5G時代石墨烯RFID無線射頻識別技術在物聯網的應用

劉振禹 劉進

（山東華冠智能卡有限公司 山東省濟南市 271100）

RFID（RadioFrequencyIdentification）無線射頻識別技術是一種信息傳感技術，可以實現對附著有特定電子標簽物品的無接觸自動識別，讀取電子標簽特定唯一含有的電子信息，再進行一系列數據處理操作，把讀取到的信息傳遞給電腦，實現物品電子信息整合。自從發現RFID 的耐熱、耐水、防磁、不限讀取距離、可加密數據等優點，物聯網研究與發展上升到一個新高潮和新轉折。撇去過去信息讀取和轉化技術的限制，物聯網與RFID 技術的結合為實現全球物品信息化奠定了基石。從RFID 發展至今，隨RFID 電子標簽的普遍使用，傳統的RFID 電子標簽制造方法銅導線繞制法、鋁箔蝕刻法及陶瓷燒結法的缺點開始顯露，主要有造價高、污染性、尺寸大、不精細等。但隨時間推移RFID 電子標簽制作技術方面有了新突破，高導電性能石墨烯材料成功研發將提高RFID 的各參數性能，因石墨烯還具備的各種優勢也將打下傳統RFID 造價高問題，實現RFID 高性價比、高導電性能、可綠色環保。5G 的到來，是物聯網產業的挑戰與機遇，要實現“萬物互聯”的目標，物聯網領域必須提升技術，增強實力。

1 石墨烯材料特性在RFID方面的作用

1.1 高導電性

石墨烯由大量碳原子緊密結合組成，這些碳原子的大量堆積形成了sp2 軌道雜化，出現了許多π 鍵，π 鍵雜交在一起形成π 帶和π*帶。這些雜交帶都是允許電子自由移動的半填充帶，使石墨烯二維結構大部分顯示導電特性。由于具有大部分導電性，電子在石墨烯內的移動更快，石墨烯容納電子的空間也比它的同素異形體多得多。石墨烯的電導率為15000cm2/V?s，是目前為止所發現的在室溫下導電性能最好的材料[1]。

1.2 高性價比

近些年導電銀漿絲網印刷制造RFID 電子標簽被認為是RFID電子標簽制作最有效的技術途徑，但導電銀漿導電性能較差，若采用含高銀的導電銀漿又將影響印刷延展性、流動性，導致RFID電子標簽成品粗糙變形，石墨烯RFID 電子標簽的研究則很好解決了由于導電銀漿導電機理限制而出現的一系列問題。啟動石墨烯RFID 研發可降低RFID 電子標簽的成本，提高RFID 電子標簽制造技術，總體上拉高石墨烯RFID 電子標簽性價比，做到了經濟上減少成本，制作上精良工藝。

1.3 兼容性強

石墨烯的疏水性會使石墨烯納米片極易通過強烈的范德華力產生團聚，使用有效的溶劑可以阻止石墨烯的團聚，從而使之成為穩定的石墨烯分散液。理想的溶劑主要有N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF）[2]。再在石墨烯導電染料中加入其他引發劑或穩定劑，改變石墨烯導電染料中石墨烯與有效溶劑的混合比例，實現石墨烯導電染料在短時間內的固化程度，以期縮短干燥時間、降低干燥溫度。這樣的石墨烯導電材料能實現在紙張、絲織品、塑料薄膜等各種RFID 電子標簽材料上的印刷，實現了RFID 電子標簽的多樣化，讓5G 時代的萬物物聯又更近一步。

圖1：RFID 無線射頻識別技術的工作原理[3]

2 RFID無線射頻技術的主要作用

2.1 物品識別

RFID 的基本組成有讀寫器、天線、電子標簽。讀寫器是讀取電子標簽的電子設備。天線是在讀寫器與電子標簽之間傳遞信號的設備。電子標簽是由導電染料印刷有全球唯一ID 的數據標簽，一般將電子標簽直接貼在物體表面，通過讀取器無接觸式識別電子標簽上的數據達到識別物體的目的。

