RFID干貨專欄｜03.RFID的構成和分類（視頻講解）

經過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經成為物聯(lián)網的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國，在國家對物聯(lián)網發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿!RFID世界網得到了甘泉老師獨家授權，在RFID世界網公眾號特設專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內容。

在我們了解了RFID的起源和發(fā)展歷程之后，大家一定想更加深入的了解RFID技術到底是什么樣的，有什么技術特點。本節(jié)將對RFID的系統(tǒng)及技術進行講解。

1.3.1 RFID的系統(tǒng)構成

一個典型的RFID系統(tǒng)如圖1-3所示。一般包括RFID標簽(RFID Tag)、閱讀器或問詢器(Reader or Interrogator)和應用 (Application )三個部分。閱讀器通過射頻信號給標簽提供能量并“詢問”標簽，標簽被激活后將其存儲的標簽信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器再將讀取的標簽信息發(fā)送給應用系統(tǒng)以結合具體的應用背景進行數(shù)據(jù)的控制、存儲及管理。

RFID標簽(RFID Tag)一般由標簽天線和標簽芯片組成。標簽天線接收閱讀器發(fā)射過來的射頻信號并轉化為能量，獲取的能量給標簽芯片供電。當獲取的能量足夠時，標簽芯片被激活，并根據(jù)閱讀器的詢問指令完成相應的動作，將芯片上存儲的標簽信息通過調制射頻載波的方法反射給閱讀器。每個標簽具有唯一的電子編碼，用于對附著物體的標識。標簽能夠存儲有關物體的數(shù)據(jù)信息，不同類型的芯片存儲空間和存儲方式不同。在RFID管理系統(tǒng)中，每一個標簽中對應著一個物體的屬性、狀態(tài)、編號等信息。標簽通常安裝在物體表面，具有一定的無金屬遮擋的視角。本節(jié)只是簡單介紹標簽的基本功能方便讀者了解RFID的系統(tǒng)構成，在后面的章節(jié)我們會著重介紹RFID標簽的細節(jié)。

RFID閱讀器(RFID Reader)內部主要是由數(shù)據(jù)協(xié)議處理器和物理層詢問器組成，其中數(shù)據(jù)協(xié)議處理器負責整個RFID協(xié)議的協(xié)議棧處理、編解碼處理、邏輯存儲處理以及與應用系統(tǒng)的通信處理;物理層詢問器，主要負責射頻信號處理、空中接口數(shù)據(jù)處理等。由閱讀器產生的射頻信號通過閱讀器天線發(fā)射給標簽。標簽的反射信號也通過閱讀器天線接收，并被閱讀器主機解析與識別。從而實現(xiàn)一次標簽的清點(詢問)。

應用(Application)主要負責對閱讀器的控制、設置及對讀取標簽信息的管理，并結合具體應用項目給出適當?shù)呐袛嗯c顯示，或對數(shù)據(jù)進行存儲及管理。應用系統(tǒng)一般與計算機網絡體系連接，網絡體系的各層結構由各種RFID 中間件控制、訪問。

當一個系統(tǒng)中同時存在RFID標簽、RFID閱讀器和應用時，才可以說這個RFID系統(tǒng)是一個完整的RFID系統(tǒng)，才能完成最簡單的RFID應用。麻雀雖小五臟俱全，無論多么龐大的系統(tǒng)，都擺脫不了這個最基本的RFID系統(tǒng)結構。在后面的章節(jié)中會有許多復雜的案例，無論是幾十臺閱讀器還是幾百萬的標簽，都是在此RFID系統(tǒng)結構的基礎上演化而來的。

1.3.2 RFID技術的分類

前面介紹的RFID都是從系統(tǒng)的層面進行分析，讀者可能不知道RFID其實是一個非常大的大家庭，那么RFID的種類有多少呢，它們之間的差異是什么呢?如圖1-4 RFID 技術分類圖：

