射频识别技术

RFID 技术允许非接触式的信息传输(很像我们熟悉的条形码) ，使其在生产环境和其他条形码标签无法生存的恶劣环境中有效。看看它是如何工作的，有什么优点和缺点。
无线射频识别技术(RFID)是利用电磁或静电耦合在射频识别电磁波谱的射频部分，以唯一地识别物体、动物或人。由于能够跟踪移动物体，它已经在包括牲畜识别和自动车辆识别在内的广泛市场上确立了自己的地位。这项技术也已成为全世界自动数据收集、识别和分析系统的主要组成部分。

射频识别技术的体系结构与工作原理

RFID 系统由三部分组成: 收发器(通常与读写器结合在一起)、某种数据处理设备(如计算机)和应答器(标签)。典型的 RFID 系统如图1所示。

图1: 射频识别系统的结构和工作原理
射频识别标签，通常称为应答器，在射频识别系统中既充当发射机又充当接收机。RFID 标签的三个基本组成部分是天线、微芯片(存储器)和封装材料。

在一个典型的系统中，标记被附加到对象上。每个标签都有一定数量的内部存储器(EEPROM) ，其中存储有关对象的信息，如其唯一的 ID (序列)号，或者在某些情况下存储更多的细节，包括生产日期和产品组成。
当这些标记通过读取器生成的字段时，它们将这些信息传递回读取器，从而识别对象。天线利用无线电频率波来传输信号，从而激活应答器。当激活时，标签将数据传输回天线。这些数据被用来通知可编程序控制器应该采取行动。操作可以简单到打开一个访问门，也可以复杂到连接到一个数据库来进行货币交易。
低频(30-500千赫)射频识别系统的传输距离较短(一般少于1.8米)。高频(850-950兆赫及2.4-2.5吉赫)射频识别系统的传输距离较长(超过27米)。一般来说，频率越高，系统就越昂贵。RFID 有时被称为专用短距离通信。

有两种类型的 RFID 标签

只读标记和读写标记。在只读标签中，微芯片或内存在制造过程中只写一次。这些信息以及只读标记上的序列号永远不能更改。在读写标签中，在制造过程中只写序列号。剩下的块可以由用户重写。
直到最近，RFID 技术的焦点主要集中在标签和阅读器上，这些技术被应用于数据量相对较少的系统中。现在这种情况正在改变，因为供应链中的 RFID 预计会产生大量的数据，这些数据将不得不被过滤和路由到后端 IT 系统。为了解决这个问题，公司开发了一种特殊的软件包，称为“学者”，它充当 RFID 前端和 IT 后端之间的缓冲器。学者等同于 IT 行业中的中间件。

射频识别阅读器

RFID 阅读器是用来从 RFID 标签发送和接收信息的设备。它也被称为“审问者”。它包括能够读取附近 RFID 标签的传感器。读取器向标记发送一个信息请求。标签用各自的信息进行响应，然后读取器将这些信息转发给数据处理设备。标签和阅读器通过无线电频道相互通信。在某些系统中，读者和计算机之间的连接是无线的。
配套基础设施。支持基础设施包括 RFID 系统所需的相关软件和硬件。该软件管理 RFID 阅读器和 RFID 标签之间的交互。

通信协议

阅读器和标签之间的通信过程是由几个协议中的一个来管理和控制的，例如 ISO 15693和 ISO 18000-3标准用于 HF，ISO 18000-6标准和 EPC 18000-6标准用于 UHF。基本上，当阅读器打开时，它开始在选定的频带发射信号(特别是860-915兆赫兹的 UHF 或13.56兆赫兹的 HF)。任何相应的标签在附近的读取器将检测到信号，并使用能源从它唤醒和提供操作电源到其内部电路。一旦标记将信号编码为有效，它就回

防撞

如果有很多标签，它们都会同时回复。在阅读器端，这被看作是信号碰撞和多个标记的指示。阅读器通过使用防碰撞算法来管理这个问题，该算法允许对标记进行排序和单独选择。有许多不同类型的算法(二叉树、 aloha 等)被定义为协议标准的一部分。
可识别的标签数量取决于使用的频率和协议，通常从 HF 的50个标签/s 到 UHF 的200个标签/s 不等。一旦选择了标记，读取器就能够执行一些操作，例如读取标记。这个过程在防碰撞算法的控制下继续，直到所有的标签都被选中。

电感耦合射频识别标签

这些最初的标签是由金属线圈、天线和玻璃组成的复杂系统。电感耦合 RFID 标签由 RFID 阅读器产生的磁场驱动。电流有一个电子元件和一个磁性元件，即，它是电磁的。“感应耦合”这个名称来源于导线中电流感应的磁场。

