RFID射頻識別系統詳解

物聯(lián)網(wǎng)已被確定為中國戰略性新興產(chǎn)業(yè)之一，《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規劃》的出臺，無(wú)疑給正在發(fā)展的中國物聯(lián)網(wǎng)又吹來(lái)一股強勁的東風(fēng)，而RFID技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其應用市場(chǎng)必將隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴大。

RFID射頻識別技術(shù)

RFID的英文全稱(chēng)是Radio FrequencyIdentification，射頻識別，又稱(chēng)電子標簽，無(wú)線(xiàn)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(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。

RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽，操作快捷方便。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠(chǎng)的流水線(xiàn)上跟蹤物體。長(cháng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動(dòng)收費或識別車(chē)輛身份等。

RFID系統構架

典型的RFID系統主要由閱讀器、電子標簽、RFID中間件和應用系統軟件4部分構成，一般我們把中間件和應用軟件統稱(chēng)為應用系統。

FRID的系統結構

在實(shí)際RFID解決方案中，RFID系統都包含一些基本組件。組件分為硬件組件和軟件組件。

從功能實(shí)現的角度觀(guān)察，可將RFID系統分成邊沿系統和軟件系統兩大部分， 邊沿系統主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分;軟件系統完成信息的處理和應用;通信設施負責整個(gè)RFID系統的信息傳遞。

射頻識別系統基本組成

1、電子標簽

電子標簽(Electronic Tag)也稱(chēng)也稱(chēng)應答器或智能標簽(Smart Label)，是一個(gè)微型的無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，主要由內置天線(xiàn)和芯片組成。

2、讀寫(xiě)器

讀寫(xiě)器是一個(gè)捕捉和處理RFID標簽數據的設備，它可以是單獨的個(gè)體，也可以嵌入到其他系統之中。讀寫(xiě)器也是構成RFID系統的重要部件之一，由于它能夠將數據寫(xiě)到RFID標簽中，因此稱(chēng)為讀寫(xiě)器。

讀寫(xiě)器的硬件部分通常由收發(fā)機、微處理器、存儲器、外部/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(xiě)器組成示意圖

3、控制器

控制器是讀寫(xiě)器芯片有序工作的指揮中心，主要功能是：

與應用系統軟件進(jìn)行通信;

執行從應用系統軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令;

控制與標簽的通信過(guò)程;

基帶信號的編碼與解碼;

執行防碰撞算法;

對讀寫(xiě)器和標簽之間傳送的數據進(jìn)行加密和解密;

進(jìn)行讀寫(xiě)器與電子標簽之間的身份認證;

對鍵盤(pán)、顯示設備等其他外部設備的控制。

其中，最重要的是對讀寫(xiě)器芯片的控制操作。

4、讀寫(xiě)器天線(xiàn)

天線(xiàn)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(lái)實(shí)現導行波與自由空間波能量的轉化。在RFID系統中，天線(xiàn)分為電子標簽天線(xiàn)和讀寫(xiě)器天線(xiàn)兩大類(lèi)，分別承擔接收能量和發(fā)射能量的作用。

RFID系統讀寫(xiě)器天線(xiàn)的特點(diǎn)是：

足夠小以至于能夠貼到需要的物品上;

有全向或半球覆蓋的方向性;

能夠給標簽的芯片提供最大可能的信號;

無(wú)論物品什么方向，天線(xiàn)的極化都能與讀卡機的詢(xún)問(wèn)信號相匹配;

具有魯棒性;

價(jià)格便宜。

在選擇讀寫(xiě)器天線(xiàn)時(shí)應考慮的主要因素有：

天線(xiàn)的類(lèi)型;

天線(xiàn)的阻抗;

應用到物品上的RF的性能;

在有其他物品圍繞貼標簽物品時(shí)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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和讀寫(xiě)器或控制器與計算機連接的串行通信接口。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以是個(gè)域網(wǎng)(PAN)(如藍牙技術(shù))、局域網(wǎng)(如802.11x、WiFi)，也可以是廣域網(wǎng)(如GPRS、3G技術(shù))或衛星通信網(wǎng)絡(luò )(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

從電子標簽到閱讀器之間的通信及能量感應方式來(lái)看，系統一般可以分成兩類(lèi)，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(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)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(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時(shí)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于ISO/IEC 14443協(xié)議。電感耦合電子標簽由一個(gè)電子數據載體，通常由單個(gè)微芯片及用做天線(xiàn)的大面積的線(xiàn)圈等組成。

電感耦合方式的電子標簽幾乎都是無(wú)源工作的，在標簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應電磁能提供。高頻的強電磁場(chǎng)由閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生，并穿越線(xiàn)圈橫截面和線(xiàn)圈的周?chē)臻g，以使附近的電子標簽產(chǎn)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)反向散射調制

