如何選擇合適頻率設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng) - 全文

　　射頻識(shí)別（radio frequency identification，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID）是一種將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子數(shù)據(jù)載體（如集成電路）上，并通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)以無(wú)線方式進(jìn)行應(yīng)答器 / 標(biāo)簽（Transponder/Tag）和詢(xún)問(wèn)器 /讀寫(xiě)器（Interrogator/Reader）之間雙向通信，從而達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)的新興技術(shù)該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別;具有抗惡劣環(huán)境、高準(zhǔn)確性、安全性、靈活性和可擴(kuò)展性等諸多優(yōu)點(diǎn);便于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關(guān)注。

　　因此，RFID 被公認(rèn)為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的10項(xiàng)技術(shù)之一。

　　1.前言

　　RFID 系統(tǒng)實(shí)事上已經(jīng)存在和發(fā)展了幾十年，從供電狀態(tài)來(lái)看可以分為“有源”和“無(wú)源”兩大類(lèi);從工作頻率來(lái)看，可以分為低頻（125KHz~135KHz），高頻（13.56MHz），超高頻，微波（2.45GHz，5.8GHz）等幾大類(lèi)。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件價(jià)格差別是巨大的，而系統(tǒng)本身的特性也各不相同，系統(tǒng)的成熟度也有所不同。很多問(wèn)題，甚至連業(yè)內(nèi)人員也不能輕易給出一個(gè)明確的解答因此用戶(hù)在選擇射頻識(shí)別技術(shù)的時(shí)候常常覺(jué)得無(wú)所適從。筆者結(jié)合自身的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在參考了相關(guān)的應(yīng)用資料和技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，力圖通過(guò)本文給讀者一個(gè)較為全面和客觀的認(rèn)識(shí)，希望能夠給用戶(hù)在選擇合適頻率的射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí)提供一些幫助。

　　2 不同頻段 RFID 技術(shù)特性簡(jiǎn)述

　　2.1 低頻（Low Frequency） ：

　　使用的頻段范圍為 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常見(jiàn)的主要規(guī)格有125KHz、135KHz 等。一般這個(gè)頻段的電子標(biāo)簽都是被動(dòng)式的，通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。低頻的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其標(biāo)簽靠近金屬或液體的物品上時(shí)標(biāo)簽受到的影響較小，同時(shí)低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是讀取距離短、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多標(biāo)簽讀取（ 抗沖突） 以及信息量較低，一般的存儲(chǔ)容量在 128 位到 512 位。主要應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、動(dòng)物芯片、汽車(chē)防盜器和玩具等。雖然低頻系統(tǒng)成熟，讀寫(xiě)設(shè)備價(jià)格低廉，但是由于其諧振頻率低，標(biāo)簽需要制作電感值很大的繞線電感，并常常需要封裝片外諧振電容，其標(biāo)簽的成本反而比其他頻段高。

　　2.2 高頻（High Frequency）：

　　使用的頻段范圍為 1MHz~400MHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格為 13.156MHz這個(gè) ISM 頻段。這個(gè)頻段的標(biāo)簽還是以被動(dòng)式為主，也是通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)頻段中最大的應(yīng)用就是我們所熟知的非接觸式智能卡。和低頻相較，其傳輸速度較快，通常在100kbps 以上，且可進(jìn)行多標(biāo)簽辨識(shí)（各個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都有成熟的抗沖突機(jī)制）。

　　該頻段的系統(tǒng)得益于非接觸式智能卡的應(yīng)用和普及，系統(tǒng)也比較成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格較低。產(chǎn)品最豐富，存儲(chǔ)容量從 128 位到8K 以上字節(jié)都有，而且可以支持很高的安全特性，從最簡(jiǎn)單的寫(xiě)鎖定，到流加密，甚至是加密協(xié)處理器都有集成。一般應(yīng)用于身份識(shí)別、圖書(shū)館管理、產(chǎn)品管理等。安全性要求較高的RFID 應(yīng)用，目前該頻段是唯一選擇。

