美军射频识别应用技术浅析

美军在射频识别技术（RFID）应用方面一直处于世界领先地位，特点是敢于投入重金，在实际战争的保障过程中大胆使用新技术，并在使用中改进，注重实效。2004年8月9日美国国防部公布了实施射频识别技术的最终政策。这一方面说明美军对射频识别技术的高度重视及加速推进的态度，同时也表明经过伊拉克战争考验的射频识别技术已经逐步成为成熟技术。分析美军在军事物流中所使用系统的情况，探索射频识别技术的特点，对发展物流及供应链射频识别应用和技术选型具有重要意义。

美军现使用的RFID系统

美军目前使用的主要射频识别系统主要集中在后勤保障供应链及医疗两方面。  

特定物品寻找系统 

    由射频标签和手持式识读装置组成，其中射频标签附在集装箱或托盘上，用于存储和发送集装箱内的物资信息。射频标签为主动式带电源，存储容量128KB。箱内所装物资品名、数量、状况、终点、用户等货单信息均存在标签中。射频标签设计坚实，耐恶劣气候，耐冲击，能在野战条件下多次使用。手持式识读装置能够“激活”射频标签，在90米距离范围阅读标签上的信息内容，并以声音辅助寻的。主要用于野战集装箱货场的目标寻找。 

    该系统为SAVI公司研制，采用主动式技术，标签配有电池，因此体积较大。可在移动中进行身份识别，因标签存储容量大，数据获取时间较长，适宜于静态目标使用。SAVI公司的主动式产品采用ISO18000-7标准（433.92MHz）。 

运输途中物资可见性系统 

    在集装箱或整装卸车上安装射频标签，在运输起点、终点和各中途转运站上配置固定或手持式识读装置和计算机系统，结合实时追踪网络系统，对在运物资进行监控。该系统通过遍布38个国家的420个监控点，对于包括军事及商业用途的270,000个集装箱和重要货物进行实时追踪。系统集成了许多不同技术，包括主动式射频技术、全球定位、识读装置及手持设备等。采用开放式网络结构，符合国际技术标准规范。现有的基础设施可以实现全球集装箱跟踪管理。 

    2003年伊拉克战争中，美军就是通过该系统准确地追踪了国防部发往海湾的4万个集装箱，实现对“装备流”和“物资流”全程跟踪，并指挥和控制其接收、分发和调换，使物资的供应和管理具有较高的透明度，大大提高了保障的有效性。 

    美8军（EUSA）后勤运输部门用该系统提供跟踪第5类物资（弹药）和第9类物资（修理零部件）从港口到前线的途中可见性。 

    该系统为SAVI公司研制，规模大，分布范围广，采用多种技术整合，整体效益突出。核心技术为主动式射频标签（433.92MHz），识读设备为独特的双频应答式，使识读距离大大增加。 

单兵电子病历卡 

    在2003年伊拉克战争期间，美国军方大量使用了射频身份识别技术，被缝入到袖口中的射频标签用于跟踪受伤的士兵和平民的身份、状况和位置。射频标签中的数据通过手持设备进行读取，识别病人，也允许医生在标签上添加、修改或创建新的治疗记录。 

    美国德州的ScenPro公司开发了在伊拉克的海军第三舰队医院使用的这套TacMedCS系统，德州仪器公司（TI）提供了射频标签。TI的Tag-it采用工作频率为13.56MHz的无源标签。射频识读设备与袖口之间的识读距离可达1.8米。标签能够存储2Kb（256字节）信息，用于存储惟一的身份号码、受伤记录和治疗数据。 

    该系统所采用的Tag-it标签为ISO15693被动式技术，标签可读写。应用要求配合使用手持式识读设备，造价较高。 

服装发放装置 

    以往美军都是利用条形码技术使服装发放速度加快。即：服装公司将带有电子条形码的标签系在作战服上，发往征兵中心。在新兵试穿时，管理者用扫描器扫描标签，将适合新兵穿用的作战服大小、颜色、式样等信息输入计算机，计算机将信息传到国防兵员保障中心，再由中心传到服装公司，用于制定生产计划。而现在使用射频识别技术，过去需要多步完成的程序可以一次完成，既节省了人力又提高了效率。 

