無線射頻辨識系統

無線辨識系統 (Radio Frequency Identification, RFID)，通常是由 RFID 讀取器(Reader)和 RFID 感應器(Tag, 標籤)所組成的系統，其運作原理是利用讀 取器所發射無線電波，觸動感應範圍內的 RFID 感應器，並藉由電磁感應產生電 流，供應 RFID 感應器上的晶片運作並發出電磁波回應讀取器，利用 IC 及無線電 波來存取與傳遞辨識資料。RFID 具有環境變化的高耐度、可重複讀寫、非接觸 式、自動快速辨識與資料記錄豐富等特性。

RFID 已存在各種日常生活環境的應用中，例如：在高速公路上不用停車繳 回數票所使用的 eTag、出門搭乘捷運時會用到的悠遊卡、各種商店或圖書館內 的防盜晶片、寵物身上所植入的寵物晶片、家裡或商業大樓用來開啟大門門禁所

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用的晶片卡，這些都是 RFID 的實際應用。RFID 的特性特別適合用來作為人或物 品在通路上的管控追蹤及識別，所以 RFID 的應用層面很廣，常見的應用如電子 錢包、倉儲、流程管控、門禁控制管理以及電子票券等方面。

近年來，RFID 技術已有大幅的進步，RFID 甚至被認為是影響未來全球產業 發展之重要技術，全球最大的連鎖通路商 Wal-Mart 要求其前 100 大上游供應商 在貨品的包裝或棧板上裝置 RFID 標籤，以便日後追蹤貨品在供應上的即時資訊，

可降低成本及提高產品資訊的透明度；國產的裕隆汽車將 RFID 技術應用在汽車 保養維修流程控管，車主在休息室可以清楚掌握愛車即時的處理情況及進度，透 明度大大的提高；三總將 RFID 用於病人的識別，避免給藥錯誤，大幅的提高備 藥與給藥的正確性。

RFID 電子標籤與讀取機的成本已大幅滑落，也使得 RFID 系統的應用領域越 來越廣泛。近幾年各大校園卡結合 MiFare 晶片卡，包含學生證、教職員證、校 友證等校園卡都升級成為 RFID 晶片卡，而原有的校園卡為傳統接觸式的磁條卡，

但在使用時與讀卡機接觸多少會有磨損，且校園卡經常用於館舍的門禁控制，不 少人會因為卡片無法辨識而有被擋在門外的不愉快經驗，這個問題經由 RFID 卡 非接觸的特性而不復存在。除了換發卡片之外，並整合學校各館舍的門禁系統，

全校師生可以一卡通行全校，皮包內也可以少帶幾張卡片。除此之外，也將現在 常用的悠遊卡功能結合在校園卡內，使校園卡可以走出校園，搭乘大眾交通工具 和便利商店購物使用。校園卡片結合，讓悠遊卡具有掛失的機制，卡片內的儲值 的金額不會因為卡片遺失而不見，未來還有更多的應用還在規劃中，希望讓校園 卡發揮最大的功能。

RFID 讓生活更方便、更安全，未來去超級市場買一車的商品，只要購物車 一經過感應器購物清單，帳單立即產生，不用像現在排隊等店員一一點清結帳；

還有一回到家裡，周遭溫度、燈光及家電馬上變成你喜歡的設定，不用東找西找 遙控器與開關，使生活更智慧化；當家裡的冰箱食物飲料不夠時，會自動下訂單 宅配到府，不用打開冰箱發現最喜歡的可樂沒有了，這真是個方便的未來，而且 這個未來已經不遠了。

壹、 技術原理

RFID 是一種以 RF 無線電波辨識物件的自動辨識技術，RFID 系統最重要的優 點是非接觸識別，它能穿透與、雪、霧、冰、塗料和灰塵等惡劣的環境讀取並辨

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識標簽，並且讀取速度極快，大多數情況下不到 100 毫秒。其主要工作原理是利 用 RFID 讀取器發送無線電波訊號，當電子標籤進入讀取器的訊號範圍之中，就 能藉由感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元的產品信息或某一頻率的信號，

