Tony's blog: 世博会门票有颗“RFID芯”

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世博会门票有颗“RFID芯”

via 科学松鼠会 by 科学松鼠会 on 5/4/10

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。

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。

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。

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又是实现防伪和信息安全呢？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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