射频识别技术的原理分析和应用综述.docx
《射频识别技术的原理分析和应用综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频识别技术的原理分析和应用综述.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
射频识别技术的原理分析和应用综述
中央民族大学
微波技术与天线课程论文
射频识别技术的原理分析和应用综述
2010年12月30日
摘要：
无线射频识别技术（RFID）作为一种新兴的自动识别技术，近年来在国内外已经得到了迅速发展。
本文以射频识别技术的现发展状况为基础，分析其原理并举例综述了射频识别技术的应用情况。
本文的最后，基于现有射频识别技术的应用状况，提出了一些在中国推广射频识别技术应用的方案设想。
关键词：
RFID无线射频识别技术原理无线射频识别技术应用
引言：
无线射频识别技术（RFID，radiofrequencyidentlcation）是兴起于20世纪90年代的一种非接触自动识别技术，是继条码技术、光学字符识别技术、磁条（卡）技术、IC卡识别技术、声音识别技术和视觉识别技术后的又一种自动识别技术。
射频识别技术采用大规模集成电路计算、电子识别、计算机通信技术，通过读写器和安装于载体上的RFID标签，能够实现对载体的非接触的识别和数据信息交换。
再加上其方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长、标签数据可动态更改、较条码而言具有更好的安全性、动态实时通信等优点，最近几年得到迅猛的发展。
1.射频识别技术概况
1.1射频识别技术发展概况
射频识别技术最早应用于第二次世界大战期间，被用于跟踪技术，随后，它的应用范围也不断扩大。
【1】如将其应用于物流业、防伪、交通管理等主要领域的应用。
作为全新的一种无线通信技术，射频识别技术也正在中国得到了很快的普及。
目前国内的RFID应用，低频和高频电子标签系统占据大多数市场。
但与国外相比，中国的射频识别技术还存在一些差距。
而且，我国企业对RFID技术的掌握能力，在世界还不是占有很大的优势。
1.2射频识别技术简要介绍
无线射频识别技术，或称射频识别技术，是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。
它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。
【2】
1.3射频识别技术的组成
由射频标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据交换与管理系统（Processor）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，其中包含带加密逻辑、串行EEPROM（电可擦除及可编程式只读存储器）、微处理器CPU以及射频收发及相关电路。
【2】
其中射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保持有约定的电子数据，在实际的应用中，射频标签粘贴在待识别物体的表面；读写器是根据需要并使用相应协议进行读取和写入标签的信息的设备，它通过网络系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别、和数据管理，有手持的或者固定的两种；数据管理系统主要完成对数据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写的控制。
射频标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（非接触）耦合。
在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。
【3】
图表1射频识别技术组成框图
1.4射频识别技术的分类
●按数据量来分，可分为1比特系统和电子数据载体系统。
1比特系统只能识别“有响应”和“无响应”两种状态。
该系统不能区分各个应答器，但是由于系统简单、可靠，被广泛应用于商场的防盗系统中；
电子数据载体系统是一类编码系统，每个应答器都有一个识别码，同时还可以储存16~64kb的数据，而且一般需要将识别码和数据调制到一个载波上。
【4】
●按工作频段来分，可分为低频（30kHz～300kHz）、中频（3MHz～30MHz）和高频系统（300MHz～3GHz）。
RFID系统的常见的工作频率有低频125kHz、134．2kHz，中频1356MHz，高频860MHz、2．45GHz、5．8GHz等。
低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电子标签外形多样，阅读天线方向性不强等。
主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据的应用系统；高频系统的的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的数据量较大，阅读距离较远（可达十几米），适应物体高速运动，性能好。
阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性，但其天线波束方向较窄且价格较高，主要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费等系统中应用。
【2】
●按有无内质能源来分，可分为有源的和无源的。
有源电子标签使用卡内电池的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限（3～10年），且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读器的发射功率大。
