RFID射频技术基础

概念

RFID，Radio Frequency Identification 缩写，又称无限射频识别，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

一套完整的RFID硬件系统由Reader与Transponder两部分组成，其动作原理为由Reader发射一种特定频率之无限电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将其内部的ID Code送出，此时Reader便接收此ID Code。Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡，且晶体密码为世界唯一无法复制，安全性高，寿命长。

系统结构图：

系统工作原理

电子标签：又称为射频标签、应答器、数据载体；
阅读器：又称为读出装置。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合（无接触），在耦合道内，根据时序关系，实现能量的传递以及数据的交换。

耦合方式：

1. 电感耦合（低~高频，近距离）：通过线圈内的电磁波通量变化产生的电磁转换。
2. 电容耦合（超高频~微波，远距离）：通过电容回路中电磁波对电容两端电压的电势差产生的充放电，使内部芯片开始工作。

RFID中间件

未解决分布异构问题，提出中间件概念，中间件是位于平台和应用之间的通用服务（即硬件与操作系统），这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和协议规范的多种实现。

特点：

1. 独立于架构：
   介于读写器与与后端应用程序之间，能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接，以减轻架构与维护的复杂性。
2. 数据流：
   将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能，具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，保证信息的准确。
3. 处理流：
   采用程序逻辑及存储再转送的功能来提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。

RFID的频率划分

频率段差不多每十年新增一个，目前定义的RFID产品的工作频率有：

低频：		125KHZ - 134KHZ
高频：		13.56MHZ
超高频：	860MHZ - 915MHZ
微波：		2.4GHZ - 5.0GHZ
等其他频率范围；

根据 r波长 = c 光速 / f 频率：
频率越大 则 波长越长，那么对应的穿透性越强。
又根据 E能量 = h v 得：
频率越大，能量越大，传输距离越远。

由以上结论可得出：不同频率的信号所具有的特性不同，也因此有不同的应用场景。

低频：工作在低频的读写器在全球中没有任何特殊的许可限制，穿透性好，但数据传输速率较慢，价格较贵，距离较短（10mm）
	在畜牧业中应用较多
		低频符合的国家标准：
			ISO 11784、ISO 11785、ISO 14223-1、ISO 14223-2、ISO 18000-2、DIN 30745

高频：没有特殊许可限制，可以穿过大多数材料，感应器一般以电子标签形式且需离开金属一段距离，识别距离10cm左右，具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签，价格较低频的低。
	在图书管理、物流、货架、门禁、通道、三表预收费等系统中应用，是比较常用的频段
		高频符合的国家标准：
			ISO/IEC 14443 近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm
			ISO/IEC 15693 疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m
			ISO/IEC 18000-3 定义了13.56MHZ系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议
			13.56MHZ ISM Band Class 1 定义13.56MHZ符号EPC的接口定义
		
超高频：不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮物颗粒物资，不需要和金属分开来，电子标签的天线一般是长条和标签状。
 天线有线性和圆极化两种设计，有好的读取距离，但对读取区域很难进行定义，有较高的数据传输速率，满足短时间内读取大量电子标签。
 	在供应链、生产线自动化、航空包裹、集装箱、铁路包裹、后勤等的管理和应用。

微波：全球性的2.4GHZ频段，产品具有全球通用性，整体频宽胜于其他ISM频段，提高整体数据传输速率，允许系统共存，2.4GHZ无线电和天线体积相当小，产品体积也更小。
	在船舶管理、煤矿人员定位、动态车辆识别、微型胶囊内窥镜系统中应用

2.4GHZ微波频段除了RFID外，还有ZigBee/IEEE 802.15.4两个无限技术标准：
	ZigBee：是一项新兴的短距离无限通信技术，主要面向低速率无限个人局域网，典型特	征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率
		适用于自动控制以及远程控制领域，满足小型廉价设备的无线联网和控制。
		
	IEEE 802.15.4：WI-FI即无线局域网，工作在2.4GHZ频段，传输速率11Mbit/s，距离100m，采用直接序列扩频的方式，采用WI-FI的主要推动因素是数据吞吐量。
	用于学校、商业等办公区域的无线连接技术，将计算机与本地局域网相连或直接与互联网相连。
			

RFID历史

继承于雷达的概率，1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础，在20世纪中，无限电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。

1941 - 1950：雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。
1951 - 1960：早期RFID技术的探索阶段，主要出于实验室实验研究
1961 - 1970：RFID技术的理论得到了发展，开始一些应用尝试

