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作者:snowmark

日前,某潮人大妈向我展示了她网购的世博会门票,并告知绝无假票,因为是RFID防伪的。恍若一夜之间,RFID这个词就从GEEK口中的专业术语,变成街头巷尾的流行词了。二代身份证、公交卡、不停车收费、物联网、挂在牛尾巴上的电子身份证……更有《生活大爆炸》剧中的宅男谢尔顿,连整理行李都必须在每件物品上打上电子标签。这一切看似玄妙的“高科技”,其实都是RFID的衍生产品。

虽说RFID此物大名远扬,似乎在生活的方方面面都能一展身手。但是RFID具体是个啥玩意?它存储的信息为何我们看不到?它如何工作,又如何防伪?这些问题,似乎也没多少人说的明白。说到这个RFID它的全称叫Radio Frequency Identification,翻译成中文就是射频识别(技术),说的再通俗些我们也叫它电子标签。

这个电子标签,我们可以把它理解成为一种先进的条形码。其优势之处何在?首先,传统的条形码必须正对读码器并且在很近的距离才能够读取数据,而RFID无需正对读卡器,可以穿透遮盖物,并且在数米(无源RFID)乃至数千米(有源)范围内都可以读取数据。其次,传统的条形码仅仅能提供相当有限的固定信息,一旦印刷完成就无法更改;而RFID储存的信息容量远远的大于条形码,并且可以随时改写其中的内容。再次,传统的条形码直接印刷在商品表面,容易被篡改或伪造,而RFID无法伪造并且也可以加密防止篡改信息。另外,传统的条形码必须一个一个的读取,效率很低;而RFID可以同时读取多个标签,并且读取速度相当高。

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图1 RFID的优势

RFID最早由美国国防部和沃尔玛运用并推广。如今,美国的沃尔玛已经全面实现了货盘级的物流RFID化,并要求其供货商必须采用RFID标签。没有实现单品级的RFID化,非不能也,实用不起也。据Sanford C. Bernstein公司的零售业分析师估计,通过采用RFID,沃尔玛每年可以节省83.5亿美元,其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。(猛犸老师的《我只愿为你~我只愿为你~》一文有诉)另一方面是,可以解决大部分偷盗的问题,而现在单是盗窃一项,沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元,如果一家合法企业的营业额能达到这个数字,就可以在美国1000家最大企业的排行榜中名列第694位。而美国国防部在其装备上设置了有源RFID模块,来构筑已经构筑了许多年的军事信息化:设备定位、统筹调度、敌我识别等等。

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图为:沃尔玛的一个标准货盘

RFID的基本理论在40~50年代就已提出,但直到90年代才开始大规模运用。严谨来说,RFID所代表的是一个完整而复杂的体系,而非一种具体芯片。RFID的家族相当的庞大,这个体系中包含了许许多多的技术标准和接口规范,从高频到微波频段都有对应的产品。我们通常使用的,比如世博会门票,只是其中工作在433M(5种频段大类中的一种中的一个具体载频)的无源(3种供能方式的一种)EPC(产品电子代码标准,主要运用在民用的物流方面) CLASS1 GEN 2(EPC标准的一个子标准,GEN2表示第二代的CLASS1)的技术运用。从某种角度上来说,标准的不统一,也是现今制约RFID大规模运用的一个障碍。

那到底这个RFID系统是如何进行工作的呢?让我们来设身处地的体验一下RFID的魅力。假设顾客去超市买了准备买一只带有RFID标签的橙子,橙子的标签里写着诸如“我的编号,我来自哪里,我的生产日期”以及“你还没有买下我”这样的信息。当顾客经过超市出口处的付账系统时,付账通道内的天线不断发出无线电波,与RFID标签内部的微带天线产生电感耦合。微带天线是电子标签内部的一个极小的天线,可以看做一个线圈,根据法拉第电磁感应定律,当无线电波因为改变了穿过线圈的磁场时,线圈中就产生了电流,电流达到一个门限值之后,就可以驱动芯片工作,把存储在标签里的信息发送出来。付账通道内的天线收到信息后,传送给读写器,读写器通过固化在内部的软件(称之为中间件)确认了信息的有效,一方面往读写器天线处发指令:“暂停读取数据”;另一方面对重复的信息进行筛选,然后送往上位的计算机:“帮我识别一下这个橙子”。上位计算机通过网络检索整个超市的数据库,找到这个橙子的信息:“松鼠牌,售价五元,距保值期还有一个月”,并把信息显示给顾客。顾客在计算机上确认购买,当然如果这家超市值得信赖也可以跳过这个步骤。计算机就给读写器下命令:“让他付钱”。读写器再启动天线,读取客户银行卡上RFID芯片的信息,如是这般的连接到银行的网络完成付款。当计算机收到付款成功的信息时会启动读卡器,把“你还没有买下我”这样的信息改成“你是我的新主人”,于是这个橙子就真正属于你了。虽说描述比较长,但实际这个过程在一两秒的时间内就完成了,也就是说可以实现“拿起货物,走出商店”的零等待购物。不必担心自己帮别人付了款,因为电磁感应产生的电流相当微弱,一般超市使用的电子标签有效范围不超过5米,这个距离值可以根据需要通过调整天线的功率进行设定,使信号的范围精确的控制在某个区间。并且读写器的中间件能够通过读写器天线反馈信号的强弱来确定距离最近的物体,因此别和其他顾客挨在一起买单,就不必担心误付款。现在很多高速公路出口都设有无人收费通道,当汽车开过收费通道的时候,自动从汽车所有人的账户内扣款,这就是运用了RFID技术。应该说这项技术已经相当成熟,只是由于成本问题,尚未普及到每个小件商品而已。