●按调制方式来分，可分为主动式和被动式。
主动式的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的应用中，距离较远（可达30米）；被动式的电子标签，使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通的应用中使用。
【2】
2.射频识别技术的原理分析
2.1射频识别系统原理分析
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。
【5】以无源射频识别系统为例（见图表2）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。
【6】
图表2射频识别系统原理图
2.2微波波段典型RFID的工作原理
●微波1比特系统
利用电容二极管的非线性特性和能量存储特性来实现的，其典型原理图见图表3
图表3微波1比特应答器原理图
载波频率在微波段，应答器采用电容二极管的非线性特性和能量存储特性来实现。
1比特RFID系统原理：
阅读器持续发射载波频率为fA（2.45GHz）、调制信号为F（1kHz）的振幅调制（ASK）已调波，应答器的偶极子天线接收到信号，该信号由二极管的非线性特性产生高次谐波，利用电容二极管储存的能量，使二次谐波通过天线二次辐射，阅读器的接收通常检测以2fA为载波的ASK信号，并将其还原成lkHz信号。
1比特系统只能识别“有响应”和“无响应”两种状态，用1kHz的调制信号对载波频率fA作调制形成ASK已调波的目的是为了提高系统的抗干扰能力，如果阅读器附近没有频率为2fA的干扰信号，阅读器当然不会响应，可是恰巧有2fA的干扰信号，由于干扰信号没有被正常调制，所以阅读器也不会响应。
微波1比特RFID系统虽然简单，但广泛用于各种门进卡或商场的防盗系统中。
【7】
●电磁反向散射式应答器
利用电磁波散射原理来实现数据的传输，其典型原理图如图表4所示。
图表4电磁反向散射式应答器原理图
它是利用电磁波的散射原理来实现数据的传输。
阅读器电磁反向散射式应答系统原理应答器阅读器通过定向耦合器（见图表5）进行按比例分配功率，并通过调整其性能指标（定向度、耦合度、隔离度），选定输出功率P1,发送天线将功率为P1的电磁波发送到自由空间，经空间传播到达应答器时接收天线的功率为P1，。
该功率一部分通过接收天线送入负载转变为热能，另一部分则反向散射至自由空间。
设反向散射的功率为P2，再次通过自由空间衰减，到达阅读器天线处的功率为P2，，经定向耦合器进入接收机，接收机可以获得反向散射功率P2，。
图表5定向耦合器原理图
阅读器发送功率P1与接收功率P2，的比值为b=P2，/P1，比值b与应答器的反向散射功率P2有关，当应答器的天线与负载RL完全匹配时，P2几乎为零，此时b=0，即阅读器接收数字信号为“0”码；当天线短路时，P2达到最大值，几乎被完全反射，此时b=1，即为数字信号的“1”码。
那么CPU通过电子开关的通断就可实现数据的传输。
【7】
●无源电子标签供电原理
无源电子标签概要无源电子标签自身不带有电源，利用来自读写器的无线电波得到启动内部IC电路的电能，其中分为电磁感应方式和射频接收方式两种类型。
【8】
电磁感应方式是把RFlD电子标签和读写器的天线做成环状线圈，通过读写器发生随时间变化的磁束，利用两个线圈的电磁感应，在RFlD电子标签的线圈产生电流、感应电压，驱动IC电路工作。
其原理与涡轮旋转发电的发电机相同，通信距离为几十米，见图表6
图表6电磁式感应方式图表7射频接收方式
射频接收方式是为了高效接收读写器发射的无线电波，把RFlD电子标签的天线做成二分之一波长或四分之一波长的长度，由接收的无线电波产生电压驱动IC电路工作，原理与没有电池也能够也能工作的矿石收音机相同，通信距离为数米，见图表7
3.射频识别系统的应用综述
3.1射频识别系统主要应用领域
射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理、出入口监视、跟踪定位、防伪技术等领域。
随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用也将越来越广泛。
【3】下面从不同应用领域作举例说明。
●在物流管理中的应用
现代社会不断进步，物流涉及大量纷繁复杂的产品，其供应链结构极其复杂，经常有较大的地域跨度，传统的物流管理不断反映出不足。
为了跟踪产品，目前在配送中心和零售多用的是条形码技术，但市场要求更为及时的信息来管理库存和货物流【9】将RFID系统应用于智能仓库的货物管理中，它不仅能够处理货物的出库、入库和库存管理，而且还可以监管货物的一切信息，从而克服条形码的缺陷，将该过程自动化，为供应链提供及时的数据。
同时在物流管理领域引入RFID技术，能够有效的节省个人成本，提高工作精确度，确保产品质量，加快处理速度。
另外，通过物流中心配置的读写设备，能够有效地避免粘贴有RFID标签的货物被偷窃、损坏和遗失的情况发生。
【3】
●在跟踪定位中的应用
RFID技术的普及为人与物体的空间定位与跟踪服务提供了一种新的解决方案。
RFID定位与跟踪系统要利用标签对物体的位移标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间的射频通信的信号强度来测量物品的空间位置。
主要应用于GPS系统难以应用的室内定位。
将RFID技术应用到图书馆管理系统中，可以实现图书的精确定位。
2002年，新加坡国家图书馆发布了世界上首个全面部署RFID的图书馆管理系统，目前已经采用RFID系统代替原有的条形码系统。
美国、澳大利亚等10余个国家图书馆也开始使用RFID系统进行图书管理。
