射頻識別(RFID)技術(shù)的基本原理、特性、發(fā)展和應(yīng)用

何謂射頻識別

隨著高科技的蓬勃發(fā)展，智能化管理已經(jīng)走進了人們的社會生活，一些門禁卡、第二代身份證、公交卡、超市的物品標(biāo)簽等，這些卡片正在改變?nèi)藗兊纳罘绞?。其實秘密就在這些卡片都使用了射頻識別技術(shù)，可以說射頻識別已成為人們?nèi)粘Ｉ钪凶詈唵蔚纳矸葑R別系統(tǒng)。RFID技術(shù)帶來的經(jīng)濟效益已經(jīng)開始呈現(xiàn)在世人面前。RFID 是結(jié)合了無線電、芯片制造及計算機等學(xué)科的新技術(shù)。

1.射頻識別的定義

射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它利用射頻信號及其空間耦合的傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物品的自動識別。射頻識別常稱為感應(yīng)式電子芯片或近接卡，感應(yīng)卡，非接觸卡、電子標(biāo)簽、電子條碼等。

一個簡單的RFID 系統(tǒng)由閱讀器(Reader)應(yīng)答器(Transponder)或電子標(biāo)簽(Taq)組成，其原理是由讀寫器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動應(yīng)答器電路，讀取應(yīng)答器內(nèi)部的ID碼。應(yīng)答器其形式有卡、紐扣、標(biāo)簽等多種類型，電子標(biāo)簽具有免用電池、免接觸、不怕臟污，且芯片密碼為世界唯一無法復(fù)制，具有安全性高、壽命長等特點。所以，RFID標(biāo)簽可以貼在或安裝在不同物品上由安裝在不同地理位置的讀寫器讀取存儲于標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對物品的自動識別。

RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動物芯片、汽車芯片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理、校園一卡通等。

2.射頻識別技術(shù)的發(fā)展

RFID 技術(shù)起源干第二次世界大戰(zhàn)時期的飛機器達探測技術(shù)。雷達應(yīng)用電磁能量在空間的傳播實現(xiàn)對物體的識別。"二戰(zhàn)"期間，英軍為了區(qū)別盟軍和德軍的飛機，在盟軍的飛機上裝備了一個無線電收發(fā)器。戰(zhàn)斗中控制塔上的探詢器向空中的飛機發(fā)射一個詢問信號，當(dāng)飛機上的收發(fā)器接收到這個信號后，回傳一個信號給探詢器，探詢器根據(jù)接收到的回傳信號來識別是否己方飛機。這一技術(shù)至今還在商業(yè)和私人航空控制系統(tǒng)中使用。雷達的改進和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)。

1945年，LeonTheremin發(fā)明了第一個基于REID技術(shù)的間諜用裝置。1948年 HarrvStockman發(fā)表的論文利用反射功率的通信"莫定了射頻識別的理論基礎(chǔ)。Harry stockman同時預(yù)言，在能量反射通信中還有許多問題需要解決，在開辟RFID的實際應(yīng)用領(lǐng)域之前，還要做相當(dāng)多的研究和開發(fā)工作。

20世紀(jì)50年代是RFID技術(shù)研究和應(yīng)用的探索階段，遠距離信號轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)明擴大了敵我識別系統(tǒng)的識別范圍。D.B.Harris提出了信號模式化的理論及被動標(biāo)簽的概念。直到20世紀(jì)70年代，RFID技術(shù)終于走出實驗室進入了應(yīng)用階段。很快，RFID技術(shù)與產(chǎn)品得到了很大的發(fā)展，各種測試技術(shù)加速發(fā)展，出現(xiàn)了早期的規(guī)?；瘧?yīng)用。

20 世紀(jì)80年代以來，集成電路、微處理器等技術(shù)的發(fā)展加速了RFID的發(fā)展，各種規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展起來，封閉系統(tǒng)應(yīng)用開始成形。

在1991年，美國奧克拉荷馬州出現(xiàn)了世界上第一個開放式公路自動收費系統(tǒng)。而近幾年來，隨著自動收費、門禁、身份卡片等的應(yīng)用，RFID技術(shù)已經(jīng)走入了人們的生活。

RFID技術(shù)的發(fā)展可按10年期劃分如下。

1941-1950年:雷達的改進和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)，1948年奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ);

1951-1960年:早期RFID技術(shù)的探索階段，主要處于實驗室實驗研究;