    根据功能和应用成本推测为被动式13.56MHz无源标签技术，实现作战服生产所需数据的快速采集。并利用“一物一码”原理，做到每个兵员服装数据准确跟踪。  

美军射频识别应用的技术特点 

    美军使用的射频识别系统十分注重实用性，即可在野战条件下使用。从后勤保障供应链的角度看，野战条件相对平时固定营房及作业场所而言，室外、野外操作较多，要求设备对温度、湿度、阳光、降水等自然环境条件有较强的适应性。由于野站环境各种装备车辆集中，设备数量多，电缆布线不规则，可能会产生多种电磁干扰。野战条件对射频识别技术的要求是识别距离远，抗干扰能力强、可靠性高，使用操作简便，可安装在露天环境、拆装方便，尽可能少的维护。 

    下面从射频标签的分类、存储容量、工作频率及安全性等方面对美军已经使用的射频识别系统进行分析。 

主动式与被动式 

    主动式标签的工作电源完全由内部电池供给，同时电池能量也部分转换为标签与识读设备通信所需的射频能量。主动式标签通常用于识别距离较远（10～200米）的场合，典型工作频率为：433.92MHz，860～930MHz，2.45GHz及5.8GHz。 

    从美军使用情况看，主动式标签的识别距离较远，可靠性相对较高，成本也较高。主要用于大型集装箱、车辆的身份识别。美国国防部最近明确指出，“对货运集装箱，包括6～9米海运集装箱及大型空运货盘，所有美国本土以外的集装箱必须带有由发货地写入集装箱中货物内容的主动式（带电池的）标签。”在集装箱上使用主动式标签可以充分发挥远距离识别的特点，减少开箱清点工作量。 

    主动式标签的不足是电池寿命有限，只能维持2～5年。实践表明，由于制造和使用上的差异，主动式标签电池的使用时间有较大离散性，给标签的维护带来麻烦，标签数量越大，维护问题越复杂。同时由于主动式标签带有电池，因此通常体积较大，限制了应用领域。 

    国内民用应用已经出现过主动式标签因使用寿命不一致及高低温工作不正常而无法使用的情况。 

    被动式标签没有内装电池，标签从识读设备发出的射频能量中获取其工作所需的电能。半被动式标签有内装电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持。 

    被动式（半被动式）标签的特点是识读距离近（一般在10米以内），成本较低，标签存储容量小，识读设备的天线方向性不强。典型工作频率为13.56MHz、433.92MHz，860～930MHz。在13.56MHz作用距离在0.5～1.5米左右。在433.92MHz，860～930MHz，作用距离可达到3～10米。 

    被动式（半被动式）标签主要用于人员、车辆身份识别，托盘及小型包装箱的标识。 

    主动式标签识别距离远、可靠性高的特点使其比较适合野战条件下使用，但成本高、不易维护是大规模推广的障碍。被动式标签识别距离短，但体积小、成本低、免维护的特点使其更适合使用在小包装识别上。 

标签数据存贮容量 

    射频识别标签的存储容量一般在2Kbits以内，更多的存储容量并没有太大的意义。从技术及应用角度来说，射频标签小型设计、近距离识别特性及调制方式本身就不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。而且射频识别系统的瓶颈恰恰是在识读设备与标签之间的通讯传输。因此典型的标签数据容量为：128bits、64bits、1Kbits和2Kbits。  

    美军要求在本土以外的集装箱上安装主动式标签，并写入货单内容，是基于某些地域不便通过网络交换数据的安全因素考虑。实际上大量数据经标签进行传输不仅效率低、时间长，而且易出现错误。这种做法是将射频标签当作通讯设备。合适的用法应是只在标签上放少量的必要信息。 

    美军除集装箱以外的所有射频识别应用都是只在标签上存放物品的军队惟一识别码，相关信息是通过网络得到的。 

工作频率 

    目前使用较多的几种射频标签工作频率为13.56MHz（ISO/IEC 14443、ISO/IEC 10536和ISO/IEC 18000-3）、433.92MHz（ISO/IEC 18000-7）、915MHz（ISO/IEC 18000-6）和2.45GHz（ISO/IEC 18000-4），除13.56MHz外，都是工作在超高频以上，也就是通常所说的UHF和微波频段。这两个频段的电磁波易被水及金属物体所吸收，造成较大的损耗，因此不宜将标签直接附着在这些物体表面。 

    从美军实际应用和发展情况看，13.56MHz主要用于无源近距离产品，距离在1米以内，典型应用为电子病历、电子身份证、货物托盘或小型包装识别。433.92MHz目前主要是美军在主动式标签上使用，此频点全世界除日本以外均可使用，符合美军全球战略要求。距离在3～100米，典型应用为物流过程的集装箱标签、大型托盘标签及安全封签。915MHz主要在北美使用，多为被动式标签，距离在3～8米，是较为成功的产品。典型应用为车辆识别、人员身份识别、仓储物流外包装。 

