RFID射頻識別系統

文章轉自傳感器技術，作者：法拉第

物聯網已被確定為中國戰略性新興產業之一，《物聯網「十二五」發展規劃》的出臺，無疑給正在發展的中國物聯網又吹來一股強勁的東風，而RFID技術作為物聯網發展的關鍵技術，其應用市場必將隨著物聯網的發展而擴大。

RFID射頻識別技術

RFID的英文全稱是Radio FrequencyIdentification，射頻識別，又稱電子標籤，無線射頻識別，感應式電子晶片，近接卡、感應卡、非接觸卡、電子條碼。

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工幹預，可工作於各種惡劣環境。

RFID技術可識別高速運動物體並可同時識別多個標籤，操作快捷方便。短距離射頻產品不怕油漬、灰塵汙染等惡劣的環境，可在這樣的環境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用於交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。

RFID系統構架

典型的RFID系統主要由閱讀器、電子標籤、RFID中間件和應用系統軟體4部分構成，一般我們把中間件和應用軟體統稱為應用系統。

FRID的系統結構

在實際RFID解決方案中，RFID系統都包含一些基本組件。組件分為硬體組件和軟體組件。

從功能實現的角度觀察，可將RFID系統分成邊沿系統和軟體系統兩大部分， 邊沿系統主要是完成信息感知，屬於硬體組件部分；軟體系統完成信息的處理和應用；通信設施負責整個RFID系統的信息傳遞。

射頻識別系統基本組成

1、電子標籤

電子標籤（Electronic Tag）也稱也稱應答器或智能標籤（Smart Label），是一個微型的無線收發裝置，主要由內置天線和晶片組成。

2、讀寫器

讀寫器是一個捕捉和處理RFID標籤數據的設備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統之中。讀寫器也是構成RFID系統的重要部件之一，由於它能夠將數據寫到RFID標籤中，因此稱為讀寫器。

讀寫器的硬體部分通常由收發機、微處理器、存儲器、外部傳感器/執行器，報警器的輸入/輸出接口、通信接口及電源等部件組成。

讀寫器組成示意圖

3、控制器

控制器是讀寫器晶片有序工作的指揮中心，主要功能是：

• 與應用系統軟體進行通信；

• 執行從應用系統軟體發來的動作指令；

• 控制與標籤的通信過程；

• 基帶信號的編碼與解碼；

• 執行防碰撞算法；

• 對讀寫器和標籤之間傳送的數據進行加密和解密；

• 進行讀寫器與電子標籤之間的身份認證；

• 對鍵盤、顯示設備等其他外部設備的控制。

其中，最重要的是對讀寫器晶片的控制操作。

4、讀寫器天線

天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的設備，是電路與空間的界面器件，用來實現導行波與自由空間波能量的轉化。在RFID系統中，天線分為電子標籤天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量和發射能量的作用。

RFID系統讀寫器天線的特點是：

1. 足夠小以至於能夠貼到需要的物品上；

2. 有全向或半球覆蓋的方向性；

3. 能夠給標籤的晶片提供最大可能的信號；

4. 無論物品什麼方向，天線的極化都能與讀卡機的詢問信號相匹配；

5. 具有魯棒性；

6. 價格便宜。

   
   

在選擇讀寫器天線時應考慮的主要因素有：

1. 天線的類型；

2. 天線的阻抗；

3. 應用到物品上的RF的性能；

4. 在有其他物品圍繞貼標籤物品時RF的性能。

5、通信設施

通信設施為不同的RFID系統管理提供安全通信連接，是RFID系統的重要組成部分。通信設施包括有線或無線網絡和讀寫器或控制器與計算機連接的串行通信接口。無線網絡可以是個域網（PAN）（如藍牙技術）、區域網（如802.11x、WiFi），也可以是廣域網（如GPRS、3G技術）或衛星通信網絡（如同步軌道衛星L波段的RFID系統）。

RFID系統的基本原理

1、基本原理

從電子標籤到閱讀器之間的通信及能量感應方式來看，系統一般可以分成兩類，即電感耦合（InductiveCoupling）系統和電磁反向散射耦合（Backscatter Coupling）系統。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，發射出去的電磁波碰到目標後反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律。

2、電感耦合型RFID系統

RFID的電感耦合方式對應於ISO/IEC 14443協議。電感耦合電子標籤由一個電子數據載體，通常由單個微晶片及用做天線的大面積的線圈等組成。

電感耦合方式的電子標籤幾乎都是無源工作的，在標籤中的微晶片工作所需的全部能量由閱讀器發送的感應電磁能提供。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，並穿越線圈橫截面和線圈的周圍空間，以使附近的電子標籤產生電磁感應。