　　2.3 超高頻（Ultra High Frequency）：

　　使用的頻段范圍為 400MHz~1GHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格有 433MHz、868~950MHz。這個(gè)頻段通過(guò)電磁波方式進(jìn)行能量和信息的傳輸。主動(dòng)式和被動(dòng)式的應(yīng)用在這個(gè)頻段都很常見(jiàn)，被動(dòng)式標(biāo)簽讀取距離約3 ~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達(dá)到100kbps 左右，而且因?yàn)?a target="_blank">天線可采用蝕刻或印刷的方式制造，因此成本相對(duì)較低。由于讀取距離較遠(yuǎn)、信息傳輸速率較快，而且可以同時(shí)進(jìn)行大數(shù)量標(biāo)簽的讀取與辨識(shí)，因此特別適用于物流和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域。但是，這個(gè)頻段的缺點(diǎn)是在金屬與液體的物品上的應(yīng)用較不理想同時(shí)系統(tǒng)還不成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，應(yīng)用和維護(hù)的成本也很高。此外，該頻段的安全性特性一般，不適合安全性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2.4 微波（Microwave）：

　　使用的頻段范圍為 1GHz 以上，常見(jiàn)的規(guī)格有 2.45GHz、5.8GHz。微波頻段的特性與應(yīng)用和超高頻段相似，讀取距離約為 2 公尺，但是對(duì)于環(huán)境的敏感性較高。由于其頻率高于超高頻，標(biāo)簽的尺寸可以做得比超高頻更小，但水對(duì)該頻段信號(hào)的衰減較超高頻更高，同時(shí)工作距離也比超高頻更小。

　　一般應(yīng)用于行李追蹤、物品管理、供應(yīng)鏈管理…等。

　　2.5 根據(jù)應(yīng)用選擇合適頻段的射頻識(shí)別技術(shù)

　　前一部分中，我們已經(jīng)簡(jiǎn)要介紹了各個(gè)頻段的射頻識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)。這一部分中我們將重點(diǎn)說(shuō)明如何來(lái)選擇合適的射頻識(shí)別技術(shù)。

　　第一，一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的成本，包含硬件成本、軟件成本和集成成本等。而硬件成本不僅僅包括讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的成本，還包括安裝成本。很多時(shí)候，應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理軟件和集成是整個(gè)應(yīng)用的主要成本。如果從成本出發(fā)考慮，一定要根據(jù)系統(tǒng)的整體成本進(jìn)行，而不僅僅局限于硬件，如標(biāo)簽的價(jià)格。這里，我們不進(jìn)一步討論和分析這部分的問(wèn)題，但讀者需要對(duì)此有一個(gè)了解和認(rèn)識(shí)。下面我們主要討論從技術(shù)層面來(lái)看，如何選擇合適的頻段。

　　第二，我們知道，即使是在同一個(gè)頻段內(nèi)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。因?yàn)橥ㄐ啪嚯x通常依賴(lài)于天線設(shè)計(jì)、讀寫(xiě)器輸出功率、標(biāo)簽芯片功耗和讀寫(xiě)器接收靈敏度等等。我們不能夠簡(jiǎn)單地認(rèn)為某一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。

　　第三，雖然理想的射頻識(shí)別系統(tǒng)是長(zhǎng)工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現(xiàn)實(shí)的情況下這種理想的射頻系統(tǒng)是不存在的，高的數(shù)據(jù)傳輸率只能在相對(duì)較近的距離下實(shí)現(xiàn)。反之，如果要提高通信距離，就需要降低數(shù)據(jù)傳輸率。所以我們?nèi)绻x用通信距離遠(yuǎn)的射頻識(shí)別技術(shù)，就必須犧牲通信速率。選擇頻段的過(guò)程常常是一種折中的過(guò)程。

　　第四，除了考慮通信距離以外，在我們選擇一個(gè)射頻系統(tǒng)時(shí)，通常還要考慮存儲(chǔ)器容量、安全特性等因素。根據(jù)這些應(yīng)用需求，才能夠確定適合的射頻識(shí)別頻段和解決方案。從現(xiàn)有的解決方案來(lái)看，超高頻和微波射頻識(shí)別系統(tǒng)的操作距離最大（可以達(dá)到 3 到 1 0 米），并具有較快的通信速率，但是為了降低標(biāo)簽芯片的功耗和復(fù)雜度，并不實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全機(jī)制，僅限于寫(xiě)鎖定和密碼保護(hù)等簡(jiǎn)單安全機(jī)制。

