第一篇：在射頻識別系統(tǒng)中的天線問題

在射頻識別系統(tǒng)中的天線問題

關(guān)鍵詞: 天線 類型 阻抗 距離 輻射模式

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天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。天線必須：

足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上； 有全向或半球覆蓋的方向性； 提供最大可能的信號給標(biāo)簽的芯片；

無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配； 具有魯棒性； 非常便宜。

在選擇天線的時候的主要考慮是： 天線的類型； 天線的阻抗：

在應(yīng)用到物品上的RF的性能；

在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時的RF性能。

可能的選擇

這里有兩種使用方式：一）貼標(biāo)簽的物品被放在倉庫中，有一個便攜裝置，可能是手持式，詢問所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；二）在倉庫的門口安裝讀卡設(shè)配，詢問并記錄進(jìn)出物品。還有一個主要的選擇是有源標(biāo)簽還是無源標(biāo)簽[1],[2]。

可選的天線

在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 頻率是用的RFID系統(tǒng)中，可選的天線有幾種，見下表，它們重點考慮了天線的尺寸。這樣的小天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向的天線具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天線的增益可以達(dá)到6 dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個種類的天線是線極化的，但是微帶面天線可以使圓極化的，對數(shù)螺旋天線僅僅是圓極化的。由于RFID標(biāo)簽的方向性是不可控的，所以讀卡機(jī)必須是圓極化的。一個圓極化的標(biāo)簽天線可以產(chǎn)生3 dB 以強(qiáng)的信號。

阻抗問題

為了最大功率傳輸，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來，設(shè)計天線與50 或 70 歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計天線具有其他的特性阻抗。例如，一個縫隙天線可以設(shè)計具有幾百歐姆的阻抗。一個折疊偶極子的阻抗可以是一做個標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點能夠提供一個很寬范圍的阻抗(通常是 40 到 100歐姆)。選擇天線的類型，以至于它的阻抗能夠和標(biāo)簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一個問題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對于全向天線，例如雙偶極子天線，這個影響是顯著的。改變雙偶極子天線和一聽番茄醬的間距做了一些實際測量，顯示了一些變化，見圖4和圖5。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數(shù)，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回?fù)p耗頻率16%。當(dāng)物體與天線的距離小于62.5 mm的時候，返回?fù)p耗將導(dǎo)致一個3.0 dB的插入損耗，而天線的自由空間插入損耗才0.2 dB?？梢栽O(shè)計天線使它與接近物體的情況相匹配，但是天線的行為對于不同的物體和不同的物體距離而不同。對于全向天線是不可行的，所以設(shè)計方向性強(qiáng)的天線，它們不受這個問題的影響。

輻射模式

在一個無反射的環(huán)境中測試了天線的模式，包括了各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向天線的時候性能嚴(yán)重下降。圓柱金屬聽引起的性能下降是最嚴(yán)重的，在它與天線距離50mm的時候，反回的信號下降大于20 dB(見圖6)。天線與物體的中心距離分開到100—150mm的時候，反回信號下降約10 到12 dB。在與天線距離100mm的時候，測量了幾瓶水（塑料和玻璃），見圖7，反回信號降低大于10 dB。在蠟紙盒的液體，甚至蘋果上做試驗得到了類似的結(jié)果。

局部結(jié)構(gòu)的影響

在使用手持的儀器的時候，大量的其他臨近物體的使讀卡機(jī)天線和標(biāo)簽天線的輻射模式嚴(yán)重失真。這可以對于2.45 GHz的工作頻率計算，假設(shè)一個代表性的幾何形狀，見圖8,9,10，和自由空間相比，顯示返回信號降低了10dB，在雙天線同時使用的時候，比預(yù)料的模式下降的更多。圖11和圖12是在一個天線前的一個橫截平面的接收信號等高線圖，顯示了嚴(yán)重的失真。在倉庫的使用環(huán)境下，一個物品盒子具有一個標(biāo)簽會有問題，幾個標(biāo)簽貼在一個盒子上以確保所有時候都有一個標(biāo)簽是可以看見的。便攜系統(tǒng)的使用有幾個天線的問題。每個盒子兩個天線足夠適合門禁裝置探測，這樣局部結(jié)構(gòu)的影響變得不再重要，因為門禁裝置的讀卡機(jī)天線被固定在倉庫的出入，并且直接指向貼標(biāo)簽的物體。

距離

RFID 天線的增益和是否使用有源的標(biāo)簽芯片將影響系統(tǒng)的使用距離。樂觀的考慮，在電磁場的輻射強(qiáng)度符合UK的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，2.45 GHz 的無源情況下，全波整流，驅(qū)動電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID天線阻抗環(huán)境(阻抗 200 或 300 歐姆)，使用距離大約是1米[3]。如果使用WHO限制[4]則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機(jī)到標(biāo)簽的電磁場功率。作用距離隨著頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達(dá)到5到10米。

總結(jié)

全向天線應(yīng)該避免在標(biāo)簽中使用，然而是可以使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的干擾。天線類型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個倉庫中使用天線好像是不可行的，除非使用有源標(biāo)簽，但是在任何情況下，倉庫內(nèi)的天線輻射模式將嚴(yán)重失真。一個門禁系統(tǒng)的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無源標(biāo)簽。當(dāng)然門禁系統(tǒng)比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉庫搜尋物品，人員費用同樣昂貴。在門禁系統(tǒng)中，每一個物品盒子，僅需要2個而不是4個或6個RFID標(biāo)簽。

第二篇：RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計

RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計

近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification)卡就是一種典型的非接觸式IC卡，然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的.自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當(dāng)時微電子技術(shù)市場增長最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC 卡就有7 億多張.但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點,即接觸點對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍.近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification)卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)與IC 卡之間數(shù)據(jù)交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識別卡.然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的.這里我們將首先通過介紹RFID 應(yīng)用系 統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計是RFID 不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設(shè)計原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設(shè)計了一種全向的RFID 天線.RFID 技術(shù)原理

通常情況下, RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示.其中,讀寫器一般作為計算機(jī)終端,用來實現(xiàn)對RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器,主要是由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 ,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上.圖1 射頻識別系統(tǒng)原理圖 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后,由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回給讀寫器.可見,RFID 卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線.一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.目前RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,且有國際標(biāo)準(zhǔn):ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種.這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外,還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范.RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的RFID 天線及其性能.RFID 天線類型

RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線.其中,小于1 m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻段.而1 m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段.這幾種類型天線的工作原理是不相同的.2.1 線圈天線

當(dāng)RFID 的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈.由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為: ,(式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容).RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm),天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz.目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應(yīng)用系統(tǒng).圖2 應(yīng)答器等效電路圖

某些應(yīng)用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動物識別的RFID.線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用.通常在RFID 的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.2.2 微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的 ,如圖3 所示.根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計貼片導(dǎo)體為各種形狀.通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長,假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半波長(λg/ 2)的導(dǎo)體長度方向變化.則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中.為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻(xiàn)[5,6]設(shè)計了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻(xiàn)[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.圖3 微帶天線

2.3 偶極子天線

在遠(yuǎn)距離耦合的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線).偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成,信號從中間的兩個端點饋入,在偶極子的兩臂上