電感耦合型RFID系統的工作原理圖

3、電磁反向散射RFID系統

（1）反向散射調製

雷達技術為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發射天線，並被天線接收（因此發射天線也是接收天線），對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標的有關信息。

當電磁波從天線向周圍空間發射時，會遇到不同的目標。到達目標的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發射天線，稱之為回波。在雷達技術中，可用這種反射波測量目標的距離和方位。

對RFID系統來說，可以採用電磁反向散射耦合工作方式，利用電磁波反射完成從電子標籤到閱讀器的數據傳輸。這種工作方式主要應用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統中。

（2）RFID反向散射耦合方式

一個目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。由於目標的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式採用特高頻和超高頻，應答器和讀寫器的距離大於1 m。讀寫器、應答器（電子標籤）和天線構成了一個收發通信系統。

RFID反向散射耦合方式的原理

4、聲表面波標籤的識別原理

（1）聲表面波器件

聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件以壓電效應和與表面彈性相關的低速傳播的聲波為依據。SAW器件的體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較寬，並且可以採用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，製造簡單，重獲得性和設計靈活性高。

聲表面波器件具有廣泛的應用，如通信設備中的濾波器。在RFID應用中，聲表面波應答器的工作頻率目前主要為2.45GHz。

聲表面波應答器的基本結構

（2）聲表面波RFID的原理

SAW標籤由叉指換能器和若干反射器組成，換能器的兩條總線與電子標籤的天線相連接。閱讀器的天線周期地發送高頻詢問脈衝，在電子標籤天線的接收範圍內，被接收到的高頻脈衝通過叉指換能器轉變成聲表面波，並在晶體表面傳播。反射器組成對入射表面波部分反射，並返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射脈衝串轉變成高頻電脈衝串。由於聲表面波的傳播速率低，有效的反射脈衝串在經過及微妙的延遲時間後才回到閱讀器。

聲表面波的傳播

（3）聲表面波RFID系統的關鍵技術

1. 標籤編碼容量與作用距離

2. 應答器和讀寫器的配合

3. 應用小型低成本且適合待識別物品的電子標籤天線

4. 封裝

由於標籤附著的物品和使用環境千差萬別，所以其封裝結構各有特色，它們都必須達到以下幾個要求。

1. 保證壓電晶片在工作壽命期間能耐受外部環境應力及其變化，不造成性能惡化。

2. 至少不能影響或極少影響標籤天線的高頻電磁波接收效果。

3. 固定於待識別物的方法簡單、附著牢靠，不明顯損傷該物品。

4. 外型美觀，對於待識別物和諧，並滿足安全和保護環境等要求。

（4）聲表面波RFID的優點

由於SAW器件本身工作在射頻波段，無源且抗電磁幹擾能力強，所以SAW技術實現的電子標籤具有一定的獨特優勢，是對集成電路（IC）技術的補充。

聲表面波RFID的主要特點有：

1. 讀取範圍大且可靠，可達數米；

2. 可使用在金屬和液體產品上；

3. 標籤晶片與天線的匹配簡單，製作工藝成本低；

4. 不僅能識別靜止的物體，而且能識別速度達300km/h的高速運動物體。

5. 可在高溫差（-100℃～300℃）、強電磁幹擾等惡劣環境下使用。

RFID技術的優缺點

1、優點：

• RFID晶片與RFID讀卡器對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性。

  
  

• 信息的讀取上並不受晶片尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質，而且，RFID標籤正往小型化與多樣形態發展，以應用於不同產品。

  
  

• RFID技術識別相比傳統智能晶片更精確，識別的距離更靈活。可以做到穿透性和無屏障閱讀。

  
  

• RFID晶片標籤可以重複地新增、修改、刪除內部儲存的數據，方便信息的更新。

  
  

• 內部數據內容經由密碼保護，使其內容不易被偽造及變造。

  
  

• RFID晶片數據容量很大，而且隨著技術發展，容量還有增大的趨勢。

  
  

2、缺點：

• 技術成熟度不夠。RFID技術出現時間較短，在技術上還不是非常成熟。由於超高頻RFID電子標籤具有反向反射性特點，使得其在金屬、液體等商品中應用比較困難。

  
  

• 成本高。RFID電子標籤相對於普通條碼標籤價格較高，為普通條碼標籤的幾十倍，如果使用量大的話，就會造成成本太高，在很大程度上降低了市場使用RFID技術的積極性。

  
  

