RFID射頻識別技術(shù)詳解之RFID系統(tǒng)構(gòu)架與基本原理

　　RFID射頻識別技術(shù)

　　RFID的英文全稱是Radio FrequencyIdentification，射頻識別，又稱電子標(biāo)簽，無線射頻識別，感應(yīng)式電子晶片，近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子條碼。

　　RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

　　RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達(dá)幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。

　　RFID系統(tǒng)構(gòu)架

　　典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件4部分構(gòu)成，一般我們把中間件和應(yīng)用軟件統(tǒng)稱為應(yīng)用系統(tǒng)。

　　RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在實際RFID解決方案中，RFID系統(tǒng)都包含一些基本組件。組件分為硬件組件和軟件組件。

　　從功能實現(xiàn)的角度觀察，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分， 邊沿系統(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分;軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應(yīng)用;通信設(shè)施負(fù)責(zé)整個RFID系統(tǒng)的信息傳遞。

　　射頻識別系統(tǒng)基本組成

　　1、電子標(biāo)簽

　　電子標(biāo)簽(Electronic Tag)也稱也稱應(yīng)答器或智能標(biāo)簽(Smart Label)，是一個微型的無線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線和芯片組成。

　　2、讀寫器

　　讀寫器是一個捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統(tǒng)之中。讀寫器也是構(gòu)成RFID系統(tǒng)的重要部件之一，由于它能夠?qū)?shù)據(jù)寫到RFID標(biāo)簽中，因此稱為讀寫器。

　　讀寫器的硬件部分通常由收發(fā)機(jī)、微處理器、存儲器、外部傳感器/執(zhí)行器，報警器的輸入/輸出接口、通信接口及電源等部件組成。

　　讀寫器組成示意圖

　　3、控制器

　　控制器是讀寫器芯片有序工作的指揮中心，主要功能是：

　　與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信;

　　執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令;

　　控制與標(biāo)簽的通信過程;

　　基帶信號的編碼與解碼;

　　執(zhí)行防碰撞算法;

　　對讀寫器和標(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密;

　　進(jìn)行讀寫器與電子標(biāo)簽之間的身份認(rèn)證;

　　對鍵盤、顯示設(shè)備等其他外部設(shè)備的控制。

　　其中，最重要的是對讀寫器芯片的控制操作。

　　4、讀寫器天線

　　天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的設(shè)備，是電路與空間的界面器件，用來實現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用。

　　RFID系統(tǒng)讀寫器天線的特點是：

　　足夠小以至于能夠貼到需要的物品上;

　　有全向或半球覆蓋的方向性;

　　能夠給標(biāo)簽的芯片提供最大可能的信號;

　　無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配;

　　具有魯棒性;

　　價格便宜。

　　在選擇讀寫器天線時應(yīng)考慮的主要因素有：

　　天線的類型;

　　天線的阻抗;

　　應(yīng)用到物品上的RF的性能;

　　在有其他物品圍繞貼標(biāo)簽物品時RF的性能。

　　5、通信設(shè)施

　　通信設(shè)施為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全通信連接，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設(shè)施包括有線或無線網(wǎng)絡(luò)和讀寫器或控制器與計算機(jī)連接的串行通信接口。無線網(wǎng)絡(luò)可以是個域網(wǎng)(PAN)(如藍(lán)牙技術(shù))、局域網(wǎng)(如802.11x、WiFi)，也可以是廣域網(wǎng)(如GPRS、3G技術(shù))或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(如同步軌道衛(wèi)星L波段的RFID系統(tǒng))。

　　RFID系統(tǒng)的基本原理

　　1、基本原理

　　從電子標(biāo)簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來看，系統(tǒng)一般可以分成兩類，即電感耦合(InductiveCoupling)系統(tǒng)和電磁反向散射耦合(Backscatter Coupling)系統(tǒng)。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律;電磁反向散射耦合，即雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

　　2、電感耦合型RFID系統(tǒng)

　　RFID的電感耦合方式對應(yīng)于ISO/IEC 14443協(xié)議。電感耦合電子標(biāo)簽由一個電子數(shù)據(jù)載體，通常由單個微芯片及用做天線的大面積的線圈等組成。

　　電感耦合方式的電子標(biāo)簽幾乎都是無源工作的，在標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應(yīng)電磁能提供。高頻的強(qiáng)電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和線圈的周圍空間，以使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。

　　電感耦合型RFID系統(tǒng)的工作原理圖

　　3、電磁反向散射RFID系統(tǒng)

　　(1)反向散射調(diào)制

　　雷達(dá)技術(shù)為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收(因此發(fā)射天線也是接收天線)，對接收信號進(jìn)行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。

　　當(dāng)電磁波從天線向周圍空間發(fā)射時，會遇到不同的目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量的一部分(自由空間衰減)被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發(fā)射天線，稱之為回波。在雷達(dá)技術(shù)中，可用這種反射波測量目標(biāo)的距離和方位。