將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場.利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程:

式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù), r 是振子中點到觀察點的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個振子臂的長度.同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù).圖4 偶極子天線

(a)偶極子天線;(b)折合振子天線;(c)變形偶極子天線

當(dāng)單個振子臂的長度l =λ/ 4 時(半波振子),輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個純電阻.在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下,簡單的偶極子天線設(shè)計可以取振子的長度l 為λ/ 4 的整數(shù)倍,如工作頻率為2.45 GHz 的半波偶極子天線,其長度約為6 cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時,可采用圖4b的折合振子.RFID 射頻天線的設(shè)計

從RFID 技術(shù)原理和RFID 天線類型介紹上看,RFID 具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID 天線的特點和性能.目前線圈型天線的實現(xiàn)技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識別、貨物標(biāo)簽等RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應(yīng)用場合,采用線圈型天線則難以設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo).同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實現(xiàn)工藝較復(fù)雜,成本較高,一時還無法被低成本的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)所選擇.偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡單和成本低等優(yōu)點,且可以設(shè)計成適用于全方向通訊的RFID 應(yīng)用系統(tǒng),因此,下面我們來具體設(shè)計一個工作于2.45 GHz(國際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段)的RFID 偶極子天線.半波偶極子天線模型如圖4a 所示.天線采用銅材料(電導(dǎo)率:5.8e7 s/ m ,磁導(dǎo)率:1),位于充滿空氣的立方體中心.在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界.輸入信號由天線中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置.對于2.45 GHz 的工作頻率其半波長度約為61mm ,設(shè)偶極子天線臂寬w 為1 mm ,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實際的半波偶極子天線長度為57mm.在Ansoft HFSS 工具平臺上, 采用有限元算法對該天線進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場E 面(即最大輻射方向和電場矢量所在的平面)方向圖如圖5b 所示.天線輸入阻抗約為72 Ω ,電壓駐波比(VSWR)小于2.0 時的阻抗帶寬為14.3 % ,天線增益為1.8.圖5 偶極子天線

(a)回波損耗S11;(b)輻射方向圖

從圖5b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射.如果此時讀寫器處于該方向上,應(yīng)答器將不會做出任何反應(yīng).為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點,可以對天線做適當(dāng)?shù)淖冃?如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長λ/ 4 成圖4c 所示.這樣天線總長度修改為(57.0 mm + 2 ×28.5 mm),天線臂寬仍然為1 mm.天線臂延長λ/ 4 后,整個天線諧振于1 個波長,而非原來的半個波長.這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計算結(jié)果約為2 kΩ.其輸入回波損耗S11如圖6a 所示.圖6b 為E 面(天線平面)上的輻射場方向圖,其中實線為仿真結(jié)果,黑點為實際樣品測量數(shù)據(jù),兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計是正確的.從圖6b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了.電壓駐波比(VSWR)小于2.0 時的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對于大部分RFID 應(yīng)用系統(tǒng),該偶極子天線可以滿足要求.圖6 變形偶極子天線

(a)回波損耗S11;(b)輻射方向圖 結(jié)束語

總之,RFID 的實際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計上,特別是對于具有非常大市場容量的商品標(biāo)簽來說,要求RFID 能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊,且還要價格低廉、體積小.因此,我們所設(shè)計的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡單、易于批量加工制造,是可以滿足實際需要的.通過對設(shè)計出來實際樣品的進(jìn)行參數(shù)測試,測試結(jié)果與我們的設(shè)計預(yù)期結(jié)果是一致.

第三篇：RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計.

第 44卷

增 刊 廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 Vol.44 Sup.2005年 6月

Journal of Xiamen University(Nat ural Science J un.2005

RFID 技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計 收稿日期 :2005203210 基金項目 :國家人事部留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)基金 , 福建省自然科學(xué)基金計 劃資助項目(A0410007 作者簡介 :陳華君(1977-, 男 , 博士研究生.3通訊作者 :dhguo@xmu.edu.cn 陳華君 1, 林

凡 2, 郭東輝 1,2,33, 吳孫桃 2(1.廈門大學(xué)物理學(xué)系 , 2.廈門大學(xué) M EMS 中心 , 3.廈門大學(xué)電子工程系 , 福建 廈門 361005 摘要 :首先簡要介紹 RFID 技術(shù)的基本工作原理 , 說明射頻天線是 RFID 系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵 , 然后介紹了幾種基本的

RFID 射頻天線及其工作原理 ，并針對普遍使用的偶極子天線在 RFID 系統(tǒng)中方向性上的不足提出改進(jìn) , 最后 , 給出一個具

有全向收發(fā)功能的 RFID 天線設(shè)計.通過設(shè)計仿真工具模擬仿真 , 并進(jìn)行實際樣品測試 , 獲得較滿意的設(shè)計結(jié)果.關(guān)鍵詞 :RFID;射頻天線;電子標(biāo)簽

中圖分類號 :TN 820.12;TN 821.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A

文章編號 :043820479(2005 Sup 20312204

自 1970年第一張 IC 卡問世起 , IC 卡成為當(dāng)時微 電子技術(shù)市場增長最快的產(chǎn)品之一 , 到 1996年全世界 發(fā)售 IC 卡就有 7億多張 [1].但是 , 這種以接觸式使用 的 IC 卡有其自身不可避免的缺點 , 即接觸點對腐蝕和 污染缺乏抵抗能力 , 大大降低了 IC 卡的使用壽命和使 用范圍.近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式 IC 卡來逐 步替代接觸式 IC 卡 , 其中射頻識別(RFID ,radio f re 2quency identification 卡就是一種典型的非接觸式 IC 卡 , IC 卡之間數(shù) 據(jù)交換的 ，顯示出比一般接觸式 IC 卡使用更便利的優(yōu) 點 , 已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識別卡.然 而 ,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通 訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的.這里我們將首先通過介紹 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線 的設(shè)計是 RFID 不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵 , 然后分別介紹 幾種典型的 RFID 天線及其設(shè)計原理 , 最后介紹利用 HFSS 工具來設(shè)計了一種全向的 RFID 天線.1 RFID 技術(shù)原理

通常情況下 , RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和 RFID 卡兩部分組成的 , 如圖 1所示.其中 , 讀寫器一 般作為計算機(jī)終端 , 用來實現(xiàn)對 RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫 和存儲 , 它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而 RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器 , 主要是由一塊集 成電路(IC 芯片及其外接天線組成 , 其中 RFID 芯片

通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 [2], 有 的甚至將天線一起集成在同一芯片上 [3].RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進(jìn)入 讀寫器的射頻場后 , 由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓 電路作為芯片的電源 , 同時將帶信息的感應(yīng)電流通過 射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信 息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯 控制電路送回射頻前端電路 , 最后通過天線發(fā)回給讀 寫器.可見 ,RFID 卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起 關(guān)鍵的作用是天線.一方面 , 中獲得足夠的能量;另一方面 , 天線決定了 卡與 讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.目前 RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用 , 且有國際標(biāo)準(zhǔn) :ISO10536,ISO14443, ISO15693, ISO18000等幾種.這

些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外 , 還著重對工作距 離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格 進(jìn)行了規(guī)范.RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了 RFID 天線的選擇 , 下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型 的 RFID 天線及其性能.圖