　　而且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴(yán)重，所以對(duì)于跟蹤動(dòng)物（體內(nèi)含超過(guò) 50% 的水）、含有液體的藥品等是不合適的。低頻和高頻系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離較小，通常不超過(guò)一米。高頻頻段為技術(shù)成熟的非接觸式智能卡采用，非接觸式智能卡能夠支持大的存儲(chǔ)器容量和復(fù)雜的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接觸式智能卡的工作距離一般在10cm 左右。高頻頻段中的 ISO15693 規(guī)范通過(guò)降低通信速率使通信距離加大，通過(guò)大尺寸天線和大功率讀寫(xiě)器，工作距離可以達(dá)到 1 米以上。低頻頻段由于載波頻率低，比高頻13.56MHz 低 100 倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支持多標(biāo)簽的讀取。

　　3 案例分析

　　3.1 動(dòng)物跟蹤管理

　　動(dòng)物跟蹤和管理傳統(tǒng)上是采用低頻頻段的射頻識(shí)別技術(shù)，并且有國(guó)際規(guī)范規(guī)范編碼及空間信號(hào)接口，相應(yīng)的國(guó)際規(guī)范分別為ISO11784 和 ISO11785。由于高頻和低頻的射頻識(shí)別技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在國(guó)際上關(guān)于動(dòng)物跟蹤管理的頻段也存在著爭(zhēng)論。

　　支持采用低頻技術(shù)方案的理由主要有：

　?。?）事實(shí)上存在的國(guó)際規(guī)范，兼容性要求。

　?。?）如果采用單天線的解決方案，通常低頻系統(tǒng)比高頻系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離要大 20% 到 30%。因?yàn)榈皖l系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率低，所以標(biāo)簽芯片的功耗可以做到微瓦以下。

　?。?）雖然低頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率低，但是鑒于其信號(hào)的強(qiáng)壯性，在實(shí)際應(yīng)用中讀取效率并不低。

　?。?）低頻系統(tǒng)可以穿透動(dòng)物組織，是植入式的電子標(biāo)簽唯一的頻率選擇。

　　而支持高頻技術(shù)方案的理由主要有：

　　（1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11784 的動(dòng)物編碼方式完全可以實(shí)現(xiàn)在高頻和超高頻頻段的解決方案中，在應(yīng)用和系統(tǒng)的層面看來(lái)并不存在區(qū)別。

　　（2）由于頻率差異，低頻標(biāo)簽需要繞制繞線電感來(lái)構(gòu)成標(biāo)簽天線，制作標(biāo)簽的成本要高于高頻標(biāo)簽。高頻標(biāo)簽對(duì)于信用卡大小的尺寸來(lái)說(shuō)，通常只須繞制 3 圈左右，而且可以采用低成本的印刷工藝。高頻標(biāo)簽的整體成本更低。這一點(diǎn)是公認(rèn)的事實(shí)。

　?。?）如果實(shí)現(xiàn)合理，高頻系統(tǒng)也能夠取得和低頻系統(tǒng)相當(dāng)?shù)淖x寫(xiě)距離。而且高頻讀寫(xiě)器可以通過(guò)門(mén)式天線來(lái)控制作用范圍，利于準(zhǔn)確而快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

　?。?）完備的抗沖突機(jī)制，可以快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)讀取。效率和準(zhǔn)確性都要高于采用低頻手持機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　（5）高頻的頻率使用已經(jīng)成為全球統(tǒng)一的規(guī)范，采用高頻系統(tǒng)在世界各地都不會(huì)面臨兼容問(wèn)題。

　　編者更加支持在生豬等不需植入 RFID 的動(dòng)物跟蹤管理中采用高頻的技術(shù)方案。主要原因是基于系統(tǒng)的成本考慮。我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格和利潤(rùn)空間都非常低，在生豬等動(dòng)物跟蹤管理中硬件的消耗成本主要來(lái)自于標(biāo)簽。從降低這部分成本出發(fā)應(yīng)該采用高頻技術(shù)。

