射頻識別_RFID_系統(tǒng)的頻段特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1、高新技術(shù)射頻識別(RFID系統(tǒng)的頻段特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析 李富玉李浙昆(昆明理工大學(xué)機械電子工程學(xué)院昆明650093摘 要:本文在介紹射頻識別(R F I D 技術(shù)的工作原理及其組成的基礎(chǔ)上,提出了頻段的概念,并詳細(xì)分析了射頻識別系統(tǒng)在 不同工作頻段的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞:射頻識別(R F I D 技術(shù)頻段特性應(yīng)用現(xiàn)狀中圖分類號:T P 183文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-0534(200703(c-0001-021概述射頻識別(RFID技術(shù)相對于傳統(tǒng)的磁卡 及 I C 卡技術(shù)具有非接觸、閱讀速度快、無 磨損等特點,射頻識別技術(shù)已逐步成為企業(yè) 提高物流供應(yīng)鏈管理水平、降低成本、增強

2、競爭力不可缺少的技術(shù)工具和手段。 1.1RFID 技術(shù)概述RFID 是射頻識別技術(shù)(RadioFrequency Identification, 其基本原理是利用射頻信號 及其空間耦合、傳輸特性,實現(xiàn)對靜止的或 移動中的待識別物品的自動機器識別。一個 最基本的 R F I D 系統(tǒng)由三部分組成:電子標(biāo) 簽、閱讀器、天線。電子標(biāo)簽與閱讀器之 間通過耦合元件(天線實現(xiàn)射頻信號的空間 耦合。系統(tǒng)的基本工作流程是:閱讀器通過發(fā) 射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號, 當(dāng)電子標(biāo)簽 進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流, 電子 標(biāo)簽獲得能量被激活;電子標(biāo)簽將自身編碼等 信息通過卡內(nèi)置天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線 接收

3、到從電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號, 經(jīng)天線 調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器, 閱讀器對接收的信號進(jìn) 行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處 理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性, 針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制, 發(fā)出 指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。對一個 RFID 系統(tǒng)來說,它的頻段概念是 指讀寫器通過天線發(fā)送、 接收并識讀的標(biāo)簽信 號頻率范圍, 也就是所傳輸數(shù)據(jù)的載波頻率范 圍。從應(yīng)用角度來說,射頻標(biāo)簽的工作頻率也 就是射頻識別系統(tǒng)的工作頻段, 它直接決定系 統(tǒng)應(yīng)用的各方面特性,如系統(tǒng)工作原理(電感 耦合還是電磁耦合 、 識別距離、 射頻標(biāo)簽及讀 寫器實現(xiàn)的難易程度和設(shè)備成本等方面特性。 在 RFID

4、 系統(tǒng)中,系統(tǒng)工作就像我們平時收聽 調(diào)頻廣播一樣, 射頻標(biāo)簽和讀寫器也要調(diào)制到 相同的頻率才能工作。2頻段特性2.1頻段劃分一方面由于標(biāo)簽的工作頻率不僅直接決定 著系統(tǒng)應(yīng)用的各方面特性,另一方面因為射 頻識別系統(tǒng)產(chǎn)生并輻射電磁波,因此在工作 時不能對其他無線電服務(wù)造成干擾或削弱。 特別是應(yīng)保證射頻識別系統(tǒng)不會干擾附近的無 線電廣播和電視廣播、無線電服務(wù)(警察、 安全服務(wù)、工商業(yè) 、航運和航空用無線電 服務(wù)和移動電話等。所以 RFID 系統(tǒng)被合理地 歸為短距離、微功率無線通信設(shè)備一類。隨 著技術(shù)的發(fā)展,R F I D 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合, 能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與機、機對機的數(shù)據(jù)通 信,而且具有信息

5、量大、操作方便、用途 廣泛等突出優(yōu)點,RFID 系統(tǒng)已被視為便攜互聯(lián)網(wǎng)(或便攜互聯(lián)網(wǎng)通信終端的組成部分 。按規(guī)定射頻識別系統(tǒng)應(yīng)保證在工作時不會干擾附近的各類無線電業(yè)務(wù),這在很大程度上限制了適用于射頻識別系統(tǒng)工作頻段的選擇。因此在過去很長時間以來,通常只能使用 專 門 為 工 業(yè) 、 科 學(xué) 和 醫(yī) 療 設(shè) 備 (I S MIndustrial-Scientific-Medical 應(yīng)用而劃分和保留的頻段,即與它們共用全部或部分的頻段,這些頻段在世界范圍內(nèi)是統(tǒng)一劃分的。國際電聯(lián)(I T U 為 I S M 設(shè)備劃分了專用頻段或與其他無線電業(yè)務(wù)共用的頻段,我國2001年發(fā)布實施的 中華人民共和國無