1射頻識別系統(tǒng)原理圖

Fig.1 Structure of RFID system

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圖

2應(yīng)答器等效電路圖

Fig.2 Equivalent circuit diagram of responder 2 RFID 天線類型

RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型 3種

基本形式的天線.其中 , 小于 1m RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線 ，它們主要工作在中低頻段.而 1m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用 系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的 RFID 天線 ,.這幾種類型天線的工作

原理是不相同的.2.1線圈天線

當(dāng) RFID 的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場

中 ,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似 于變壓器 , 兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次 級線圈.由 RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖 2所示 , 它包括 RFID 天線的線圈電感 L、寄生電容 C p 和并聯(lián)電容 C 2′ , :f =

2π? C ,(式中

C 為 C p 和 C 2′ 的并聯(lián)等效電容.RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是

通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的 ID 21型非接觸式 IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03mm ×0.76mm , 天線線圈諧振工作頻率 通常為 13.56M Hz.目前已研發(fā)出面積最小為 0.4mm ×0.4mm 線圈天線 [3]的短距離 RFID 應(yīng)用系統(tǒng).某些應(yīng)用要求 RFID 天線線圈外形很小 , 且需一 定的工作距離 , 如用于動物識別的 RFID.線圈外形即

面積小的話 , RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量 M 就明顯不能滿足實際使用.通常在 RFID 的天線線圈 內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率 μ的鐵氧體材料 , 以增大互感 量 , 從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.2.2微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片 上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的 [4], 如圖 3所示.根據(jù)天線 輻射特性的需要 , 可以設(shè)計貼片導(dǎo)體為各種形狀.通常 貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波 長 , 假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個方向沒有 變化 , 僅沿約為半波長(λg/2 的導(dǎo)體長度方向變化.則 微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的

圖

3微帶天線

Fig.3 Microstrip antenna 邊緣場引起的 , 輻射方向基本確定 , 因此 , 一般適用于

通訊方向變化不大的 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中.為了提高天 線的性能并考慮其通訊方向性問題 , 人們還提出了各 種不同的微帶縫隙天線 , 如文獻(xiàn) [5,6]設(shè)計了一種工作 在 24GHz 的單縫隙天線和 5.9GHz 的雙縫隙天線 , 其輻射波為線極化波;[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫 隙耦合貼片天線 , 它是可以采用左旋圓極化和右旋圓 ‘ 1’ 和 ‘ 0’ 進(jìn)行編碼.圖

4偶極子天線

(a 偶極子天線;(b 折合振子天線;(c 變形偶極子天線

Fig.4 Dipole antenna 2.3RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中 , 最常用的是 偶極子天線(又稱對稱振子天線 [9].偶極子天線及其 演化形式如圖 4所示 , 其中偶極子天線由兩段同樣粗 細(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成 , 信號從中間的 兩個端點饋入 , 在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流 分布 , 這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場.利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程 : E θ=∫ l-l d E θ=∫ l-l r

sin θcos(αz co s θ d z 式中 I z 為沿振子臂分布的電流 , α為相位常數(shù) , r 是振 子中點到觀察點的距離 , θ為振子軸到 r 的夾角 ,l 為 單個振子臂的長度.同樣 , 也可以得到天線的輸入阻 抗、輸入回波損耗 S

11、阻抗帶寬和天線增益等等特性 參數(shù) [9].當(dāng)單個振子臂的長度 l =λ/4時(半波振子 , 輸入 阻抗的電抗分量為零 , 天線輸入阻抗可視為一個純電 阻.在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下 , 簡單的偶極子天線 設(shè)計可以取振子的長度 l 為 λ/4的整數(shù)倍 , 如工作頻

?

313? 增刊

陳華君等 :RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計

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(a

(b

圖

5偶極子天線(a 回波損耗 S 11;(b 輻射方向圖

Fig.5 Dipole antenna 率為 2.45GHz 的半波偶極子天線 , 其長度約為 6cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時 , 可采用圖 42b 的折合振子.3 RFID 射頻天線的設(shè)計

從 RFID 技術(shù)原理和 RFID 天線類型介紹上看 , RFID 具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于 RFID 天線的特點和性能.目前線圈型天線的實現(xiàn)技術(shù)很成熟 , 雖然都已廣泛地 應(yīng)用在如身份識別、貨物標(biāo)簽等 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中 , 但 是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不 確定的 RFID 應(yīng)用場合 , 采用線圈型天線則難以設(shè)計 實現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo).同樣 , 如果采用微帶貼片天線的 話 , 由于實現(xiàn)工藝較復(fù)雜 , 成本較高 , 一時還無法被低 成本的 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)所選擇.能力較強(qiáng)、制造簡單和成本低等優(yōu)點 , 用于全方向通訊的 RFID 應(yīng)用系統(tǒng) , 因此 , 下面我們來 45(國際工業(yè)醫(yī)療研究自 由頻段 RFID 偶極子天線.42a 所示.天線采用銅 材料(電導(dǎo)率 :5.8e7s/m , 磁導(dǎo)率 :1 , 位于充滿空氣的 立方體中心.在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界.輸入 信號由天線中心處饋入 , 也就是 RFID 芯片的所在位 置.對于 2.45GHz 的工作頻率其半波長度約為 61mm , 設(shè)偶極子天線臂寬 w 為 1mm , 且無限薄 , 由于天 線臂寬的影響 , 要求實際的半波偶極子天線長度為 57mm.在 Ansoft HFSS 工 具平臺 上 , 采 用 有 限 元 算

法 [10]對該天線進(jìn)行仿真 , 獲得的輸入回波損耗 S 11分 布圖如圖 52a 所示 , 輻射場 E 面(即最大輻射方向和電 場矢量所在的平面 方向圖如圖 52b 所示.天線輸入阻 抗約為 72Ω, 電壓駐波比(VSWR 小于 2.0時的阻抗 帶寬為 14.3%, 天線增益為 1.8.從圖 52b 可以看到在天線軸方向上 , 天線幾乎無 輻射.如果此時讀寫器處于該方向上 , 應(yīng)答器將不會做

(a

(b

圖 6

變形偶極子天線(a 回波損耗 S 11;(b 輻射方向圖

Fig.6 Changed dipole antenna 出任何反應(yīng).為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺

點 , 可以對天線做適當(dāng)?shù)淖冃?, 如在將偶極子天線臂末 端垂直方向上延長 λ/4成圖 42c 所示.這樣天線總長 度修改為(57.0mm +2×28.5mm , 天線臂寬仍然為 1mm.天線臂延長 λ/4后 , 整個天線諧振于 1個波長 , 而非原來的半個波長.這就使得天線的輸入阻抗大大 地增加 , 仿真計算結(jié)果約為 2k Ω.其輸入回波損耗 S 11如圖 62a 所示.圖 62b 為 E 面(天線平面 上的輻射場 方向圖 , 其中實線為仿真結(jié)果 , 黑點為實際樣品測量數(shù) 據(jù) , 兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計是正確的.從圖 62b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改

善 , 其 輻 射 已 經(jīng)近似 為 全 方 向 的 了.電 壓 駐 波 比(VSWR 小于 2.0時的阻抗帶寬為 12.2%, 增益為 1.4, 對于大部分 RFID 應(yīng)用系統(tǒng) , 該偶極子天線可以 滿足要求.4結(jié)束語

總之 ,RFID 的實際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計上 , 特 別是對于具有非常大市場容量的商品標(biāo)簽來說 , 要求 RFID 能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊 , 且還要價格 低廉、體積小.因此 , 我們所設(shè)計的上述這種全向型偶 極子天線的結(jié)構(gòu)簡單、易于

批量加工制造 , 是可以滿足 實際需要的.通過對設(shè)計出來實際樣品的進(jìn)行參數(shù)測 試 , 測試結(jié)果與我們的設(shè)計預(yù)期結(jié)果是一致.參考文獻(xiàn) : [1]

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413? 廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版

2005年

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RFID system and its antennae ,and designs an omni antenna for RFID system to improve the shortage of radiation pattern of tradition 2al dipole antenna used in RFID system.The results of both simulation and measurement are identical.K ey w ords : RFID;RF Antenna;electronic tag ?