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图2:电子标签的软硬件系统
有人要问,10米的有效工作范围是否太过狭小了呢?当然,诸如码头、火车这样的场所,无源RFID因为功率小,明显力不从心,这时我们可以选用有源的RFID。所谓有源即自带电源,因此不需要通过电磁感应产生的微弱电流工作,而是主动的向接收天线发射信号,只要功率够大,就不存在范围太小这个问题。有源的RFID比较多运用于车辆、电力设备、火车、野外设施等等无法靠近或供电困难的环境。并且因为有源的RFID可以主动发射电磁波,因此结合GPS系统还可以作为定位之用。美国的明尼苏达监狱就采用有源RFID管理犯人,先是绘制一幅精确的监狱电子地图,再在每个囚犯手腕上带上一个有源RFID手镯。之后就可以通过计算机观察每个犯人的活动,并可以通过点击代表犯人的红点获取囚犯的具体资料,假设某2个红点重合,那意味着狱警要赶快出动去把打架的两个人拉开了。听起来是不是很像哈利波特里的火点地图?可惜,平摊到每个囚犯身上的设备费用要三万美金,短期内也只有万恶的资本主义国家才用得起了。目前无源RFID占整个RFID市场的80%以上,相对于有源RFID来说,单芯片只卖几美分的无源RFID实在可以算是白菜价了。

RFID又是怎样实现防伪和信息安全的呢?首先,因为技术门槛太高,并且生产线过于昂贵,目前只有TI、Impinj、意法半导体和飞利浦半导体等少数几家供应商可以提供RFID的核心芯片。虽然造成了技术垄断和产品价格高居不下,但是也杜绝了假冒伪劣产品的产生。我国也在自主研发RFID芯片,虽说早已“取得了突破性进展”,距离商品化,怕是还有很长的路要走。另外,每块RFID芯片都有一个唯一的ID号,这个ID是出产商固化在芯片内部的,无法改写。我们可以通过读取芯片的ID号来判别这块芯片是否属于合法范围。从目前来看,还没有哪家造假商有如此雄厚的实力伪造芯片。因此,可以说至少现今未出现假冒的RFID标签。芯片不能造假,那如何保证其中的信息也是真实有效的呢?在RFID芯片的内部,设计了一个客户数据区,可以根据需要在内部写入访问密码,来防止别人篡改RFID的内部资料。当然,世上没有完美的加密算法,但我相信只要密码够长,让破解的家伙十年八年算不出来,那就达到加密的目的了。其次,储存在RFID里的只是长长的二进制代码,而用户资料实际上是储存在上位机及其整个网络内部的数据库里的。如果不知道代码的含义或者不能连接到数据库,那读卡器读取到的只是长长一串含义未知的二进制代码而已。当然,世间没有绝对的安全,不过我想相对于RFID本身来说,危险更大的应该是网络和计算机本身吧。目前意大利的托斯卡纳酒庄和中国的茅台,都不约而同的在瓶子上安装RFID防伪。据说茅台会在盖子上搞一个RFID标签,可以在经销商处辨明真伪和年份,一旦开盖,这个标签就自动失效了。

当然,事无完美,RFID也有其自身的缺陷。受限于电磁波本身,电磁波穿不过金属和液体,金属会反射电磁波造成屏蔽,而液体会吸收电磁波使其难以穿过。无奈的是,大部分集装箱以及机械设备都是金属的,而大部分动物活体的含水量都非常高。所以新闻上看到的给牛使用的RFID标签,都是外挂在牛的耳朵上,而非植入牛的体内。现在,已经有许多公司生产专用于金属的RFID标签,其结构是在标签后面垫上厚厚一个绝缘垫,使芯片表面突出于金属表面,算是过渡期的一种产品吧。

我基本上是一个迷迷糊糊的家伙,东西乱丢找不着。试想一下,假如某天RFID做的又小巧又便宜,就在每个东西上都先打个标签。找不着的时候,往自家电脑上一查,就知道塞到哪儿去了,那该有多好。就怕家里的领导某日指着密密麻麻的表单兴师问罪:“跟你说了多少次!不许买这些没用的东西!”

