在现实生活中，各种各样的活动都会产生不同的数据，这些数据的内容各不相同，其中有人的、物质的、钱财的，还有各种销售、生产和采购信息。这些数据的采集和分析对我们的生产和生活关系重大，如果没有这些必要的数据支援，我们的高质量生产就会严重缺乏现实基础。
在信息技术发展的初级阶段，自动化并不完全，有相当一部分数据的处理都要靠人工录入。面对如此庞大的信息量，工人们的劳动强度瞬间加大，出现了工作效率低、错误率高的弊端，而且人工统计的数据并不一定准确，有时会受到主观因素的影响，导致失误越来越大。为了解决这些难题，人们研究和发展了自动识别技术，将人们从繁重的体力和脑力劳动中解放出来，提高了系统信息的实时性和有效性为生产和决策提供了正确的参考数据。
自动化识别系统种类繁多，有射频识别技术、语音识别技术、光符号识别技术、生物计量识别技术和磁卡识别技术等。其中，最有发展前景的、物联网系统最常用的当属射频识别技术。射频识别技术在工厂实现全面全自动化、奔向工业4.0的过程中发挥着重要的作用。
1.“面面俱到”的射频识别技术
射频识别技术又叫电子标签技术，简称RFID，是物联网的核心技术之一。射频识别技术的官方定义为：“通过磁场或电磁场，利用无限射频方式进行非接触双向通信来实现识别和数据交换功能的自动识别系统。”这个概念趋于完美，但我们也要了解两个重要的概念，一是无线射频，二是非接触双向通信。后者不难理解，意思就是无需接触，就能实现相互信息的传送和分析，区别于接触式通信的IC卡。而无线射频，就是指具有一定波长的可用于通信的无限电磁波。
射频识别技术起源于二战时期的飞机雷达探测技术，仅仅应用于军事领域。2000年以后，该技术逐渐被人们重视，并渗透到了日常生活中的各个领域，无论是在交通运输、市场销售、物流传输、货物识别、材料跟踪、食品安全、商品防伪等商业领域，还是在卫生医疗、养老、教育事业、信息安全、犯罪监督等公共领域，我们都能看到该技术的影子。在分析射频识别技术的原理之前，我们首先要对其应用领域有一个大致的了解。
第一，供应链管理和应用。所谓“供应链”，就是指在生产和销售过程中，将工厂生产的商品或服务提供给消费者所构成的整个网络体系。供应链管理一直被认为是射频识别技术应用最广泛的领域，虽然现在工厂自动化技术已经趋于成熟，但很多琐碎工作仍然需要大量的人工来完成。例如，信息录入、仓库盘点和货物清点，这都是自动化设备无法完成的。就像仓库的商品扫码，只能依靠工人拿着扫码枪一件一件地录入，既浪费了时间，又增加了成本。更为糟糕的是，工人的出错率较高，而且受到情绪和状态的影响，很容易出现不可预知的问题。
但无线射频技术就可以解决上述难题，它为每一个商品植入了信息和数据，不仅仅是商品的属性信息，还有生产和销售信息。沃尔玛公司是该技术的先行者，该公司领导人率先表示不再接受未使用射频识别技术的供货商所提供的商品，并要求所有商品都贴上电子标签，方便盘点、入库和再加工。不过，电子标签的成本不低，还需要强大的后台数据库。所以，该技术在供应链领域面临着不小的挑战。
第二，身份识别和数据识别。电子标签可以嵌入到我们使用的身份证、护照甚至工牌等各类证件中，用于对本人身份的识别。我国的第二代身份证内部就有基于ISO/IEC14443-B标准的非接触式芯片，频率为13.56MHz，不仅记录了本人的身份、指纹等信息，还有体貌特征和个人履历，仿佛一个详细的档案。例如，我们现在持身份证才可以去网吧上网，而充值和余额等信息也在我们的身份证中。再如，在网上凭身份证购买机票后，我们只需用身份证扫描机场的自主识别机，就能自行取出机票。