513? 增刊

及其射頻天線設(shè)計

陳華君等 :RFID技術(shù)原理

第四篇：射頻識別技術(shù)在酒類防偽中的應(yīng)用

淺析射頻識別技術(shù)在酒類防偽中的應(yīng)用

近年來由于改革開放以及中國加入世貿(mào)組織的影響，我國的釀酒行業(yè)在技術(shù)以及新品的研發(fā)上有了長足發(fā)展。酒類產(chǎn)品的制作工藝以及產(chǎn)銷量也在不斷提高。具不完全統(tǒng)計，截止2010年底酒類行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)突破2千億元，其中白酒占總產(chǎn)值的65%紅酒占到了總產(chǎn)值的30%以上，但是由于酒類市場的不斷發(fā)展壯大，使越來越多的不法分子看到其中所存在的巨大利益，假冒偽劣的酒類制品屢禁不止極大地破壞了市場環(huán)境，對企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失也嚴(yán)重影響了人們的身體健康與生命安全。在這種情況之下我們迫切需要一種新的防偽管理技術(shù)來有效制止假冒劣質(zhì)酒在市場的流通，建立起監(jiān)管追溯一條龍的運營模式。而射頻識別技術(shù)(RFID)可以有效的解決這一難題，該技術(shù)的優(yōu)點在于為每一瓶酒加裝一個獨一無二的電子身份證。從原產(chǎn)品的種植，倉儲，物流運輸，到經(jīng)銷商的信息進(jìn)行全面的記錄并提供查詢服務(wù)，建立起生命鏈防偽溯源管理從根本上杜絕假酒的產(chǎn)生。

一、酒類防偽現(xiàn)狀以及存在的問題 我國大小酒制品企業(yè)30000多家，但是真正獲取生產(chǎn)許可的只有不到1萬家，而在2005年的酒類生產(chǎn)資格調(diào)查中顯示通過率僅為百分之15%，這說明中小企業(yè)假冒偽劣侵權(quán)行為嚴(yán)重，并潛在食品安全性問題。此現(xiàn)象發(fā)生的原因是因為行業(yè)經(jīng)營比較集中，傳統(tǒng)名優(yōu)酒類品牌知名度高，但行業(yè)防偽手段落后，使得不法分子選擇對高端酒類造假成為其快速謀取暴利的手段。據(jù)《北京晨報》2010年12月23日報道，河北昌黎縣周邊少數(shù)葡萄酒廠家生產(chǎn)假冒偽劣葡萄酒，傍名牌一條龍造假行為尤為猖獗，給當(dāng)?shù)氐闹咸丫破髽I(yè)造成了嚴(yán)重的影響，一瓶成本幾塊錢的酒經(jīng)過灌裝，貼牌，包裝后就成了知名品牌的酒，價格也翻了十幾倍。盡管各知名酒商不斷進(jìn)行防偽措施的更新?lián)Q代，但歸根結(jié)底造成此類原因的問題在于以下三方面：一是大酒廠防偽手段落后；二是標(biāo)簽貼裝工藝簡單容易造假(通過標(biāo)簽生產(chǎn)商，回收等)；三是標(biāo)簽可識別性差，消費者不能判斷標(biāo)簽真?zhèn)巍，F(xiàn)有酒類商品防偽手段主要分為：數(shù)碼防偽(短信防偽)，光學(xué)防偽，化學(xué)油墨防偽，條形碼防偽，包裝防偽等。這些防偽手段在制作商具備一定的科技含量，但都存在相似的缺點即；防偽信息肉眼可見。包裝和防偽標(biāo)簽可被回收再利用或被仿制。而且仿制的產(chǎn)品其外觀特征與原包裝幾乎相同，消費者能難辨別真?zhèn)?。所以需要研發(fā)一種新型防偽技術(shù)改善這些存在的問題，提高企業(yè)的防偽管理水平。

二、國內(nèi)外酒類RFID技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況(一)RFID射頻識別技術(shù)及工作原理：

RFID(RadioFrequencyIdentification)是一種無線射頻識別技術(shù)，它是自動識別技術(shù)的一種。從概念上來講，RFID類似于條碼掃描，對于條碼技術(shù)而言，它是將已編碼的條形碼附著于目標(biāo)物并使用專用的掃描讀寫器利用光信號將信息由條形磁傳送到掃描讀寫器；而RFID則使用專用的RFID讀寫器及專門的可附著于目標(biāo)物的RFID標(biāo)簽，利用頻率信號將信息由RFID標(biāo)簽傳送至RFID讀寫器。RFID系統(tǒng)組成如下圖所示。標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

(二)國外RFID發(fā)展現(xiàn)狀

美國早在1970年酒開始了RFID的民用化推廣，1980年末美國與歐洲的很多家公司開始生產(chǎn)RFID電子標(biāo)簽，如今RFID技術(shù)已被光放應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如門禁管理，城市一卡通，物流管理追溯等。2006年初美國的EJGallo葡萄酒公司率先應(yīng)用了RFID標(biāo)簽，他的主要目的是進(jìn)行大范圍的倉儲盤點以及貨物運輸，但隨著市場的不斷發(fā)展擴(kuò)大，這種技術(shù)逐漸被運用于酒類的溯源防偽領(lǐng)域。近年來德國的伏特加假酒案，印度假酒案致143人甲醇中毒死亡案等不斷涌現(xiàn)，在這種情況之下大部分國外知名酒商紛紛采用了RFID射頻監(jiān)測手段來進(jìn)行有效的監(jiān)管。直至2010年初RFID酒類溯源技術(shù)已經(jīng)推廣到了歐洲9個國家以及美國，印度等國。知名酒商如Jebson&Co，WolfBlassYellowLabelCabernetSauvignon等都率先采用這種技術(shù)。

