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射频识别RFID
射频识别RFID
1.1
简述
射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统及特定目标之间建立机械或光学接触。
及磁卡、IC卡等接触式识别技术不同，RFID系统的电子标签和读写器之间无须物理接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别，可在更广泛的场合中应用。
常用的有低频（125k~134.2K）、高频（13.56Mhz）、超高频，无源等技术。
RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如：
图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。
1.1.1技术发展进程
1940-1950年：
雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。
1950-1960年：
早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。
1960-1970年：
射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。
1970-1980年：
射频识别技术及产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。
出现了一些最早的射频识别应用。
1980-1990年：
射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。
1990-2000年：
射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。
2000年后：
标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，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。
备注：
有源电子标签：
它是指标签工作的能量由电池提供，电池、内存及天线一起构成有源电子标签，不同于被动射频的激活方式，在电池更换前一直通过设定频段外发信息。
读/写距离较远，体积较大，及被动标签相比成本更高，，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池不能长久使用，能量耗尽后需更换电池。
无源射频标签：
无源电子标签在接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。
半无源电子标签：
耗能低，电池的使用寿命可长达六年，通信距离可长达六米。
1.1.2
有源RFID卡及无源RFID卡的性能比较
1.1.3现在的射频识别技术
射频识别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射频识别技术及产品正在成为现实并走向应用。
1.2技术介绍
1.2.1RFID技术简介
射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，缩写RFID），是20世纪80年代发展起来的一种新兴自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解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。
最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。
RFID电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线及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。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，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。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。
1.2.2RFID技术原理
典型的RFID系统由电子标签（Tag），读写器（Read/WriteDevice）以及数据交换、管理系统等组成。
电子标签也称射频卡，它具有智能读写及加密通信的能力。
读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。
图1是RFID系统的原理示意图，它是无源系统，即电子标签内不含电池，电子标签工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供。
电子标签接收射频脉冲，整流并给电容充电。
电容电压经过稳压后作为工作电压。
数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑。
控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它操作。
EEPROM用来存储电子标签的ID号及其它用户数据。
还有有源RFID系统，是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和读写器之间的通信速率也较高。
图表1射频识别系统原理图
RFID系统还可以根据工作频率的不同分为低频、中频及高频系统。
低频系统一般工作在100k～500kHz，中频系统工作在10MHz～15MHz左右，它们主要适用于识别距离短、成本低的应用中；而高频系统则可达850～950MHz及2.4～5GHz的微波段，适用于识别距离长，读写数据率高的场合。
就条码、磁卡、IC卡、RFID等识别技术来说，它们都有各自的特点及适于应用的场合。
1.2.3RFID系统的基本组成部分
最基本的RFID系统由三部分组成：
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；
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；
天线（Antenna）：
在标签和读取器间传递射频信号。
1.2.4RFID的特点
（1）射频技术的特点
射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。
有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。
可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。
目前，制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。
射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准，这种混乱和割据的状况已经制约了整个射频识别行业的增长。
许多欧美组织正在着手解决这个问题，并已经取得了一些成绩。
标准化必将刺激射频识别技术的大幅度发展和广泛应用。
1.2.5RFID技术的工作原理
RFID技术的基本工作原理并不复杂：
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解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。