　　對RFID系統(tǒng)來說，可以采用電磁反向散射耦合工作方式，利用電磁波反射完成從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸。這種工作方式主要應(yīng)用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統(tǒng)中。

　　(2)RFID反向散射耦合方式

　　一個目標(biāo)反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。由于目標(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強(qiáng)，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應(yīng)答器和讀寫器的距離大于1 m。讀寫器、應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)和天線構(gòu)成了一個收發(fā)通信系統(tǒng)。

　　RFID反向散射耦合方式的原理

　　4、聲表面波標(biāo)簽的識別原理

　　(1)聲表面波器件

　　聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。SAW器件的體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較寬，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，重獲得性和設(shè)計靈活性高。

　　聲表面波器件具有廣泛的應(yīng)用，如通信設(shè)備中的濾波器。在RFID應(yīng)用中，聲表面波應(yīng)答器的工作頻率目前主要為2.45GHz。

　　聲表面波應(yīng)答器的基本結(jié)構(gòu)

　　(2)聲表面波RFID的原理

　　SAW標(biāo)簽由叉指換能器和若干反射器組成，換能器的兩條總線與電子標(biāo)簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標(biāo)簽天線的接收范圍內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑ァ７瓷淦鹘M成對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射脈沖串轉(zhuǎn)變成高頻電脈沖串。由于聲表面波的傳播速率低，有效的反射脈沖串在經(jīng)過及微妙的延遲時間后才回到閱讀器。

　　聲表面波的傳播

　　(3)聲表面波RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　標(biāo)簽編碼容量與作用距離

　　應(yīng)答器和讀寫器的配合

　　應(yīng)用小型低成本且適合待識別物品的電子標(biāo)簽天線

　　封裝

　　由于標(biāo)簽附著的物品和使用環(huán)境千差萬別，所以其封裝結(jié)構(gòu)各有特色，它們都必須達(dá)到以下幾個要求。

　　保證壓電芯片在工作壽命期間能耐受外部環(huán)境應(yīng)力及其變化，不造成性能惡化。

　　至少不能影響或極少影響標(biāo)簽天線的高頻電磁波接收效果。

　　固定于待識別物的方法簡單、附著牢靠，不明顯損傷該物品。

　　外型美觀，對于待識別物和諧，并滿足安全和保護(hù)環(huán)境等要求。

　　(4)聲表面波RFID的優(yōu)點

　　由于SAW器件本身工作在射頻波段，無源且抗電磁干擾能力強(qiáng)，所以SAW技術(shù)實現(xiàn)的電子標(biāo)簽具有一定的獨特優(yōu)勢，是對集成電路(IC)技術(shù)的補充。

　　聲表面波RFID的主要特點有：

　　讀取范圍大且可靠，可達(dá)數(shù)米;

　　可使用在金屬和液體產(chǎn)品上;

　　標(biāo)簽芯片與天線的匹配簡單，制作工藝成本低;

　　不僅能識別靜止的物體，而且能識別速度達(dá)300km/h的高速運動物體。

　　可在高溫差(-100～300)、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

　　RFID技術(shù)的優(yōu)缺點

　　1、優(yōu)點：

　　RFID芯片與RFID讀卡器對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強(qiáng)抵抗性。

　　信息的讀取上并不受芯片尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)，而且，RFID標(biāo)簽正往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品。

　　RFID技術(shù)識別相比傳統(tǒng)智能芯片更精確，識別的距離更靈活?？梢宰龅酱┩感院蜔o屏障閱讀。

　　RFID芯片標(biāo)簽可以重復(fù)地新增、修改、刪除內(nèi)部儲存的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)內(nèi)容經(jīng)由密碼保護(hù)，使其內(nèi)容不易被偽造及變造。

　　RFID芯片數(shù)據(jù)容量很大，而且隨著技術(shù)發(fā)展，容量還有增大的趨勢。

　　2、缺點：

　　技術(shù)成熟度不夠。RFID技術(shù)出現(xiàn)時間較短，在技術(shù)上還不是非常成熟。由于超高頻RFID電子標(biāo)簽具有反向反射性特點，使得其在金屬、液體等商品中應(yīng)用比較困難。

　　成本高。RFID電子標(biāo)簽相對于普通條碼標(biāo)簽價格較高，為普通條碼標(biāo)簽的幾十倍，如果使用量大的話，就會造成成本太高，在很大程度上降低了市場使用RFID技術(shù)的積極性。

　　安全性不夠強(qiáng)。RFID技術(shù)面臨的安全性問題主要表現(xiàn)為RFID電子標(biāo)簽信息被非法讀取和惡意篡改。

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。RFID技術(shù)目前還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且市場上多種標(biāo)準(zhǔn)并存，致使不同企業(yè)產(chǎn)品的RFID標(biāo)簽互不兼容，進(jìn)而在一定程度上造成RFID技術(shù)的應(yīng)用的混亂。