(三)國內(nèi)RFID發(fā)展現(xiàn)狀

RFID技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還不是很廣泛，只有部分領(lǐng)域使用了這種技術(shù)，如公交一卡通，郵政包裹，二代身份證等，并且功能及作用范圍十分有限。2006年科技部等15部委發(fā)布《中國射頻識別技術(shù)政策白皮書》指出RFID產(chǎn)業(yè)將成為國民經(jīng)濟(jì)的新增長點，并在重大項目尅申請指南中強(qiáng)調(diào)：在“十一五”期間大力發(fā)展射頻識別技術(shù)。我國酒類制品造假由來已久，早在1994年山西溯州假酒案造成十幾人中毒死亡，使與本案無關(guān)的中國四大名酒之首山西汾酒從行業(yè)第一(“汾老大”)跌落20名以外，十余年不能恢復(fù)元氣。當(dāng)今假煙假酒盛行已是公開的事實。市場盛傳茅臺真假比例為1：9，五糧液真假比例為1：3，洋河真假比例為1：1，等等。這些是無法統(tǒng)計無法驗證的。2009年末為響應(yīng)國家對于食品安全朔源的管理要求和提升行業(yè)品牌形象，五糧液、茅臺、雙鉤、瀘州老窖紛紛開始嘗試應(yīng)用RFID技術(shù)進(jìn)行防偽管理，但由于方案設(shè)計不夠成熟成本以及成本過高等原因，其實無法大力推廣使用。

三、RFID酒類防偽追溯管理解決方案

(一)防偽需求分析

1.產(chǎn)品假冒：今年來各個知名白，紅酒廠家均被假冒偽劣產(chǎn)品所困擾，年損失幾千萬，使用的防偽技術(shù)老舊無法從源頭解決根本問題。2.消費者對商品信息的需求：消費者需要了解酒的質(zhì)量，是否假冒，以及產(chǎn)地，生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)日期，品種，等級是否與實務(wù)相符以及酒的原料成分，生長環(huán)境，制作工藝，文化內(nèi)涵等。3.生產(chǎn)企業(yè)對防偽信息的需求：需要做到高度可靠，難以偽造，保證物流過程產(chǎn)品安全等。4.流通企業(yè)對產(chǎn)品信息的需求：做到使用方便，操作簡單，防偽及產(chǎn)品質(zhì)量安全信息能夠快速查詢，投入的設(shè)施和費用企業(yè)能夠承擔(dān)。5.政府監(jiān)管部門對信息的需求：酒類流通監(jiān)管，結(jié)合管理制度建立產(chǎn)品履歷管理體系，產(chǎn)品檢驗及鑒定信息等。

(二)項目可行性分析

選擇有市場基礎(chǔ)和雄厚實力并且迫切需要此類技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品完善工作的昌黎葡萄酒公司為試點，建立基于RFID技術(shù)的酒類防偽綜合示范的標(biāo)準(zhǔn)化基地，從酒的整個生產(chǎn)流程推行基于RFID技術(shù)的酒類防偽示范工程，開展酒類防偽綜合應(yīng)用試點，項目運營成熟后在逐漸推廣到其他酒類企業(yè)。目前，酒類防偽系統(tǒng)在國內(nèi)市場還處于導(dǎo)入期，需要廣泛的宣傳以及政府的支持。通過研究RFID在酒類防偽溯源中的應(yīng)用，提出低成本合理化的RFID技術(shù)解決方案，實現(xiàn)RFID技術(shù)在酒類行業(yè)的推廣，形成行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，帶動我國RFID技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，同時也宣傳了酒類防偽溯源的離你那，推動了傳統(tǒng)名優(yōu)白酒產(chǎn)業(yè)在“十一五”的健康發(fā)展，有利于出盡白酒產(chǎn)業(yè)向名優(yōu)白酒方向的發(fā)展。在技術(shù)方面，傳統(tǒng)的酒類防偽溯源技術(shù)存在著很多缺陷，如記載信息量太小，不能完整的記錄涉及的所有信息，信息只讀不支持寫入，識讀范圍小，容易損壞，不能適應(yīng)潮濕的環(huán)境等。而RFID則基于無線射頻技術(shù)，可以完成對于標(biāo)簽內(nèi)容的識讀與數(shù)據(jù)集成，可以記載大量的商品物流信息等，并且可讀可寫式的記錄方式可以有效的做到產(chǎn)品的追溯工作能夠及時發(fā)現(xiàn)存在的問題。此外，RFID標(biāo)簽具有使用壽命長，安全性高，對環(huán)境要求低等優(yōu)點，擁有條形碼不具備的防水，防磁，耐高溫等性能。近年來RFID技術(shù)發(fā)展迅速，我國的鐵路，公交，郵政，物流，煙草，醫(yī)藥，公安等諸多行業(yè)都已經(jīng)使用了RFID技術(shù)。由于其技術(shù)給人帶來極大地方便，并且隨著價格的下降技術(shù)的完善，RFID技術(shù)正向日常生活工作的各個方面快速滲透。RFID的普及為基于RFID技術(shù)的酒類防偽系統(tǒng)研究提供了基礎(chǔ)，通過研究RFID在酒類防偽系統(tǒng)中的技術(shù)應(yīng)用，有助于探索酒類防偽標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加快創(chuàng)新，推動RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展。企業(yè)方面，基于RFID技術(shù)的酒類防偽追溯系統(tǒng)可以幫助企業(yè)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的防偽規(guī)范和防偽操作流程，能夠利用RFID技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集提高工作效率，幫助企業(yè)提高監(jiān)管生產(chǎn)能力，擴(kuò)展品牌質(zhì)量優(yōu)勢。我國是酒制品生產(chǎn)大國，酒類企業(yè)眾多，基于RFID的防偽溯源技術(shù)擁有廣闊的市場前景。

