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无线射频识别技术(RFID)基础知识

无线射频识别技术的基本原理是利用空间电磁感应(Inductive Coupling)或者电磁传播(Propagation Coupling)来进行通信,以达到自动识别被标识物体的目的。基本工作方法是将无线射频识别标签(Tags)安装在被识别物体上(粘贴、插放、挂佩、植入等),当被标识物体进入无线射频识别系统阅读器(Readers)的阅读范围时,标签和阅读器之间进行非接触式信息通讯,标签向阅读器发送自身信息如ID号等,阅读器接收这些信息并进行解码,传输给后台处理计算机,完成整个信息处理过程。

   
无线射频识别技术是一本多门学科多种技术综合利用的应用技术。所涉及的关键技术大致包括:芯片技术、天线技术、无线通信技术、数据变换与编码技术、电磁场与微波技术等。

一、基本概念

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号的空间耦合(电磁感应或者电磁传播)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。图1所示为RFID系统配置示意图。

1 RFID系统配置示意图

电磁感应,即所谓的变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律,如图2所示。电磁感应方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有:125KHz225KHz13.56MHz。识别作用距离小于1m,典型作用距离为1020cm

图2 电感耦合                       图3 电磁耦合

    电磁传播或者电磁反向散射(Back Scatter)耦合,即所谓的雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律,如图3所示。电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有:433MHz915MHz2.45GHz5.8GHz。识别作用距离大于1m,典型作用距离为3l0m

射频识别系统一般由两个部分组成,即电子标签和阅读器。在RFID的实际应用中,电子标签附着在被识别的物体上(表面或者内部),当带有电子标签的被识别物品通过阅读器的可识读区域时,阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出,从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。阅读器系统又包括阅读器和天线,有的阅读器是将天线和阅读器模块集成在一个设备单元中的,成为集成式阅读器(Integrated Reader)。

由上可见,为了完成RFID系统的主要功能,RFID系统具有两个基本的构成部分,即电子标签和阅读器。

二、分类

根据不同的分类方式,RFID系统可以具有很多不同的分类方式,一般来讲,我们可以按照如下的方式进行分类。

1、根据标签的供电形式分为——有源、无源和半有源系统

RFID系统可分为有源、无源以及半有源系统,主要是依据射频标签工作所需能量的供给方式。有源系统的标签使用标签内部的电池来供电,主动发射信号,系统识别距离较长,可达几十米甚至上百米,但其寿命有限并且成本较高,另外,由于标签带有电池,其体积比较大,无法制成薄卡(比如信用卡标签)。有源标签的电池寿命理论上可能能够达到5年或者更长,但是根据电池的质量、使用的环境等因素,寿命会大幅缩减。特别是在日晒等条件下使用,还有可能造成电池泄漏等情况。但是有源标签系统的发射功率较低。有的有源标签可以制造成电池可以更换的。有源标签的成本较高。

无源射频标签不含有电池,利用阅读器发射的电磁波进行耦合来为自己提供能量,它的重量轻、体积小,寿命可以非常长,成本低廉。可以制成各种各样的薄卡或者挂扣卡,但它的识别距离受限制,一般是几十厘米到数十米,且需要有较大的阅读器发射功率。

半有源系统的标签带有电池,但是电池只起到对标签内部电路供电的作用,标签本身并不发射信号。

2、根据标签的数据调制方式分为——主动式、被动式和半主动式

一般来讲,无源系统为被动式,有源系统为主动式,半有源系统为半主动式。主动式的射频系统用自身的射频能量主动发送数据给阅读器,调制方式可为调幅、调频或调相,主动标签系统是单向的,也就是说,只有标签向阅读器不断传送信息,而阅读器对标签的信息只是被动地接收,就像电台和收音机的关系。被动式的射频系统,使用调制散射方式发射数据,它必须利用阅读器的载波来调制自己的信号,在门禁或交通的应用中比较适宜,因为阅读器可以确保只激活一定范围之内的射频系统。在有障碍物的情况下,采用调制散射方式,阅读器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频标签发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频标签主要用于有障碍物的应用中,距离更远,速度更快。

被动式标签内部不带电池,要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈,当标签进入系统的工作区域,天线接收到特定的电磁波,线圈就会产生感应电流,在经过整流电路时,激活电路上的微型开关,给标签供电。被动式标签具有永久的使用期,常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方,而且被动式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。被动式标签的缺点主要是数据传输的距离要比主动式标签小。因为被动式标签依靠外部的电磁感应而供电,它的电能就比较弱,数据传输的距离和信号强度就受到限制,需要敏感性比较高的信号接收器(阅读器)才能可靠识读。

半主动RFID系统也称为电池支援式(Battery Assisted)反向散射调制系统。半主动标签本身也带有电池,只起到对标签内部数字电路供电的作用,但是标签并不通过自身能量主动发送数据,只有被阅读器的能量场“激活”时,才通过反向散射调制方式传送自身的数据。我们一般所见的有源系统都是半有源系统。

3、根据标签的工作频率可以分为——低频、高频、超高频、微波系统

阅读器发送无线信号时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率,基本上划分为:低频(Low Frequency,LF)(30~300KHz)、高频(High Frequency,HF)(3~30MHz)、超高频(Untra High Frequency,UHF)(300~968MHz)、微波(Micro Wave,MW)(2.45~5.8GHz)。

