浅析RFID技术

 

RFID基本概念

RFID是英文"Radio Frequency Identification"的缩写，中文称为无线射频身份识别、感应式电子芯片或是近接卡、感应卡、非接触卡…等等，是非接触式自动识别技术的一种。RFID技术是一种无接触自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。
　　射频识别系统一般由两个部分组成，即电子标签和阅读器。应用中，电子标签附着在待识别的物品上，阅读器用于当附着电子标签的待识别物品通过其读出范围时，自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。

RFID系统构成

RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。

(1)电子标签
　　电子标签是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成(最新提出的无芯片射频标签以及声表面波SAW标签未来可能会有较大的发展，目前还处在产品萌芽初期)。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Active tag)和无源电子标签(Passive tag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。对于有源电子标签来说，根据标签内装电池供电情况不同又可细分为有源电子标签(Active tag)和半无源电子标签(Semi—passive tag)。
　　有源电子标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通讯所需的射频能量。
　　半无源射频标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的标签电路供电。标签未进人工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达10年有效；当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射频信号激励，进人工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供应的射频能量为主(反射调制方式)，标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。
　　无源电子标签没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出　范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。
　　(2)阅读器
　　典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS232、RS485、以太网接口等)，以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。
电子标签与阅读器构成的射频识别系统归根到底是为应用服务的，应用的需求可能是多种多样，各不相同的。阅读器与应用系统之间的接口API(Application Programm In-terface)通常用一组可由应用系统开发工具(如VC++，VB，PB等)调用的标准接口函数
来表示。标准接口函数的功能大致包括以下四个方面。
　　1)应用系统根据需要可能向阅读器发出阅读器配置命令。
　　2)阅读器向应用系统可能返回的所有可能的阅读器当前的配置状态。
　　3)应用系统向阅读器可能发送的各种命令。
　　4)阅读器向应用系统可能返回的所有可能命令的执行结果。
完善的射频识别技术标准也包括阅读器与应用程序之间的标准接口规定。例如：ANSI NCITS256—2001，IS018000系列射频识别国际标准等均对阅读器与应用程序接口API做出了明确规定 

RFID工作原理

  射频识别系统的基本模型如图8—1所示。其中，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，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。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(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。

(1) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如图所示。

 

(2) 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律

 

(3) 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。

(4) 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m

RFID之特性

(一) 数据的读写（Read Write）机能：
　　只要通过RFID Reader即可不需接触，直接读取讯息至数据库内，且可一次处理多个标签，并可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理断之用。
　　(二) 容易小型化和多样化的形状：
　　RFID在读取上并不受尺寸大小与形状之限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID TAG更可往小型化与应用在不同产品。
　　(三) 耐环境性：纸张一受到脏污就会看不到，但RFID对水、油和药品等物质却有强力的抗污性。RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。
　　(四) 可重复使用：
　　由于RFID为电子数据，可以反复被覆写，因此可以回收标签重复使用。如被动式RFID，不需要电池就可以使用，没有维护保养的需要。
　 (五) 穿透性：
　　RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包覆的话，也可以进行穿透性通讯。不过如果是铁质金属的话，就无法进行通讯。
　　(六) 数据的记忆容量大：
　　数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的资料量愈来愈大，对卷标所能扩充容量的需求也增加，对此RFID不会受到限制。 

