无线标签RFID的定义和系统结构.docx
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无线标签RFID的定义和系统结构
无线标签RFID的定义和系统结构
在现实生活中，各种各样的活动或者事件都会产生这样或者那样的数据，这些数据包括人的、物质的、财务的，也包括采购的、生产的和销售的，这些数据的采集与分析对于我们的生产或者生活决策来讲是十分重要的。
在信息系统早期，相当部分数据的处理都是通过人工手工录入，这样，不仅数据量十分庞大，劳动强度大，而且数据误码率较高，随着计算机技术和通信技术的发展，信息数据自动识读、自动输入成为计算机批量处理数据的的重要方法和手段，这种高度自动化的信息或者数据采集技术就是自动识别技术。
自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。
无线标签技术，也称射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，以下简称RFID）是一种非接触式的自动识别技术。
作为自动无线识别和数据获取技术的RFID，已经使用了多年，应用领域越来越多。
今天，带有可读和可写并能防范非授权访问的存储器的智能芯片已经可以在很多集装箱、货盘、产品包装、智能识别ID卡、书本或DVD中看到。
1.1RFID的概念
1.1.1RFID的定义和特点
RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。
它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下；可进行高度的数据集成。
另外，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。
RFID常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。
它是一种非接触式的自动识别技术，利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，通过射频信号识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。
RFID由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象上。
RFID内编写的程序可按具体需要进行随时读取和改写。
RFID中的内容也可在被改写的同时可以被永久锁死、进行保护。
通常RFID的芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上。
此外，RFID还具有以下特点：
（1）具有一定的存储容量，存储被识别物品的相关信息。
芯片内藏96bits容量，可辨识1600万种产品，680亿个不同序号。
（2）在一定工作环境及技术条件下，能够对RFID的存储数据进行读取和写入操作。
（3）维持对识别物品的识别及相关信息的完整。
（4）具有可编程操作，对于永久性数据不能进行修改。
（5）对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。
（6）非接触（Nocontact）。
间隔7米（某些超高频设备）即可感应。
快速非接触式读取方式。
（7）非对准识别（Nolineofsight）。
减少人工手动错误确保品质降低成本，提供实时性数据等。
（8）毫秒级读取速度（Miliseconds）。
每秒可读取250个标签，比条形码辨识快数十倍，无须人工手持条形码机逐个扫描。
（9）多信息同时读取（Simultaneousreadofmultipleitems）。
图1-1各种电子标签及其内部结构
（10）不易被仿制。
RFID可隐藏于物品内，除大型IC制造厂外无法被仿制。
1.1.2.RFID的发展历史和前景
RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别。
RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。
1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。
近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID技术进入商业化应用阶段。
由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪的最有发展前途的信息技术之一。
RFID技术的发展可按10年期划分如下：
1941～1950年。
雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。
1951—1960年。
早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。
1961—1970年。
RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。
1971—1980年。
RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。
出现了一些最早的RFID应用。
1981～1990年。
RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。
1991～2000年。
RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。
图1-2是各种阅读器外形图
2001—今。
标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。
RFID技术的理论得到丰富和完善。
单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。
RFID读写器设计与制造的发展趋势是读写器将向多功能、多接口、多制式，并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。
同时，多读写器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。
RFID技术与条码、生物识别等自动识别技术，以及与互联网、通信、传感网络等信息技术融合，构筑一个无所不在的网络环境。
海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。