本文的删节版已发表于《新京报新知周刊》

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49 Responses to “世博会门票有颗“RFID芯””

  1. Armeny说道:

    为啥有源RFID和无源RFID差价那么大?

  2. 叽叽喳喳说道:

    楼上的楼上,我估计跟囚犯这种特殊商品有关,要防撞击、防随意拆卸的RFID应该在设计上是非常有区别的。在淘宝上,哪种小小的、跟1.8寸移动硬盘差不多大的有源RFID看起来不是很贵,也就上百RMB。

  3. snowmark说道:

    楼上说的基本正确。另外要说明一下,有源的RFID是基于2.4G的,频率不同。有源的因为要发射信号,学科交叉到无线通信领域(类似手机),无论是技术还是标准都是不同的。3W美元的那个,很大程度上开销在接收器,因为监狱墙多,要精确定位必须装很多的接收器。另外因为是试验性质,研发成本什么的都比较高,到后续开发成本就会降下来。几美分的普通EPC标签,指的是内部芯片。外部封装以后价格会高很多。目前国内厂商大部分就是靠做封装和提供方案过活的~

  4. Sutra说道:

    我也需要最后一段描述的功能。

  5. firewalk说道:

    看了这个不得不来吐槽下。
    the big bang theory里有一集,sheldon把他所有的衣服都配上RFID标签,然后根据出行地自动列出需携带衣物的清单。
    Geek无处不在。

  6. 95daba说道:

    原来这么多 big bang theory 的粉丝在这里~

  7. 说道:

    大概价格多少

  8. EMpilot说道:

    一直用RFID实现“找东西”功能的想法...

  9. EVA说道:

    the big bang theory的又一粉丝来报道。哈哈哈

  10. JS说道:

    我也在等待 用RFID实现“找东西”功能。。。 每次找钥匙和眼镜都浪费很多生命

  11. biandz说道:

    用RFID找东西的先决条件是放置东西要规律,比如每次都把钥匙放在门口柜子上,然后想不起来了,柜子上的读取天线读到信号,就可以告诉你在哪里。要是你回家了随手把钥匙一扔,那除非你家里所有的地方都有短距离的读取天线,否则你还是找不到。

  12. 路人甲说道:

    http://www.douban.com/note/65466692/ 这里也写到了。没有想到大家都是看The Big Bang Theory 知道RFID的。我没有看过那个电视剧。这本书堪称RFID应用介绍的好书:http://book.douban.com/subject/2303137/ 国内有个盗版中文翻译版存在。

    • 叽叽喳喳说道:

      说明不经常去图书馆啊,书页里贴的就是那感应的RFID了,薄薄的一张。
      不过我不知道沃尔玛、家乐福等超市里为何非要经过那道感应门,难道FRID固化到标签上了?如果没有的话,刷没刷不都一样。或者这道感应门只是起到威慑小偷的作用而已。

      • snowmark说道:

        那个不是RFID,那个是磁条而已,作为防盗使用,也有液体的,直接刷上去……不然借书干嘛还要刷条形码?

    • 胖娃说道:

      您看的是电子版的么?方便给个链接之类的么 有点感兴趣~~

  13. Ryo说道:

    我都超中意The Big Bang Theory啊!

  14. 春歌的猫说道:

    第二代身份证上有RFID,由于可以在几米内读取,所以带着它不用开包就可以知道你是谁,甚至可以写入标记。这可能存在隐私问题。有建议说,将二代身份证装入金属小盒中,以屏蔽在你不知情的情况下对您的身份证进行读取甚至写入操作。

    • snowmark说道:

      对于官方部门来说,你本来就没有隐私,对于其他人来说,因为没有办法链接到公安的数据库,他是看不到你的隐私的。

  15. 失忆的妖说道:

    不过嘛,现在rfid无源的大概几分钱一片。只是有个技术难题还没解决。万一两个rfid靠的特别近,或者从接收器的角度看,两个标签重叠在一起的话,接收器就收不到了。另外就是,我做这个实验的时候发现那个所谓“几米”的读取范围纯属理论,大多数时候要用手举着靠近读取器才读的出来。。。。。

    • snowmark说道:

      收的到,现在的读卡器都是多路的,一次可以读几十个的都很常见。另外,那个几米跟发射天线的功率也有关系,你试试增大天线的增益。

  16. xc说道:

    公交卡也是RFID吧,要是某人把刷卡器藏在包里,每天在地铁口来回走动,岂不是偷窃于无形???

