基于RFID技术实现智能集装箱

射频识别（Radio& nbsp;Frequency& nbsp;Identification,简称RFID）技术是从20& nbsp;世纪80& nbsp;年代走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别目的。而现在的世界海运系统存在明显的缺陷，无法满足世界运输界对集装箱运输的安全性日益增高的要求& nbsp;。基于射频识别技术的集装箱的智能化为这一现状提供了很好的契机，所以基于射频识别技术的智能集装箱成为新的发展趋势。& nbsp;

1.& nbsp;RFID& nbsp;技术及系统& nbsp;

RFID系统是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信,& nbsp;实现识别和交换数据目的的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,& nbsp;识别工作无需人工干预。作为条形码的无线版本,& nbsp;RFID& nbsp;技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。射频识别技术是从20& nbsp;世纪80& nbsp;年代走向成熟的一项自动识别技术,& nbsp;进入90& nbsp;年代以来得到了极为迅速发展。如今R& nbsp;FID& nbsp;的应用已相当广泛:& nbsp;人员出入门禁监控、管制;& nbsp;可回收资产管理;& nbsp;物流运输的货物管理;& nbsp;不停车收费;公交智能卡等等。本文将主要介绍射频识别技术及其在实现智能集装箱里的应用。& nbsp;

典型的射频识别系统包括两部分:& nbsp;它们是射频卡、读写器。射频卡也称应答器或电子标签,& nbsp;它的几个主要模块集成到一块芯片中，完成与读写器的通信,& nbsp;芯片上的内存部分用来储存识别号码或其它数据,& nbsp;如集装箱号、集装箱型号、货物类别等。芯片外围仅需要连接天线(& nbsp;和电池)& nbsp;,& nbsp;可以作为集装箱的识别卡或货物的标识卡。读写器也称收发器或询问器,& nbsp;它由发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电源等组成。它通过天线向RFID& nbsp;卡发送射频调制信号(& nbsp;也称询问信号)& nbsp;,& nbsp;同时通过天线接收从RFID& nbsp;卡返回的载有RFID& nbsp;卡中信息的射频调制信号(& nbsp;也称应答信号)& nbsp;,经处理后传给智能控制设备。& nbsp;

1.1& nbsp;RFID& nbsp;技术的优点& nbsp;
与其它自动识别技术，例如条形码识别技术相比，RFID技术主要有以下几个优点：& nbsp;
1）& nbsp;RFID的阅读器能透过泥浆、污垢、油漆涂料、油污、木材、水泥、塑料、水和蒸汽等非金属材料阅读标签，不必一定与标签直接接触，这使电子标签成为肮脏、潮湿和刺目等恶劣环境下阅读的理想选择；& nbsp;
2）& nbsp;RFID的数据存储容量大，标签上数据可以加密、数据可随时更新，特别适合于储存大量数据或在所需储存的数据经常需要改变的情况下使用；& nbsp;
3）& nbsp;RFID和条形码的主要区别是数据被电子化储存在RFID& nbsp;标签的存储单元内。采用专用芯片的RFID读卡机能根据每件货物唯一的序列标识号来进行识别，& nbsp;并可以进行密钥认证，保障数据安全；& nbsp;
4）& nbsp;RFID实现了“& nbsp;免接触”，不需要直线瞄准扫描操作，读写速度快，读取距离大。因此RFID& nbsp;技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。例如用在工厂的流水线上跟踪部件或产品，长距射频产品可用于自动收费或识别车辆身份、集装箱的信息等交通运输上，识别距离达几十米；& nbsp;
5）& nbsp;RFID的体积小、易封装，& nbsp;外形多样（& nbsp;如卡状、环状、钮扣形、笔形等），& nbsp;可以隐藏或者嵌入在大多数材料或产品内，& nbsp;使被标记的货品更加美观。可应用于不同场合，使用非常方便；& nbsp;
6）RFID的使用寿命可长达10& nbsp;年以上，& nbsp;读写10& nbsp;万次，无机械磨损、无机械故障，可在恶劣环境下使用，& nbsp;工作温度：-25℃～+70℃以内；& nbsp;
7）& nbsp;RFID的编号独一无二，& nbsp;而且可以加入防伪识别码（& nbsp;如编码的最后一位可以设置防伪数位，它需要使用前面编码数字，& nbsp;通过一种加密运算得出），只要通过联网或生产厂的防盗识别设备扫描，立即可以分辨产品的真伪。& nbsp;

RFID具有读写速度快，读取距离远，& nbsp;数据容量大等特点，这一技术应用在物流过程和供应链管理之中，将会带来流通和交易成本的减少和管理水平的提高，对于实现智能集装箱将发挥重大作用。& nbsp;