從圖中我們可以看到根據(jù)工作頻率不同、協(xié)議不同、供電方式不同、功能不同、數(shù)據(jù)處理方式不同、數(shù)據(jù)格式不同，RFID可以分成各種各樣的種類。那么這么多不同種類分別有什么作用呢?這里就從最簡單的幾個概念開始講解。

RFID與工作頻率(Operation Frequency)

如圖1-5，為射頻頻譜圖。自然界中所有電磁波的分布圖如最上一排所示，頻率從低到高為：電力波(Electric Waves)、無線電波(RadioWaves)、紅外線(Infra-red)、可見光(VisibleLight)、紫外線(Ultra-Violet)、X射線(X-Rays)、Gamma射線(Gamma-Rays)、宇宙射線(Cosmic Rays)。其中，與RFID相關的只是無線電波(RadioWaves)部分。無線電波顧名思義就是可以輻射到外界的電波。從圖中可以看出無線電波的頻率范圍從9KHz到300GHz，分成超低頻VeryLow Frequency(VLF)、低頻Low Frequently(LF)、中頻MediumFrequency(MF)、高頻High Frequency(HF)、甚高頻VeryHigh Frequency(VHF)、超高頻Ultra High Frequency(UHF)、特高頻SuperHigh Frequency(SHF)、極高頻Extremely High Frequency(EHF)。

不難看出，頻段的分割點，分別在30kHz、300KHz、…..300GHz。那么，為什么是用3XXHz來作為分割點呢?基于光速和波長的關系：λ=c/f，其中λ代表波長，c代表光速(3×108 m/s)，f代表頻率，那么f=c×λ。人們在進行天線設計的時候，天線尺寸的單位通常采用毫米、厘米、米等，而天線的長度一般與波長相關。于是，人們?yōu)榱朔奖憔陀瞄L度單位來定義一類電磁波。如厘米波(1cm到10cm波長)，那么對應的頻率則是3GHz到30GHz。在我們的日常生活中，無線電波無處不在,如表1-1。例如，我們聽的收音機FM就是VHF頻段，我們的手機是UHF頻段。

在RFID應用中最常見的頻率為LF(125KHz、134KHz)、HF(13.56MHz)、UHF(800M-900MHz)以及2.4GHz和5.8GHz。

2. RFID與數(shù)據(jù)傳輸方式(Transmission)

RFID的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有三種，如圖1-6所示。

這三種方式為：電容耦合(Capacitive Coupling)、電感耦合(Inductive Coupling)、電磁場傳播(EM-WavePropagation)。

(1) 電容耦合

這種方式是利用電容的電場變化原理來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模沁@種方式的局限性很強。首先，Reader和Tag天線之間的距離要非常近，這樣才有電容效應，Reader電壓的變化才能使Tag識別到;其次需要Reader和Tag天線面積很大，這樣才能提供足夠的傳輸能量。由于電容耦合技術弊端非常多，現(xiàn)在已經很難看得到這樣的應用了。

(2) 電感耦合

這種技術是現(xiàn)在最常見的RFID傳輸技術之一，使用廣泛、方法簡單，即Reader天線和Tag天線都是閉合線圈，根據(jù)之間的電感耦合進行傳輸。根據(jù)諧振頻率、匹配不同以及兩個天線之間的距離，可以計算出兩個天線之間的耦合系數(shù)(在不考慮諧振匹配的情況下距離越近，線圈的匝數(shù)越多其耦合系數(shù)越高)。Reader在傳輸數(shù)據(jù)的同時，能量也可以傳輸給Tag。此種電感耦合的工作方式，一般都是近距離(Near Filed)通信技術。正常情況下Tag的工作距離為10厘米左右，只有非常特殊的情況下可以工作到1米左右的距離，如15693協(xié)議(13.56MHz)下在門型天線的工作環(huán)境中可以實現(xiàn)中距離的標簽讀取。電感耦合的傳輸方式使用于各種頻率，包括從低頻到超高頻的所有頻率。這里重點說一下，在UHF超高頻的應用中，有許多環(huán)境中需要近場的應用，最簡單的實現(xiàn)方式就是用近場的Reader天線配合近場的標簽天線，在后面的應用中我們會著重介紹近場的RFID方案。

