無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（RFID）
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現在，RFID是AIDC領(lǐng)域最熱門(mén)的技術(shù)，盡管這種技術(shù)已經(jīng)存在發(fā)展了許多年了，但它只有在從本領(lǐng)域眾多的發(fā)明技術(shù)中總結規劃出一個(gè)技術(shù)標準以后才能得到快速的切實(shí)的應用，ISO和AIM（AUTO-ID MANUFACTURES）正在進(jìn)行這方面的工作，相信不久的將來(lái)，RFID會(huì )得到很快的發(fā)展。
1、RFID系統的組成
RFID系統在具體的應用過(guò)程中，根據不同的應用目的和應用環(huán)境，系統的組成會(huì )有所不同，但從RFID系統的工作原理來(lái)看，系統一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線(xiàn)幾部分組成。下面分別加以說(shuō)明：
1）、信號發(fā)射機
在RFID 系統中，信號發(fā)射機為了不同的應用目的，會(huì )以不同的形式存在，典型的形式是標簽（TAG）。標簽相當于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來(lái)存儲需要識別傳輸的信息，另外，與條碼不同的是，標簽必須能夠自動(dòng)或在外力的作用下，把存儲的信息主動(dòng)發(fā)射出去。標簽一般是帶有線(xiàn)圈、天線(xiàn)、存儲器與控制系統的低電集成電路。典型的標簽結構如上圖所示：按照不同的分類(lèi)標準，標簽有許多不同的分類(lèi)。
?。?）、主動(dòng)式標簽、被動(dòng)式標簽
在實(shí)際應用中，必須給標簽供電它才能工作，雖然它的電能消耗是非常低的（一般是百萬(wàn)分之一毫瓦級別）。按照標簽獲取電能的方式不同，可以把標簽分成主動(dòng)式標簽與被動(dòng)式標簽。主動(dòng)式標簽內部自帶電池進(jìn)行供電，它的電能充足，工作可靠性高，信號傳送的距離遠。另外，主動(dòng)式標簽可以通過(guò)設計電池的不同壽命對標簽的使用時(shí)間或使用次數進(jìn)行限制，它可以用在需要限制數據傳輸量或者使用數據有限制的地方，比如，一年內，標簽只允許讀寫(xiě)有限次。主動(dòng)式標簽的缺點(diǎn)主要是標簽的使用壽命受到限制，而且隨著(zhù)標簽內電池電力的消耗，數據傳輸的距離會(huì )越來(lái)越小，影響系統的正常工作。
被動(dòng)式標簽內部不帶電池，要靠外界提供能量才能正常工作。被動(dòng)式標簽典型的產(chǎn)生電能的裝置是天線(xiàn)與線(xiàn)圈，當標簽進(jìn)入系統的工作區域，天線(xiàn)接收到特定的電磁波，線(xiàn)圈就會(huì )產(chǎn)生感應電流，在經(jīng)過(guò)整流電路給標簽供電。被動(dòng)式標簽具有永久的使用期，常常用在標簽信息需要每天讀寫(xiě)或頻繁讀寫(xiě)多次的地方，而且被動(dòng)式標簽支持長(cháng)時(shí)間的數據傳輸和永久性的數據存儲。被動(dòng)式標簽的缺點(diǎn)主要是數據傳輸的距離要比主動(dòng)式標簽小。因為被動(dòng)式標簽依靠外部的電磁感應而供電，它的電能就比較弱，數據傳輸的距離和信號強度就受到限制，需要敏感性比較高的信號接收器（閱讀器）才能可靠識讀。
?。?） 只讀標簽與可讀可寫(xiě)標簽