    从实际应用效果看，因为不同的频率有不同的特性，单一频率不可能适应全部应用。低频标签能耗低、穿透性强、无方向性，UHF频段数据传输快，距离远。美军在军事物流中针对不同应用采用13.56MHz、433.92MHz及915MHz多种标签，形成射频标签体系。13.56MHz用于单品或小包装，成本较低，915MHz用于托盘和包装箱，433.92MHz主要用于集装箱及大型车辆识别。 

标签安全性 

    标签数据的安全性是使用者极为关注的，可以从数据本身到通信方式和空中接口多方面采用加密手段，第二代RFID标准开发中最主要的部分是设计了第二代空中接口协议，该协议用于管理从标签到读卡器的数据的移动，为芯片中存储的数据提供了有效的保护措施。使用方式也可以很好地解决安全问题，美军就是通过只在标签中存放物品序列号实现的。 

    美国国防部的RFID最终政策中并没有对数据加密的要求。国防部副部长助理Estevez列举了两条理由说明安全方面的合理性 ：第一，标签中的数据如序列号等在它没有与数据库进行关联之前，没有值得利用的信息；第二，潜在的“敌人”不可能在3米之内近距离接近标签以读取标签上的信息。 

射频识别技术的发展趋势  

主动式标签技术已成熟，被动式标签是发展方向 

    主动式标签的典型产品是SAVI公司研制的在集装箱上使用的双频主动式标签，标签以两种不同的频率接收识读器及信标读写器的信号。识读器在100米半径范围感应是否有标签存在；而信标读写器识别读取标签中信息。为延长标签的使用时间，标签中的电源可由信标读写器在标签经过时启动，传送结束后标签进入省电模式。在伊拉克战争实践中已经被证实是成熟可靠的，现正在向民用推广。 

    但主动式标签体积大、造价高、电池需要维护，不适合在小型包装及单品上使用的缺点也促使被动式标签迅速发展。美军已经明确要大力发展造价低廉、最小识别距离3米的UHF频段860~930MHz被动式标签，并确定了在各种后勤装备物资上实施的时间表。即从2005年1月1日起，将被动式标签粘贴到所有独立包装、货盘内包装及所有军队集装货盘、服装、设备和工具、个人物品、武器系统维修部件和元件。从2006年1月1日起，对包装油品、润滑油、燃油、防腐剂和化学品、建筑和障碍材料、所有各种类型的军火、药品和医疗用品能够表示出有效期和保存指标。从2007年1月1日起，全部物品和全部日用品货盘都要带有射频标签。 

双频、多频标签和识读装置出现 

    实际工作中对标签的要求是在较大的噪音环境中也能稳定地工作，即具有较强的抗干扰能力。采用多种频率是解决这个问题的方法之一。 

    最近已经出现能够接收、发送两种频率的射频识别标签。使用工作于低频13.56MHz和超高频860～930MHz的标签可以较好地提高识读距离，并解决电磁波经过液体和金属被吸收的问题。 

提高多目标识别率 

    从理论上说，射频识别可以实现多目标同时识别，但在美军实际使用中，同时识读多个标签的应用并不多。因为虽然识读器采用了“防冲突算法”，但在目前技术条件下，对整包或整箱物品进行扫描需要大约30秒到1分钟的时间。这个时间显然离实用还有距离。即使是这样，精度仍达不到100%。就是说，当用识读器扫描多个物品时，可能会有几个被漏掉。附近打开大功率或带电感电器设备时，可能会因它发出的电波影响而出现错误。目前一个识读器的识别率只能做到85%，两个识读器的识读率可达到98%。如要进一步提高识别率，可能需要增加标签中天线尺寸，但这样标签尺寸就会相应增加，成本也会更高。 

射频识别应用技术选择 

大型集装箱应采用主动式标签 

    目前对于集装箱和车辆识别使用的技术有两种意见。一种倾向于主动式标签，另一种认为被动式标签更合适。笔者认为，在下一步发展射频识别应用时既要充分考虑今后技术的发展趋势但更应关注技术的成熟可靠。被动式标签成本低，是发展趋势，但对于集装箱应用未经实际大规模检验。主动式标签技术识别距离远，可靠性高，经过实战考验，比较成熟。从美军实践情况看，在集装箱上使用的主动式标签技术已经基本成熟，车辆识别仍有一些是采用被动式标签技术。因此对于集装箱当前采用主动式标签比较合适。工作频率根据我国频率分配实际情况，以860～930MHz和2.45GHz为宜。这两个频段都是ISO-18000标准确定的频率，相应配套资料比较全，便于产品测试验收。 