6、線電頻率劃分規(guī)定中有關(guān) ISM 設(shè)備使用頻段的劃分與國際電聯(lián)(ITU的基本一致。除了 ISM 頻率外,也有極少量 RFID 系統(tǒng)使用 135kHz 以下的專用頻段,如北美、南美和日本等,使用了 9135kHz 的頻率,因為在這個頻段里可以利用較大的磁場強度來工作, 特別適用于電感耦合的射頻識別系統(tǒng)。但該頻段資源極有限,可載信息量小。由此,對射頻識別系統(tǒng)來說,最主要的頻率是 0135kHz,以及 ISM 頻段 6.78MHz,13. 56M H z ,27. 125M H z ,40. 68M H z ,433. 92M H z,869. 0M H z,915. 0M H z (在歐洲不使用 ,

7、2.45GHz,5.8GHz 以及 24.125GHz。典型的射頻標(biāo)簽工作頻段如圖 1所 示。感應(yīng)器(電子標(biāo)簽線圈間存在著變壓器耦 合作用,通過讀寫器交變場的作用在感應(yīng)器天 線中感應(yīng)的電壓被整流,可作供電電壓使用.磁 場區(qū)域能夠很好的被定義,但是場強下降得太 快。其特性主要有以下幾方面:工作頻率從 30kHz 到 300kHz,典型工作 頻率有 125kHz 和 133kHz;除了金屬材料影 響外, 一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不 降低它的讀取距離;工作在低頻的讀寫器在全 球沒有任何特殊的許可限制;低頻產(chǎn)品有不同 的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴,但 是有10年以上的使用壽命 ; 雖然

8、該頻率的磁場 區(qū)域下降很快, 但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫 區(qū)域;相對于其他頻段的 RFID 產(chǎn)品,該頻段 數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢;感應(yīng)器的價格相對與其 他頻段來說要貴。2.2.2中高頻段(3MHz30MHz 在該頻段的感應(yīng)器不再需要線圈進(jìn)行 繞制,可以通過腐蝕活著印刷的方式制作 天線。感應(yīng)器一般通過負(fù)載調(diào)制的方式進(jìn) 行工作,也就是通過感應(yīng)器上的負(fù)載電阻 的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā) 生變化,實現(xiàn)用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對天線電壓 進(jìn)行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負(fù) 載電壓的接通和斷開,那么這些數(shù)據(jù)就能 夠從感應(yīng)器傳輸?shù)阶x寫器。其特性主要有以下幾方面:工作頻率從 3MHz 到 30MHz, 典型工作

9、頻率有 6.78MHz 和 13.56MHz;除了金屬材料外,該頻率的波 長可以穿過大多數(shù)的材料, 但是往往會降低讀 取距離。感應(yīng)器需要離開金屬一段距離;該頻 段在全球都得到認(rèn)可并沒有特殊的限制;感應(yīng) 器一般以電子標(biāo)簽的形式 ; 雖然該頻段的磁場 區(qū)域下降很快, 但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫 區(qū)域;該系統(tǒng)具有防沖撞特性,可以同時讀取 多個電子標(biāo)簽;可以把某些數(shù)據(jù)信息寫入標(biāo)簽 中 ; 數(shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快, 價格不是很貴。 2.2.3超高頻段(433.05434.79MHz 或 850M H z 910M H z 與微波頻段(2. 45GHz 超高頻和微波系統(tǒng)通過電場來傳輸能量。 電場的能量下降