除了我们的身份证之外，很多科研人员还将识别系统植入了动物的皮肤里，用来跟踪、保护和分析动物。此外，他们甚至能及时发现动物的异常，预防各种传染类疾病。
在交通领域，可以将射频标签装在每一辆车上，在每一个路口设置接收器来捕捉车辆的动向，从而有效解决违章、肇事车辆的围堵、嫌疑车辆的追踪等问题。另外，该技术还可以方便地统计交通流量，通过智能软件自动控制红绿灯，起到了防止交通拥堵、监控道路的作用。公交车的射频标签的作用更大，除了有以上功能外，它还可以将行驶信息传送到站牌的大屏幕中，显示车辆到达的时间和目前所在的位置。
第三，物流管理。传统的物流在运送商品时的风险很高，稍有不慎就会造成产品的丢失和误送，极大影响了运送效率，也增加了运营成本。而射频识别技术可以对整个物流过程进行全面监控和追踪，镶嵌有射频标签的商品，无论在哪里都能被终端读取出来，即便是仓库中的货品，依靠射频技术也能快速定位它的位置，获取其存储情况和商品信息，从而保证生产标准化，提高储藏效率。
在火车上安装射频标签，然后在各大铁路沿线安置读写器，不仅可以得到火车的行驶情况，还能够获知车厢内储存货物的信息。情况一有变化，就可以动态地调整火车的运行，这大大提高了火车的运输效率。其实，射频识别技术对海运的作用更大。目前，各国的海运公司基本都在使用射频识别技术和卫星监控系统，利用它们，不仅可以实时监控海上的货物，控制集装箱的运送流程，还可以进行标签的远距离识别和多商品处理等，大大提高分拣工作的效率，也减少了货物丢失而带来的巨额损失。不仅如此，在进行重要和危险物资跟踪，或者在成千上万的货品中寻找特定商品时，射频识别技术也发挥了非常大的作用。
第四，标签保护和门禁管理。无线射频识别技术的追踪物资功能可以有效保护物资的安全。例如，我们可以在安装了读写器的终端上获知某一商品是否离开了某个建筑物，还可以在建筑物的出口放置读写装置，当物品被非正常搬离时，就会触发警报。亦或是在盛放物品的箱子中安装射频电子关封，只要箱子被打开，读写器就会在第一时间收到信息，并自动报警。在重要场所的出入口，也可以安装这种射频装置用于门禁控制。
此外，很多公司在考勤管理上也应用了该技术。以往的考勤系统一般是类似于IC卡性质的接触性打卡，更先进点的就是指纹打卡和头像识别系统。但这三种方法都有一个弊端，那就是只能一个一个排队打卡，对于员工众多的大企业，这种方法会浪费掉很多时间。而射频技术可以同时识别多个电子标签，实现了多人同时打卡。
第五，防伪。在防伪领域，射频技术加上安全认证和加密功能，可以增大伪造的难度和成本，并且识别快速。目前，欧美等发达国家正在尝试将射频标签镶嵌进钞票中，当一大叠钞票进入读写器时，系统可以瞬间识别出假钞，清点出总额，还能记录下钞票的号码，甚至追踪钞票的流向。
第六，生产车间自动化和生产控制。工业3.0时代，我们的工厂已经实现了高度自动化，向着智能化又迈进了一步，但离工业4.0还有很远的一段距离。而德国宝马公司的汽车装配车间在应用了射频识别技术之后，总算迈入了工业4.0的初级阶段——个性化控制。在宝马流水线上，每一个需要组装的部件都嵌有射频标签，每个标签上都带有客户详细的个性化定制要求，比如颜色、图案等。每一个流水线自动化设备也镶嵌有读写器，可以保证每件商品的生产都准确无误，真正实现了按需生产。
第七，航空航天。为了保证乘客行李的安全，可安装和使用射频识别扫描器，这样做既能防止失误也能预防乘客转机时夹带非法的物品，更不用在顾客行李箱上贴条码，达到了简化流程的目的。