消費者方面，消費者對于酒類的質(zhì)量，衛(wèi)生情況有著越來越高的要求。RFID酒類溯源防偽能夠提供給消費者一系列的酒類信息并且保證酒品的安全，并能消費者對于酒的知情權(quán)和選擇權(quán)，使消費者購買的更放心。(三)總體方案 1.方案概述 在競爭日益加劇的今天，產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)關(guān)乎到企業(yè)的生死，是每個企業(yè)都不能忽視的問題，企業(yè)必須加快技術(shù)革新，采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管，增強(qiáng)國內(nèi)外市場競爭力，減少投入，不斷提高經(jīng)濟(jì)效益。質(zhì)量管理對于企業(yè)是非常現(xiàn)實的需求，在實現(xiàn)質(zhì)量的過程中，質(zhì)量追蹤起著重要的作用。系統(tǒng)覆蓋了從生產(chǎn)至出入庫至市場查詢等流通環(huán)節(jié)，具有很高的完整性和靈活性。其與物流系統(tǒng)結(jié)合后，將具有強(qiáng)大的防偽防竄和全方位的追蹤溯源功能。該系統(tǒng)采用自動化技術(shù)，自動識別技術(shù)以及信息加密技術(shù)，給每件產(chǎn)品賦予唯一的身份標(biāo)簽，通過在生產(chǎn)過程中進(jìn)行產(chǎn)品賦碼及對流通銷售信息的監(jiān)管，實現(xiàn)對每件酒類產(chǎn)品的物流，信息流進(jìn)行監(jiān)督管理和控制。方案以RFID技術(shù)為數(shù)據(jù)管理手段，對企業(yè)生產(chǎn)分銷等環(huán)節(jié)的作業(yè)過程進(jìn)行自動識別實現(xiàn)信息化管理，以確保業(yè)務(wù)過程中對各種對象管理的正確性，準(zhǔn)確性。信息化建設(shè)主要針對防偽，溯源管理，倉庫管理，分銷管理，流向追溯無方面開實施。在商品防偽領(lǐng)域內(nèi)，防偽技術(shù)是保護(hù)消費者權(quán)益和企業(yè)利益的重要技術(shù)。然而目前市場上的防偽產(chǎn)品采用的防偽技術(shù)絕大部分仍然是紙質(zhì)材料，這些材料和技術(shù)容易被復(fù)制和替換不能起到其應(yīng)有的作用，而RFID芯片內(nèi)容無法被仿制。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中提前將RFID標(biāo)簽標(biāo)簽初始化并關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)中，生產(chǎn)時將RFID標(biāo)簽縫制在紅酒內(nèi)，為以后的業(yè)務(wù)過程打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。生產(chǎn)環(huán)節(jié)根據(jù)企業(yè)需要還應(yīng)對圓臉的采購，加工，生產(chǎn)的工序，公式等進(jìn)行相應(yīng)的管理。倉庫管理除了基本的入庫，盤點管理外，還應(yīng)明確貨區(qū)貨位，對產(chǎn)品的銷售周期，庫存成本，庫齡周期，庫存屬性，庫內(nèi)業(yè)務(wù)效率等做相應(yīng)的分析管理。分銷環(huán)節(jié)中使用定制的線體對大型倉庫的出入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，門店應(yīng)用無線終端進(jìn)行收發(fā)貨操作。以此來實現(xiàn)總公司到分公司到代理商，加盟店店的數(shù)據(jù)共享。當(dāng)企業(yè)的管理平臺搭建成功后，就可以對從生產(chǎn)到銷售終端的質(zhì)量追溯，防偽防串，渠道優(yōu)化整合等出具管理依據(jù)。2．整體技術(shù)方案 由上圖所示該系統(tǒng)架構(gòu)分為五部分組成：接入層；數(shù)據(jù)層；服務(wù)層；應(yīng)用層；表示層。

(1)接入層：主要的作用是通過讀寫器，傳感器，無線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備采集相關(guān)射頻信號數(shù)據(jù)并發(fā)送這些數(shù)據(jù)層進(jìn)行下一步操作。

(2)數(shù)據(jù)層：包括單位信息，產(chǎn)品數(shù)據(jù)，容器信息，事件信息等，并把這些信息發(fā)送到服務(wù)層進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換等工作。

(3)服務(wù)層：包括注冊編碼解析，RFID信息服務(wù)，RFID發(fā)現(xiàn)服務(wù)，異常處理服務(wù)等，其作用是通過特定的編碼解析把射頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并儲存到中心服務(wù)器中以備后續(xù)調(diào)用；此外通過數(shù)據(jù)的交互可對RFID設(shè)備的運行請款進(jìn)行管理，并能處理發(fā)生的問題。

(4)應(yīng)用層：包括采購管理，生產(chǎn)管理，物流管理，質(zhì)量管理，跟蹤追溯等應(yīng)用系統(tǒng)。這些管理系統(tǒng)跟服務(wù)層的中央數(shù)據(jù)庫相連并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，了解事實儲存的信息進(jìn)行生產(chǎn)，物流倉儲等方面的管理。

(5)表示層：是企業(yè)網(wǎng)站和相關(guān)部門的網(wǎng)站入口，現(xiàn)有的企業(yè)ERP或信息系統(tǒng)可以在應(yīng)用層通過接口集成。使各個監(jiān)管部門可以有效的進(jìn)行管理并執(zhí)行檢查的工作。

此整體技術(shù)方案目的是通過RFID電子標(biāo)簽的特性把酒類防偽應(yīng)用中遇到的防偽技術(shù)仿造問題解決，徹底解決防偽標(biāo)簽防偽碼被再利用的問題通過防止回收使用的電子標(biāo)簽封轉(zhuǎn)技術(shù)解決，解決電子標(biāo)簽在酒類瓶裝封裝環(huán)境下的自動寫入，可識讀適應(yīng)性問題，解決酒類產(chǎn)品全程追蹤溯源問題。在產(chǎn)品出現(xiàn)問題的情況下可以快速找到出問題的環(huán)節(jié)。3.流程設(shè)計思路

系統(tǒng)在一臺服務(wù)器的平臺上運行，其功能主要由五個模塊組成：單件酒類防偽管理模塊；酒類跟蹤管理模塊；自動化生產(chǎn)管理模塊；酒類倉庫管理模塊；酒類物流管理模塊。追溯體系包含如下環(huán)節(jié)：

(1)原料儲存環(huán)節(jié)：原料庫RFID分類管理，先進(jìn)先出，原料等級分區(qū)。(2)生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)：生產(chǎn)線賦予每瓶酒RFID標(biāo)簽并進(jìn)行生產(chǎn)工位計件。(3)成品中心庫管理環(huán)節(jié)：生產(chǎn)完的酒瓶通過RFID自動感應(yīng)上傳入庫信息；并實現(xiàn)庫存酒RFID手持機(jī)快速盤點

(4)異地庫管理環(huán)節(jié)：異地庫可通過RFID手持PDA進(jìn)行收貨，確認(rèn)貨物是否完整被調(diào)換過，從何處發(fā)貨等。

(5)經(jīng)銷商管理環(huán)節(jié)：經(jīng)銷商通過RFID手持PDA可查到此貨物的發(fā)貨運輸信息。

(6)終端用戶管理環(huán)節(jié)：終端客戶通過RFID終端查詢機(jī)可以查到每瓶酒的原料生產(chǎn)過程，倉儲，物流，經(jīng)銷商所有信息，起到全程追溯的作用。4.應(yīng)用方案(1)防偽瓶蓋的設(shè)計：瓶蓋的內(nèi)嵌RFID電子標(biāo)簽與瓶蓋的熱塑膜封口相連，當(dāng)撕開熱塑膜封口后機(jī)械結(jié)構(gòu)會把RFID芯片破壞從而達(dá)到開蓋即損，無法回收的效果。

(2)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息

EPC編碼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)包括：EPC-64，EPC-96，EPC-256?？紤]到酒類產(chǎn)品出貨量為中等，選擇64b進(jìn)行EPCID編碼?，F(xiàn)有條形碼的主要數(shù)據(jù)信息為商品身份，其他包括生產(chǎn)廠家、產(chǎn)地、規(guī)格、生產(chǎn)日期等。EPC標(biāo)簽存儲的信息要遠(yuǎn)大于條形碼，但數(shù)據(jù)信息影響標(biāo)簽的讀取速度，用RFID防偽是根據(jù)EPCID碼進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的檢索操作，射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)格式關(guān)鍵在數(shù)據(jù)庫的檢索碼DSC(DataSearchedCode)。出于上述考慮，酒類EPC標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息設(shè)計為APC+PTC+ATC+UID，每塊分配16b數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需要分配。其中，APC為生產(chǎn)廠家代碼，PTC為產(chǎn)品類型代碼，ATC為產(chǎn)地、生產(chǎn)日期，UID為單個產(chǎn)品的惟一序列標(biāo)識碼。主要技術(shù)指標(biāo)： 工作頻率：925MHZ 適用溫度：-40°至150° 通信速率：≥260kbps 存儲容量：≥512kbits 康液體環(huán)境(3)防偽識別器