10、不是很快, 但是讀取的區(qū)域不 容易定義。該頻段讀取距離比較遠(yuǎn),無源可達(dá) 10m 左右。主要是通過電容耦合的方式實現(xiàn)。 其特性主要有以下幾方面:在該頻段,全球的定義不是很相同:歐洲 和部分亞洲定義的頻率為 868MHz, 北美定義 的頻段為 902到 905MHz 之間,在日本建議的 頻段為 950到 956MHz 之間。典型工作頻率有 433.92MHz,862(902928MHz,2.定義的頻 段為 902到 905MHz 之間,在日本建議的頻 圖 1典型的射頻標(biāo)簽工作頻段另外,按照工作頻段的不同,R F I D 標(biāo)簽可分為低頻(LF、高頻(HF、超高頻(UHF和微波等不同種類。 目前國際上

11、廣泛采用的頻段主要有 4種:低頻(125k H z 、高頻(13.54M H z 、超高頻(850M H z 910M H z 和微波(2.45GHz 。每一種頻段都有它的特點,適用于不同的領(lǐng)域, 因此要正確使用就要先了解各個頻段的特性,才能選擇合適的頻段, 。2.2頻段特性2.2.1低頻段(30kHz300kHz低頻率的 R F I D 系統(tǒng)主要是通過電感耦合的方式進(jìn)行工作, 也就是在讀寫器線圈和 (下轉(zhuǎn) 3頁高新技術(shù)科技咨詢導(dǎo)報段為 950到 965MHz 之間。典型工作頻率有 433. 92M H z , 862(902 928M H z , 2. 45M H z , 5. 8G H z

12、 。目前, 該頻段功率輸出美國定義為 4W, 歐 洲定義為 500mW,可能歐洲限制會上升到 2W E I R P 。許多材料中超高頻段的電波不能通過在, 特別是水,灰塵,霧等懸浮顆粒物質(zhì)。相對于 高頻的電子標(biāo)簽來說, 該頻段的電子標(biāo)簽不需 要和金屬分開來。電子標(biāo)簽的天線一般是長條和標(biāo)簽狀。 天線有線性和圓極化兩種設(shè)計,滿足不同 應(yīng)用的需求。該頻段有好的讀取距離,但 是對讀取區(qū)域很難進(jìn)行定義。有很高的數(shù) 據(jù)傳輸速率,在很短的時間可以讀取大量 的電子標(biāo)簽。3不同頻段RFID系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀3. 1低頻段(L F 射頻標(biāo)簽低頻段射頻標(biāo)簽,一般為無源標(biāo)簽,其 工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈

13、的輻射近場中獲得。低頻標(biāo)簽與閱讀器之間 傳送數(shù)據(jù)時,低頻標(biāo)簽需位于閱讀器天線輻 射的近場區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情 況下小于 1m 。低頻標(biāo)簽主要用于短距離、低 成本的系統(tǒng)中,其典型應(yīng)用主要有:動物監(jiān)中高頻段射頻標(biāo)簽,一般也采用無源為 主,其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣,也是通過電 感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲 得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時,標(biāo)簽必須 位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。 中頻標(biāo)簽的 閱讀距離一般情況下也小于 1m 。中頻標(biāo)簽由 于可方便地做成卡狀, 故被廣泛應(yīng)用于門禁控 制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)中。3. 3超高頻(U H F 與微波頻段的射頻標(biāo)簽超高頻與微波頻段的射

14、頻標(biāo)簽簡稱為 微波射頻標(biāo)簽,可分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo) 簽兩類。工作時,射頻標(biāo)簽位于閱讀器天 線輻射場的遠(yuǎn)區(qū)場內(nèi),標(biāo)簽與閱讀器之間 的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線 輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量,將有源 標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離 一般大于 1m ,典型情況為 4m 6m ,最大 可達(dá) 10m 以上。閱讀器天線一般均為定向 天線,其天線波束方向較窄,只有在閱讀器 天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀 /寫。 由于閱讀距離的增加,應(yīng)用中有可能在閱讀 區(qū)域中同時出現(xiàn)多個射頻標(biāo)簽的情況,從而 提出了多標(biāo)簽同時讀取的需求。超高頻標(biāo)簽主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別、 反向散射射頻識別、供應(yīng)

15、鏈上的管理、航空 包裹識別、后勤管理、生產(chǎn)線自動化管理, 還可用于公路車輛識別與自動收費等領(lǐng)域。目前,不同的國家對于相同波段,使用的 頻率也不盡相同,在實際應(yīng)用中,比較常用的 是 13. 56M H z ,860M H z 960M H z 、2. 45G H z 等頻段。近距離 R F I D 系統(tǒng)主要使用 125K H z ,13. 56M H z 等 L F 和 H F 頻段,技 術(shù)最為成熟;遠(yuǎn)距離 R F I D 系統(tǒng)主要使用 433M H z ,860M H z 960M H z 等 U H F 頻段, 以及 2.45GHz,5. 8G H z 等微波頻段,目前 還多在測試當(dāng)中, 沒