根據內部使用存儲器類(lèi)型的不同，標簽可以分成只讀標簽與可讀可寫(xiě)標簽。只讀標簽內部只有只讀存儲器ROM（READ ONLY MEMORY）和隨機存儲器RAM （RANDOM ACCESS MEMORY）。ROM用于存儲發(fā)射器操作系統說(shuō)明和安全性要求較高的數據，它與內部的處理器或邏輯處理單元完成內部的操作控制功能，如響應延遲時(shí)間控制，數據流控制，電源開(kāi)關(guān)控制等。另外，只讀標簽的ROM中還存儲有標簽的標識信息。這些信息可以在標簽制造過(guò)程中由制造商寫(xiě)入ROM中，也可以在標簽開(kāi)始使用時(shí)由使用者根據特定的應用目的寫(xiě)入特殊的編碼信息。這種信息可以只簡(jiǎn)單地代表二進(jìn)制中的“0”或者“1”，也可以象二維條碼那樣，包含復雜的相當豐富的信息。但這種信息只能是一次寫(xiě)入，多次讀出。只讀標簽中的RAM用于存儲標簽反應和數據傳輸過(guò)程中臨時(shí)產(chǎn)生的數據。另外，只讀標簽中除了ROM和ROM外，一般還有緩沖存儲器，用于暫時(shí)存儲調制后等待天線(xiàn)發(fā)送的信息。
可讀可寫(xiě)標簽內部的存儲器除了ROM、RAM和緩沖存儲器之外，還有非活動(dòng)可編程記憶存儲器。這種存儲器除了存儲數據功能外，還具有在適當的條件下允許多次寫(xiě)入數據的功能。非活動(dòng)可編程記憶存儲器有許多種，EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲器）是比較常見(jiàn)的一種，這種存儲器在加電的情況下，可以實(shí)現對原有數據的擦除以及數據的重新寫(xiě)入。
?。?） 標識標簽與便攜式數據文件
根據標簽中存儲器數據存儲能力的不同，可以把標簽分成僅用于標識目的的標識標簽與便攜式數據文件兩種。對于標識標簽來(lái)說(shuō)，一個(gè)數字或者多個(gè)數字字母字符串存儲在標簽中，為了識別的目的或者是進(jìn)入信息管理系統中數據庫的鑰匙（KEY）。條碼技術(shù)中標準碼制的號碼，如EAN/UPC碼，或者混合編碼，或者標簽使用者按照特別的方法編的號碼，都可以存儲在標識標簽中。標識標簽中存儲的只是標識號碼，用于對特定的標識項目，如人、物、地點(diǎn)進(jìn)行標識，關(guān)于被標識項目的詳細的特定的信息，只能在與系統相連接的數據庫中進(jìn)行查找。
顧名思義，便攜式數據文件就是說(shuō)標簽中存儲的數據非常大，足可以看作是一個(gè)數據文件。這種標簽一般都是用戶(hù)可編程的，標簽中除了存儲標識碼外，還存儲有大量的被標識項目其它的相關(guān)信息，如包裝說(shuō)明，工藝過(guò)程說(shuō)明等等。在實(shí)際應用中，關(guān)于被標識項目的所有的信息都是存儲在標簽中的，讀標簽就可以得到關(guān)于被標識項目的所有信息，而不用再連接到數據庫進(jìn)行信息讀取。另外，隨著(zhù)標簽存儲能力的提高，可以提供組織數據的能力，在讀標簽的過(guò)程中，可以根據特定的應用目的控制數據的讀出，實(shí)現在不同的情況下讀出的數據部分不同。
2）信號接收機
在RFID系統中，信號接收機一般叫做閱讀器。根據支持的標簽類(lèi)型不同與完成的功能不同，閱讀器的復雜程度是顯著(zhù)不同的。閱讀器基本的功能就是提供與標簽進(jìn)行數據傳輸的途徑。另外，閱讀器還提供相當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標簽中除了存儲需要傳輸的信息外，還必須含有一定的附加信息，如錯誤校驗信息等。識別數據信息和附加信息按照一定的結構編制在一起，并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過(guò)接收到的附加信息來(lái)控制數據流的發(fā)送。一旦到達閱讀器的信息被正確的接收和譯解后，閱讀器通過(guò)特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次，或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號，這就是“命令響應協(xié)議”。使用這種協(xié)議，即便在很短的時(shí)間、很小的空間閱讀多個(gè)標簽，也可以有效地防止“欺騙問(wèn)題”的產(chǎn)生。
3） 編程器