(3) 電磁波傳播

電磁波傳播也分兩種模式，一種是利用反向散射電磁波傳播(EM-Wave propagation back-scattering)技術，另外一種是主動收發(fā)技術(Bidirectional EM propagation)。這兩種技術都是利用電磁波的傳播，都可以遠距離工作，一般工作距離都可以超過3m，最遠可以到達幾十米或者上百米。其中反向散射技術多應用于無源超高頻技術，其特點是標簽為無源，其能量從閱讀器輻射的電磁波中獲得。當標簽對閱讀器進行通信時，閱讀器不能停止工作，要不停地向標簽發(fā)射射頻載波(RF Continue Waves)，標簽通過調制并反射閱讀器的射頻載波使閱讀器接收到標簽發(fā)射的數(shù)據(jù)。這種利用反向散射技術的無源RFID技術一般標簽成本最低，工作距離大概8米左右，只有在非常特殊的環(huán)境中可以達到20米左右(如在車輛交通管理中，使用超標發(fā)射的大天線可以達到20米左右的距離)。主動發(fā)射或者雙工發(fā)射的技術主要用于有源標簽的應用中，其特點是每一個標簽都是一個有源的收發(fā)器，其能量不來自閱讀器而來源于自身攜帶的電池。當閱讀器發(fā)出命令后，標簽主動發(fā)出應答。該技術有較遠的通信距離，讀取穩(wěn)定性強，但是價格貴且由于電池的原因壽命短，同樣由于電池的原因其高低溫環(huán)境的要求很高。常用的工作頻率有433MHz、800-900MHz、2.4GHz、5.8GHz。

3. RFID與供電方式(Power supply)

RFID標簽的供電方式有3種，無源標簽、有源標簽、半有源標簽。根據(jù)標簽上是否帶有電池，可以將標簽分為無源標簽(Passive tags)、有源標簽(Active tags)和半有源(Semi—active tags)標簽。無源標簽也稱為被動式標簽，是通常意義上的RFID標簽，即由閱讀器詢問信號提供能量，標簽通過反射方式進行信號傳輸。無源RFID標簽無須外加電池，當其處于閱讀器的有效讀取范圍內時，閱讀器產生的詢問電磁波在RFID標簽天線上產生的能量即可驅動芯片完成解碼、解析、編碼及反向調制等功能。與有源RFID 標簽相比，無源RFID標簽體積更小、成本更低、壽命更長。但是，由于無源RFID標簽自身不帶電池，必須要處于閱讀器有效讀取范圍內才能工作。因此，其距離一般比較短。低頻及高頻的RFID標簽讀取距離只有幾十厘米，超高頻RFID標簽最遠也就十幾米的范圍(不超標情況下)。隨著集成電路設計工藝的改進，更低功耗的標簽芯片會被設計出來，到時其最大讀取距離會更遠些。

有源RFID標簽也稱為主動式標簽。標簽內裝有電池，使用專用的射頻芯片，一般具有較遠的閱讀距離(上百米)，并定時主動發(fā)射信號。不足之處是電池的壽命有限，一般小于一年。而且有源電子標簽的體積較無源的要大，成本要高，目前一般應用于車輛管理、航運管理及礦井管理等特殊的場合。

半有源RFID標簽也稱為半無源RFID標簽。標簽內部也有電池，但其電池只供接收或傳感電路進行工作，標簽的應答仍然與無源的方式相似，即反射調制。由于有電池輔助，半有源RFID標簽的讀取距離比無源RFID標簽要遠。而且，只需很少的能量就可以維持比較長的使用壽命。通過使用超薄電池，可以大大減小標簽的體積。典型的代表有德國KSW公司，其制造的半有源的RFID智能標簽傳感器VarioSensBasic采用1.5V 薄膜電池，使用時間約為1.5年。產品的主要應用領域為化學行業(yè)的化學品監(jiān)控、醫(yī)療行業(yè)的藥品和易腐爛食品的運輸監(jiān)測等。