1961-1970年:RFID技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開始了一些應(yīng)用嘗試;

1971-1980年:RFID技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個大發(fā)展的時期，各種RFID技術(shù)測試的到加速，出現(xiàn)了一些最早的RFID 應(yīng)用;

1981-1990年:RFID技術(shù)及產(chǎn)品進入商業(yè)應(yīng)用階段，各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn);

1991-2000年RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨得到重視，RFID產(chǎn)品得到廣泛采用，RFID產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分;

2001年以后，標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨為人們所重視，RFID產(chǎn)品種類更加豐富，有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽及半無源電子標(biāo)簽均得到發(fā)展，電子標(biāo)簽成本不斷降低，規(guī)模應(yīng)用行業(yè)擴大，RFID技術(shù)的理論得到豐富和完善，單芯片電子標(biāo)簽、多電子標(biāo)簽識讀、無線可讀可寫、無源電子標(biāo)簽的遠距離識別、適應(yīng)高速移動物體的RFID正在成為現(xiàn)實。

在我國RFID市場的發(fā)展中，政府相關(guān)應(yīng)用占據(jù)了REID應(yīng)用領(lǐng)域中最大的份額。第二代身價證是近年我國RFID市場規(guī)模得以迅速擴大的重要原因之一。除了身價證，政府在城市交通、鐵路、網(wǎng)吧、危險物品管理等方面都推動了RFID的應(yīng)用，主要利用RFID讀取的方便性和安全性。政府的推動不僅拓展了我國RFID 市場，同時也帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有助于發(fā)展配套環(huán)節(jié)、完善產(chǎn)業(yè)鏈，為RFID的進一步發(fā)展提供條件。

在跟蹤發(fā)達國家RFID技術(shù)的同時，自主創(chuàng)新也在如火如荼地進行中。有多家企業(yè)瞄準(zhǔn)了標(biāo)簽讀寫器和電子標(biāo)簽產(chǎn)品，在讀寫器和電子標(biāo)簽產(chǎn)品系列化，多樣化方面取得了顯著成里，在標(biāo)簽生產(chǎn)方面，初步形成以生產(chǎn)標(biāo)簽芯片的廠家為龍頭，以標(biāo)簽天線設(shè)計，芯片與天線封裝制作為主體的行業(yè)隊伍。RFID技術(shù)的應(yīng)用只是在某些領(lǐng)域中比較成熟，還需要在更多領(lǐng)域中開展研究，開拓更廣闊的應(yīng)用。

3.射頻識別技術(shù)特點

RFID技術(shù)的主要特點是通過電磁耦合方式來傳送識別信息，不受空間限制，可快速地進行物體跟蹤和數(shù)據(jù)交換。由于RFID 需要利用無線電頻率資源，必須遵守?zé)o線電頻率管理的諸多規(guī)范。具體來說，與同期或早期的接觸式識別技術(shù)相比較，RFID還具有如下一些特點。

(1)數(shù)據(jù)的讀寫功能。只要通過RFID讀寫器，不需要接觸即可直接讀取射頻卡內(nèi)的數(shù)據(jù)信息到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，且一次可處理多個標(biāo)簽，也可以將處理的數(shù)據(jù)狀態(tài)寫入電子標(biāo)簽。

(2)電子標(biāo)簽的小型化和多樣化。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀之限制，不需要為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。此外，RFID電子標(biāo)簽更可向小型化發(fā)展，便于嵌入到不同物品內(nèi)。因此，可以更加靈活地控制物品的生產(chǎn)和控制，特別是在生產(chǎn)線上的應(yīng)用。

(3)耐環(huán)境性。RFID最突出的特點是可以非接觸讀寫(讀寫距離可以從十厘米至幾十米)可識別高速運動物體，抗惡劣環(huán)境，且對水、油和藥品等物質(zhì)具有強力的抗污性。RFID可以在黑暗或臟污的環(huán)境之中讀取數(shù)據(jù)。

(4)可重復(fù)使用。由于RFID為電子數(shù)據(jù)，可以反復(fù)讀寫，因此可以回收標(biāo)簽重復(fù)使用，提高利用率，降低電子污染。