只有可讀可寫(xiě)標簽系統才需要編程器。編程器是向標簽寫(xiě)入數據的裝置。編程器寫(xiě)入數據一般來(lái)說(shuō)是離線(xiàn)（OFF-LINE）完成的，也就是預先在標簽中寫(xiě)入數據，等到開(kāi)始應用時(shí)直接把標簽黏附在被標識項目上。也有一些RFID應用系統，寫(xiě)數據是在線(xiàn)（ON-LINE）完成的，尤其是在生產(chǎn)環(huán)境中作為交互式便攜數據文件來(lái)處理時(shí)。
4） 天線(xiàn)
天線(xiàn)是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發(fā)射、接收裝置。在實(shí)際應用中，除了系統功率，天線(xiàn)的形狀和相對位置也會(huì )影響數據的發(fā)射和接收，需要專(zhuān)業(yè)人員對系統的天線(xiàn)進(jìn)行設計、安裝。
2、無(wú)線(xiàn)數據通信（RFDC）
標簽與閱讀器之間的數據傳輸是通過(guò)空氣介質(zhì)以無(wú)線(xiàn)電波的形式進(jìn)行的。一般地，我們可以用兩個(gè)參數衡量數據在空氣介質(zhì)中的傳播，數據傳輸的速度和數據傳輸的距離。由于標簽的體積、電能有限，從標簽中發(fā)出的無(wú)線(xiàn)信號是非常弱的，信號傳輸的速度與傳輸的距離就很有限。為了實(shí)現數據高速、遠距離地傳輸，必須把數據信號疊加在一個(gè)規則變化的信號比較強的電波上，這個(gè)過(guò)程叫調制，規則變化的電波叫載波。在RFID系統中，載波電波一般由閱讀器或編程器發(fā)出。有多種方法可以實(shí)現數據在載波上的調制，如用數據信息改變載波的波幅叫調幅；改變載波的頻率叫調頻；改變載波的相位叫調相等等。一般來(lái)說(shuō)，使用的載波頻率越高，數據能夠傳輸的速度越快，例如，2.4GHZ頻率的載波，可以實(shí)現2Mbps（相當于每秒可以傳輸大約200萬(wàn)個(gè)字符）。但是，不能無(wú)限地提高載波頻率以提高信息傳輸速度，因為，無(wú)線(xiàn)電波頻率的選用是受到政府管制的，各個(gè)國家一般都對不同頻率的無(wú)線(xiàn)電波規定了不同的應用目的，RFID技術(shù)無(wú)線(xiàn)電波的選擇也必須遵守這種規定。目前，國內一般采用通信頻率為2.4GHz擴頻技術(shù)進(jìn)行通信。這是因為在我國2.4G-2.4835GHz 的頻段是無(wú)需向國家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )申請使用許可證的公用頻段。過(guò)去，商業(yè)的無(wú)線(xiàn)數據傳輸一般采用窄帶傳輸，即使用比較單一的載波頻率傳輸數據?，F在，商業(yè)領(lǐng)域廣泛使用擴頻技術(shù)傳輸無(wú)線(xiàn)數據，即使用有一定范圍的頻率傳輸數據，這就有了帶寬的概念，帶寬就是通信中使用的最高的載波頻率與最低的載波頻率之差。使用寬帶頻率傳輸數據最明顯的優(yōu)勢是數據傳輸的速度進(jìn)一步加快，而且可靠性更高，因為當一個(gè)頻率的載波線(xiàn)路繁忙或出現故障時(shí)，信息可以通過(guò)別的頻率載波線(xiàn)路傳輸。實(shí)際商用寬帶傳輸數據技術(shù)又可以分為兩種：即直接序列擴頻技術(shù)（Direct Sequence
Spread Spectrum,簡(jiǎn)稱(chēng)直頻技術(shù)）和跳頻技術(shù)（Frequency Hopping FH）。
直頻技術(shù)使用偽隨機碼對數據進(jìn)行處理，得到擴頻序列，然后將擴頻序列調制通過(guò)不同的信道同時(shí)進(jìn)行傳輸，信號接收裝置收到信號后將信號解碼并按照特定的算法重組信息，以還原成可以識讀的信息。應用這種技術(shù)，系統占用功率頻譜密度（在單位頻段上的發(fā)射功率）大大降低，信息擴展到一個(gè)比較寬的頻率范圍內傳輸，達到可抵抗其它特定頻率干擾的目的。我國的無(wú)委會(huì )規定的開(kāi)放頻段與歐洲標準一致，參照歐洲標準，直頻技術(shù)可以從13個(gè)信道（中心頻點(diǎn)）中選用，為了免除自身干擾，選用的互相關(guān)聯(lián)的不同信道之間，兩兩之間頻率至少間隔30MHZ。這13個(gè)頻點(diǎn)的設定從2.412至2.472GHz之間，共有60M帶寬，通常直頻系統只能選擇2－3個(gè)信道進(jìn)行數據傳播，在一定程度上不能充分利用頻帶資源，影響了數據的傳播速度。另外，由于使用同一功率支持多個(gè)信道的數據傳輸，一個(gè)信道上載波的波幅就比較小，信息傳輸的距離受到限制。