2.物理学角度解读RFID
射频识别技术涉及的学科很多，不过，因为是依靠磁场和辐射场进行传输，所以该技术主要是基于物理学原理而出现的。谈到射频识别用到的核心技术，就不能不提到天线场、能量耦合和数据传输。
第一，天线场。众所周知，应用射频识别技术的物件是通过射频标签（电子标签）和读写器相连的，而它们之间的连接介质就是天线。也就是说，天线构建了两者的空间信息传输通道。只不过，这个天线是一个“场”，并不是传统意义上肉眼可见的天线。射频信号通过标签加载到天线上之后，就会在紧邻天线的周围形成一个辐射场和一个非辐射场。随着信号离开天线的距离增大，辐射逐渐减小，在这个区域，电抗的力量占据优势，我们把这个小范围叫做电抗近场区。经过大约一个波长的距离，就到了辐射场区，辐射场区按照离开天线距离的远近又分为辐射近场区和辐射远场区。所以，根据射频信号距离天线远近的不同，信号所经过的场所呈现出来的属性也不一样，按距离划分，天线场主要有三个。
（1）电抗近场区。它紧邻天线口径，距离天线口径表面处λ/2π（λ为天线波长）。从物理学的角度来说，电抗近场区是一个储存能量的区域，里面磁场和电场的转换类似于变压器的内部转换原理，另外，该区域周围的金属物体也能以电容和电感耦合的方式影响该区域。该区域中的磁场和电场由于只是完成了转换，并没有做功，所以又叫无功近场区。下面是无功近场区口径表面的直观图。
图9-2-1 无功近场区口径表面直观图
（2）辐射近场区。信号通过电抗近场区之后就到了辐射场区，该区域的电磁场几乎脱离了天线的影响，并成为电磁波进入了另一空间，相对于辐射远场区而言，辐射近场区离天线较近，辐射的强度大。
（3）辐射远场区。又称为“夫郎荷费区”，在该区域内，辐射场的角分布已经与信号离天线的距离没有关系了。根据官方的定义，辐射近场区和远场区的分界距离R的计算公式为：R\u003d2D^2/λ，其中，D为天线直径。
对于天线而言，当天线的最大尺寸小于波长的时候，天线周围只存在无功近场区和辐射远场区没有辐射近场区。对于信息传输而言，辐射远场区的意义要远大于辐射近场区。
第二，能量耦合。
讨论这个物理学原理之前，我们先要知道“耦合”的含义。对此，官方定义为：“两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。概括地说，耦合就是指两个或两个以上的实体相互依赖于对方的一个量度。”
显而易见，在射频识别系统中，射频标签和读写器之间就是一个耦合，它们相互依赖，而且要通过一定的距离传输能量。按照射频识别系统传输距离的远近，射频标签的天线和读写器天线之间的耦合可以分为密耦合系统、遥耦合系统、远距离耦合系统三类。
（1）密耦合系统。该系统的作用距离最小，正常的作用距离只有0～1cm，这种系统在实际应用过程中，一般需要将带有射频标签的物体放入或插入读写器中，亦或是将射频标签放置到读写器天线表面的覆盖范围内。密耦合系统是利用射频标签和读写器之间的电抗近场区之中的电磁转化构成的无接触空间数据传输通道进行数据交换的，其工作频率一般在30MHz以下。
密耦合系统的特点是在传输过程中不必发射任何电磁波，承载数据的容器和读写器之间的耦合就能够产生一定的能量，而且电磁泄漏和丢失很少，甚至可以供消耗电流的微处理器进行工作。所以，密耦合系统的安全型较高，但适用于超近距离的作业，如电子门锁系统和非接触IC卡系统。
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