以進行無線資料辨識及擷取的工作。RFID 組成元件主要包括讀取器、電子標籤、

RFID 應用程式、以及電子標籤內或外加於讀取器的天線。當應用程式欲進行電 子標籤之辨識工作時，電腦上之應用程式可透過有線或無線的方式下達控制命令 給讀取器，讀取器接收到控制命令後，其內部之控制器會透過內建的 RF 收發器 (Transceiver)發送出某一頻率之無線電波能量，當電子標籤內的天線感應到無 線電波能量時，會將此能量轉成電源，並以無線電波傳回相關識別資料給讀取器，

最後再傳回電腦內以進行物件之識別與管理，RFID 的架構如圖 2-1 所示。

圖 2- 1 RFID 架構圖

(資料來源：BentSystem, http://www.bentsystems.com/rfidapplications.shtml#)

讀取器、感應器(標籤)、中介應用程式的說明如下：

(1) 讀取器 (圖 2-2)：根據支持的電子標籤類型與功能不同，其複雜程度也 非常的不同。讀取器基本功能就是提供電子標籤進行數據傳送的途徑，傳遞能量 與訊號來讀取或是寫入電子標籤上的資料。它還提供相當複雜的信號狀態控制、

更正修復功能與耦合錯誤驗證等。讀取器可以利用有線或無線通訊方式，與應用 程式結合使用。一個讀取器包含無線通訊模組、一個控制模組、以及一組耦合元 件，並且透過輸出入介面，如：RS232 或 RS285 等，與應用程式的設備連接，

如：嵌入式系統、一般電腦或伺服器等。

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圖 2- 2 RFID 讀取器

(資料來源：璽瑞股份有限公司，

http://industry.teema.org.tw/comm/member/mempdtcontent_eng.asp?id=404&pid=27286

(2) 感 應器 ( 圖 2-3) ：一般也可以稱為電子標籤 (tag) ，包括被動式 (passive)標籤(無源標籤)、主動式(active)標籤(有源標籤)以及最新的半主動 式標籤，每個標籤都有本身獨特的序列號。被動式標籤是藉由接收讀取器所傳送 的能量並轉換成電子標籤內部電路操作電能，不需外加電池，而現在市場上開發 的基本上也是被動式 RFID 標記，因為這類設備造價較低，且易於配置，可達到 體積小、壽命較長、價格便宜以及資料可攜性等優點；而主動式標籤有內建電池，

可利用電池所提供的電力在標簽周圍形成有效活動區，主動偵測周遭有無讀取器 發射的無線信號，並將自身的訊息資料傳送給讀取器，其缺點是電池壽命有一定 的期限，若是電力耗盡，則必須更換電池，否則會造成訊號減弱的情況發生，運 算時可能會有問題產生；目前最新的半主動式標籤也是有內建的電源，可使用內 部能量監測周圍環境，但也需要讀取器發出無線射頻來喚醒標簽後才會回送信號，

半主動標籤透過將 RF 能量反射回標籤讀取器來傳送識別資訊。半主動和被動的 區別是半自動系統中有電力，標籤能夠發揮其他作用，其讀取距離較長、抗干擾 能力更強。

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圖 2- 3 RFID 感應器

(資料來源：PROCONTROL，

http://oldweb.proci.hu/GyartasFejlesztes/Termekeink/UNICARD/unicard-English.htm

(3) 中介軟體系統：這是一個介於使用者與 RFID 設備之間的軟體應用設計，

一般 RFID 廠商會提供相關 API 或完整的應用程式，以供開發人員或使用者來操 作使用。其主要用以控制讀取器的資料訊息收發、辨識正確性與管理工作，在資 料通訊傳輸的過程中，可以利用加解密的方式或防火牆等技術使資料具有保密的 功效，若再結合資料庫管理系統與網際網路的運用，可提供更安全且即時的監控 系統功能與資料自動化整合應用。設計出便於使用的中介軟體系統讓系統使用者 能夠藉此系統了解整個環境狀況，是一種使用者或開發者與 RFID 設備端溝通的 橋樑。