一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）及电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时阅读器Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：
感应耦合（InductiveCoupling）及后向散射耦合（BackscatterCoupling）两种。
一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。
电磁感应耦合：
电力线路中流过电流时会产生交变磁场，该磁场会在附近的电话线路上感应出一个电动势，两者之间的耦合强度是和两个线路之间互阻抗的大小有关。
后向散射：
在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。
在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。
通常散射截面积是入射方向及散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。
阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。
阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。
在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
1.2.6RFID技术的典型应用
物流和供应管理
生产制造和装配
航空行李处理
邮件/快运包裹处理
文档追踪/图书馆管理
动物身份标识
运动计时
门禁控制/电子门票
道路自动收费
城市一卡通的应用
高校手机一卡通的应用
仓储中塑料托盘、周转筐中的应用
1.2.7RFID读写设备
只有当有读写设备时，RFID才能发挥其作用。
RFID读写设备有RFID读卡器，RFID读写模块等。
这些设备可以将RFID的数据读取或写入，读卡器连接的识别系统有密钥芯片，能做到很好的加密。
1.2.8RFID标签的类别
RFID标签分为被动，半被动（也称作半主动），主动三类。
被动式：
被动式标签没有内部供电电源。
其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读取器发出的。
当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。
这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。
由于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。
目前市场的RFID标签主要是被动式的。
半主动式：
一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一：
接收读取器所发出的电磁波，藉以驱动标签IC；第二：
标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0及1的变化。
问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路及短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。
半主动式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作的状态。
这样的好处在于，天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。
比起被动式，半主动式有更快的反应速度，更好的效率。
主动式：
及被动式和半被动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。
一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读取器所传送来的一些附加讯息。
射频识别技术包括了一整套信息技术基础设施，包括：
射频识别标签，又称射频标签、电子标签，主要由存有识别代码的大规模集成线路芯片和收发天线构成，目前主要为无源式，使用时的电能取自天线接收到的无线电波能量；射频识别读写设备以及及相应的信息服务系统，如进存销系统的联网等。
将射频识别技术及条码（Barcode）技术相互比较，射频类别拥有许多优点，如：
可容纳较多容量。
通讯距离长。
难以复制。
对环境变化有较高的忍受能力。
可同时读取多个标签。
相对地有缺点，就是建置成本较高。
不过目前透过该技术的大量使用，生产成本就可大幅降低。
1.3RFID实用方案
用于病患监测的双接口无源RFID系统设计
病患监测设备通常用于测量病患的生命迹象，例如，血压、心率等参数，管理这些重要数据的要求远远超出了简单的库存控制范围，需要设备能够提供设备检查、校准和自检结果，并具有安全升级功能，同时最大限度降低设备故障停机时间。
维修人员经常把记录维修数据的标签粘贴在设备上，由于需要记录大量数据，过一段时间后逐渐损坏，标签贴纸不再是一个合理的选择。
及静态的标签贴纸不同，动态的双接口RFIDEEPROM电子标签解决方案则能够记录测量参数，以备日后读取，还能把新数据输入系统。
基于RFID的物联网智能公交系统应用方案
基于物联网技术的公交停车场站安全监管系统，主要由车辆出入口管理系统、场站智能视频监控系统两部分组成，利用先进的“物物相联技术”，将用户端延伸和扩展到公交车辆、停产场站中的任何物品间进行数据交换和通信，全面立体的解决公交行业监管问题。
基于RFID技术的小区安防系统设计解决方案
在小区的各个通道和人员可能经过的通道中安装若干个阅读器，并且将它们通过通信线路及地面监控中心的计算机进行数据交换。
同时在每个进入小区的人员车辆上放置安置有RFID电子标签身份卡，当人员车辆进入小区，只要通过或接近放置在通道内的任何一个阅读器，阅读器即会感应到信号同时立即上传到监控中心的计算机上，计算机就可判断出具体信息（如：
是谁，在哪个位置，具体时间），管理者也可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图点击小区内的任一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。
同时，一旦小区内发生事故（如：
火灾、抢劫等），可根据电脑中的人员定位分布信息马上查出事故地点周围的人员车辆情况，然后可再用探测器在事故处进一步确定人员准确位置，以便帮助公安部门准确快速的方式营救出遇险人员和破案。
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1.4工作频率指南和应用
不同频段的RFID产品会有不同的特性，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。
其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
1.4.1低频（从125KHz到135KHz）
其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。
该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。
通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。
特性：
1．工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz,TI的工作频率为134.2KHz。
该频段的波长大约为2500m.