防偽識別器是檢測產(chǎn)品真?zhèn)蔚慕K端設(shè)備，可以通過視頻顯示消費者需要的真?zhèn)涡畔?。其主要分布在各大酒類銷售場所，超市街頭等，消費者可以很容易找到。(4)防偽識別器硬件架構(gòu)：

讀寫器，用來讀取酒類EPC標(biāo)簽信息并傳送到處理平臺。

工業(yè)計算機(jī)(IndustryComputer，IC)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳送、查詢、顯示。中間件，轉(zhuǎn)換不同標(biāo)準(zhǔn)讀寫器和防偽識別器的連接 圖6.防偽識別器硬件架構(gòu)(5)防偽識別器軟件架構(gòu)：

讀寫器控制模塊：發(fā)送讀寫器控制指令實現(xiàn)射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀取與傳輸。用戶操作平臺的搭建：提供完善直觀的界面，操作簡單，可快速查詢酒類信息。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫：管理酒類產(chǎn)品的信息查新，更新，刪除。數(shù)據(jù)傳輸：負(fù)責(zé)與監(jiān)管中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。(6)主要技術(shù)指標(biāo)：

工作頻率：925MHZ 通信協(xié)議：ISO180006C 輸出功率：+20dBm-+30dbm 調(diào)制方式：100%ASK調(diào)制 最遠(yuǎn)讀取距離：3米，最遠(yuǎn)寫入距離：0.5米

多標(biāo)簽讀取速率：≥300個每秒 工作溫度：-20°至60° 酒類產(chǎn)品生命周期流程追蹤設(shè)計

(1)黏貼射頻電子標(biāo)簽：通過自動化的方法在產(chǎn)品的相應(yīng)位置放置RFID防偽射頻標(biāo)簽。

(2)生產(chǎn)線上安裝固定式讀寫設(shè)備，向標(biāo)簽內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，并自動記錄該信息酒類在包裝生產(chǎn)線的末端放置有讀寫設(shè)備，電子標(biāo)簽通過讀寫區(qū)域時，讀寫器自動讀出標(biāo)簽ID號，并寫入酒類的EPC代碼，同時在用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)寫入其他信息如產(chǎn)品下線時間等；同時，讀寫器可以根據(jù)一定的算法為每一個標(biāo)簽設(shè)定不同的訪問密碼，防止有人企圖修改標(biāo)簽內(nèi)部的數(shù)據(jù)。另外，服務(wù)器記錄該標(biāo)簽信息，為每瓶酒建立檔案以便查詢。完成數(shù)據(jù)寫入工作后將酒類裝入包裝箱準(zhǔn)備入庫。(3)倉儲管理:在每瓶出產(chǎn)的酒的瓶頸上運用EPC的電子標(biāo)簽，記錄擺放位置、產(chǎn)品類別、日期等數(shù)據(jù)；而透過在酒瓶上的標(biāo)簽，則可根據(jù)每個產(chǎn)品特有的編碼，隨時掌握貨品狀態(tài)、包括溫度是否適合、酒的質(zhì)量情況等，以便倉儲管理，也能立即了解需要補(bǔ)貨的項目，方便于缺貨管理。而且在退換貨的情況時只要倒入系統(tǒng)里，便可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

(4)配送物流管理：通過RFID讀取包裝箱上的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行快色貨物盤點，了解貨物種類并進(jìn)一步錄入數(shù)據(jù)，如配送地點配送時間及配送的酒類數(shù)量等。(5)經(jīng)銷商、零售商配備手持機(jī)檢驗酒的真?zhèn)危涸谙M者購買酒類產(chǎn)品時零售商用手持機(jī)當(dāng)場檢驗酒類的真?zhèn)?，如果可以順利讀到數(shù)據(jù)，表明該瓶酒是真酒，如果不能讀出標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)，消費者可以拒絕購買。以此方式可以從源頭上杜絕假酒的產(chǎn)生。電子標(biāo)簽不可能做到重復(fù)利用，可以排除不法分子回收舊酒盒后，將電子標(biāo)簽拆下再次使用冒充真酒的可能；此外，假酒生產(chǎn)廠商偽造仿冒RFID系統(tǒng)的代價太過于高昂基本不可能實現(xiàn)。

四、結(jié)語

基于RFID技術(shù)的酒類溯源系統(tǒng)從根本上杜絕了假酒的產(chǎn)生，通過從原料，裝配，倉儲盤點，出貨，到零售商一體化監(jiān)控記錄信息的方式保護(hù)了消費者和酒類企業(yè)的利益。本文介紹了于酒類的EPC標(biāo)簽設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計出標(biāo)簽的數(shù)據(jù)格式，提出防偽識別器的概念，搭建了貼有EPC標(biāo)簽的酒類產(chǎn)品流通過程構(gòu)架。并且該理論數(shù)據(jù)現(xiàn)已在寧夏的西夏王葡萄酒和河北越千年葡萄酒上所使用和驗證和示范。為了挽救前年昌黎葡萄酒的大范圍造假案所帶來的損失，增加社會公眾信任度，迎接新十二五規(guī)劃對地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。實施RFID技術(shù)勢在必行，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對葡萄的種植源頭、生產(chǎn)灌裝、倉儲環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)、經(jīng)銷商環(huán)節(jié)、消費者環(huán)節(jié)的供應(yīng)鏈全程質(zhì)量安全追溯加強(qiáng)管理，打造政府有效監(jiān)管，消費者可信的公共服務(wù)平臺，最后隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的推廣，RFID技術(shù)必將從源頭解決酒類現(xiàn)存的主要問題，RFID酒類防偽溯源技術(shù)前景無限。

第五篇：射頻識別技術(shù)在醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中的應(yīng)用

射頻識別在醫(yī)療護(hù)理中的技術(shù)研究

報

告

2012年1月至2013年8月，苗館鎮(zhèn)衛(wèi)生院開展了“射頻識別在醫(yī)療護(hù)理中的技術(shù)研究”課題，經(jīng)充分調(diào)查和認(rèn)證，射頻識別可以有效改善醫(yī)療體系效率低下、醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量欠佳的就醫(yī)現(xiàn)狀，無疑是推進(jìn)中國醫(yī)療改革事業(yè)發(fā)展的一把利器。其主要技術(shù)要點如下：

（一）調(diào)查論證

射頻識別(RFID)在醫(yī)療、護(hù)理領(lǐng)域的潛力巨大，能夠幫助醫(yī)院醫(yī)療、藥品、人員及管理信息的數(shù)字化采集、處理、傳輸和共享等。特別是在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的條碼化患者身份管理、移動醫(yī)囑、診療體征錄入、移動藥物管理、移動檢驗標(biāo)本管理、移動病案管理數(shù)據(jù)保存及調(diào)用、嬰兒防盜、護(hù)理流程、臨床路徑等管理中，均能發(fā)揮重要作用，從而解決醫(yī)療平臺支撐薄弱、醫(yī)療服務(wù)水平整體較低、醫(yī)療安全生產(chǎn)隱患等問題，實現(xiàn)加速推進(jìn)醫(yī)療信息系統(tǒng)的建設(shè)。