电子标签的概念

一种存储数据识别资料的装置，可以透过无线电波与读写器直接相互传递资讯，用来回应识别资料给读写器。无须人工干预，可识别高速运动物体并同时识别多个，操作快捷方便。

电子标签的分类：

1. 有源、无源、半源： 有源即需要额外供电（例ETC）；无源即直接由耦合电路传递（例公交卡等）。注：读取距离远的一般都为有源的。
2. 频段的不同：低频、高频、超高频、微波
3. 封装形式：信用卡、线性、纸状、玻璃管、圆形及特殊用途的异形标签等。

电子标签的原理：
射频识别标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发生存储在芯片中的产品信息（无源或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

电子标签的组成：
RFID晶片：包含逻辑控制单元、记忆体和收发器，进行解码、解密和错误检测
天线：用于接收读取器发送的射频资料或传送出本身的识别资料
电力来源：主动式：由标签内部所附电源提供；被动式：由读写器发送出的无线电波提供

电子标签的存储介质：
一般采用EEPROM等非易失存储介质，数据的读写量以block块来描述，并且在某一块区中放有key密码、协议等信息。

RFID低频器件：
电感耦合方式工作，在读写器线圈和感应线圈间存在着变压器耦合作用，通过读写器交变场的作用的感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。磁场区域能够很好被定义，但是场强下降太快。

RFID高频器件：
不再需要线圈进行绕制，可通过腐蚀或者印刷的方式制作天线，感应器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发送变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能从感应器传输到读写器。

RFID超高频器件：
通过电场来传输能量，电场能量下降的不是很快，但是读取的区域不能很好的进行定义。读取距离比较远，无源可达10m左右，通过电容耦合实现。

RFID微波器件：
传输距离可达10m，该频段下工作能获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力。

RFID电子标签的防冲撞机制

对于接触式IC卡不存在冲突，因为其专门的读写器只有一个卡座，只能插一张卡片，而非接触式IC卡则在实际应用中经常出现多张卡同时进入读写器的射频场，读写器需要选出特定的一张卡片进行读或写操作，这就是标签防冲撞。

注意方式有以下几种：

1. 面向比特的防冲突机制
   每个卡片有一个全球唯一的序列号，比如Mifare1卡，每张卡片有一个全球唯一的32位二进制序列号。所以任何两张卡片的序列号总有一位不同，根据每一位的对比识别特定的卡片，一定能识别出唯一一张卡，但序列号较长。
2. 面向时隙的防冲突机制
   读写器指定序号的取值范围。当两张以上的卡片同时进入射频场，读写器向射频场发出卡呼叫命令，命令中指定了时隙的范围，让卡片在这个指定的范围内随机选择一个数作为自己的临时识别号。然后读写器从1开始叫号，若卡片中正好有一个选择了该号，则该卡片被选中，若无则继续向下叫号，直到只叫到一张卡片结束，随机性叫号，识别效率不稳定。
3. 面向比特和时隙结合的防冲突机制
   结合以上两种方式进行优化。

RFID的读写器

又称阅读器或者询问器，是读取和写入电子标签内存信息的设备。RFID读写器通过天线和电子标签进行无线通信，同时读写器还可以和计算机网络进行连接，完成数据的存储和管理。

读写器的组成：
射频模块：射频振荡器、射频处理器、射频接收器、前置放大器
控制处理模块：接收射频模块中接收器经前置放大器处理后的电信号进行数据解码等加工处理，或者控制射频振荡器发送。
天线：有可能裸露出，也有可能集成在内部

读写器的发展趋势：
兼容性的提高、接口多样化、新技术的挖掘、模块化和标准化。

EPC

电子产品编码（Electronic production Coding）
EPC编码体系是新一代的与GTIN兼容的编码标准，是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，是EPC系统的核心与关键。
代码由标头、厂商识别代码、对象分类代码、序列号等数据段组成的一组数字。

RFID潜在的商业利益

1. 提高差异点与竞争优势： 制造商需要快速采用RFID，以便对零售要求作出响应。
2. 提高生产率：使不再需要对库存记录进行手动条形码扫描。
3. 提高供应链的可视性：零售商通过使其货架具有RFID功能，可减少脱销情况。
4. 降低成本：查明制造过程在何处中断，尽量减少召回产品的数量。
5. 最大化资本回报：在医院中随时随地跟踪贵重资产（医疗设备、轮椅等）。
6. 防止盗窃、欺诈和防伪：制药业每年因为伪造药物而损失大约2-7%的利润。RFID通过为每个药品提供ID而消除伪造产品。
7. 减少风险和可能性：畜牧业通过使用RFID跟踪其牲畜，可以尽量减少肉类制品相关疾病爆发的风险。

未来发展方向：
汽车防盗系统、火车班次识别、医疗状况跟踪、图书馆数据管理、固定资产查收、门禁系统、物流及零售领域、食品安全领域、高速公路收费系统等。目前关注点最大的是物流及零售领域、食品安全领域和高速公路ETC。