　　同時(shí)，考慮到生豬養(yǎng)殖等生產(chǎn)單位通常不具備寬帶連接電子標(biāo)簽上有可能不僅僅存放一個(gè)標(biāo)號(hào)信息，也可能存放一定的相關(guān)數(shù)據(jù)。而高頻解決方案中常見(jiàn)的存儲(chǔ)空間可以達(dá)到1k 位以上。其次，目前我國(guó)主要的 RFID基礎(chǔ)設(shè)施是基于高頻技術(shù)的，采用兼容的技術(shù)系統(tǒng)在安裝成本和可靠性等方面都是有優(yōu)勢(shì)的。

　　高頻技術(shù)從芯片、標(biāo)簽封裝、讀寫(xiě)機(jī)具、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)來(lái)看，我國(guó)擁有上百家供應(yīng)商，這一點(diǎn)是低頻技術(shù)不能比擬的。另外，在生豬管理等應(yīng)用中，并不需要植入式的電子標(biāo)簽，可以采用動(dòng)物耳標(biāo)的形式。當(dāng)然，在動(dòng)物跟蹤管理中采用高頻技術(shù)方案和傳統(tǒng)的高頻射頻系統(tǒng)還是有所不同的，需要在降低環(huán)境對(duì)操作距離的影響、專(zhuān)用讀寫(xiě)設(shè)備開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展研發(fā)工作，使得高頻的技術(shù)在操作距離和可靠性方面達(dá)到系統(tǒng)要求。

　　3.2 藥品管理

　　即使到2006年的今天，專(zhuān)家仍然認(rèn)為在消費(fèi)品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)物品級(jí)的跟蹤管理還是一個(gè)需要 3 到 5 年才有可能達(dá)到的目標(biāo)。但是，相對(duì)價(jià)值較高的藥品采用射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)單品管理已經(jīng)是正在發(fā)生的現(xiàn)實(shí)了。美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）要求在2007 年實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品的單品全流程跟蹤和管理，實(shí)現(xiàn)從原料到家庭藥箱的全程管理。

　　對(duì)于藥品管理的單品管理而言，目前看來(lái)采用高頻技術(shù)更具有綜合優(yōu)勢(shì)，具體為：

　?。?）高頻和超高頻都是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的傳遞的，超高頻是通過(guò)電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行能量和信號(hào)的傳遞的，系統(tǒng)一般工作在遠(yuǎn)場(chǎng)，對(duì)于相距很近的單個(gè)物品，標(biāo)簽的失諧會(huì)造成標(biāo)簽（物品）的漏讀。而高頻系統(tǒng)是工作在近場(chǎng)范圍內(nèi)的（即電磁場(chǎng)仍然是束縛在系統(tǒng)內(nèi)部的，并沒(méi)有形成電磁波發(fā)射出去）能量和信號(hào)是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)簽?zāi)軌驕?zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別（當(dāng)然，作用距離僅僅在 1 米以?xún)?nèi)），有更好地抗電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）能力。

　　（2）液體和金屬的影響。高頻信號(hào)較超高頻而言在水中的衰減小，更適合用在含有液體的容器上，而藥品中有相當(dāng)一部分是液體形態(tài)的。

　　（3）存儲(chǔ)容量，高頻標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到 8K 字節(jié)，因此可以在標(biāo)簽上存儲(chǔ)更多信息而實(shí)現(xiàn)一“移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)”而不僅僅是一個(gè)電子號(hào)碼。這在目前的超高頻解決方案上還沒(méi)有如此大容量的電子標(biāo)簽。

　?。?）高頻 13.56MHz 為國(guó)際通用的 ISM 頻段，沒(méi)有兼容性問(wèn)題。而超高頻到目前為止全球還不是所有的地區(qū)都有相應(yīng)的射頻識(shí)別標(biāo)簽頻段可以使用。我國(guó)的超高頻頻段就在制定過(guò)程中。

　　4 總結(jié)

　　綜上所述，各個(gè)頻段的RFID 技術(shù)各有自身的特點(diǎn)。即使是在同一個(gè)頻段內(nèi)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。我們不能夠簡(jiǎn)單地認(rèn)為某一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。而在實(shí)際選擇射頻系統(tǒng)時(shí)，需要考慮一個(gè)RFID 系統(tǒng)的整體成本，以及存儲(chǔ)器容量、安全特性等因素，根據(jù)這些來(lái)綜合選擇合適的RFID 頻段。