低频系统一般工作在100~300kHz,常见的工作频率有125kHz、134.2kHz;高频系统工作在10-15MHz左右,常见的高频工作频率为13.56MHz;超高频工作频率为850~960MHZ,常见的工作频率为869.5MHz、915.3MHz;有些射频识别系统工作在2.45GHz的微波段。自从1980年以来,低频(125–135kHz)RFID技术一直用于近距离的门禁管理。由于其信噪比(Signal Noise Ratio,S/N)较低,其识读距离受到很大限制。低频系统防冲撞(Anti-collision)性能差,多标签同时识读慢,其性能也容易受到其它电磁环境的影响。13.56MHz高频RFID产品可以部分地解决这些问题。高频RFID系统速度较快,可以实现多标签同时识读,形式多样,价格合理。但是高频RFID产品对可导媒介(如液体、高湿、碳介质等)穿透性不如低频产品,由于其频率特性,识读距离较短。860~960MHz超高频RFID产品常常被推荐应用在供应链管理(Supply Chain Supply,SCM)上,超高频产品识读距离长,能够实现高速识读和多标签同时识读。但是,超高频电磁波对于如水等可导媒介完全不能穿透,对金属的绕射性也很差。实践证明,由于高湿物品、金属物品对超高频无线电波的吸收与反射特性,超高频RFID产品对于此类物品的跟踪与识读是完全失败的。

RFID频谱如图4所示。

4 RFID系统频谱简图

4、根据标签的可读写性分为——只读、读写和一次写入多次读出

根据射频标签内部使用的存储器类型的不同可分成三种:可读写标签(RW)、一次写入多次读出标签(WORM)和只读标签(RO)。RW标签一般比WORM标签和RO标签贵得多,如信用卡等。WORM标签是用户可以一次性写入的标签,写入后数据不能改变,WORM标签比RW标签要便宜。RO标签存有一个唯一的号码ID,不能修改,这样提供了安全性,RO标签最便宜。

只读标签内部只有只读存储器ROMRead Only Memory)和随机存储器RAMRandom Access Memory)。ROM用于存储发射器操作系统程序(Programming)和安全性要求较高的数据,它与内部的处理器或逻辑处理单元(Logical Treatment Unit)完成内部的操作控制功能,如响应延迟时间控制,数据流控制,电源开关控制等。另外,只读标签的ROM中还存储有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入ROM中,也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只简单地代表二进制中的“0”或者“1”,也可以象二维条码那样,包含复杂的相当丰富的信息。但这种信息只能是一次写入,多次读出。只读标签中的RAM用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外,只读标签中除了ROMRAM外,一般还有缓冲存储器,用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。

可读可写标签内部的存储器除了ROMRAM和缓冲存储器之外,还有非易失可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外,还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。非易失可编程记忆存储器有许多种,EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)是比较常见的一种,这种存储器在加电的情况下,可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。可写存储器的容量根据标签的种类和执行的标准存在较大的差异。

5、根据RFID系统标签和阅读器之间的通信工作时序可以分为——TTFRTF系统

时序指的是阅读器和标签的工作次序问题,也就是阅读器主动唤醒标签Reader Talk FirstRTF)还是标签首先自报家门(Tag Talk FirstTTF)的方式。对于无源标签来讲,一般是阅读器先讲的形式,对于多标签同时识读来讲,可以采用阅读器先讲的形式,也可以是标签先讲的形式。对于多标签同时识读,“同时”也只是相对的概念。为了实现多标签无冲撞同时识读,对于阅读器先讲的方式,阅读器先对一批标签发出隔离指令,使得阅读器识读范围内的多个电子标签被隔离,最后只保留一个标签处于活动状态与阅读器建立无冲撞的通信联系。通信结束后发送指令使该标签进入休眠,指定一个新的标签执行无冲撞通信指令。如此往复,完成多标签同时识读。对于标签先讲的方式,标签在随机的时间反复的发送自己的识别ID,不同的标签可在不同的时间段最终被阅读器正确读取,完成多标签的同时识读。

RTF相比,TTF系统通信协议比较简单,防冲撞能力更强,速度更快。但是TTF也会带来一些诸如性能不够稳定、数据读取与写入误码率较高等不良后果。这也可能是主流RFID厂商大多采用RTF的原因所在。

三、基本工作原理

射频识别系统的基本模型如图5所示。其中,电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体;阅读器又称为读出装置、扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合,在耦合通道内,根据时序关系,实现能量的传递、数据的交换。

5 RFID的基本模型图

6 RFID系统前端原理示意图

6RFID系统前端原理示意图,主要完成能量耦合,数据调制等功能。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种,主要为电感耦合与电磁耦合两种形式。

图7表示只读被动标签与阅读器系统(LF和UHF),图8表示只读主动标签与阅读器系统,图9表示可读写被动标签与阅读器系统(LF和UHF),图10表示可读写的主动标签与阅读器系统。

7 只读被动标签与阅读器系统

8 只读主动标签与阅读器系统

9 可读写被动标签与阅读器系统

10 可读写主动标签与阅读器系统
 

对于标签向阅读器的数据通信过程,其工作方式包括:(1)标签收到阅读器的射频能量时,即被激活并向阅读器反射标签存储的数据信息;(2)标签被激活后,根据阅读器指令转入数据发送状态或者休眠状态。在这两种工作方式中,前者属于单向通信,后者属于半双工(Semiduplex)双向通信。

电子标签与阅读器构成的射频识别系统是为应用服务的,应用的需求可能是多种多样、各不相同的。

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