雷達技術(shù)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(shí)，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(gè)方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線(xiàn)，并被天線(xiàn)接收(因此發(fā)射天線(xiàn)也是接收天線(xiàn))，對接收信號進(jìn)行放大和處理，即可獲得目標的有關(guān)信息。

當電磁波從天線(xiàn)向周?chē)臻g發(fā)射時(shí)，會(huì )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(gè)方向上去。反射能量的一部分最終會(huì )返回發(fā)射天線(xiàn)，稱(chēng)之為回波。在雷達技術(shù)中，可用這種反射波測量目標的距離和方位。

對RFID系統來(lái)說(shuō)，可以采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簽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(gè)目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來(lái)確定。反射橫截面的大小與一系列的參數有關(guān)，如目標的大小、形狀和材料，電磁波的波長(cháng)和極化方向等。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應答器和讀寫(xiě)器的距離大于1m。讀寫(xiě)器、應答器(電子標簽)和天線(xiàn)構成了一個(gè)收發(fā)通信系統。

RFID反向散射耦合方式的原理

4、聲表面波標簽的識別原理

(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(guān)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，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡(jiǎn)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標簽由叉指換能器和若干反射器組成，換能器的兩條總線(xiàn)與電子標簽的天線(xiàn)相連接。閱讀器的天線(xiàn)周期地發(fā)送高頻詢(xún)問(wèn)脈沖，在電子標簽天線(xiàn)的接收范圍內，被接收到的高頻脈沖通過(guò)叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播。反射器組成對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射脈沖串轉變成高頻電脈沖串。由于聲表面波的傳播速率低，有效的反射脈沖串在經(jīng)過(guò)及微妙的延遲時(shí)間后才回到閱讀器。

聲表面波的傳播

(3)聲表面波RFID系統的關(guān)鍵技術(shù)

標簽編碼容量與作用距離

應答器和讀寫(xiě)器的配合

應用小型低成本且適合待識別物品的電子標簽天線(xiàn)

封裝

由于標簽附著(zhù)的物品和使用環(huán)境千差萬(wàn)別，所以其封裝結構各有特色，它們都必須達到以下幾個(gè)要求。

保證壓電芯片在工作壽命期間能耐受外部環(huán)境應力及其變化，不造成性能惡化。

至少不能影響或極少影響標簽天線(xiàn)的高頻電磁波接收效果。

固定于待識別物的方法簡(jiǎn)單、附著(zhù)牢靠，不明顯損傷該物品。

外型美觀(guān)，對于待識別物和諧，并滿(mǎn)足安全和保護環(huán)境等要求。

(4)聲表面波RFID的優(yōu)點(diǎn)

由于SAW器件本身工作在射頻波段，無(wú)源且抗電磁干擾能力強，所以SAW技術(shù)實(shí)現的電子標簽具有一定的獨特優(yōu)勢，是對集成電路(IC)技術(shù)的補充。

聲表面波RFID的主要特點(diǎn)有：

讀取范圍大且可靠，可達數米;

可使用在金屬和液體產(chǎn)品上;

標簽芯片與天線(xiàn)的匹配簡(jiǎn)單，制作工藝成本低;

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(dòng)物體。

可在高溫差(-100℃～300℃)、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

RFID技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)：

RFID芯片與RFID讀卡器對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強抵抗性。

信息的讀取上并不受芯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(zhì)，而且，RFID標簽正往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應用于不同產(chǎn)品。

RFID技術(shù)識別相比傳統智能芯片更精確，識別的距離更靈活?？梢宰龅酱┩感院蜔o(wú)屏障閱讀。

RFID芯片標簽可以重復地新增、修改、刪除內部?jì)Υ娴臄祿?，方便信息的更新?/p>

內部數據內容經(jīng)由密碼保護，使其內容不易被偽造及變造。

RFID芯片數據容量很大，而且隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，容量還有增大的趨勢。

2、缺點(diǎn)：

技術(shù)成熟度不夠。RFID技術(shù)出現時(shí)間較短，在技術(shù)上還不是非常成熟。由于超高頻RFID電子標簽具有反向反射性特點(diǎn)，使得其在金屬、液體等商品中應用比較困難。

成本高。RFID電子標簽相對于普通條碼標簽價(jià)格較高，為普通條碼標簽的幾十倍，如果使用量大的話(huà)，就會(huì )造成成本太高，在很大程度上降低了市場(chǎng)使用RFID技術(shù)的積極性。