（二）射頻識別主要功能

RFID移動護(hù)理系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中的應(yīng)用之一。在加強(qiáng)醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和提高工作效率的同時，它能給患者帶來很多好處，使得隱私得到保護(hù)，醫(yī)療更加安全。由于采用嵌入式RFID腕帶，使得相關(guān)醫(yī)療信息得到了保密，只有醫(yī)護(hù)人員可以按權(quán)限查詢患者的信息，保護(hù)了患者隱私。并且，采用RFID技術(shù)實現(xiàn)對患者診療過程中的每個環(huán)節(jié)得到跟蹤確認(rèn)，協(xié)助和指導(dǎo)護(hù)士完成醫(yī)囑，由于有了醫(yī)囑執(zhí)行項目的電子化確認(rèn)過程，使護(hù)理質(zhì)量監(jiān)控和護(hù)理工作量的量化成為可能，實現(xiàn)患者診療過程的可視化管理。

圖一 移動護(hù)理系統(tǒng)

移動護(hù)理系統(tǒng)是以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如WiFi、3G或LTE)和RFID無線射頻識別技術(shù)為核心，通過醫(yī)院管理信息系統(tǒng)和智能型手持移動終端(如PDA等)為移動中的一線醫(yī)護(hù)人員提供隨身數(shù)據(jù)應(yīng)用的信息服務(wù)系統(tǒng)，如圖1所示。醫(yī)護(hù)人員查房或者移動的狀態(tài)下，可通過智能型移動終端的護(hù)理人員端軟件，通過無線網(wǎng)絡(luò)實時聯(lián)機(jī)，與醫(yī)院管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，使醫(yī)護(hù)人員隨時隨地在手持終端上獲取全面醫(yī)療數(shù)據(jù)，而患者可借助佩戴在手上的裝有RFID的腕帶，在與PC機(jī)(或PDA終端)連接的RFID讀卡器查詢顯示該患者目前的檢查進(jìn)度，并可獲取全面醫(yī)療數(shù)據(jù)。根據(jù)歷史記錄和臨床檢查結(jié)果，對比患者病情的變化情況，及時會診和制定治療方案。

（三）技術(shù)規(guī)程

1.1 無線實時信息傳送

通過無線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，可快速、正確地將數(shù)據(jù)信息傳送至后端服務(wù)器。在數(shù)據(jù)收集時，以數(shù)字化形式儲存，并透過無線網(wǎng)絡(luò)回傳至服務(wù)器，單張表格實時回傳所需時間將縮短為2分鐘。無線傳輸不受地域限制，即使在移動中或是沒有Cable線的地方，都能隨時將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上傳或下載。

1.2 RFID腕帶管理

RFID腕帶發(fā)行管理主要是在后臺系統(tǒng)建立起RFID腕帶與患者信息的對應(yīng)關(guān)系，患者從掛號開始隨身佩戴電子腕帶，其中記錄了患者的姓名、性別、血型、以往病史、入院生命體征情況等信息，在門診系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，患者均佩戴唯一的電子腕帶作為身份識別方式，并可據(jù)此在醫(yī)院提供的自助查詢平臺進(jìn)行自助病歷查詢甚至打印化驗單據(jù)，在各個關(guān)鍵診療環(huán)節(jié)核對患者身份，保障醫(yī)療安全。

1.3 移動護(hù)理利用醫(yī)院管理信息系統(tǒng)生成醫(yī)囑執(zhí)行條目，護(hù)士使用移動到患者的床旁，讀取患者佩戴的RFID腕帶信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)自動將需要執(zhí)行的醫(yī)囑調(diào)用，護(hù)士通過移動終端記錄醫(yī)囑具體執(zhí)行的信息，記錄患者生命體征及相關(guān)項目，用藥、治療信息確認(rèn)，實現(xiàn)動態(tài)實時的床邊護(hù)理服務(wù)。由于采用移動護(hù)理系統(tǒng)，醫(yī)護(hù)人員能更簡便的獲取、錄入患者各種醫(yī)療數(shù)據(jù)的信息，使得護(hù)士減少了因查詢、核對而產(chǎn)生的打印、抄寫工作以及來往護(hù)士站與病房之間所化費的時間，大大優(yōu)化了護(hù)士工作流程

1.4 患者跟蹤

通過RFID患者定位跟蹤系統(tǒng)，使得通過護(hù)士站的電子顯示屏或醫(yī)院的監(jiān)控電腦或醫(yī)生的隨身移動終端，即可掌握患者的物理位置。從而實現(xiàn)了對手術(shù)患者、精神患者和智障患者等的24小時實時狀態(tài)監(jiān)護(hù)，保障住院患者安全。這樣也可以限制患者到某些非安全地帶，以及避免某些智障患者或老人離開醫(yī)院而走失。

（四）技術(shù)安全性探討

任何新技術(shù)的應(yīng)用都很可能是一把雙刃劍。雖然智能化、行動化的醫(yī)療系統(tǒng)能大大提高了醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量，優(yōu)化管理流程，但是在實施過程中也有發(fā)現(xiàn)一些問題并需要進(jìn)一步研究改進(jìn)，使移動醫(yī)療更加完善。個人隱私的泄露

移動護(hù)理系統(tǒng)面臨信息安全與隱私泄露等帶來的更多的威脅，若不能同步的解決，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中就得不到真正快速的發(fā)展。對護(hù)理行為執(zhí)行時間的正確性和真實性反映有所欠缺。計算機(jī)系統(tǒng)若不能正確的記錄每一條醫(yī)囑，以及遺漏執(zhí)行某項醫(yī)囑等，一定程度上存在醫(yī)療安全隱患。

對護(hù)理查對制度執(zhí)行的支持欠缺

移動護(hù)理系統(tǒng)存在患者身份識別差錯的危險，也無法識別治療單抄錯等情況。特別是對于昏迷、有精神障礙或者新生兒等的查對存在一定隱患。尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，存在安全隱患

除了RFID設(shè)備的高成本外，標(biāo)準(zhǔn)不健全也是限制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域大展拳腳障礙。RFID對一些人體植入式設(shè)備，例如心臟起搏器會否產(chǎn)生安全隱患，RFID低頻信號所產(chǎn)生的一些反應(yīng)，包括不適當(dāng)?shù)钠鸩l率，改變起搏率，高電壓沖擊和設(shè)備重新編程等，也是制約RFID在該領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。

（五）技術(shù)研究結(jié)論

利用射頻識別構(gòu)建電子醫(yī)療體系，可以給醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域帶來更多的便利。要提高醫(yī)療服務(wù)現(xiàn)代化水平，不僅要提高對患者的高精尖的醫(yī)療人才的服務(wù)，同時還要通過相應(yīng)的手段來提高醫(yī)護(hù)人員自身的服務(wù)能力。通過射頻識別可以大幅度降低成本，使醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備無線化，目的是使患者能夠得到更加方便快捷的低成本高質(zhì)量的服務(wù)，最終的目標(biāo)是使有限的衛(wèi)生資源得到充分的利用，使醫(yī)療資源最大化，使大家能夠共享優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源。

射頻識別技術(shù)在醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中的應(yīng)用課題組

2013年12月1日