射频识别标签的优点

1. RFID 标签坚固耐用，可以在恶劣的温度和环境下工作。即使在恶劣的条件下，RFID 系统也能以非常高的速度工作。
2. RFID 标签有不同的形状、大小、类型和材料。只读标记上的信息不能更改或复制。读写标签可以重复使用。RFID 标签的读取总是没有任何错误。
3. 标签和阅读器之间不需要直接的物理接触，射频技术用于通信。
4. 可以同时读取多个 RFID 标签。射频识别标签可以一次读取10到100个标签。阅读标签是自动的，不需要劳动。
5. RFID 系统可以识别和跟踪唯一的项目，不像条形码系统只识别制造商和产品类型。
6. 整个射频识别系统非常可靠，可以使用射频识别标签作保安用途。
7. RFID 标签的存储容量比其他任何自动识别和跟踪系统都要大。

射频识别标签的缺点

1. 与其他自动识别系统相比，RFID 系统成本较高。如果 RFID 系统是针对特定应用而设计的，那么成本还会进一步增加。
2. 与条形码系统相比，标签的大小和重量更大。电子元件，如天线，存储器和标签的其他部分使他们笨重。
3. 虽然标签在恶劣的环境下工作，但是当某些类型的标签与某些金属或液体密切接触时，它们发出的信号就会受到影响。读取这样的标记变得困难，有时数据读取是错误的。
4. 没有办法追踪损坏的标签，并用完好无损的标签替换。
5. 虽然标签不需要视线通信，但是只能在指定的范围内读取它们。

电容耦合标签

这些标签是为了降低技术成本而设计的。这些是一次性标签，可以应用于较便宜的商品，并作出一样普遍的条形码。电容耦合标签使用导电碳墨水代替金属线圈来传输数据。墨水印在纸张标签上，由读者扫描。

摩托罗拉的 BiStatix RFID 标签

他们是这项技术的领跑者。他们使用了一个只有3毫米宽的硅芯片来存储96位的信息。这项技术并没有在零售商中流行起来，BiStatix 在2001年被关闭。
电感耦合和电容耦合的 RFID 标签由于价格昂贵且体积庞大而不像现在那样普遍使用。RFID 行业的新创新包括主动、半主动和被动 RFID 标签。这些标签可以存储多达2千字节的数据，由微芯片、天线以及在有源和半无源标签情况下的电池组成。该标签的组件封装在塑料，硅或有时玻璃。表 i 给出了不同频率被动标记的性能概述。

主动标签和被动标签

在考虑标签时，第一个基本的选择是在被动、半被动和主动之间。使用超高频频带可以从4至5米的距离读取无源标签，而其他类型的标签(半无源和有源)可以实现更远的通信距离，半无源可达100米，有源可达数公里。沟通绩效的巨大差异可以用以下原因来解释:

1. 被动式标签使用读取器字段作为芯片的能量来源以及与读取器之间的通信。来自读取器领域的可用电力不仅随着距离迅速减少，而且还受到严格规定的控制，导致在使用 UHF 频段(860-930兆赫)时通信距离有限，只有4-5米。
2. 半无源(电池辅助后向散射)标签有内置电池，因此不需要读取器的能量来驱动芯片。这使得它们可以在低得多的信号功率水平下工作，从而使得它们的距离可以达到100米。距离是有限的，主要是因为标签没有一个集成的发射机，还必须使用读写器领域通信回到读写器。主动式标签是一种电池供电的设备，内置一个主动式发射器。与无源标签不同，这些标签产生射频能量，并将其应用于无线天线。这种自主从读者意味着他们可以沟通距离超过几公里。
3. HF 和 UHF 最适合于供应链。超高频，由于其优越的读取范围，将成为主导频率。低频和微波在某些情况下不能使用

标签的集成电路

RFID 标签集成电路的设计和制造使用一些最先进和最小的几何硅工艺可用。结果是令人印象深刻的，当你考虑到超高频标签芯片的大小约为0.3 mm2。
就计算能力而言，RFID 标签非常笨拙，只包含能够解码简单指令的基本逻辑和状态机。这并不意味着它们的设计很简单。事实上，非常现实的挑战存在，如实现非常低的功耗，管理噪音射频信号和保持在严格的发射规则。
其他重要电路允许芯片从阅读器信号区域传输电力，并通过整流器将其转换成电源电压。芯片时钟通常也是从读取器信号中提取出来的。

图3: HF (13.56 MHz)标签示例

图4: UHF (860-930MHz)标签示例
标签上存储的数据量取决于芯片的规格，可以从大约96位的简单标识号到包含32 kbit 的产品更多信息。然而，更大的数据容量和存储(内存大小)导致更大的芯片尺寸，因此更昂贵的标签。
1999年，总部设在美国麻省理工学院的 AUTO-ID 中心(现为 EPC Global)与一些大公司共同提出了一种称为电子产品代码(EPC)的唯一电子识别码的想法。EPC 在概念上类似于今天条形码中使用的通用产品代码。