1.2& nbsp;RFID& nbsp;系统的组成& nbsp;
RFID系统有限量的后台计算机，若干的读写器、阅读器及电子标签组成。其中，电子标签是物品识别的载体，其内部存放着物品的相关信息；读写器和阅读器是系统的中间设备，他们通过射频信号同电子标签进行近距离通行，从而识别标签指代的物品信息，通过接口把信息汇总给后台计算机，读写器和阅读器的区别在于，读写器可以对标签进行读写操作，而阅读器只能读取标签内部存放的信息；后台计算机分析从中间设备传来的信息，负责管理整个标签系统的正常工作。& nbsp;

RFID系统的硬件组成包括电子标签和电子标签读写器两个部份，如图1所示[1]。读写器通过射频信号同电子标签进行通信，系统通过读写器给电子标签发送指令，并通过读写器分析电子标签返回的有关信息；电子标签是应答器，用来响应读写器的指令，并报告处理结果。电子标签由标签天线和标签芯片两部份组成。标签天线是读写器和标签芯片之间进行信号和能量传递的中介。标签芯片则根据读写器的指令，作出相应的操作和响应。& nbsp;

1.3& nbsp;RFID& nbsp;系统的工作流程& nbsp;
读写器(阅读器)上电复位后，首先对各功能模块进行初始化，然后发出询卡/& nbsp;应答的指令。当标签芯片位于读写器(阅读器)的有效工作范围之外，标签芯片处于无电状态，不能进行任何操作。当其进入读写器(阅读器)的有效工作范围，标签芯片上电复位，进入等待状态，在此状态下，标签芯片可以正确接收和响应读写器(阅读器)所发送的询卡/& nbsp;应答指令，并进行相互认证(如图2所示)[2]。& nbsp;

如果在从询卡/应答认证过程中发生错误，读写操作将不能进行。& nbsp;

相互认证通过之后，读写器向电子标签发出读、写、增加、减少、恢复、传输、停止等指令。& nbsp;

电子标签一方面将读写器的指令接受、识别，另一方面对当前的工作状态进行分析，发现满足指令执行的条件，就经过指令译码，执行读写器指定的操作，并返回相应的处理结果，并将工作状态返回至初始状态。& nbsp;

如果电子标签发现指令不满足执行条件，电子标签将向读写器发出错误的信息，并将工作状态返回至初始状态。& nbsp;

读写器要再对该卡进行操作，只有从发送询卡/& nbsp;应答指令开始，直到所有的步骤满足条件并执行为止。读写器与电子标签之间的通信主要包括如下内容：& nbsp;
(1)复位应答：标签的通信协议和通信的波特率是定义好的，通过这两项内容，读写器与标签相互验证，当标签进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通信，从而确定卡片的类型。& nbsp;
(2)防冲突闭合机制：当有多张卡在读写器的操作范围内时，防冲突闭合电路首先从众多卡中选择其中的一张作为下一步处理的对象，而未选中的卡则处于空闲模式以等待下一次被选择，该过程返回一个被选中的卡的序列号。& nbsp;
(3)选择卡片：选择被选中的卡的序列号。& nbsp;
(4)相互确认：读写器与卡片相互认证，然后进行通讯。& nbsp;
(5)指令操作：相互确认后可以进行读，写，加，减，传输，存储，暂停操作。& nbsp;

2.& nbsp;智能集装箱& nbsp;

近年来，集装箱运输不断发展，并发挥自身的优势成为世界货物运输最主要的方式。根据海关的统计，世界上90%的货物由集装箱运输，在美国，差不多一半的进口货物（按价值计算）是使用集装箱船运抵的。每年约有700& nbsp;万TEU& nbsp;的集装箱货物在美国各港口卸货。但是，随着世界海运的发展，对货物运输的实时性、可控性和安全性的要求越来越高，现在集装箱运输系统存在的缺陷，如无法实现实时作业、无法随时获知货物的情况、无法实时确定集装箱在整条供应链中所处的位置等，也越来越多地制约了世界海运的蓬勃发展。& nbsp;

2.1& nbsp;智能集装箱的概念& nbsp;
所谓智能集装箱通常是在设备的外部和内部均使用或者加装多个主动RFID& nbsp;产品（主动式电子标签内部自带电池，工作可靠性高，信号传送距离远。在结合GPS& nbsp;技术后，能在集装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管理人员的机器上去，实现集装箱的实时跟踪），包括一张电子封条，一张传感器封条，这些标签可以贴在运输货物的集装箱上，而这些标签能够随时将集装箱的一些关键信息如位置、安全状况、灯光、温度和湿度的变化传给读取器网络，读取器网络收集、过滤获得RFID& nbsp;的信息，并将有效信息输送到TSS& nbsp;系统（Transportation& nbsp;Security& nbsp;System& nbsp;交通安全信息系统）。发货人通过TSS& nbsp;系统，就可以实现货物的追踪，了解货物的及时方位、状态和安全状况。& nbsp;