16、有大規(guī)模應(yīng)用。 我國在 LF 和 HF 頻段 RFID 標(biāo)簽芯片設(shè)計方面的技術(shù)比 較成熟,HF 頻段方面的設(shè)計技術(shù)接近國際先 進(jìn)水平,已經(jīng)自主開發(fā)出符合 ISO14443Type A、TypeB 和 ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的 RFID 芯片, 并成功地應(yīng)用于交通一卡通和第二代身份證等 項目中。參考文獻(xiàn)1希玉九.電子標(biāo)簽(RFID技術(shù)及其使用的頻率J.中國無線電,2004(1.(上 接 1頁 用點解析協(xié)議, 以實現(xiàn)節(jié)點的消息通信。通 信模塊主要有兩個處理程序,一個是用于數(shù)據(jù) 的同步,另一個是用于數(shù)據(jù)的更新,這兩個處 理程序的主要目的是為了使在同一點組的填 寫 A N Y 表示到達(dá)點組當(dāng)中點之間能夠

17、實現(xiàn) 消 息 交 互 。通訊模塊的層次結(jié)構(gòu)主要部分有:數(shù)據(jù)更新處理:對系統(tǒng)分析模塊產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理 ,當(dāng)檢測到分析模塊產(chǎn)生的各種報 警信息時,能夠及時地啟動更新處理程序,使 其他模塊能夠及時地共享該主機的入侵檢測 數(shù)據(jù),同時在點組中的其他的主機能夠根據(jù)該 入侵信息作出響應(yīng), 以抵制該攻擊行為。發(fā)送更新消息:對包含新的或者改變過的 系統(tǒng)檢測和報警信息通過控制程序進(jìn)行管理, 隨后對消息進(jìn)行封裝,然后通過調(diào)用處理函數(shù) 講其調(diào)入到存儲器中,發(fā)送到其他節(jié)點中去。 數(shù)據(jù)同步處理:為了在各個分 IDS 中保持各種 日志信息的一致,系統(tǒng)可以對其他節(jié)點發(fā)出同 步查詢的請求,當(dāng)其他節(jié)點提出同步查詢的時 候,系

18、統(tǒng)創(chuàng)建一個包含與類型和組相關(guān)的項目 日志的消息來對請求作出響應(yīng),解析器獲得該 消息并把它發(fā)送回最初發(fā)出請求的點。最終 在原始點中進(jìn)行處理。發(fā)送同步消息:在其他點對請求作出響應(yīng) 時才使用它,每個接收到同步查詢請求的點都 將廣播它當(dāng)前所有的內(nèi)容,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 性,我們采取的是每相隔某個設(shè)定的時間,對其 他的節(jié)點發(fā)出查詢消息。處理程序的初始化和注冊:首先創(chuàng)建處理 程序類對象,然后點組對解析器發(fā)出請求,解析 器通過創(chuàng)建的處理程序名進(jìn)行設(shè)置,為消息的 傳送做好準(zhǔn)備。節(jié)點之間的通訊方式:消息采用點解析協(xié) 議進(jìn)行傳送,這種方式有利于在同一個對等組 中進(jìn)行各種檢測系統(tǒng)的共享,具體的傳送協(xié)議 的格式如下:當(dāng)進(jìn)行消息廣播的時候,在destination填 寫 A N Y 表示到達(dá)點組當(dāng)中的任意點。各個節(jié)點之間采用 X M L 數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳送,使用 XML 的好處就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù) 的共享與重用、及良好的擴展性和平臺的無 關(guān)性。只要定義了要傳送的數(shù)據(jù)的文檔類型, 那么就可以利用 X M L 文檔在各個子系統(tǒng)中進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換。特別是協(xié)同和分布式拒絕服務(wù) 這兩種攻擊需要在多個網(wǎng)段進(jìn)行協(xié)同檢測。 因此,不同的入侵檢測系統(tǒng)之間能否進(jìn)行有效 的協(xié)作、來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交