2.2 信息傳送

讀寫器通過天線向電子標簽發送一段射頻信號，電子標簽接受這段電波后，將自己的數據信息也通過一段特定的射頻信號反饋給讀寫器。讀寫器識別電子標簽反饋的射頻信號，將對其進行讀取與解碼，最后送至電腦主機進行數據信號整合。該過程在圖1 中有詳細介紹。

2.3 數據整合

電腦主機接收了由讀取器發送而來的數據信號后，將這些數據信號進行二次識別讀取，對翻譯出來的ID 碼與全球信息庫對比整合，聯系ID 碼電子標簽應對應的物體，將數據信號轉化成了物體名稱，聯合物體的各種信息，內部整合形成強大的物體信息庫，再將人們需要的信息顯示在電腦窗口或手機屏幕上。以上一整套的流程對隱藏在芯片里的數據信息和天線傳送的射頻信號進行一系列翻譯、對比、轉化步驟，極大減少了人力、物力的消耗，并且形成了強大的數據信息庫，極為有利于數據信息搜尋查找。RFID 無線射頻識別技術的工作原理如圖1 所示。

3 石墨烯RFID在物聯網的應用

3.1 智能城市

3.1.1 智能家居

智能家居就是將住宅內的電子物體（空調、冰箱、照明燈、電視機等）通過RFID 無線射頻識別技術鏈接到物聯網上，通過與通訊電子設備（手機、平板、電腦）相連，構成完善的照明系統、安保系統、多媒體系統、溫度調節統等，實現家電網絡聯網，家庭成員遠程操控，家居智能化。家電聯通網后，電子通訊系統已經設計出許多款智能家庭管家，人們選擇需要的程序后，智能家庭管家可以執行陪伴孩子、照顧花草、控制溫度調節、開啟家庭清潔模式、保障家庭安全等職能，在人們的需求上提出了許多概念設計。根據不同家庭需要，智能家庭管家已經設計出虛擬化和現實兩種形態，有些智能家庭管家已經可以達到自主充值能量、根據設定自由執行任務的狀態，只要是人類能完成的簡單工作，智能管家都能承包，為人類管理家居大開方便之門。智能家居不僅承包了人們的衣食住行玩，也為人們的生命生活安全提供了有力保障。

3.1.2 智能交通

智能交通系統（IntelligentTransportationSystem，簡稱ITS）由交通信息服務系統和交通管理系統組成，利用RFID 無線射頻識別技術、計算機技術、通訊信息傳遞技術實現車輛管理、車輛控制、交通監管。主要技術RFID 對高速移動的物體也能精準識別，通訊信息傳遞技術能實時將交通信息和車輛數據傳遞給聯網，強大的計算機技術再將信息數據整合分析車況及路況，實現高效、統一管理?，F在ITC 已經引用到生活各個角落，例如高速ETC 收費站（電子收費）、車輛進入地下車庫車牌識別、機場航空控制器、車載電腦等。依靠強大的計算機網絡和高度集中的系統管理，許多ITC 已經實現雙向通訊，車況和路況信息還能實時發送到車主的通訊設備上。而交通管理者能實時了解路況，若路況突發性失控能迅速做出反應，智能交通則在最短時間內搜索出最佳解決方案，并極速為需要撥打救治電話的車主撥打120，爭分奪秒地盡快恢復路況。這些反應措施及時實行就能節約無數的經濟、醫療、人力資源，拯救無數人可能面臨的問題。

3.1.3 智能物流

物流是RFID 最大的市場應用空間，可以極大地提高物流環節的效率，并為實現零庫存提供技術保障[3]。智能物流（Intelligentlogistics）利用RFIC 無線射頻識別技術、定位系統通過信息通訊和數據轉化應用到物流產業的倉儲、配送、裝卸等各個基本環節流程，提供大量可視化數據，為物流產業構建出有力支柱，極大的縮短物流產業攬件、寄件、收件、派送時間，節約了大量人力成本，增強物流信息的保密性和可追蹤性，為消費者、快遞員、商家企業減少了物流丟失的可能和紛爭，完善的智能物流系統不僅增強了物流信息的聯系，還能推動物流經濟的疾速發展。