2.2& nbsp;智能集装箱系统的作业流程& nbsp;
智能集装箱系统目前还没有真正广泛应用，如想在海运行业内推广，还要进行现有系统集装箱改造，新设备加装，技术网络构建等诸多步骤的努力。现在以在门到门运输模式下，对现有系统加装RFID设备的简单模式为例，说明智能集装箱系统的作业流程（参见图3）。& nbsp;

1、& nbsp;发货人端& nbsp;
在发货人端，出口集装箱装箱完成作业后，须在集装箱上加装RFID电子标签并以手持终端机启动RFID电子标签，再由集装箱运输公司将集装箱运往码头集装箱堆场。& nbsp;
2、& nbsp;集装箱装船港& nbsp;
待集装箱进入港口后，系统透过RFID读取器实时记录集装箱到达的时间与集装箱的安全状态，并适时将信息以GPRS传输方式传送至TSS系统。同时，必须通过网络登录事先预设的账户，并在TSS系统上维护测试集装箱的舱单资料。集装箱进场信息经过码头集装箱场的港口管理系统确认后，集装箱场的集装箱监控作业就开始由RFID监控读取器进行全程监控。当集装箱开始装船作业时，架设在船边的龙门起重机上的RFID读取器记载集装箱装船作业的时间，同时确认该集装箱的安全状态，确保装船的集装箱为安全状态，之后集装箱船即经海运路线驶往目的港。& nbsp;
3、& nbsp;集装箱卸船港& nbsp;
集装箱船进港停靠码头后，经由卸货龙门起重机将集装箱调至集装箱场后，又现场的安全作业人员已手持终端机取得集装箱到港的信息。& nbsp;
4、& nbsp;收货人端& nbsp;
在门到门运输模式下，集装箱被直接运送到收货人所在位置。收货人在收到集装箱之后，直接剪断电子标签的插拴，完成集装箱的安全旅程。& nbsp;

因此智能集装箱必须具备以下三大基本功能：能够在集装箱现场密切监督和自动报告企图非法入侵集装箱内部的任何人的活动，并且正确显示这种入侵活动并未经过任何权威部门的事先批准；能够在法律和现场允许的条件下，向愿意支付有关信息费用的当事人提供其供应链内的动态和具体位置；能直接从集装箱内对外发送有关集装箱的舱单、提单和装箱单等有关数据。& nbsp;

2.3& nbsp;智能集装箱整体设计& nbsp;
智能集装箱是由电子标签和阅读器两个子系统组成。其中电子标签安装在集装箱上。功能是用于存储集装箱标识信息、集装箱装载货物信息、提单信息等；阅读器则用于读写集装箱上的电子标签。& nbsp;

智能集装箱的信息处理流程包括道口信息处理流程（如图4所示），也即是集装箱进场过程，还包括港口信息处理流程（如图5所示）,也即是集装箱出港过程。& nbsp;

3.& nbsp;结束语& nbsp;

我们都知道射频识别技术是一个新兴的技术,& nbsp;它的出现势必带动和加速物流、仓储,& nbsp;交通等行业的信息化进程。随着此技术的进步,& nbsp;存在这样几个发展趋势:& nbsp;在标签方面,& nbsp;有效距离远、无线可读写性能更加完善、适合高速移动载体识别、智能性更强、成本更低等将是新一代标签的特征;& nbsp;在阅读器方面,& nbsp;小型化、便携式、嵌入式、模块化、多种模式兼容的读写设备是主要研究的对象;& nbsp;而系统方面,& nbsp;安全性更高、智能化和远距离的识别系统将会更受关注,& nbsp;并且期待出现一系列行业标准统一整个RFID的应用,& nbsp;增强国际化。相信随着中国市场开放力度的不断加强,& nbsp;国内经济在不同方面都将体现出大的国际竞争力。口岸作为我国进出口贸易的门户,& nbsp;其建设、发展和管理将成为推动我国科技与经济发展的重要因素。加强口岸科技水平、实现口岸信息化是发展经济和加速进出口贸易的必然趋势和必要条件,& nbsp;它体现了当代最先进的管理思想和管理理念,& nbsp;是衡量市场竞争力、现代化程度、综合实力和经济增长能力的重要标志,& nbsp;重视口岸信息化建设,& nbsp;注重应用信息技术已成为全世界的共识。在极具代表性的港口物流中,只有加快研究和应用集装箱智能标签,& nbsp;才能缩小我国与世界先进水平之间的差距,& nbsp;为打造信息化、智能化的我国现代国际港口提供坚实的技术基础,& nbsp;使得我们能够从容面对急速发展的港口物流业的挑战。& nbsp;

参考文献& nbsp;
[1]& nbsp;游战清、李苏剑编著，无线射频识别技术（RFID）理论与应用，电子工业出版社& nbsp;
[2]& nbsp;（德）份肯泽乐(Finkenzeller,K.)著；陈大才编译，射频识别(RFID)技术—无线电感应的应答器和非接触IC卡的原理与应用，电子工业出版社，2001.6