RFID射頻識別系統(tǒng)詳解

物聯(lián)網(wǎng)已被確定為中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的出臺，無疑給正在發(fā)展的中國物聯(lián)網(wǎng)又吹來一股強勁的東風，而RFID技術作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵技術，其應用市場必將隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴大。

RFID射頻識別技術

RFID的英文全稱是Radio FrequencyIdentification，射頻識別，又稱電子標簽，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并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。

RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，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，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，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(tǒng)構架

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

FRID的系統(tǒng)結構

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

從功能實現(xiàn)的角度觀察，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分， 邊沿系統(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分;軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應用;通信設施負責整個RFID系統(tǒng)的信息傳遞。

射頻識別系統(tǒng)基本組成

1、電子標簽

電子標簽(Electronic Tag)也稱也稱應答器或智能標簽(Smart Label)，是一個微型的無線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線和芯片組成。

2、讀寫器

讀寫器是一個捕捉和處理RFID標簽數(shù)據(jù)的設備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統(tǒng)之中。讀寫器也是構成RFID系統(tǒng)的重要部件之一，由于它能夠將數(shù)據(jù)寫到RFID標簽中，因此稱為讀寫器。

讀寫器的硬件部分通常由收發(fā)機、微處理器、存儲器、外部/執(zhí)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

控制器是讀寫器芯片有序工作的指揮中心，主要功能是：

與應用系統(tǒng)軟件進行通信;

執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令;

控制與標簽的通信過程;

基帶信號的編碼與解碼;

執(zhí)行防碰撞算法;

對讀寫器和標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密;

進行讀寫器與電子標簽之間的身份認證;

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芯片的控制操作。

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(xiàn)導行波與自由空間波能量的轉化。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量和發(fā)射能量的作用。

RFID系統(tǒng)讀寫器天線的特點是：

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;

無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機的詢問信號相匹配;

具有魯棒性;

價格便宜。

在選擇讀寫器天線時應考慮的主要因素有：

天線的類型;

天線的阻抗;

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RF的性能。

5、通信設施

通信設施為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全通信連接，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設施包括有線或無線網(wǎng)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(wǎng)絡可以是個域網(wǎng)(PAN)(如藍牙技術)、局域網(wǎng)(如802.11x、WiFi)，也可以是廣域網(wǎng)(如GPRS、3G技術)或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(如同步軌道衛(wèi)星L波段的RFID系統(tǒng))。

RFID系統(tǒng)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看，系統(tǒng)一般可以分成兩類，即電感耦合(InductiveCoupling)系統(tǒng)和電磁反向散射耦合(Backscatter Coupling)系統(tǒng)。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)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，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

2、電感耦合型RFID系統(tǒng)

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電子數(shù)據(jù)載體，通常由單個微芯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簽幾乎都是無源工作的，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。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和線圈的周圍空間，以使附近的電子標簽產(chǎn)生電磁感應。

電感耦合型RFID系統(tǒng)的工作原理圖

3、電磁反向散射RFID系統(tǒng)

(1)反向散射調(diào)制

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(fā)射天線，并被天線接收(因此發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)來說，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(shù)據(jù)傳輸。這種工作方式主要應用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統(tǒng)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(shù)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，應答器和讀寫器的距離大于1m。讀寫器、應答器(電子標簽)和天線構成了一個收發(fā)通信系統(tǒng)。

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的低速傳播的聲波為依據(jù)。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，換能器的兩條總線與電子標簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。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)過及微妙的延遲時間后才回到閱讀器。

聲表面波的傳播

(3)聲表面波RFID系統(tǒng)的關鍵技術

標簽編碼容量與作用距離

應答器和讀寫器的配合

應用小型低成本且適合待識別物品的電子標簽天線

封裝

由于標簽附著的物品和使用環(huán)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。

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的高頻電磁波接收效果。

固定于待識別物的方法簡單、附著牢靠，不明顯損傷該物品。

外型美觀，對于待識別物和諧，并滿足安全和保護環(huán)境等要求。

(4)聲表面波RFID的優(yōu)點

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

聲表面波RFID的主要特點有：

讀取范圍大且可靠，可達數(shù)米;