RFID系统集成软件将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。
1.2RFID的系统结构
最基本的RFID系统由四部分组成：
标签（Tag）：
由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；图1-1展现了标签及其内部结构。
天线（Antenna）：
在标签和读取器间传递射频信号。
阅读器（Reader）：
读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；RFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线，数据库和软件（Database&software）。
各种阅读器外形图如图1-2所示。
1.3RFID的工作原理
RFID是一种无接触自动识别技术，其基本原理是利用射频信号实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。
射频识别系统的基本模型如图1-3所示，根据射频系统结构，它的工作原理是射频读写器发出电磁波，在周围形成电磁场，电子标签进入磁场后，从电磁场中获得能量，激活标签中的微芯片电路，然后芯片转换电磁波，发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，数据信号接收处理流程总共有以下六步：
1.无线电载波信号经过射频读写器的发射天线向外发射。
2.当射频识别标签进入发射天线的作用区域时，射频识别标签就会被激活，经过天线将自身信息的数据发射出去。
3.射频识别标签发出的载波信号被接收天线接收，并经过天线的调节器传输给读写器。
对接收到的信号，射频读写器进行解调解码后再传送到后台的电脑控制器；
4.该标签的合法性由电脑控制器根据逻辑运算进行判断，针对不同的设定作出相应的处理和控制。
5.按照电脑发出的指令信号，控制执行机构进行运作。
6.计算机通信网络通过将各个监控点连接起来，形成总控信息平台，根据实际不同的项目要求可以设计各不相同的相应软件来完成需要达到的功能。
1.4RFID的分类
1.4.1RFID功能分类
从功能方面来看，RFID标签分为四种：
只读标签、可重写标签、带微处理器标签和配有传感器的标签。
只读：
只读型标签的结构功能最简单，成本最低，包含的信息较少并且不能被更改；其程序及数据编码于制造时便写入，使用者无法更改数据内容。
可重写型标签：
价格最为贵，但它却可以让使用者多次写入。
可重写型标签集成了容量为几十字节到几万字节的闪存，标签内的信息能被更改或重写，只读型和可重写型RFID标签都主要应用于物流系统以及生产过程管理系统和行李控制系统中。
带处理芯片型：
带微处理器标签依靠内置式只读存储器中存储的操作系统和程序来工作，出于安全的需要，许多标签都同时具备加密电路，现在这类标签主要应用于非接触型IC卡上，既用于电子结算、出入管理，也可用做会员卡；有些RFID标签集成了传感器，包括温度传感器或压力传感器等，目前这类标签主要用于动物个体识别和轮胎管理方面。
1.4.2.RFID的能量分类
按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源、无源和半无源三种；
无源（Passive被动式）：
无源感应器本身并无电源，其电源是来自阅读器，由阅读器发射一频率使感应器产生能量而将数据回传给阅读器。
体积比较轻薄短小并且拥有相当长的使用年限。
感应的距离较短。
有源（Active主动式）：
价格较高；因内建电池，所以体积比无源大。
有使用之年限。
较长的感应距离。
半无源（Semi-passive）：
标签内有电池，但电池只给标签内的芯片供电，从天线耦合能量进来给通讯电路供电。
还有一种双频标签与双频系统。
无线识别系统的工作频率对系统的工作特性影响比较大。
从识别距离、穿透能力等特性看，不同的射频频率使得系统之间有着较大的工作能力差异，下面以低频和高频为例，来说明这个差异。
简单来讲，低频具有较强的穿透力，能够穿透水、金属、动物，人的躯体等导体材料。
但是在同样功率下，传播的距离很近。
但高频或超高频具有较远的传播距离，但也很容易被上述导体媒质所吸收。
因此，对于可导的这些障碍物，影响到系统的工作能力。
如何利用低频和高频这两个频段的长处，结合起来设计具有较远识别距离，又具有较强穿透能力的产品，这就发展出混频和双频技术。
混频和双频产品能够广泛的运用在动物识别、导体材料干扰的环境及潮湿的环境中。
混频和双频产品的工作形式有两种：
有源系统和无源系统。
有源双频系统：
工作原理：
读头（阅读器）将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；双频标签进入低频的发射天线工作区域后被激活，同时将加密的载有目标识别码的高频加密载波信号经标签内的高频发射模块发射出去；接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经读头接收处理后，提取出目标识别码送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现目标的自动化管理。
有源双频系统原理图见图1-4所示。
无源双频系统：
iPico公司的专利产品无源双频系统，采用低频和高频两个频段进行工作，将两个频率特性集成到单一的双频标签和双频读头上，构成了双频无源系统。
图1-5为一个门禁无源双频系统及天线。
其体积小、系统紧凑，成本低廉，适用于会议签到、门禁控制、人员跟踪、人员管理等环境。
人员可以通过佩戴胸卡或放置于衣袋中等形式的标签，无须刷卡系统就可以准确快速识别出标签，而且也具有良好的多目标识别能力。
1.4.3RFID的频率分类
按照工作频率的不同，RFID标签分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）的标签。
低频率：
100~500KHz，以125KHz为主。
低频率的感应距离较短以及读取速度较慢，穿透能力好。
典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。
一般这个频段的电子标签都是被动式的，通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。
低频的最大的优点在于其标签靠近金属或液体的物品上时标签受到的影响较小，同时低频系统非常成熟，读写设备的价格低廉。
但缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取（抗冲突）以及信息量较低，一般的存储容量在128位到512位。