識別標籤的外形尺寸主要由天線決定，而天線又取決於工作頻率和對作用距 離的要求，在室內定位的應用主要在於超高頻或微波這兩種頻帶。詳細 RFID 的 頻率分類如表 2-1。

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表 2- 1 RFID 的頻率分類

頻帶 規章管理 讀取範圍 數據速度 備註 標籤估價

120~150Khz(低頻) 無規定 10cm 低速 動物識別，工廠

數據的收集 1 美元

13.56Mhz(高頻)

全世界通

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E9%A2%91%E8%AF%86%E5%88%AB

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貳、 定位技術

由於 GPS 在室內定位人有準確度的問題，所以 RFID 為基礎的室內定位技術 漸漸開始受到矚目，著名的 RFID 室內定位技術主要有 LANDMARC 系統，

LANDMARC(Location Identification based on Dynamic Active RFID Calibration)(Ni,et al,2004)主要的做法是藉由額外固定位置的電子標籤，建立參考 點 協 助 運 算 並 幫 助 定 位 ， 可 利 用 RFID 訊 號 強 度 資 訊 SSI(Signal Strength Information)或發射功率(Power Level)的概念，而此系統最早是先使用發射功率的 概念，以 power 1 到 8 (power 1 代表最小的功率) 去判斷電子標籤的距離，利用 各個讀取器所收到多個電子標籤，由於每個電子標籤的序列號不同，所以可以經 由已知位置的參考電子標籤與其訊號強度去辨別，利用參考點進而計算出範圍內 各未知電子標籤的位置。

不過仔細研究 LANDMARC 的系統可發現，此系統的高定位精準度是建立在以 一公尺的間隔就佈署一個主動式的電子標籤作為參考標籤的建置基礎上，就成本 方面而言仍是一大負擔，若將參考標籤的間隔距離拉大，則又會讓精準度大為下 降，況且在許多環境如無塵室等的地面，屬於高架組合式的地板，在無塵室維修 或是設備更動時，地板掀動或是搬移的頻率將十分頻繁，因此亦不適合鋪設如此 大量的電子標籤於其上。

所以由賴武城等學者所提出的 VSLS(Lee,et al,2010)的方法，是一套優於 LANDMARC 的室內定位系統。在以 RFID 為基礎之定位系統中，任一套定位機制都 比須依賴電子標籤索回傳的的強度值進行演算定位，訊號的精準度就是定位機制 的關鍵點，LANDMARC 用 RFID 硬體來座室內定位，參考標籤的訊號強度值就是 該機制的核心點，當訊號強度不在無干擾、無屏障的環境中，LANDMARC 要達到 2 公尺以內的誤差距離就必須付出高硬體密度的代價。

VSLS 主要經過虛擬訊號源採樣、Middleware 程式進行訊號強度純化、資料 庫系統作為資料中心角色，最後將藉由 LANDMARC 系統中的追蹤點與參考點之訊 號強度相量集合，進而推估出追蹤點相對於考點的比重值，使用虛擬點替代指引 點的方式來讓定位精準度維持一定的精準度。由中介軟體的運算處理放置資料庫 中，因此若有一追蹤物進入，系統將可以取出離線資料庫的訊號值進行訊號強度 向量集合、比重運算、座標定位的運算，讓整個虛擬化定位的技術進一步落實降

VSLS 主要經過虛擬訊號源採樣、Middleware 程式進行訊號強度純化、資料 庫系統作為資料中心角色，最後將藉由 LANDMARC 系統中的追蹤點與參考點之訊 號強度相量集合，進而推估出追蹤點相對於考點的比重值，使用虛擬點替代指引 點的方式來讓定位精準度維持一定的精準度。由中介軟體的運算處理放置資料庫 中，因此若有一追蹤物進入，系統將可以取出離線資料庫的訊號值進行訊號強度 向量集合、比重運算、座標定位的運算，讓整個虛擬化定位的技術進一步落實降