(5)穿透性。RFID即便是被紙張、木材和塑料等非金屬、非透明材質(zhì)包覆，也可以進行穿透性通信。但是它不能穿過鐵質(zhì)等金屬物體進行通信。

(6)數(shù)據(jù)的記憶容量大。數(shù)據(jù)容量會隨著記憶規(guī)格的發(fā)展而擴大，未來物品所需攜帶的數(shù)據(jù)量會愈來愈大，對卷標(biāo)所能擴充容量的需求也會增加，對此RFID將不會受到限制。

(7)系統(tǒng)安全性。將產(chǎn)品數(shù)據(jù)從中央計算機中轉(zhuǎn)存到標(biāo)簽上將為系統(tǒng)提供安全保障，大大地提高系統(tǒng)的安全性。射頻標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的存儲可以通過校驗或循環(huán)冗余校驗的方法來得到保證。

4.系統(tǒng)組成和工作原理

本文簡單介紹了RFID系統(tǒng)的組成和工作原理。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成:

1.標(biāo)簽(Tag，即射頻卡):由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進行通信。

2.閱讀器:讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備。

3.天線:在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。

有些系統(tǒng)還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計算機(上位機主系統(tǒng))連接進行數(shù)據(jù)交換。

5.系統(tǒng)的基本工作流程

閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理:主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法看根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設(shè)計構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括:產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量;對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡:接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統(tǒng)的高頻接口設(shè)計具有一些差異。

閱讀器的控制單元的功能包括:與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令;控制與射頻卡的通信過程(主-從原則);信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法，對射頻卡與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能。

射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。目前，長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的O值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的。與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點和具有防沖突功能，能同時處理多張卡片。在國外，射頻識別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

不同頻段的 RFID 產(chǎn)品會有不同的特性，下面詳細介紹無源的感應(yīng)器在不同工作頻率

產(chǎn)品的特性以及主要的應(yīng)用。

6RFID工作頻率指南和典型應(yīng)用

目前定義RFID 產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和超高頻的頻率范圍內(nèi)的符合不同標(biāo)準(zhǔn)的不同的產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID產(chǎn)品會有不同的特性。其中感應(yīng)器有無源和有源兩種方式，下面詳細介紹無源的感應(yīng)器在不同工作頻率產(chǎn)品的特性以及主要的應(yīng)用。

一、低頻(從125KHz到134KHz)

其實RFID 技術(shù)首先在低頻得到廣泛的應(yīng)用和推廣。該頻率主要是通過電感耦合的方式進行工作，也就是在讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器耦合作用通過讀寫器交變場的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)的電壓被整流，可作供電電壓使用.磁場區(qū)域能夠很好的被定義，但是場強下降得太快。

特性:

1.工作在低頻的感應(yīng)器的一般工作頻率從120KHz到134KHz，TI的工作頻率為

134.2KHz。該頻段的波長大約為2500m.

2.除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。

3.工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制。

4低頻產(chǎn)品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴，但是有10年以上的使用壽命。

5雖然該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域。

6相對于其他頻段的RFID產(chǎn)品，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢。

7感應(yīng)器的價格相對與其他頻段來說要貴。主要應(yīng)用:1畜牧業(yè)的管理系統(tǒng)2汽車防盜和無鑰匙開門系統(tǒng)的應(yīng)用3，馬拉松賽跑系統(tǒng)的應(yīng)用4.自動停車場收費和車輛管理系統(tǒng)5自動加油系統(tǒng)的應(yīng)用

8酒店門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用7門禁和安全管理系統(tǒng)符合的國際標(biāo)準(zhǔn):a)ISO11784 RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用-編碼結(jié)構(gòu)b)ISO11785 RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用-技術(shù)理論C)ISO14223-1RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用-空氣接口d)ISO14223-2RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用-協(xié)議定義e)ISO18000-2定義低頻的物理層、防沖撞和通訊協(xié)議f)DIN 30745主要是歐洲對垃圾管理應(yīng)用定義的標(biāo)準(zhǔn)

二、高頻(工作頻率為13.56MHz)

在該頻率的感應(yīng)器不再需要線圈進行繞制，可以通過腐蝕或者印刷的方式制作天線。感應(yīng)器一般通過負載調(diào)制的方式進行工作。也就是通過感應(yīng)器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)用遠距離感應(yīng)器對天線電壓進行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從感應(yīng)器傳輸?shù)阶x寫器。