图5: 基本标签集成电路结构
如果只有256位的简单代码，芯片尺寸就会变小，标签成本也会降低，这被认为是 RFID 在供应链中被广泛采用的关键因素。存储 ID 号码的标签通常被称为车牌标签。

标签的类别

对 RFID 标签进行分类的主要方法之一是根据其读写数据的能力。这导致了以下四类:

0类(只读，工厂编程)

这些是最简单的标签类型，其中的数据(通常是简单的 ID 号码(EPC))在制造期间只写入标签一次。然后禁用任何进一步更新的内存。类0还用于定义一类称为电子物品监视或防盗设备的标签，这类标签没有 ID，只有通过天线场时才会显示它们的存在。

第1类(只写一次的只读、工厂或用户编程)

在这种情况下，制造标记时没有将数据写入内存。然后可以由标记制造商或用户一次性写入数据。在此之后，不允许进一步的写操作，并且只能读取标记。这种类型的标记通常充当简单的标识符。

第2类(读-写)

这些是最灵活的标记类型，用户可以访问标记内存中的读写数据。它们通常用作数据记录器，因此所包含的内存空间要大于一个简单的 ID 号所需的内存空间。

第3类(带有车载传感器的读写)

这些标签包含板载传感器，通过写入标签的内存来记录温度、压力和运动等参数。由于传感器读数必须在没有阅读器的情况下进行，标签要么是半被动式，要么是主动式。

第4类(带集成发射机的读写)

这些就像微型无线电设备，可以与其他标签和设备通信，而不需要阅读器。这意味着，他们是完全活跃与自己的电池电源。

如何选择标记

为一个特定的 RFID 应用选择正确的标签是一个重要的考虑因素，并且应该考虑以下列出的许多因素:

1. 大小和形状因素ーー标签必须放在哪里？
2. 标签之间的距离有多近？
3. 耐用性ーー标签是否需要有一个强有力的外部保护，以防止经常的磨损？
4. 标记可重用吗？
5. 耐恶劣(腐蚀性、潮湿等)环境
6. 极化ー标签在阅读器领域的方向
7. 暴露于不同的温度范围
8. 通讯距离
9. 金属和液体等材料的影响
10. 环境(电气噪声、其他无线电设备和设备)
11. 工作频率(低频、高频或超高频)
12. 支持通信标准和协议(ISO，EPC)
13. 区域(美国、欧洲和亚洲)规例
14. 标记是否需要存储比 EPC 这样的 ID 号更多的内容？
15. 防碰撞ー场中有多少标签必须同时检测到，检测速度有多快？
16. 标签在阅读器字段中的移动速度有多快？
17. 读者支持ー哪些读者产品能够读取标签？
18. 标签需要安全吗？
    

图6: 阅读器和标签之间能量和信息传递的两种不同方式

标签是如何沟通的

为了接收能量并与阅读器通信，被动式标签使用图6所示的下列两种方法之一。这些技术包括近场技术和远场技术，前者使用标签的电感耦合与读取器天线周围循环的磁场(如变压器)相结合，后者使用类似于雷达的技术(后向散射反射)与电场耦合。
近场通常用于低频和高频频段的 RFID 系统，远场则用于远距离读取 UHF 和微波 RFID 系统。两个场之间的理论边界取决于使用的频率，并且事实上与 l/2p 成正比，其中“ l”是波长。例如，高频系统约为3.5米，超高频约为5厘米，如果考虑到其他因素，这两者都会进一步减小。

图7: 不同天线结构的 HF 标签定向

标签方向(极化)

如何放置标签方面的读者的领域偏振可以有一个重大影响的通信距离，为 HF 和超高频标签。这可能导致操作范围减少50% ，如果标签移位90 ° (见图7) ，则无法读取标签。
HF 标签的最佳方向是当两个天线线圈(读出器和标签)彼此平行时，如图7所示。超高频标签甚至更敏感的极化，由于方向性的偶极子场。极化的问题可以在很大程度上通过在阅读器或标签上实现的不同技术来克服，如表四所示。

未来

射频识别技术的发展继续产生更大的内存容量，更广泛的阅读范围和更快的处理。然而，这项技术最终取代条形码的可能性很小。即使原材料不可避免地减少，加上规模经济，RF 标签中的集成电路永远不会像条形码标签那样具有成本效益。尽管如此，在条形码和其他光学技术无效的领域，如化学容器和畜牧业，RFID 仍将继续发展。

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