    • 周公说道:

      已经有人这么干了。。
      那人是开私人小巴。。
      把那个读卡器拆下来让老婆去搭地铁。。。
      小巴有人收钱。。。
      传说收入过万。。。

      • snowmark说道:

        汗……这的确是个好想法。虽说可以去申诉,并且可以查看是哪个读卡器刷走了钱,但是一般少了1块钱,也没有人会去查账。若真这样,公交系统的管理很成问题啊。

        • TomLenen说道:

          小巴的公司看到营业额异常应该也会查得吧,最怕就是不作为..

  17. hubert说道:

    "读写器再启动天线,读取客户银行卡上RFID芯片的信息,如是这般的连接到银行的网络完成付款。"这个太恐怖了吧,没有经过卡主许可就自动扣款,这种信用卡俺可不敢用。

    • snowmark说道:

      这是在你相信这个超市的基础上,一般人会在信用卡上设置密码吧……

  18. Jango说道:

    看过外国人故意敲坏护照驾照上的芯片的文章

  19. lalunasun说道:

    非鱼非鱼,恭喜恭喜!!!

  20. heavenblues说道:

    “另外,每块RFID芯片都有一个唯一的ID号,这个ID是出产商固化在芯片内部的,无法改写。我们可以通过读取芯片的ID号来判别这块芯片是否属于合法范围。从目前来看,还没有哪家造假商有如此雄厚的实力伪造芯片。”

    这个说法是有问题的,从我们以前的实际应用来看,至少对HF RFID芯片(如13.56mhz)来说,伪造UID并不是很困难的事情,也就是说,可能出现两个甚至更多UID相同的芯片(而且不论是成本还是技术上都是很容易做到的)。

    • snowmark说道:

      我也认为本来就没有什么彻底不能伪造的东西,现在成本高,不代表永远成本高,只是不可能像原来的火车票一样,搞个小作坊就能批量印刷出来。不过你说HF的已经很容易伪造了?这个我倒是没有听说,私下讨论一下吧。虽然说现在都是UHF的用的比较多~

      • heavenblues说道:

        你去了解一下HF芯片里面什么叫“全0卡”,就知道了。
        此外,UHF大多用在电子车牌、ETC等领域,HF则主要用在公交卡、身份证、银行卡及各种证件领域,相对来说用量要远大于UHF的

  21. 老黄说道:

    高科技只有一个难题了,,,怕人为破坏!

  22. 王叶说道:

    你很专业,我们公司打算开发这个项目,能否请教你?sky923@126.com,QQ,75289727,MSN:aoyunskygod2008@hotmail.com

  23. gudaoxianhe说道:

    学习了,

  24. 松鼠说道:

    万恶的资本主义国家
    这是调侃吗

  25. Sunny Zhao说道:

    我基本上是一个迷迷糊糊的家伙,东西乱丢找不着。试想一下,假如某天RFID做的又小巧又便宜,就在每个东西上都先打个标签。找不着的时候,往自家电脑上一查,就知道塞到哪儿去了
    那这样一来,个人安全问题就更透明了,只要有搞台电脑放在你楼下一查,就什么都。。。。。

  26. ARG说道:

    我一直想问问,无源RFID,没有供能.怎么能发送电磁波呢..还是说 无源的RFID有失效期的?

    • 小灵鬼说道:

      简单来说,无源RFID是因为接收了接收器发出的微波从而产生了微电流,继而接收器接收到来自无源RFID产生的反馈信号,这样就达到了信息读写的目的~我这么说你可明白?

  27. 乡里土匪说道:

    要防止被国家机器滥用……
    数字危机

  28. jiuray.com说道:

    有条码、RFID的需求还是找专业的厂家比较好,如深圳玖锐技术就是华为,美的公司的指定条码、RFID供应商,并为他们打造过不少与条码、RFID有关系的信息系统,如WMS,OA,资产管理系统,MES等

  29. sjxu007说道:

    国内做RFID芯片和系统的公司很多,产品很可靠,市场占有率也很大,早已对作者作提到的国际厂商的也无形成一定冲击。比较著名的有:上海华虹,复旦微电子,华大微电子等等。二代身份证、社保卡、公交卡、世博会门票本身全都是国内供应商提供的芯片。

    因此,原文"我国也在自主研发RFID芯片,虽说早已“取得了突破性进展”,距离商品化,怕是还有很长的路要走。"描述有误,望作者更正。

  30. KK说道:

    伪造不行,还不能破解啊?

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