    在具体使用上，为克服前述标签通信瓶颈，标签上最好不存放大量数据，以存放惟一识别码较为合适。对于必须在标签中存放货单的情况，可采用变通的方法，如将大量数据通过内部网络、闪存或其他途径传送。 

逐步形成自动识别和数据采集体系 

    从美军的情况看，已经形成了集装箱（空运托盘）、车辆、独立包装（货盘内包装及集装货盘）、单品（服装，独立设备和工具，武器系统维修部件和元件）射频识别体系，即对不同的应用和包装使用不同的识别技术。这样可以充分发挥各种技术的优点，取得较好的效果和较低的开销。 

    为适应供应链的复杂情况，应对实际的供应链保障过程和采用的主要运输工具进行充分调研，建立多级（车辆、集装箱、货箱和托盘、单品及门禁等）射频识别体系结构和包括条码技术在内的自动识别数据采集体系。并在充分论证基础上，确定不同类型应用的技术选型。技术选型关系到应用系统的成熟、可靠、兼容和继承性，合理的技术选型可以避免自成体系，节省资金和时间。技术选型还包括建立射频识别软件基础架构，在较高起点上进行软件开发，少走弯路，减少浪费。 

供应链应以860～930MHz被动式标签为主 

    860～930MHz标签即ISO 18000-6标签。它是综合了现有射频识别厂商产品，参考EAN·UCC所提出的EPC Global TAG架构及权威人士意见而形成的产品。可在世界上任何地方使用，对全球主要公司所生产的产品均有兼容性。为推动射频标签的使用，美国防部已经明确加速被动式射频应用的推广。美国防部计划使用的是UHF频段860～960MHz，最小读取范围3米的被动式标签。美军这样做的原因是因为在后勤供应链中使用量最大的射频标签是这种被动式标签。在实践中，这种标签兼具成本低、识读距离远和识别率高的优点。这种标签也是沃尔玛选定的主流标签，由于使用的用户较多，标签和识读器价格很快会进一步降低。2004年6月我国无线电委员会已经初步考虑分配UHF频段中915MHz给射频识别使用。目前国内至少有两家公司具有这种标签识读设备的自主生产能力。 

    针对我国供应链情况，要提高效率，主要是节省各种包装和物品数据采集时间，相对货运托盘、小包装和各类单品，也应是被动式标签在数量上占大多数，在先期开发的应用中推广这种技术会带来很好的效益。另外，从技术的发展和应用实践来看，直接采用UHF频段860～930MHz标签是对落后技术的跨越。 

EPC应用要看需求 

    2004年6月15日EPC global发布了EPC标准版本1，但在实际供应链中真正使用EPC的成功案例很少。笔者认为，推行EPC应有两个基本前提，首先是供应链本身有需求，已形成从供货商到配送中心再到用户的完整物流过程，是一个开放式系统 ；其次是已具有规模，包括使用射频标签物品的种类和数量都达到较大的量。美军推行射频识别技术已经到了大规模推广阶段，要求供货商就开始使用射频标签。美军目前的做法是既使用EPC数据结构也使用国防部标签数据结构进行编码。选择使用国防部数据结构的供货商将用商业和政府属性码替换EPC中制造商ID数码，EPC数据结构中要包括全球交易项目号和货运集装箱码。 

    EPC对物品进行惟一性识别是一个很好的想法，但EPC与射频识别是不同的概念，推广射频识别技术的初始阶段可以将它们分开考虑，分开实施，这样可能会发展更快些。笔者认为我国仍处于供应链形成阶段，无论从种类和规模都远远不及美军，目前应该先推广一些非EPC的应用，将应用模型简化。这样既可以加快发展，也可以为今后EPC的应用打基础。 

    现在美国国防部后勤局仓库中96%以上的货物都贴上了射频标签。到2004年6月，后勤局已经成功处理了价值12亿美元的831,222项订单，使用了RFID技术的供应链系统以前所未有的效率支持着美军在费卢杰的战斗，正在用历史上最少的人力处理历史上最复杂的事务。我们应该在RFID技术应用方面应充分汲取美军的经验和教训，加速RFID技术在物流供应链领域的推进。