主要应用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器和玩具等。
虽然低频系统成熟，读写设备价格低廉，但是由于其谐振频率低，标签需要制作电感值很大的绕线电感，并常常需要封装片外谐振电容，其标签的成本反而比其他频段高。
高频率：
10~15MHz，常见的主要规格为13.156MHz这个ISM频段。
高频率的感应距离略长，读取速度也较低频率来的快，以13.56MHz为主。
工作频率高于低频标签，无线电波较长（一般为几米），亦是典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。
这个频段的标签还是以被动式为主，通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。
这个频段中最大的应用就是我们所熟知的非接触式智能卡。
和低频相较，其传输速度较快，通常在100kbps以上，且可进行多标签辨识（各个国际标准都有成熟的抗冲突机制）。
该频段的系统得益于非接触式智能卡的应用和普及，系统也比较成熟，读写设备的价格较低。
产品最丰富，存储容量从128位到8K以上字节都有，而且可以支持很高的安全特性，从最简单的写锁定，到流加密，甚至是加密协处理器都有集成。
一般应用于身份识别、图书馆管理、产品管理等。
安全性要求较高的RFID应用，目前该频段是唯一选择。
超高频率：
介于850~950MHz（UHF）以及2.45GHz之间，常见的主要规格有433MHz、868~950MHz。
超高频率的感应距离最长，速度也最快。
穿透性差。
工作频率远高于低频和高频标签，工作波长较短（分米级或厘米量级），工作方式为电磁反向散射耦合方式。
这个频段通过电磁波方式进行能量和信息的传输。
主动式和被动式的应用在这个频段都很常见，被动式标签读取距离约3~10m传输速率较快，一般也可以达到100kbps左右，而且因为天线可采用蚀刻或印刷的方式制造，因此成本相对较低。
由于读取距离较远、信息传输速率较快，而且可以同时进行大数量标签的读取与辨识，因此特别适用于物流和供应链管理等领域。
但是，这个频段的缺点是在金属与液体的物品上的应用较不理想同时系统还不成熟，读写设备的价格非常昂贵，应用和维护的成本也很高。
此外，该频段的安全性特性一般，不适合安全性要求高的应用领域。
微波：
使用的频段范围为1GHz以上，常见的规格有2.45GHz、5.8GHz。
微波频段的特性与应用和超高频段相似，读取距离约为2公尺，但是对于环境的敏感性较高。
由于其频率高于超高频，标签的尺寸可以做得比超高频更小，但水对该频段信号的衰减较超高频更高，同时工作距离也比超高频更小。
一般应用于行李追踪、物品管理、供应链管理…等。
从分类上看，因为经过多年的发展，13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术，特别是860MHz～960MHz（UHF频段）的远距离RFID技术发展最快；而2.45GHz和5.8GHz频段由于产品拥挤，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。
1.4.4按封装形式分类
根据射频系统不同的应用场合及不同的技术性能参数，考虑到标签的成本、环境要求等，可以将射频识别标签封装成不同厚度、不同大小、不同形状的标签。
此外，根据标签封装材质的不同，可以将标签制成以纸、PP、PET、PVC等材料形式。
如，在物流管理中最好使用单面的不干胶标签；在门禁系统中最好使用ISO卡片形式的标签；在矿井安全管理中最好使用全封闭的塑料标签。
下面进行详细介绍。
（1）封装材质
为了保护标签芯片和天线，同时也便于用户使用，射频RFID必须利用某种基材进行封装，不同的封装性质的标签针对不同的场合。
主要有纸标签、塑料标签和玻璃标签。
①纸标签：
一般都具有自粘功能，用来黏贴在待识别物品上。
这种标签比较便宜，一般由面层、芯片线路层、胶层、底层组成。
②塑料标签：
采用特定的工艺将芯片和天线用特定的塑料基材封装成不同的标签形式，如钥匙牌、手表形标签、狗牌、信用卡等形式。
常用的塑料基材有PVC和PSP，标签结构包括面层、芯片层和底层。
③玻璃标签：
应用于动物识别与跟踪，将芯片、天线采用一种特殊的固定物质植入一定大小的玻璃容器中，封装成玻璃标签。
（2）封装形状
常见的有信用卡标签，一般厚度不超过3mm。
圆形标签、钥匙和钥匙扣标签、
手表标签、物流线性标签等。
1.4.5按照作用距离分类
（1）密耦合标签：
作用距离小于1cm的标签。
（2）近耦合标签：
作用距离约为15cm的标签。
（3）疏耦合标签：
作用距离约为1m的标签。
（4）远距离标签：
作用距离从1m到10m甚至更远的标签。
1.4.6无芯片标签和SAW标签
一般意义上的RFID都包含有RFID天线及标签电路。
标签电路经过集成后，降低了RFID的生产成本和整体功耗。
以IC芯片为主要特征的RFID不是唯一的RFID形式。
近年来，随着技术的发展，出现了无芯片标签。
（1）声表面波SAW标签
声表面波标签以声表面波器件为核心，克服了IC芯片工作时要求直流电源供电的缺陷，同样实现了RFID的数据保存功能及无接触空间无限通信的功能。
声表面波标签的工作原理：
天线接收到的射频能量信号经SAW标签内部的变换器后形成激荡SAW存储数据条纹的脉冲，SAW激励神经脉冲经存储数据条纹图形反射后形成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器体现为天线负载调制，阅读器经过解调反射的负载调制信号提取SAWRFID的数据，原理如图1-6所示。
例：
RFSAWInc公司生产的SAWRFID，采用铌化锂晶体作为声表面波器件的基地材料，适应射频读取的工作频率范围为1.7~2.5GHz。
每个标签具有不可更改的唯一的标识UID。
（2）无芯片RFID
无芯RFID标签指的是不含有IC芯片的射频识别标签。
最具有前景的无芯标签的主要潜在优势在于其最终能以0.1美分的花费直接印在产品和包装上，才有可能在诸如包装消费品、邮递物品、药品和书籍等最大的RFID应用领域内全面实施，以更灵活可靠的特性取代每年十万亿使用量的条形码。
无芯片RFID最适宜使用的场合有物品管理（工厂名册、图书馆、洗衣店、药品、消费品、档案、邮件），大容量安全文档、空运包裹等高价值物流。
无芯片RFID的特点是超薄、低成本，存储数据量少。
典型的实现技术有远程磁学技术（RemoteMagnetics）、层状非晶体管电路技术（LaminarTransistorlessCircuits）、层状晶体管电路技术等。
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