無源標簽、有源標簽及半有源標簽的工作原理如圖1-7所示。由于無源標簽、有源標簽及半有源標簽具有各自的成本或性能上的特征，因此其應用領域也各不一樣。無源標簽、有源標簽及半有源標簽的區(qū)別如表1-2所示。

4. RFID與空口協(xié)議(Air Protocol)

空中接口通信協(xié)議規(guī)范是讀寫器與電子標簽之間信息交互的規(guī)范，目的是解決不同廠家設備之間的互聯(lián)互通性。ISO/IEC制定五種頻段的空中接口協(xié)議，這種思想充分體現(xiàn)標準統(tǒng)一的相對性，一個標準是對相當廣泛的應用系統(tǒng)的共同需求，可以滿足更大范圍的應用需求。

ISO/IEC 18000-1信息技術-基于單品管理的射頻識別-參考結構和標準化的參數(shù)定義。它規(guī)范空中接口通信協(xié)議中共同遵守的讀寫器與標簽的通信參數(shù)表、知識產權基本規(guī)則等內容。這樣每一個頻段對應的標準不需要對相同內容進行重復規(guī)定。

ISO/IEC 18000-2信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于中頻125～134KHz，規(guī)定在標簽和讀寫器之間通信的物理接口，讀寫器應具有與Type A(FDX)和TypeB(HDX)標簽通信的能力;規(guī)定協(xié)議和指令再加上多標簽通信的防碰撞方法。

ISO/IEC 18000-3信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于高頻段13.56MHz，規(guī)定讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。關于防碰撞協(xié)議可以分為兩種模式，而模式1又分為基本型與兩種擴展型協(xié)議(無時隙無終止多應答器協(xié)議和時隙終止自適應輪詢多應答器讀取協(xié)議)。模式2采用時頻復用FTDMA協(xié)議，共有8個信道，適用于標簽數(shù)量較多的情形。

ISO/IEC 18000-4信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于微波段(雖然2.4GHz是在UHF頻段的，但是在大家的約定俗成中，稱之為微波段，同理5.8GHz的RFID應該是SHF頻段的，也算在微波段內)2.45GHz，規(guī)定讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。該標準包括兩種模式，模式1是無源標簽工作方式是讀寫器先講;模式2是有源標簽，工作方式是標簽先講。

ISO/IEC 18000-6信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于超高頻段860～960MHz，規(guī)定讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。它包含Type A、TypeB、Type C和TypeD四種無源標簽的接口協(xié)議，通信距離最遠可以達到10m。其中TypeC是由EPC global起草的，并于2006年7月獲得批準，它在識別速度、讀寫速度、數(shù)據(jù)容量、防碰撞、信息安全、頻段適應能力、抗干擾等方面有較大提高。2006年遞交V4.0草案，它針對帶輔助電源和傳感器電子標簽的特點進行擴展，包括標簽數(shù)據(jù)存儲方式和交互命令。帶電池的主動式標簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的通信可靠性，不過其尺寸較大，價格也更貴一些。

ISO/IEC 18000-7適用于超高頻段433.92MHz，屬于有源電子標簽。規(guī)定讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。有源標簽識讀范圍大，適用于大型固定資產的跟蹤。

根據(jù)協(xié)議不同，閱讀器和標簽的誰先說話也有很大不同，標簽先說話(Tag talk first TTF)、閱讀器先說話(Readertalk first RTF)。最常見的是RTF，基本多數(shù)的RFID都是遵循RTF;但是也有少數(shù)的協(xié)議是遵循TTF，如18000-6D協(xié)議以及18000-4的模式2都是標簽先說話，標簽先說的好處是采集速度快，靈敏度高，實時性強，同時缺點也是很明顯的，比如傳輸數(shù)據(jù)量小，功能簡單。

5. RFID技術分類總結：

表1-3為多種RFID技術對比總結。

從中我們可以看出，并不是像很多人認為的頻率高通信速率就快，當然頻率高可以獲得更高的帶寬，但是最重要的是看協(xié)議如何規(guī)定的。