3.1.4 智能醫療

智能醫療通過物聯網技術實現了醫療平臺、醫療人員、醫療機構的緊密聯系，打造全民醫療健康檔案，使醫療數據、患者信息、救治方案可視化、信息化。面對突如其來的重大傳染性疾病，能做到緊急數據收集和查詢，給人們出行、隔離、地區情況、疾病發展、醫療進度提供信息與保障。智能醫療的發展還能進行居家自我檢測，發病人員可根據智能醫療服務提供的疾病信息進行自我檢查的同時，可視化大數據的評估也能多上一重保險，除了患者的自我檢測，智能醫療還能對疑似患者、發病者進行監管，提供可行的治療方案，極具智慧的在緊急情況下自動報警、報醫，為獨自在家的老人小孩提供優質服務。除此之外，智能醫療能為醫療機構、醫療平臺和醫療人員解決醫療資源短缺、醫療資源分配、醫療信息近況的問題，縮短醫患不必要的溝通時間，減少醫療資源的浪費的問題。小到個人大道國家，智能醫療的發展利人利國，為全人類的健康服務提供保障。

3.2 智能環保

面對全球嚴峻自然環境生態問題，人們通過物聯網的基礎技術RFID 無線射頻識別技術構建了智能環保產品，旨在更好的進行環境監管、環境保護，精準動態的對環境有個實時掌控。一個方面是災難預測，動植物預知災難的行為比人類的許多監測儀器都要精準，人類在自然災難前往往沒有抵抗之力，預測的準確性能提前拯救無數的生命和資源。另一個方面是環境的動態監控，遇到瀕危生物能為其掃去危險，提高生物的多樣性能保護生態系統不受崩潰，還能極大打擊盜買盜賣珍稀動物的犯罪行為。再者就是保護水土資源，對地表環境的監管檢測，依據智能環境庫大數據對污染環境實施拯救，恢復地表生態平衡、保持地表環境不受污染都為人類健康生活、地球生態健康做出來巨大努力，拉長了地球生態的生命時間進程。

4 5G時代的“萬物互聯”

“萬物互聯”(IOE:InternetOfEverything)從小的來講是通過RFID 無線射頻識別技術將每個物體的數據信息傳閱至計算機，通過超級計算機和云計算將數據信息整合，互相建立起聯系而形成了物聯網絡，為所有東西建立ID，所有的物體有了自己的數據，萬事萬物的鏈接更為深刻，新的技術發明出來為我們提供了許多便利。到大的方面，國家、企業有了新的發展途徑，有了新的發展領域就會有新的資源，就需要新的人力，沿至最后獲利的還會是我們每個個體。5G 時代的極速到來，為物聯網提供了新機遇，比之第四代網絡通訊，5G 的速度更快、儲存空間更大、儲存數據更密集，這就加大了“萬物互聯”的可能，人們從5G 時代仿佛看到了更久以后擁有太多可能的未來。

5 結束語

淺談5G 時代石墨烯RFID 無線射頻識別技術在物聯網的應用，我們終發現，人類的發展往往一步扣一環，無線射頻識別技術需要提升，人們發現了更適合做RFID 材料的石墨烯，石墨烯加入之后的RFID 得到了極大的提升空間，RFID 技術的提升造成了物聯網研究的迅速發展，而5G 時代的來臨則讓物聯網應用的實施不是空穴來風，讓一切都有了落地實施的可能。步步相聯不可缺一步的物聯網研究，已經說明了時代的發展不是一蹴而就的，學者的心血已經為美好的未來鋪墊了盛滿鮮花的路。