無線射頻識(shí)別技術(shù)RFID基礎(chǔ)知識(shí)

無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）基礎(chǔ)知識(shí)無線射頻識(shí)別技術(shù)的基本原理是利用空間電磁感應(yīng)（InductiveCoupling）或者電磁傳播（PropagationCoupling）來進(jìn)行通信，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別被標(biāo)識(shí)物體的目的?；竟ぷ鞣椒ㄊ菍o線射頻識(shí)別標(biāo)簽（Tags）安裝在被識(shí)別物體上（粘貼、插放、掛佩、植入等），當(dāng)被標(biāo)識(shí)物體進(jìn)入無線射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀器Readers）的閱讀范圍時(shí)，標(biāo)簽和閱讀器之間進(jìn)行非接觸式信息通訊，標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送自身信息如ID號(hào)等，閱讀器接收這些信息并進(jìn)行解碼，傳輸給后臺(tái)處理計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)信息處理過程。無線射頻識(shí)別技術(shù)是一本多門學(xué)科多種技術(shù)綜合利用的應(yīng)用技術(shù)。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)大致包括：芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)變換與編碼技術(shù)、電磁場與微波技術(shù)等。、基本概念無線射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)的空間耦合（電磁感應(yīng)或者電磁傳播）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。圖1所示為RFID系統(tǒng)配置示意圖。圖1RFID系統(tǒng)配置示意圖電磁感應(yīng)，即所謂的變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，如圖2所示。電磁感應(yīng)方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125KHz、225KHz和。識(shí)別作用距離小于1m,典型作用距離為10?20cm。電磁感他圖2電感耦合電磁傳播或者電磁反向散射(BackScatter)耦合，即所謂的雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律，如圖3所示。電磁反向散射耦合方式一般適合于超高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz、915MHz、、。識(shí)別作用距離大于1m,典型作用距離為3?10m。圖3電磁耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽和閱讀器。在RFID的實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別的物體上(表面或者內(nèi)部)，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識(shí)別物品通過閱讀器的可識(shí)讀區(qū)域時(shí)，閱讀器自動(dòng)以無接觸的方式將電子標(biāo)簽中的約定識(shí)別信息取出，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或自動(dòng)收集物品標(biāo)識(shí)信息的功能。閱讀器系統(tǒng)又包括閱讀器和天線，有的閱讀器是將天線和閱讀器模塊集成在一個(gè)設(shè)備單元中的，成為集成式閱讀器(IntegratedReader)。由上可見，為了完成RFID系統(tǒng)的主要功能，RFID系統(tǒng)具有兩個(gè)基本的構(gòu)成部分，即電子標(biāo)簽和閱讀器。二、分類根據(jù)不同的分類方式，RFID系統(tǒng)可以具有很多不同的分類方式，一般來講，我們可以按照如下的方式進(jìn)行分類。1、根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分為一一有源、無源和半有源系統(tǒng)RFID系統(tǒng)可分為有源、無源以及半有源系統(tǒng)，主要是依據(jù)射頻標(biāo)簽工作所需能量的供給方式。有源系統(tǒng)的標(biāo)簽使用標(biāo)簽內(nèi)部的電池來供電，主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)識(shí)別距離較長，可達(dá)幾十米甚至上百米，但其壽命有限并且成本較高，另外，由于標(biāo)簽帶有電池，其體積比較大，無法制成薄卡（比如信用卡標(biāo)簽）。有源標(biāo)簽的電池壽命理論上可能能夠達(dá)到5年或者更長，但是根據(jù)電池的質(zhì)量、使用的環(huán)境等因素，壽命會(huì)大幅縮減。特別是在日曬等條件下使用，還有可能造成電池泄漏等情況。但是有源標(biāo)簽系統(tǒng)的發(fā)射功率較低。有的有源標(biāo)簽可以制造成電池可以更換的。有源標(biāo)簽的成本較高。無源射頻標(biāo)簽沒有電池，利用閱讀器發(fā)射的電磁波進(jìn)行耦合來為自己提供能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長，成本低廉?？梢灾瞥筛鞣N各樣的薄卡或者掛扣卡，但它的識(shí)別距離受限制，一般是幾十厘米到數(shù)十米，且需要有較大的閱讀器發(fā)射功率。半有源系統(tǒng)的標(biāo)簽帶有電池，但是電池只起到對(duì)標(biāo)簽內(nèi)部電路供電的作用，標(biāo)簽本身并不發(fā)射信號(hào)。2、根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式分為一一主動(dòng)式、被動(dòng)式和半主動(dòng)式一般來講，無源系統(tǒng)為被動(dòng)式，有源系統(tǒng)為主動(dòng)式，半有源系統(tǒng)為半主動(dòng)式。主動(dòng)式的射頻系統(tǒng)用自身的射頻能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，調(diào)制方式可為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相，主動(dòng)標(biāo)簽系統(tǒng)是單向的，也就是說，只有標(biāo)簽向閱讀器不斷傳送信息，而閱讀器對(duì)標(biāo)簽的信息只是被動(dòng)地接收，就像電臺(tái)和收音機(jī)的關(guān)系。