）中，標示著現代的被動式射頻辨識標籤誕生了。目前天線尺寸是被動式射頻辨識標籤的主要限制因素之一。