　　RFID技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

　　隨著RFID設(shè)備成本的不斷降低，標(biāo)準(zhǔn)的逐步統(tǒng)一，數(shù)字信息技術(shù)在各行業(yè)的深入廣泛應(yīng)用，規(guī)模應(yīng)用行業(yè)的擴(kuò)大，RFID技術(shù)將會有更廣闊的發(fā)展前景，其潛在的價值將會發(fā)揮出來，RFID 技術(shù)產(chǎn)業(yè)將逐步壯大與成熟。

　　1、射頻識別的發(fā)展歷史

　　RFID技術(shù)誕生于二戰(zhàn)期間，最早被英國皇家空軍用于識別自家和盟軍的戰(zhàn)機(jī)。英國為了識別返航的飛機(jī)，就在盟軍的飛機(jī)上裝備了一個無線電收發(fā)器，進(jìn)而當(dāng)控制塔上的探詢器向返航的飛機(jī)發(fā)射一個詢問信號后，飛機(jī)上的收發(fā)器接收到這個信號后，回傳一個信號給探詢器，探詢器根據(jù)接收到的回傳信號來識別敵我。這是有記錄的第一個RFID敵我識別系統(tǒng)，也是第一個RFID的第一次實際應(yīng)用。

　　之后，RFID技術(shù)也被陸續(xù)應(yīng)用于野生動物跟蹤，公路收費系統(tǒng)等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以后，隨著集成電路制造和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID技術(shù)日趨成熟，其成本也越來越低，開始逐漸引起人們的關(guān)注。

　　2、射頻識別的發(fā)展前景

　　RFID射頻識別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨立跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。RFID射頻識別技術(shù)將大量的來自完全不同的專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)(例如，高頻技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)技術(shù)、電信技術(shù)、制造技術(shù)等)綜合起來。

　　近十多年來，RFID射頻識別技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著技術(shù)進(jìn)步，基于RFID射頻識別技術(shù)產(chǎn)品的種類將越來越豐富，應(yīng)用也將越來越廣泛，可預(yù)計，在今后的幾年中，RFID射頻識別技術(shù)將持續(xù)保持高速發(fā)展的勢頭。

　　總體而言，RFID射頻識別技術(shù)當(dāng)前發(fā)展趨于標(biāo)準(zhǔn)化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，電子標(biāo)簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個統(tǒng)一的(包括各個頻段)國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　低成本

　　目前美國一個電子標(biāo)簽最低的價格是20美分左右，這樣的價格是無法應(yīng)用于某些價值較低的單件商品，只有電子標(biāo)簽的單價下降到10美分以下，才可能大規(guī)模應(yīng)用于整箱整包的商品。

　　低差錯率

　　雖然在RFID電子標(biāo)簽的單項技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，還存在較高的差錯率(RFID被誤讀的比率有時高達(dá)20%)，在集成應(yīng)用中也還需要攻克大量的技術(shù)難題。

　　高安全性

　　當(dāng)前廣泛使用的無源RFID系統(tǒng)還沒有非?？煽康陌踩珯C(jī)制，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的保密，RFID數(shù)據(jù)還容易受到攻擊，主要是因為RFID芯片本身，以及芯片在讀或者寫數(shù)據(jù)的過程中都很容易被黑客所利用。

　　RFID技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　門禁管制： 人員出入門禁監(jiān)控管理

　　動物監(jiān)控： 畜牧動物管理、寵物識別、野生動物生態(tài)的追蹤

　　交通運輸： 高速公路的收費系統(tǒng)

　　物流管理： 航空運輸?shù)男欣钭R別，存貨、物流運輸管理

　　自動控制： 汽車、家電、電子業(yè)之分類、組裝生產(chǎn)線管理

　　醫(yī)療應(yīng)用： 醫(yī)院的病歷系統(tǒng)、儀器儀表設(shè)備管理

　　物料管控： 工廠物料的自動化盤點及控制系統(tǒng)

　　質(zhì)量追蹤： 成品質(zhì)量追蹤、回饋

　　資源回收： 棧板、可回收容器等管理

　　防盜應(yīng)用： 超市、圖書館或書店的防盜管理

　　防仿假冒： 名牌煙酒及貴重物品的打假防偽

　　廢物處理： 垃圾回收處理、廢棄物管控系統(tǒng)

　　聯(lián)合票證： 多種用途的智能型儲值卡、一卡通等

　　危險物品： 軍械槍支、雷管炸藥管制

　　RFID將構(gòu)建虛擬世界與物理世界的橋梁。可以預(yù)見，在不久的將來，RFID技術(shù)不僅會在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID技術(shù)將會與普適計算技術(shù)相融合，對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

　　作為全球的制造業(yè)基地，中國將是未來全球最大的RFID應(yīng)用市場。這對于國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)將是一次難得的機(jī)遇。