被動(dòng)式的射頻系統(tǒng)，使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器的載波來調(diào)制自己的信號(hào)，在門禁或交通的應(yīng)用中比較適宜，因?yàn)殚喿x器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻系統(tǒng)。在有障礙物的情況下，采用調(diào)制散射方式，閱讀器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動(dòng)方式的射頻標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)僅穿過障礙物一次，因此主動(dòng)方式工作的射頻標(biāo)簽主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠(yuǎn)，速度更快。被動(dòng)式標(biāo)簽內(nèi)部不帶電池，要靠外界提供能量才能正常工作。被動(dòng)式標(biāo)簽典型的產(chǎn)生電能的裝置是天線與線圈，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入系統(tǒng)的工作區(qū)域，天線接收到特定的電磁波，線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，在經(jīng)過整流電路時(shí)，激活電路上的微型開關(guān)，給標(biāo)簽供電。被動(dòng)式標(biāo)簽具有永久的使用期，常常用在標(biāo)簽信息需要每天讀寫或頻繁讀寫多次的地方，而且被動(dòng)式標(biāo)簽支持長時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸和永久性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。被動(dòng)式標(biāo)簽的缺點(diǎn)主要是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x要比主動(dòng)式標(biāo)簽小。因?yàn)楸粍?dòng)式標(biāo)簽依靠外部的電磁感應(yīng)而供電，它的電能就比較弱，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和信號(hào)強(qiáng)度就受到限制，需要敏感性比較高的信號(hào)接收器(閱讀器)才能可靠識(shí)讀。半主動(dòng)RFID系統(tǒng)也稱為電池支援式(BatteryAssisted)反向散射調(diào)制系統(tǒng)。半主動(dòng)標(biāo)簽本身也帶有電池，只起到對(duì)標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)字電路供電的作用，但是標(biāo)簽并不通過自身能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有被閱讀器的能量場“激活”時(shí)，才通過反向散射調(diào)制方式傳送自身的數(shù)據(jù)。我們一般所見的有源系統(tǒng)都是半有源系統(tǒng)。3、根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率可以分為一一低頻、高頻、超高頻、微波系統(tǒng)閱讀器發(fā)送無線信號(hào)時(shí)所使用的頻率被稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率，基本上劃分為：低頻(LowFrequency,LF)(30~300KHz)、高頻(HighFrequency,HF)(3?30MHz)、超高頻(UltraHighFrequency,UHF)(300?968MHz)、微波(MicroWave,MW)?。低頻系統(tǒng)一般工作在100?300kHz,常見的工作頻率有125kHz、；高頻系統(tǒng)工作在10-15MHz左右，常見的高頻工作頻率為；超高頻工作頻率為433?960MHZ,常見的工作頻率為、；有些射頻識(shí)別系統(tǒng)工作在的微波段。自從1980年以來，低頻(125-135kHz)RFID技術(shù)一直用于近距離的門禁管理。由于其信噪比

(SignalNoiseRatio,S/N)較低，其識(shí)讀距離受到很大限制。低頻系統(tǒng)防沖撞(Anti-collision)性能差，多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀慢，其性能也容易受到其它電磁環(huán)境的影響。高頻RFID產(chǎn)品可以部分地解決這些問題。高頻RFID系統(tǒng)速度較快，可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀，形式多樣，價(jià)格合理。但是高頻RFID產(chǎn)品對(duì)可導(dǎo)媒介(如液體、高濕、碳介質(zhì)等)穿透性不如低頻產(chǎn)品，由于其頻率特性，識(shí)讀距離較短。860?960MHz超高頻RFID產(chǎn)品常常被推薦應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理(SupplyChainManage,SCM)上，超高頻產(chǎn)品識(shí)讀距離長，能夠?qū)崿F(xiàn)高速識(shí)讀和多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀。但是，超高頻電磁波對(duì)于如水等可導(dǎo)媒介完全不能穿透，對(duì)金屬的繞射性也很差。實(shí)踐證明，由于高濕物品、金屬物品對(duì)超高頻無線電波的吸收與反射特性，超高頻RFID產(chǎn)品對(duì)于此類物品的跟蹤與識(shí)讀是完全失敗的。RFID頻譜如圖4所示。HOD TMmIOMHEIgNWic1OmTUGFU—_ I -MF VHF UHF FTtWB T f iatiz MtU MHiCHk圖4RFID系統(tǒng)頻譜簡圖4、根據(jù)標(biāo)簽的可讀寫性分為一一只讀、讀寫和一次寫入多次讀出根據(jù)射頻標(biāo)簽內(nèi)部使用的存儲(chǔ)器類型的不同可分成三種：可讀寫標(biāo)簽(RW)、一次寫入多次讀出標(biāo)簽(WORM)和只讀標(biāo)簽(RO)。RW標(biāo)簽一般比WORM標(biāo)簽和RO標(biāo)簽貴得多，如信用卡等。WORM標(biāo)簽是用戶可以一次性寫入的標(biāo)簽，寫入后數(shù)據(jù)不能改變，WORM標(biāo)簽比RW標(biāo)簽要便宜。RO標(biāo)簽存有一個(gè)唯一的號(hào)碼ID,不能修改，這樣提供了安全性，RO標(biāo)簽最便宜。