RFID发展历程

　RFID技术实现的基础是利用电磁能量实现AIDC，电磁能量是自然界存在的一种能量形式。
　　(1)人们对电磁能的认识
　　追溯历史，公元前中国先民即发现并开始利用天然磁石，并用磁石制成指南车。到了近世，越来越多的人对电、磁、光进行深入的观察及数学基础研究，其中的佼佼者是美国人本杰明?富兰克林。1846年英国科学家米歇尔?法拉弟发现了光波与电波均属于电磁能量。1864年苏格兰科学家詹姆士?克拉克?麦克斯韦尔发表了他的电磁场理论。1887年，德国科学家亨瑞士?鲁道夫?赫兹证实了麦克斯韦尔的电磁场理论并演示了电磁波以光速传播并可以被反射，具有类似光的极化特性，赫兹的实验不久也被俄国科学家亚力山大?波普重复。1896年马克尼成功地实现了横越大西洋的越洋电报，由此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。更进一步，在1922年，诞生了雷达(Radar)。作为一种识别敌方空间飞行物(飞机)的有效兵器，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得了极大的发展。至今，雷达技术还在不断发展，人们正在研制各种用途的高性能雷达。
　　(2)RFID技术的发展
　　RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。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。
　　1)RFID技术发展的历程表。在20世纪中，无线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。RFID技术的发展可按10年期划分如下：
1941～1950年。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年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。
　　1961—1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。
　　1971—1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。
　　1981～1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。
　　1991～2000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。
　　2001—今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、
无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。
　　RFID技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。
　　2)RFID技术国内外发展状况。RFID技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。
　　其中，低频近距离RFID系统主要集中在125kHz、13．56MHz系统；高频远距离RFID
　　系统主要集中在UHF频段(902MHz—928MHz)915MHz、2．45GHz、5．8GHz。UHF频段的远距离RFID系统在北美得到了很好的发展；欧洲的应用则以有源2．45GHz系统得到了较多的应用。5．8GHz系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源RFID系统。
　　在RFID技术发展的前10年中，有关RFID技术的国际标准的研讨空前热烈，国际标 准化组织ISO／IEC联合技术委员会JTCl下的SC31下级委员会成立了RFID标准化研究 工作组WG4。尤其是在1999年10月1日正式成立的，由美国麻省理工学院MIT发起的 Auto—ID Center非盈利性组织在规范RFID应用方面所发挥的作用将越来越明显。Auto —ID Center在对RFID理论、技术及应用研究的基础上，所作出的主要贡献如下：
　　a.提出产品电子代码EPC(Electronic Product Code)概念及其格式规划。为减化电子标签芯片功能设计，降低电子标签成本，扩大RFID应用领域奠定了基础。
　　B.提出了实物互联网的概念及构架，为EPC进入互联网搭建了桥梁。
　　C.建立了开放性的国际自动识别技术应用公用技术研究平台，为推动低成本的RFID标签和读写器的标准化研究开创了条件。
　　我国在RFID技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。比较典型的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动识别系统。
　　中国铁路车号自动识别系统研究正式起步阶段可追溯到国家／k2／~计划。铁道部曾将货车自动抄车号项目列为八五重点攻关技术研究课题。在20世纪90年代中期，国内有多家研究机构参与了该项技术的研究，探索了多种实现方案，最终确定了RFID技术为解决货车自动抄车号的最佳方案。进而，在RFID实现技术方面又探索了有源标签方案、无源标签倍频方案等。最后选定了无源标签RFID方案。经过多年的现场运行考验，铁路车号自动识别系统工程于1999年全面投入建设。经过两年左右的建设与试运行，目前铁路车号自动识别系统工程已发挥出了系统设计功能，圆了铁路人的梦想，并且其辐射与渗透到其他应用方面的作用日渐明显。在近距离RFID应用方面，许多城市已经实现了公交射频卡作为预付费电子车票应用，预付费电子饭卡等。

在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与国外RFID先进技术之间的差距主要体现在RFID芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计及开发方面，国内已有多个成功的低频RFID系统标签芯片面市 

RFID的工作频率及应用范围

射频识别系统的工作频率主要有125kHz、13.56MHz、869MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。其中125kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域.13.56MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域,其识别距离较近,一般为几厘米（ISO14443标准）到几十厘米（ISO15693标准），采用特殊制作的天线最大识别距离为1.5米左右。在UHF频段（869MHz和902～928MHz），系统的识别距离远，可从几米到几十米。UHF频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。2.45GHz系统被动式系统（无源标签）一般可提供1米左右的识别距离，主动式系统（有源标签）也可以达到十几米的识别距离。5.8GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。

频段系列	典型频段	应用领域	产品特点
≤135KHz系列	低频：100～500KH	产品丰富，广泛用于动物识别、进出控 制、物品追踪等管理。本频段的使用在 大多数国家一般不受控制。	中短距识别、阅读 速度慢、产品价格 低廉。
1.95～8.2MHz系列		电子物品监视，多用于零售业或物品防 盗领域。
13MHz系列	中频：10～15 MHz	可用于小区物业管理、 大厦门禁系统、 电子物品监视及ISM （工业、科学和医 疗行业）等。	中短距识别、中速 阅读、产品价格较 廉。
27MHz系列		应用于工业、科学和医疗行业。
27MHz系列 430～460MHz系列		应用于工业、科学和医疗行业。
902～926MHz系列	高频：850 MHz～ 5.8 GHz	GSM移动电话网、铁路车辆识别、集装 箱识别等。 部分地区用于公路车辆识 别管理与自动收费系统。	长距识别、高速阅 读、产品价格较 贵。
2350～2450MHz系列		应用于工业、科研和医药行业。
5800～6800MHz系列		非管制频段，其中5.8G在部分国家已定 为智能交通系统用频段（如公路车辆管 理与自动收费系统）。

 

 

转载于:https://www.cnblogs.com/lgg228/archive/2008/08/22/1273986.html