2．除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
3．工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。
4．低频产品有不同的封装形式。
好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。
5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。
7．感应器的价格相对及其他频段来说要贵。
主要应用：
1.畜牧业的管理系统。
2.汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。
3.马拉松赛跑系统的应用。
4.自动停车场收费和车辆管理系统。
5.自动加油系统的应用。
6.酒店门锁系统的应用。
7.门禁和安全管理系统。
1.4.2高频（工作频率为13.56MHz）
在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。
感应器一般通过负载调制的方式进行工作。
也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。
如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
值得关注的是，在13.56MHz频段中主要有ISO14443和ISO15693两个标准来组成，ISO14443俗称现在的Mifare1系列产品，识别距离近但价格低保密性好，常作为公交卡、门禁卡来使用。
ISO15693的最大优点在于他的识别效率，通过较大功率的阅读器可将识别距离扩展至1.5米以上，由于波长的穿透性好在处理密集标签时有优于超高频的读取效果。
特性：
1．工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。
2．除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。
标签需要离开金属4mm以上距离，其抗金属效果在几个频段中较为优良。
3．该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。
4．感应器一般以电子标签的形式。
5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
6.该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。
7．可以把某些数据信息写入标签中。
8．数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。
主要应用：
1．图书管理系统的应用
2．瓦斯钢瓶的管理应用
3．服装生产线和物流系统的管理和应用
4．三表预收费系统
5．酒店门锁的管理和应用
6．大型会议人员通道系统
7．固定资产的管理系统
8．医药物流系统的管理和应用
9．智能货架的管理
10．珠宝盘点管理。
1.4.3超高频（工作频率为860MHz到960MHz之间）
超高频系统通过电场来传输能量。
电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。
该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。
主要是通过电容耦合的方式进行实现。
特性：
1．在该频段，全球的定义不是很相同－欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。
该频段的波长大概为30cm左右。
2．目前，该频段功率输出目前没有统一的定义（美国定义为4W，欧洲定义为500mW，可能欧洲限制会上升到2WEIRP。
3．超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是金属，液体，灰尘，雾等悬浮颗粒物质，可以说环境对超高频段的影响是很大的。
4．电子标签的天线一般是长条和标签状。
天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。
5．该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。
6．有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。
主要应用：
1.供应链上的管理和应用
2.生产线自动化的管理和应用
3.航空包裹的管理和应用
4.集装箱的管理和应用
5.铁路包裹的管理和应用
6.后勤管理系统的应用。
1.4.4有源RFID技术（2.45GHz、5.8G）
有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大，可靠性高和兼容性好等特点，及无源RFID相比，在技术上的优势非常明显。
被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。
射频识别作为一种新兴的自动识别技术，在中国拥有巨大的发展潜力。
射频识别技术（RFID，RadioFrequencyIdentification）实际上是自动识别技术（AEI，AutomaticEquipmentIdentification）在无线电技术方面的具体应用及发展。
该项技术的基本思想是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。
1.4.5及管理软件结合使用
MES精益制造管理系统又称APS+MES系统（高级排产计划系统+制造执行系统），是根据不同行业的制造流程，可选择性地集合系统管理软件和人机界面设备（PLC触摸屏）、LED生产看板、LCD看板、PDA智能手持终端、工业平板电脑、条码采集器、传感器、I/O、DCS、RFID、工业AP、WIFI等多类硬件的综合智能一体化系统。
它由一组共享数据的程序，通过布置在生产现场的专用设备，并通过嵌入式软件对原材料上线到成品入库的整个生产过程实时采集数据、监控、控制和智能分析处理。
它能控制物料、仓库、设备、人员、品质、工艺、异常、流程指令和其他设施等工厂资源以提高生产效率。
应用范围：
制造型企业。
使用RFID技术后指标可达：
生产周期缩短35%；数据输入时间缩短36%；在制品减少32%；文书工作减少90%；交货期缩短22%；不合格产品降低22%；文书丢失减少95%；信息的反馈效率提升3860倍。
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