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RFID系统的组成及原理
2007/7/9 17:19:50    产通学院,365PR NET

未来10年,在我们生活的周围充斥着无数的射频标签。各种各类的身份识别卡/证、银行卡、机票、商场的各种零售商品都会贴上这些小小的射频标签。通过射频标签,RFID设备利用无线方式进行通信,获取目标对象的数据,以达到自动识别的目的。

RFID(Radio Frequency Identification Technology,无线射频识别技术)的雏形其实可追溯至二战时期,当时英军使用无线识别技术辨认敌我双方的飞机。尽管已有60年的历史,但工业标准的缺少使得无线射频识别技术的商用普及历程变得如此漫长。随着科技的发展,RFID技术的民用于二十世纪九十年代渐渐兴起。近年来,RFID技术在国内外发展迅速,TI、Motorola、NXP(原Philips半导体部门)、Microchip等世界著名半导体厂家都投入生产RFID产品。RFID技术将为全球带来成百上千亿美元的市场,随之而来的还有服务器、数据储存系统、管理软件,以及电脑设施等庞大的需求。

随着标准的统一、标签成本的下降以及技术的进步,RFID技术将很快在全球范围内得到普及。RFID识别技术的普及,必然对物流、零售、制造、交通、医疗等各行业内引发革命性的变化。作为全球电子产品制造工场以及第三大贸易国,RFID将会为中国的发展带来了机遇和新的经济增长点。

RFID技术特点

目前常用的自动识别技术中,传统条形码(一维条形码)因成本低并有成熟的标准体系,在社会生活中处处可见,是当今世界使用最多的一种条形码。但是由于条形码是一维的,它在垂直方向上不带任何信息,信息密度低,而且不能够显示汉字。因此,条形码只能识别生产者和产品,并不能辨认具体的商品,贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样,无法辨认哪些产品先过期。条形码标签是使用纸张和油墨制成,所以成本较低。但也正因此,条形码标签变得容易受磨损、皱折、污染而导致目标对象无法被识别,这在很大程度上限制了传统一维条码的应用范围。

20世纪70年代,在计算机自动识别领域出现了二维条形码技术,这是在传统条形码基础上发展起来的一种编码技术,它将条形码的信息空间从线性的一维扩展到平面的二维,具有信息存储量大、抗损性强、安全性高、编码方式灵活、以及抗干扰、可传真和影印等诸多优点。因此自1990年起,二维条形码技术在世界上开始得到广泛的应用。

与这些条形码相比,无线射频识别技术具有很多的优势。例如,通过射频信号自动识别目标对象,无机械磨损,寿命长,无需可见光源,穿透性好,抗污染能力和耐久性强。而且,RFID可以在恶劣环境下工作,无需与目标接触就可以得到数据,可以写入/修改标签数据;能够同时处理多个射频标签,适用于批量识别场合,可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位,提供位置信息等。

RFID与条形码最大的区别在于条形码是依靠“有形”的一维/二维几何图案来提供信息,而RFID则是通过芯片来存储大量的“无形”信息。但是RFID技术的推出绝不仅仅是信息容量的提升,它对于自动识别技术来讲是一场革命,它所具有的强大优势会大大提高信息的处理效率和准确度。

此外,在近距离无线通信领域,RFID、蓝牙、WiFi、UWB和Zigbee等吸引了很多人的眼球。其中,众多的开发商、制造商、行销商加入RFID和蓝牙行列,用户需求量也很大,因此两者被更多的拿来相提并论。

RFID和蓝牙在使用频段、传输速率和标准化方面都存在较大差异,使得各自市场和应用范围也有较大区别。蓝牙作为一种线缆替代技术,具有低成本高速率的特点,主要应用于语音/数据接入,外设互连以及个人局域网。由于蓝牙芯片的价格仍居高不下,以及兼容性方面的一些问题,限制了其推广。蓝牙在高端市场一部分已被WLAN所侵占,其低端市场又可能被Zigbee所蚕食。基于RFID技术的NFC近距离通讯也对蓝牙造成了相当的威胁。RFID易于操控,简单且特别适合用于自动化控制,由于该技术很难被仿冒、侵入,使RFID具备了极高的安全防护能力。由于RFID技术具备非接触式的自动识别、适于恶劣环境多目标识别、运动目标识别等特点,使其所具备的独特优越性是其它识别技术无法比拟的。

RFID系统的组成及基本原理

根据不同的应用目的和应用环境,RFID系统的组成会有所不同,但基本都是由电子标签(Tag)、阅读器(Reader)、数据信息系统三大部分组成。电子标签(或称射频卡、应答器等)由耦合元件及芯片组成,其中包含加密逻辑、E2PROM、微处理器以及射频收发及相关电路等。阅读器,有时也被称为读卡器或读写器,主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。而数据信息系统的中间件和应用程序属于软件范畴,这里就不具体叙述了。

RFID标签一般分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Active tags)两种。被动RFID标签也称为无源标签,由芯片、谐振电容和天线组成,天线与电容组成谐振回路以调谐在阅读器的载波频率。被动电子标签的工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得;其具有小而轻,成本低、使用寿命长等特点。但相比主动系统,被动系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。主动标签又称为有源标签,自身带有电池供电,读/写距离较远,体积也较大,相对被动标签成本更高,以及电池不能长久使用。

根据标签信息是否能被改写,标签还可被分为只读标签和可读写标签。只读标签的信息在出厂时已将信息写入,出厂后不能再作修改;可读写标签将保存的信息写入其内部的存储单元,需要改写时也可以采用专门的编程或写入设备进行擦写。

RFID系统在实际应用中,电子标签附着在待识别物体的表面,电子标签中保存有约定格式的数据。阅读器无需接触就可读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号,进入阅读器磁场区域的电子标签受到感应,芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密等处理,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过天线再发送给阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至数据信息系统进行有关处理;若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压,提供擦写E2PROM中的内容进行改写。

RFID工作频率

通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。在RFID系统工作时,标签和阅读器必须调制到相同的频率才能工作。低频(LF)RFID系统一般工作频率在100~500kHz,典型的工作频率有125KHz、134.2KHz;高频(HF)RFID系统一般指其工作频率在10~15MHz;典型的工作频率是13.56MHz;超高频(UHF)工作频率在433.92MHz和860~930MHz。在美国,超高频RFID系统的频率在902MHz~928MHz之间,而欧洲是在865.6MHz~867.6MHz之间,日本则在950MHz~956MHz之间。

低频RFID技术信噪比较低,其识读距离受到很大限制,一般情况下小于1米。低频系统在多标签的同时识读是速度较慢,也容易受其他电磁环境影响,而13.56MHz的高频RFID系统速度快并可以实现多标签的同时识别。该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签,其特点与低频标准相似,由于其工作频率的提高,可以选用较高的数据传输速率。高频RFID标签天线设计相对简单,标签一般制成标准卡片形状。但是在同样的发射功率下,高频系统对可导媒介穿透性较低频系统的差,而超高频对于金属等可导媒介则完全不能穿透。

超高频的RFID产品常常被推荐应用在供应链管理上,由于该频段识读距离长,能够实现高速识读和多标签同时识读。以目前技术水平来说,被动RFID标签比较成功产品相对集中在902~928MHz工作频段上,2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。

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