從RFID的物理特性分析用在金屬上的可行方案

    目前大多數(shù)廠商對于金屬的問題主要處于試驗(yàn)階段，并且大都沒有成熟的產(chǎn)品。低頻和高頻對金屬導(dǎo)體沒有太多的辦法，只能通過鐵氧體或者離開金屬一段距離來增加磁通量，或者說減少金屬給射頻信號所帶來的負(fù)面效應(yīng)，這是由它們的物理特性決定的。而超高頻（UHF）的波長較短，當(dāng)金屬表面離標(biāo)簽的距離比較合適的時(shí)候，信號可以被金屬表面反射而增加信號強(qiáng)度，已經(jīng)公布其金屬專用標(biāo)簽的只有Intermec等為數(shù)不多的幾家。

    針對幾個(gè)頻段的工作原理和物理特性，做一下在金屬表面的可行方案分析：

    一、低頻頻段（125KHz、134KHz）

    該頻率主要是通過電感耦合的方式進(jìn)行工作, 也就是在讀寫器（Reader）線圈和感應(yīng)器（tag，即標(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(qiáng)下降的太快。該頻段的波長大約為2200m。

    RFID技術(shù)首先在這個(gè)頻段得到廣泛的應(yīng)用和推廣。這個(gè)頻段的磁場下降太快，決定了其識別距離非常近，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域，而且衰減的快不會影響其他磁場，因而工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制；波長較長，能夠使這個(gè)頻段穿過除了金屬和液體的任意材料而不降低它的讀取距離，但是數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢。這個(gè)頻段的技術(shù)較為成熟，感應(yīng)器可以做到不同的封裝形式，但是普通標(biāo)簽的價(jià)格相對于讀寫器要貴一些。該頻段的感應(yīng)器一般不提供防沖撞算法，并且市場上的大部分是只讀的，只提供ID號；飛利浦有一款Hitag S 感應(yīng)器是可寫，雖然其讀頭模塊支持防沖撞算法，但是真正做的不多。

    低頻的作用方式依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，是通過空間交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，如果把感應(yīng)器直接貼在金屬表面，會干涉讀寫器和感應(yīng)器形成的交變磁場，從而影響數(shù)據(jù)的讀取。解決的辦法是在感應(yīng)器和金屬之間加隔離層，目前市場上流行的一種叫鐵氧體的物質(zhì)，可以很好的隔離金屬，增加感應(yīng)器線圈附近的磁通量。但是鐵氧體的成本較高，目前批量使用并不合適。

    主要應(yīng)用領(lǐng)域：畜牧業(yè)、門禁、身份識別等。

    二、高頻(13.56MHz)

    在該頻率的感應(yīng)器不再需要線圈進(jìn)行繞制，可以通過附著或者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(shí)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。該頻率的波長大概為22m。

    由于這個(gè)頻段的波長較長，除了金屬材料外，射頻信號可以穿過大多數(shù)的材料，但是往往會降低讀取距離，而且感應(yīng)器需要離開金屬一段距離。雖然該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是仍然能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域；該頻段在全球都得到認(rèn)可，而且并沒有特殊的限制。高頻感應(yīng)器一般以電子標(biāo)簽的形式，系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時(shí)讀取多個(gè)電子標(biāo)簽。信號傳輸速率比低頻要快，價(jià)格不是很貴，并且一般提供一定的存儲量。
該頻段的工作原理大致和低頻一樣，并且對金屬的敏感度比低頻高，所以必須建立一個(gè)隔離層使感應(yīng)器與金屬隔離，否則讀寫器根本讀不到感應(yīng)器。

    高頻系統(tǒng)用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，例如一卡通（可以在圖書館應(yīng)用，也可以在食堂用，這是由于感應(yīng)器芯片的存儲空間分好幾個(gè)扇區(qū)，在圖書館的信息儲存在一個(gè)扇區(qū)中，而作為飯卡用的信息儲存在另一個(gè)扇區(qū)中）、瓦斯鋼瓶的管理、醫(yī)藥物流系統(tǒng)的管理等。