安全性不夠強。RFID技術(shù)面臨的安全性問(wèn)題主要表現為RFID電子標簽信息被非法讀取和惡意篡改。

技術(shù)標準不統一。RFID技術(shù)目前還沒(méi)有形成統一的標準，而且市場(chǎng)上多種標準并存，致使不同企業(yè)產(chǎn)品的RFID標簽互不兼容，進(jìn)而在一定程度上造成RFID技術(shù)的應用的混亂。

RFID技術(shù)的發(fā)展現狀和前景

隨著(zhù)RFID設備成本的不斷降低，標準的逐步統一，數字信息技術(shù)在各行業(yè)的深入廣泛應用，規模應用行業(yè)的擴大，RFID技術(shù)將會(huì )有更廣闊的發(fā)展前景，其潛在的價(jià)值將會(huì )發(fā)揮出來(lái)，RFID 技術(shù)產(chǎn)業(yè)將逐步壯大與成熟。

1、射頻識別的發(fā)展歷史

RFID技術(shù)誕生于二戰期間，最早被英國皇家空軍用于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(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，進(jìn)而當控制塔上的探詢(xún)器向返航的飛機發(fā)射一個(gè)詢(xún)問(wèn)信號后，飛機上的收發(fā)器接收到這個(gè)信號后，回傳一個(gè)信號給探詢(xún)器，探詢(xún)器根據接收到的回傳信號來(lái)識別敵我。這是有記錄的第一個(gè)RFID敵我識別系統，也是第一個(gè)RFID的第一次實(shí)際應用。

之后，RFID技術(shù)也被陸續應用于野生動(dòng)物跟蹤，公路收費系統等領(lǐng)域。20世紀90年代以后，隨著(zhù)集成電路制造和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID技術(shù)日趨成熟，其成本也越來(lái)越低，開(kāi)始逐漸引起人們的關(guān)注。

2、射頻識別的發(fā)展前景

RFID射頻識別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨立跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。RFID射頻識別技術(shù)將大量的來(lái)自完全不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)(例如，高頻技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、半導體技術(shù)、數據保護和密碼學(xué)技術(shù)、電信技術(shù)、制造技術(shù)等)綜合起來(lái)。

近十多年來(lái)，RFID射頻識別技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應用領(lǐng)域。而隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，基于RFID射頻識別技術(shù)產(chǎn)品的種類(lèi)將越來(lái)越豐富，應用也將越來(lái)越廣泛，可預計，在今后的幾年中，RFID射頻識別技術(shù)將持續保持高速發(fā)展的勢頭。

總體而言，RFID射頻識別技術(shù)當前發(fā)展趨于標準化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。

標準化

行業(yè)標準以及相關(guān)產(chǎn)品標準還不統一，電子標簽迄今為止全球也還沒(méi)有正式形成一個(gè)統一的(包括各個(gè)頻段)國際標準。

低成本

目前美國一個(gè)電子標簽最低的價(jià)格是20美分左右，這樣的價(jià)格是無(wú)法應用于某些價(jià)值較低的單件商品，只有電子標簽的單價(jià)下降到10美分以下，才可能大規模應用于整箱整包的商品。

低差錯率

雖然在RFID電子標簽的單項技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，還存在較高的差錯率(RFID被誤讀的比率有時(shí)高達20%)，在集成應用中也還需要攻克大量的技術(shù)難題。

高安全性

當前廣泛使用的無(wú)源RFID系統還沒(méi)有非?？煽康陌踩珯C制，無(wú)法對數據進(jìn)行很好的保密，RFID數據還容易受到攻擊，主要是因為RFID芯片本身，以及芯片在讀或者寫(xiě)數據的過(guò)程中都很容易被黑客所利用。

RFID技術(shù)的應用領(lǐng)域

門(mén)禁管制： 人員出入門(mén)禁監控管理

動(dòng)物監控： 畜牧動(dòng)物管理、寵物識別、野生動(dòng)物生態(tài)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(dòng)控制： 汽車(chē)、家電、電子業(yè)之分類(lèi)、組裝生產(chǎn)線(xiàn)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(chǎng)物料的自動(dòng)化盤(pán)點(diǎn)及控制系統

質(zhì)量追蹤： 成品質(zhì)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(shū)館或書(shū)店的防盜管理

防仿假冒： 名牌煙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(lián)合票證： 多種用途的智能型儲值卡、一卡通等

危險物品： 軍械槍支、雷管炸藥管制

RFID將構建虛擬世界與物理世界的橋梁?？梢灶A見(jiàn)，在不久的將來(lái)，RFID技術(shù)不僅會(huì )在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID技術(shù)將會(huì )與普適計算技術(shù)相融合，對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生深遠影響。

作為全球的制造業(yè)基地，中國將是未來(lái)全球最大的RFID應用市場(chǎng)。這對于國內的科研機構和企業(yè)將是一次難得的機遇。