只讀標(biāo)簽內(nèi)部只有只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)oROM用于存儲(chǔ)發(fā)射器操作系統(tǒng)程序(Program)和安全性要求較高的數(shù)據(jù)，它與內(nèi)部的處理器或邏輯處理單元(LogicalTreatmentUnit)完成內(nèi)部的操作控制功能，如響應(yīng)延遲時(shí)間控制，數(shù)據(jù)流控制，電源開關(guān)控制等。另外，只讀標(biāo)簽的ROM中還存儲(chǔ)有標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息。這些信息可以在標(biāo)簽制造過程中由制造商寫入ROM中，也可以在標(biāo)簽開始使用時(shí)由使用者根據(jù)特定的應(yīng)用目的寫入特殊的編碼信息。這種信息可以只簡單地代表二進(jìn)制中的“0”或者“1”，也可以象二維條碼那樣，包含復(fù)雜的相當(dāng)豐富的信息。但這種信息只能是一次寫入，多次讀出。只讀標(biāo)簽中的RAM用于存儲(chǔ)標(biāo)簽反應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸過程中臨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。另外，只讀標(biāo)簽中除了ROM和RAM外，一般還有緩沖存儲(chǔ)器，用于暫時(shí)存儲(chǔ)調(diào)制后等待天線發(fā)送的信息。可讀可寫標(biāo)簽內(nèi)部的存儲(chǔ)器除了ROM、RAM和緩沖存儲(chǔ)器之外，還有非易失可編程記憶存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器除了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能外，還具有在適當(dāng)?shù)臈l件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。非易失可編程記憶存儲(chǔ)器有許多種，EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）是比較常見的一種，這種存儲(chǔ)器在加電的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有數(shù)據(jù)的擦除以及數(shù)據(jù)的重新寫入?？蓪懘鎯?chǔ)器的容量根據(jù)標(biāo)簽的種類和執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)存在較大的差異。5、根據(jù)RFID系統(tǒng)標(biāo)簽和閱讀器之間的通信工作次序可以分為——TTF和RTF系統(tǒng)時(shí)序指的是閱讀器和標(biāo)簽的工作次序問題，也就是閱讀器主動(dòng)喚醒標(biāo)簽（ReaderTalkFirst，RTF）還是標(biāo)簽首先自報(bào)家門（TagTalkFirst，TTF）的方式。對(duì)于無源標(biāo)簽來講，一般是閱讀器先講的形式，對(duì)于多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀來講，可以采用閱讀器先講的形式，也可以是標(biāo)簽先講的形式。對(duì)于多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀，“同時(shí)”也只是相對(duì)的概念。為了實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽無沖撞同時(shí)識(shí)讀，對(duì)于閱讀器先講的方式，閱讀器先對(duì)一批標(biāo)簽發(fā)出隔離指令，使得閱讀器識(shí)讀范圍內(nèi)的多個(gè)電子標(biāo)簽被隔離，最后只保留一個(gè)標(biāo)簽處于活動(dòng)狀態(tài)與閱讀器建立無沖撞的通信聯(lián)系。通信結(jié)束后發(fā)送指令使該標(biāo)簽進(jìn)入休眠，指定一個(gè)新的標(biāo)簽執(zhí)行無沖撞通信指令。如此往復(fù)，完成多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀。對(duì)于標(biāo)簽先講的方式，標(biāo)簽在隨機(jī)的時(shí)間反復(fù)的發(fā)送自己的識(shí)別ID，不同的標(biāo)簽可在不同的時(shí)間段最終被閱讀器正確讀取，完成多標(biāo)簽的同時(shí)識(shí)讀。和RTF相比，TTF系統(tǒng)通信協(xié)議比較簡單，防沖撞能力更強(qiáng)，速度更快。但是TTF也會(huì)帶來一些諸如性能不夠穩(wěn)定、數(shù)據(jù)讀取與寫入誤碼率較高等不良后果。這也6可能是主流RFID廠商大多采用RTF的原因所在。三、基本工作原理射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本模型如圖5所示。其中，電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、通訊器、讀寫器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間（無接觸）耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。圖5RFID的基本模型圖圖6RFID系統(tǒng)前端原理示意圖圖6為RFID系統(tǒng)前端原理示意圖，主要完成能量耦合，數(shù)據(jù)調(diào)制等功能。發(fā)生

在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類型有兩種，主要為電感耦合與電磁耦合兩種形式。圖7表示只讀被動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)（LF和UHF），圖8表示只讀主動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)，圖9表示可讀寫被動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)（LF和UHF），圖10表示可讀寫的主動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)。圖7只讀被動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)山上|啾發(fā)圖8只讀主動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)

未白也去的也均>可年1由內(nèi)同看圖9可讀寫被動(dòng)標(biāo)簽與閱讀器系統(tǒng)辭才而旅謠推VvRi括歲二，匕堆IT及步訃啥五戰(zhàn)的斗中侑巨向虎用江捕鳥■可中