    三、超高頻(工作頻率為860MHz到960MHz之間)

    超高頻系統(tǒng)通過電場來傳輸能量。讀寫器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型是電磁反向散射耦合，雷達(dá)模型原理，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)的信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律；電場的能量下降的不是很快，但是讀取的區(qū)域不是很好進(jìn)行定義。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進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

    這個(gè)頻段是目前人們期待應(yīng)用潛力最大的，它的標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)進(jìn)步都會給RFID這個(gè)行業(yè)帶來影響。目前焦點(diǎn)為EPC標(biāo)準(zhǔn)和Gen 2，UHF Gen 2只是EPCglobal開發(fā)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一，所使用的頻率和能源完全符合現(xiàn)行的各種法律法規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)涉及到信息系統(tǒng)中的中間件以及信息系統(tǒng)間的通信方式等等（現(xiàn)在可能還沒有制定完全），簡單的說就像internet的各種類似域名解析、各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等等；此外，為了更好的保護(hù)存儲在標(biāo)簽和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，基于UHF Generation 2標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將采用先進(jìn)的加密技術(shù)、密碼保護(hù)和認(rèn)證機(jī)制。EPC編碼一般是96位bits，中國標(biāo)準(zhǔn)制定委員會較為傾向于EPC。UHF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956 之間。之所以關(guān)注EPC，EPC較多的強(qiáng)調(diào)通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各種接口，對于現(xiàn)在波音模式的制造模式會十分有用，在裝配廠的倉庫管理和運(yùn)輸管理中可能用，并且這種模式較好的解決產(chǎn)品的可追溯性。
該頻段的波長大概為30cm 左右，信號不能通過許多材料，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物資。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。它可以利用雷達(dá)原理，如果標(biāo)簽和金屬表面的距離適當(dāng)，不僅不會影響標(biāo)簽的讀取，并且還會加強(qiáng)信號。

    該頻段有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時(shí)間可以讀取大量的電子標(biāo)簽。Alien聲稱他們已經(jīng)能夠達(dá)到360片/秒，并且在40km/秒的移動(dòng)速率下也能正確讀取。RFID技術(shù)之所以在產(chǎn)生幾十年后得到重視，是因?yàn)閬碜悦绹鴩啦亢臀譅柆攺?qiáng)力支持。而這兩種典型的應(yīng)用，物流和供應(yīng)鏈管理正是RFID超高頻頻段的優(yōu)勢，超高頻有讀取距離和速率的優(yōu)勢，對于批量讀取、移動(dòng)讀取和遠(yuǎn)距離讀取相對于低頻和高頻非常好。

    主要應(yīng)用領(lǐng)域：供應(yīng)鏈上的管理和應(yīng)用，生產(chǎn)線自動(dòng)化的管理和應(yīng)用，航空包裹的管理和應(yīng)用，集裝箱的管理和應(yīng)用，后勤管理系統(tǒng)的應(yīng)用。

    綜上所述，現(xiàn)階段對金屬件標(biāo)識的方法有三種，一種是在高頻和低頻用到的隔離金屬與標(biāo)簽的方法，成本比較高；另一種就是合理設(shè)計(jì)標(biāo)簽，使標(biāo)簽天線離開金屬表面適當(dāng)距離；第三種就是附著標(biāo)識，包括掛牌子、標(biāo)識承載被標(biāo)識物的非金屬托盤或者容器等辦法?？赡軐黼S著制作工藝的進(jìn)步，可以把標(biāo)簽的天線和金屬做在一起，把被標(biāo)識金屬導(dǎo)體作為天線的一部分從而輕易地解決導(dǎo)體敏感問題；但是現(xiàn)在對于直接標(biāo)識金屬件，沒有讀取距離要求的可以采用直接黏附在表面，有距離要求的最好還是用合理設(shè)計(jì)的超高頻標(biāo)簽或者附著標(biāo)識的辦法。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 游戰(zhàn)清 [等] 編著 無線射頻識別技術(shù) (RFID) 理論與應(yīng)用 北京-電子工業(yè)出版社 2004