跳頻技術(shù)與直頻技術(shù)完全不同，跳頻的載頻受一個(gè)偽隨機碼的控制，在其工作帶寬內，不斷地跳變頻率，跳頻相當于瞬時(shí)的窄帶通信系統，在2.4-2.4853GHz之間將信道設為79個(gè)，每隔0.02-0.1秒跳變一個(gè)頻率，當跳躍至某個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，先判斷該頻點(diǎn)是否有噪聲干擾，若無(wú)則傳輸信號，若有則依據算法跳至下一頻點(diǎn)繼續判斷。因此在不同的頻點(diǎn)，跳頻的頻率及傳輸率可能會(huì )變化，并且很難避免一些無(wú)謂的頻率上的損耗，即在檢測頻點(diǎn)是否空閑時(shí)會(huì )造成信號傳輸延遲。另外，因為系統有響應時(shí)間限制，超過(guò)響應時(shí)間，跳頻設備會(huì )認為檢測信號發(fā)射失?。▉G包），會(huì )命令發(fā)射機重發(fā)，也造成系統資源的浪費。變頻技術(shù)的特點(diǎn)是保密性好，抗干擾能力也比較好。與直頻技術(shù)相比，信息傳輸的距離也比較遠。商用系統的跳變頻率較低，在每秒50跳以?xún)?，成本較低。
影響數據傳輸距離遠近的首要因素是載波信號與標簽中數據信號的強度，載波信號的強度受閱讀器功率大小控制，標簽中數據信號的強度由標簽自帶電池功率（主動(dòng)式標簽）或標簽可以產(chǎn)生的電能（被動(dòng)式標簽）大小決定。一般來(lái)說(shuō)，閱讀器和標簽的功率越大，載波信號和數據信號越強，數據能夠傳輸的距離越遠。無(wú)線(xiàn)電波在空氣介質(zhì)中傳播，隨著(zhù)傳播的距離越來(lái)越遠，信號的強度會(huì )越來(lái)越弱。從理論上說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電波的衰減程度與傳輸距離的平方成正比。在系統實(shí)際應用中應該注意的是，不能為了達到數據傳輸的距離而無(wú)限制的提高閱讀器和標簽的功率，因為與載波頻率的選擇一樣，無(wú)線(xiàn)電波的功率是受到政府的管制的。除了系統功率影響數據傳輸的距離外，空氣介質(zhì)的性質(zhì)和數據傳輸路徑也顯著(zhù)影響數據傳輸的距離?？諝饨橘|(zhì)的性質(zhì)包括空氣的密度、濕度等性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，采用的載波頻率越高，空氣性質(zhì)不同對數據傳輸距離的影響越明顯?？諝獾臐穸仍酱蠡蛘呤强諝獾拿芏仍礁?，介質(zhì)對無(wú)線(xiàn)電波的吸收越嚴重，數據傳輸的距離就越小。另外，如果數據傳輸路徑中有許多障礙物，也會(huì )顯著(zhù)影響數據傳輸的距離，因為無(wú)線(xiàn)電波碰到障礙物時(shí)，物體一般都會(huì )對無(wú)線(xiàn)電波產(chǎn)生吸收和反射?？紤]到空氣的性質(zhì)和數據傳輸中經(jīng)過(guò)障礙物，無(wú)線(xiàn)電波衰減的程度有時(shí)可以達到與傳輸距離的四次方成正比。影響數據傳輸距離的因素還包括，發(fā)射、接收天線(xiàn)的設計和布置，躁聲干擾等等。
5、 RFID系統的分類(lèi)
根據RFID系統完成的功能不同，可以粗略地把RFID系統分成四種類(lèi)型：EAS系統、便攜式數據采集系統、網(wǎng)絡(luò )系統、定位系統。
1）、EAS技術(shù)
ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE（EAS）是一種設置在需要控制物品出入的門(mén)口的RFID技術(shù)。這種技術(shù)的典型應用場(chǎng)合是商店、圖書(shū)館、數據中心等地方，當未被授權的人從這些地方非法取走物品時(shí)，EAS系統會(huì )發(fā)出警告。在應用EAS技術(shù)時(shí)，首先在物品上粘付EAS標簽，當物品被正常購買(mǎi)或者合法移出時(shí)，在結算處通過(guò)一定的裝置使EAS標簽失活，物品就可以取走。物品經(jīng)過(guò)裝有EAS系統的門(mén)口時(shí)，EAS裝置能自動(dòng)檢測標簽的活動(dòng)性，發(fā)現活動(dòng)性標簽EAS系統會(huì )發(fā)出警告。EAS技術(shù)的應用可以有效防止物品的被盜，不管是大件的商品，還是很小的物品。應用EAS技術(shù)，物品不用再鎖在玻璃櫥柜里，可以讓顧客自由地觀(guān)看、檢查商品，這在自選日益流行的今天有著(zhù)非常重要的現實(shí)意義。典型的EAS系統一般由三部分組成，1）、附著(zhù)在商品上的電子標簽，電子傳感器；2）、電子標簽滅活裝置，以便授權商品能正常出入；3）、監視器，在出口造成一定區域的監視空間。
EAS系統的工作原理是：在監視區，發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射器與接受器一般安裝在零售店、圖書(shū)館的出入口，形成一定的監視空間。當具有特殊特征的標簽進(jìn)入該區域時(shí)，會(huì )對發(fā)射器發(fā)出的信號產(chǎn)生干擾，這種干擾信號也會(huì )被接收器接收，再經(jīng)過(guò)微處理器的分析判斷，就會(huì )控制警報器的鳴響。根據發(fā)射器所發(fā)出的信號不同以及標簽對信號干擾原理不同，EAS可以分成許多種類(lèi)型。關(guān)于EAS技術(shù)最新的研究方向是標簽的制作，人們正在討論EAS標簽能不能象條碼一樣，在產(chǎn)品的制作或包裝過(guò)程中加進(jìn)產(chǎn)品，成為產(chǎn)品的一部分。
2）、便攜式數據采集系統
便攜式數據采集系統是使用帶有RFID閱讀器的手持式數據采集器采集RFID標簽上的數據。這種系統具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID系統的應用環(huán)境。手持式閱讀器（數據輸入終端）可以在讀取數據的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波數據傳輸方式（RFDC）實(shí)時(shí)地向主計算機系統傳輸數據，也可以暫時(shí)將數據存儲在閱讀器中，在一批一批地向主計算機系統傳輸數據。
3）物流控制系統
在物流控制系統中，固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區域，并且閱讀器直接與數據管理信息系統相連，信號發(fā)射機是移動(dòng)的，一般安裝在移動(dòng)的物體、人上面。當物體、人流經(jīng)閱讀器時(shí)，閱讀器會(huì )自動(dòng)掃描標簽上的信息并把數據信息輸入數據管理信息系統存儲、分析、處理，達到控制物流的目的。
4）定位系統
定位系統用于自動(dòng)化加工系統中的定位以及對車(chē)輛、輪船等進(jìn)行運行定位支持。閱讀器放置在移動(dòng)的車(chē)輛、輪船上或者自動(dòng)化流水線(xiàn)中移動(dòng)的物料、半成品、成品上，信號發(fā)射機嵌入到操作環(huán)境的地表下面。信號發(fā)射機上存儲有位置識別信息，閱讀器一般通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式或者有線(xiàn)的方式連接到主信息管理系統。
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