可使用在金屬和液體產(chǎn)品上;

標簽芯片與天線的匹配簡單，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技術的優(yōu)缺點

1、優(yōu)點：

RFID芯片與RFID讀卡器對水、油和化學藥品等物質(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技術識別相比傳統(tǒng)智能芯片更精確，識別的距離更靈活。可以做到穿透性和無屏障閱讀。

RFID芯片標簽可以重復地新增、修改、刪除內(nèi)部儲存的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

內(nèi)部數(shù)據(jù)內(nèi)容經(jīng)由密碼保護，使其內(nèi)容不易被偽造及變造。

RFID芯片數(shù)據(jù)容量很大，而且隨著技術發(fā)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(xiàn)時間較短，在技術上還不是非常成熟。由于超高頻RFID電子標簽具有反向反射性特點，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格較高，為普通條碼標簽的幾十倍，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(xiàn)為RFID電子標簽信息被非法讀取和惡意篡改。

技術標準不統(tǒng)一。RFID技術目前還沒有形成統(tǒng)一的標準，而且市場上多種標準并存，致使不同企業(yè)產(chǎn)品的RFID標簽互不兼容，進而在一定程度上造成RFID技術的應用的混亂。

RFID技術的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

隨著RFID設備成本的不斷降低，標準的逐步統(tǒng)一，數(shù)字信息技術在各行業(yè)的深入廣泛應用，規(guī)模應用行業(yè)的擴大，RFID技術將會有更廣闊的發(fā)展前景，其潛在的價值將會發(fā)揮出來，RFID 技術產(chǎn)業(yè)將逐步壯大與成熟。

1、射頻識別的發(fā)展歷史

RFID技術誕生于二戰(zhàn)期間，最早被英國皇家空軍用于識別自家和盟軍的戰(zhàn)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(fā)器，進而當控制塔上的探詢器向返航的飛機發(fā)射一個詢問信號后，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敵我。這是有記錄的第一個RFID敵我識別系統(tǒng)，也是第一個RFID的第一次實際應用。

之后，RFID技術也被陸續(xù)應用于野生動物跟蹤，公路收費系統(tǒng)等領域。20世紀90年代以后，隨著集成電路制造和信息技術的飛速發(fā)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(fā)展前景

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

近十多年來，RFID射頻識別技術得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應用領域。而隨著技術進步，基于RFID射頻識別技術產(chǎn)品的種類將越來越豐富，應用也將越來越廣泛，可預計，在今后的幾年中，RFID射頻識別技術將持續(xù)保持高速發(fā)展的勢頭。

總體而言，RFID射頻識別技術當前發(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)標準以及相關產(chǎn)品標準還不統(tǒng)一，電子標簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個統(tǒng)一的(包括各個頻段)國際標準。

低成本

目前美國一個電子標簽最低的價格是20美分左右，這樣的價格是無法應用于某些價值較低的單件商品，只有電子標簽的單價下降到10美分以下，才可能大規(guī)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上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)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(tǒng)還沒有非?？煽康陌踩珯C制，無法對數(shù)據(jù)進行很好的保密，RFID數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)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(jiān)控管理

動物監(jiān)控： 畜牧動物管理、寵物識別、野生動物生態(tài)的追蹤

交通運輸： 高速公路的收費系統(tǒng)

物流管理： 航空運輸?shù)男欣钭R別，存貨、物流運輸管理

自動控制： 汽車、家電、電子業(yè)之分類、組裝生產(chǎn)線管理

醫(yī)療應用： 醫(yī)院的病歷系統(tǒng)、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(tǒng)

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、圖書館或書店的防盜管理

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(tǒng)

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，在不久的將來，RFID技術不僅會在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID技術將會與普適計算技術相融合，對人類社會產(chǎn)生深遠影響。

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