RFID系统中的频段特点及主要应用领域

RFID系统中的频段特点及主要应用领域

对一个RFID系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，直接决定系统应用的各方面特性。在RFID系统中，系统工作就像我们平时收听调频广播一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。 射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。RFID应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段。典型的工作频率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。 按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频(125KHz)、高频(13.54MHz）、超高频（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。 低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。 中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会造成理解上的混乱。为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。中频标签由于可方便地做成卡状，广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、小区物业管理、大厦门禁系统等。 超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。 以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功的产品相对集中在902MHz～928MHz工作频段上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。微波射频标签的数据存储容量一般限定在2Kbits以内，再大的存储容量似乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1Kbits、128Bits、64Bits等。由Auto-ID Center制定的产品电子代码EPC的容量为90Bits。微波射频标签的典型应用包括移动车辆识别、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、医疗科研等行业。 不同频率的标签有不同的特点，例如，低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，例如水果等；超高频作用范围广，传送数据速度快，但是比较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，适用于监测港口、仓储等物流领域的物品；而高频标签属中短距识别，读写速度也居中，产品价格也相对便宜，比如应用在电子票证一卡通上。 目前，不同的国家对于相同波段，使用的频率也不尽相同。欧洲使用的超高频是868MHz，美国则是915MHz。日本目前不允许将超高频用到射频技术中。 目前在实际应用中，比较常用的是13.56MHz、860MHz～960MHz、2.45GHz等频段。近距离RFID系统主要使用125KHz、13.56MHz等LF和HF频段，技术最为成熟；远距离RFID系统主要使用433MHz、860MHz～960MHz等UHF频段，以及2.45GHz、5.8GHz等微波频段，目前还多在测试当中，没有大规模应用。 我国在LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟，HF频段方面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693标准的RFID芯片，并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等项目中。 小资料 海峡两岸RFID相关专利分析 在RFID系统研究与实践过程中，必然会遇到知识产权问题。一方面，相应的专利与知识产权体现出当前的研究水平，为实践提供参考与借鉴；另一方面，通过对相关专利与知识产权的分析，可以为进一步的研究提供新的方向与思路。这里仅以海峡两岸RFID相关专利为例加以说明。 海峡两岸RFID相关专利数量较多，涉及到RFID系统链上的各个环节，我们取1996年截止到2004年6月这段期间两岸的专利情况来分析RFID的发展，并指出从专利层面所体现出的有待着重发展和解决的问题。 台湾RFID相关专利检索 台湾方面在1996年到2004年6月这段期间共有相关专利28项，涉及到标签、读写器、天线、系统布置的方法信息处理、网络应用及系统应用等方面（如图1所示）。 其中，读写器类占6项，标签类——包括其生产、制造、封装、应用设计以及发明占12项，天线类1项，系统方法类占2项，RFID系统应用类5项，防碰撞2项。 大陆RFID相关专利 大陆方面在1996年到2004年6月这段期间有相关专利106项，涉及到标签、读写器、天线、信息处理、网络应用和信息处理及系统应用等方面（如图2所示）。 其中，读写器类占18项，标签类（包括其生产、制造、封装、应用设计以及发明）占53项，天线类6项，RFID系统应用及方法类占18项，防碰撞2项，大陆在网络应用及信息处理方面有9项专利。 现状分析及探究 通过分析知道，大陆和台湾RFID的相关专利主要集中在标签的设计、制造封装等方面，其次就是读写器类包括其电路设计及一些应用RFID的闭环系统，或一些简单应用；而对RFID应用链上的软件部分，比如结合网络的信息处理，大规模范围的开环应用及一些关键问题如防碰撞问题，与条形码的兼容性问题等方面则鲜有专利。即使RFID的应用专利也大体上都是RFID的简单应用例子，没有在一个大的系统上形成体系。或者说在RFID的整个后台处理、数据库管理、编码规则、调度问题等方面鲜有相关的知识产权及专利申请，另外在RFID应用的测试策略方面知识产权相对也较少。而这对于实现RFID更广泛应用是非常关键的。今后我们的研究方向可以结合大的系统应用提出整套方案及框架，同时研究有效的基于网络的后台信息处理系统的构建。另外RFID技术实际应用中的一些关键问题也是我们应该共同研究攻关的方向，比如防碰撞问题、电磁兼容问题等等。