• 安全性不夠強。RFID技術面臨的安全性問題主要表現為RFID電子標籤信息被非法讀取和惡意篡改。

  
  

• 技術標準不統一。RFID技術目前還沒有形成統一的標準，而且市場上多種標準並存，致使不同企業產品的RFID標籤互不兼容，進而在一定程度上造成RFID技術的應用的混亂。

RFID技術的發展現狀和前景

隨著RFID設備成本的不斷降低，標準的逐步統一，數字信息技術在各行業的深入廣泛應用，規模應用行業的擴大，RFID技術將會有更廣闊的發展前景，其潛在的價值將會發揮出來，RFID 技術產業將逐步壯大與成熟。

1、射頻識別的發展歷史

RFID技術誕生於二戰期間，最早被英國皇家空軍用於識別自家和盟軍的戰機。英國為了識別返航的飛機，就在盟軍的飛機上裝備了一個無線電收發器，進而當控制塔上的探詢器向返航的飛機發射一個詢問信號後，飛機上的收發器接收到這個信號後，回傳一個信號給探詢器，探詢器根據接收到的回傳信號來識別敵我。這是有記錄的第一個RFID敵我識別系統，也是第一個RFID的第一次實際應用。

之後，RFID技術也被陸續應用於野生動物跟蹤，公路收費系統等領域。20世紀90年代以後，隨著集成電路製造和信息技術的飛速發展，RFID技術日趨成熟，其成本也越來越低，開始逐漸引起人們的關注。

2、射頻識別的發展前景

RFID射頻識別技術已經逐步發展成為獨立跨學科的專業領域。RFID射頻識別技術將大量的來自完全不同的專業領域的技術（例如，高頻技術、電磁兼容技術、半導體技術、數據保護和密碼學技術、電信技術、製造技術等）綜合起來。

近十多年來，RFID射頻識別技術得到了快速發展，逐步被廣泛應用於工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應用領域。而隨著技術進步，基於RFID射頻識別技術產品的種類將越來越豐富，應用也將越來越廣泛，可預計，在今後的幾年中，RFID射頻識別技術將持續保持高速發展的勢頭。

總體而言，RFID射頻識別技術當前發展趨於標準化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。

• 標準化

  行業標準以及相關產品標準還不統一，電子標籤迄今為止全球也還沒有正式形成一個統一的(包括各個頻段)國際標準。

  
  

• 低成本

  目前美國一個電子標籤最低的價格是20美分左右，這樣的價格是無法應用於某些價值較低的單件商品，只有電子標籤的單價下降到10美分以下，才可能大規模應用於整箱整包的商品。

  
  

• 低差錯率

  雖然在RFID電子標籤的單項技術上已經趨於成熟，但總體上產品技術還不夠成熟，還存在較高的差錯率(RFID被誤讀的比率有時高達20％)，在集成應用中也還需要攻克大量的技術難題。

  
  

• 高安全性

  當前廣泛使用的無源RFID系統還沒有非常可靠的安全機制，無法對數據進行很好的保密，RFID數據還容易受到攻擊，主要是因為RFID晶片本身，以及晶片在讀或者寫數據的過程中都很容易被黑客所利用。

RFID技術的應用領域

• 門禁管制：人員出入門禁監控管理

  
  

• 動物監控：畜牧動物管理、寵物識別、野生動物生態的追蹤

  
  

• 交通運輸：高速公路的收費系統

  
  

• 物流管理：航空運輸的行李識別，存貨、物流運輸管理

  
  

• 自動控制：汽車、家電、電子業之分類、組裝生產線管理

  
  

• 醫療應用：醫院的病歷系統、儀器儀表設備管理

  
  

• 物料管控：工廠物料的自動化盤點及控制系統

  
  

• 質量追蹤：成品質量追蹤、回饋

  
  

• 資源回收：棧板、可回收容器等管理

  
  

• 防盜應用：超市、圖書館或書店的防盜管理

  
  

• 防仿假冒：名牌菸酒及貴重物品的打假防偽

  
  

• 廢物處理：垃圾回收處理、廢棄物管控系統

  
  

• 聯合票證：多種用途的智能型儲值卡、一卡通等

  
  

• 危險物品：軍械槍枝、雷管炸藥管制

RFID將構建虛擬世界與物理世界的橋梁。可以預見，在不久的將來，RFID技術不僅會在各行各業被廣泛採用，最終RFID技術將會與普適計算技術相融合，對人類社會產生深遠影響。

作為全球的製造業基地，中國將是未來全球最大的RFID應用市場。這對於國內的科研機構和企業將是一次難得的機遇。

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