工作頻率為13.56MHz，該頻率的波長大概為22m。

2.除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數(shù)的材料，但是往往會降低讀取距離。

3.該頻段在全球都得到認可并沒有特殊的限制。

4.感應(yīng)器一般以電子標(biāo)簽的形式。

5.雖然該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域。

6.該系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標(biāo)簽。

7.可以把某些數(shù)據(jù)信息寫入標(biāo)簽中。

8.數(shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快，價格不是很貴。

主要應(yīng)用:1.圖書管理系統(tǒng)的應(yīng)用 2.萬斯鋼瓶的管理應(yīng)用 3. 服裝生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)的管理和應(yīng)用 4. 三表預(yù)收費系統(tǒng) 5.酒店門鎖的管理和應(yīng)用 6.大型會議人員通道系統(tǒng) 7.固定資產(chǎn)的管理系統(tǒng) 8.醫(yī)藥物流系統(tǒng)的管理和應(yīng)用9.智能貨架的管理

符合的國際標(biāo)準(zhǔn):

a)ISO/IEC14443近耦合IC卡，最大的讀取距離為10cm

b)ISO/IEC15693疏耦合IC卡，最大的讀取距離為1m

C)ISO/IEC 18000-3該標(biāo)準(zhǔn)定義了13.56MHz系統(tǒng)的物理層，防沖撞算法和通訊協(xié)議。

d)13.56MHzISM Band Class1定義13.56MHz符合EPC的接口定義。

三、超高頻(工作頻率為860MHz到960MHz之間)

超高頻系統(tǒng)通過電場來傳輸能量。電場的能量下降的不是很快，但是讀取的區(qū)域不是很好進行定義。該頻段讀取距離比較遠，無源可達10m左右。主要是通過電容耦合的方式進行實現(xiàn)。

1.在該頻段，全球的定義不是很相同-歐洲和部分亞洲定義的頻率為868MHz北美定義的頻段為902到905MHz之間，在日本建議的頻段為950到956之間。該頻段的波長大概為30cm左右。

2.目前，該頻段功率輸出目前統(tǒng)一的定義(美國定義為4W，歐洲定義為500mW)。可能歐洲限制會上升到2W EIRP。

3. 超高頻頻段的電波不能通過許多材料，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物資。相對于高頻的電子標(biāo)簽來說，該頻段的電子標(biāo)簽不需要和金屬分開來。

4.電子標(biāo)簽的天線一般是長條和標(biāo)簽狀。天線有線性和圓極化兩種設(shè)計，滿足不同應(yīng)用的需求。

5.該頻段有好的讀取距離，但是對讀取區(qū)域很難進行定義。

6.有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時間可以讀取大量的電子標(biāo)簽。

主要應(yīng)用:1.供應(yīng)鏈上的管理和應(yīng)用2.生產(chǎn)線自動化的管理和應(yīng)用3.航空包裹的管理和應(yīng)用4.集裝箱的管理和應(yīng)用5鐵路包裹的管理和應(yīng)用6.后勤管理系統(tǒng)的應(yīng)用

a)ISO/IEC18000-6定義了超高頻的物理層和通訊協(xié)議;空氣接口定義了TypeA和TypeB兩部分;支持可讀和可寫操作。

b)EPCglobal定義了電子物品編碼的結(jié)構(gòu)和甚高頻的空氣接口以及通訊的協(xié)議。例如:Class Class 1UHF Gen2。

c)UbiquitousID日本的組織，定義了UID編碼結(jié)構(gòu)和通信管理協(xié)議。

在將來，超高頻的產(chǎn)品會得到大量的應(yīng)用。例如 WalMartTesco，美國國防部和麥德龍超市都會在它們的供應(yīng)鏈上應(yīng)用RFID技術(shù)。

有源RFID技術(shù)(2.45GHz、5.8G)

有源RFID具備低發(fā)射功率、通信距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大，可靠性高和兼容性好等特點。與無源RFID相比,在技術(shù)上的優(yōu)勢非常明顯。被廣泛地應(yīng)用到公路收費、港口貨運管理等應(yīng)用中。

射頻識別作為一種新型的自動識別技術(shù)，在中國擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

射頻識別技術(shù)(RFID，Radio FrequencyIdentification)實際上是自動識別技術(shù)(AEIAutomatic EquipmentIdentification)在無線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用與發(fā)展。該項技術(shù)的基本思想是，通過采用一些先進的技術(shù)手段，實現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備(人員、物品)在不同狀態(tài)(移動、靜止或惡劣環(huán)境)下的自動識別和管理。

審核編輯：湯梓紅