●在交通运输控制管理的应用
在火车运营中使用RFID系统有个很大的优势在于火车是按既定路线运行，所以可以在沿途安放读写器以便监控火车的运行。
通过读到的数据，能够辨认火车的身份，监控火车的运行安全，及火车的完整性，以防遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故。
同时在车站能将车厢重新编组。
在采用车号识别技术以后，铁路车辆管理系统实现了统计的实时化、自动化，降低了管理成本。
当前利用此项技术的有：
北美铁路、中国铁路、瑞士铁路等。
【1】
●在防伪中的应用
利用RFID技术防伪，与其他防伪技术相比，其优点在于：
每个标签都有一个全球唯一的ID号码---UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改、无法仿造。
例如本次中国世博会组委会最终决定在上海世博会的门票中采用RFID技术。
门票内含一颗自主知识产权“世博芯”，将为占地3．28平方公里的世博园区“把关”。
据悉，此次上海世博会，门票销售总量将超过6200万张。
这将是全球范围内芯片量使用量最大、质量要求最高、时间跨度最长的RFID项目。
【10】
●在门禁保安中的应用
RFID系统可以方便、安全的应用于门禁保安。
同时用于出入口安全检查，考勤及公司财产监控等方面，由于系统可以同时识别多个电子标签，减少了上班前排队打卡的现象。
安全级别要求高的地方，还可以结合指纹、掌纹等其它的识别方式。
1996夏季奥林匹克运动会的安全机构就是采用这种保安系统。
3.2射频识别系统在应用中的优缺点
运用RFID技术还有以下特点：
无机械磨损，防污损；读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；读写器与标签之间存在相互认证的过程；数据存储量大、内容可多次擦写，不仅可以记录产品的品种信息、生产信息、序列号、销售信息等。
当前广泛使用的无源系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，RFID数据还容易受到攻击，主要是因为RFID芯片本身，以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。
此外，还有识别率的的问题，由于液体和金属制品等对无线电信号的干扰很大，RFID标签的准确识别率目前还只有80％左右，离大规模实际应用所要求的成熟程度也还有一定差距。
【2】
3.3射频识别技术有发展前景的应用领域
（1）商品防伪物流管理，证件防伪查验管理。
（2）生产线自动化管理，物料自动仓储管理。
（3）企业资源计划管理。
（4）电子票证支付应用，门票门控人事管理。
（5）民航行李跟踪管理：
邮政包裹跟踪管理。
（6）图书文物文件查找。
（7）高速公路自动收费，车辆防盗抢查验管理。
（8）感应式电子锁控系统。
（9）新生婴儿防错管理。
（10）畜牧动物跟踪监控管理。
（11）地理信息标识查寻系统。
（12）公交社区服务消费一卡通。
（13）其他自动识别物控应用。
3.4在中国推广射频识别技术应用的方案设想
基于以上射频识别技术的发展前景应用领域和射频识别技术在中国应用远不及国外普及状况的背景下，提出以下几个应用推广方案。
（1）商品防伪物流管理中的推广
虽然射频识别标签的成本较高，但是可以在价值高的商品中，进行大批量普及这样的做法，可以大大减少盗版商品的产生，从而增大了正规商品的市场份额。
同时，需大力将中国射频识别技术科研精力放置在如何降低射频标签成本。
（2）交通管理中的推广
中国车流量大、道路拥挤，如何更好的解决交通管理问题已成为当务之急。
在每辆汽车硬件中安装射频识别标签，在道路旁设置读写器，可以将道路车流量信息传送至交通调度系统，从而宏观调节各个道路车流量状况。
（3）火车票防伪、验证的推广
中国春运高峰人多、物杂，每年都成为政府部门和众多火车乘客十分头痛的话题。
而相应的诸多问题接踵而来，诸如黄牛党屯票、造假票，乘客花费大量时间等候检票。
大力推广射频识别技术在火车票中的应用，将射频标签放置于火车票中，可将减少乘客检票时的准确率，提高检票效率。
同时，可利用车票中射频标签的信息，逐张进行系统跟踪，整体调节车票在销售时的数量分布情况。
以上的三个中国射频识别技术应用推广方案，需要大批量市场投放使用。
只有加大中国的射频识别技术的使用，才能更好地推动射频识别技术的发展。
同时，中国的射频识别技术仍需加速发展，力求降低射频标签的成本，减少其受干扰性，增强射频标签的安全加密性。
这样中国的射频识别技术和其应用才能相互促进、共同发展。
参考文献：
【1】李晶，金美善，栾爽，射频识别技术简介，电脑知识与技术，2010,6（15）：
4240-4243
【2】蒋皓石，张成，林嘉宇，无线射频识别技术及其应用和发展趋势，电子技术应用，2005，31（5）：
3-5
【3】罗春彬、彭龑、易彬，RFID技术发展与应用综述，通信技术，2009，42（12）：
112-114
【4】刘学观、郭辉萍，微波技术与天线，西安电子科技大学出版社，2010
【5】MawhinneyDMicrowavetagidentificationsystems1983
【6】沈宇超、沈树群，射频识别技术及其发展现状，电子技术应用，1999，1：
1-4
【7】袁国良，电磁场与电磁波，清华大学出版社，2008.1.：
222
【8】日本NTTCOMWARE株式社，RFID的现状和发展趋势，人民邮电出版社,2007.3：
5
【9】李郭欢、张文政，可信网络的平台认证与接入，信息安全与通信保密，2007（08）：
106-108．
【10】徐永成、罗日荣、陶利民，射频识别技术国内外应用现状、问题与对策，测控技术，2008，27（11）：
1-3
升级会员 