射頻識別技術RFID—令人期待的技術

2019-11-03 09:02:38

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清華大學機械工程系李志寧博士
　　射頻識別技術是從八十年代起走向成熟的一項自動識別技術。它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據。它和同期或早期的接觸式識別技術不同，RFID系統的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可完成識別，因此它的應用場合更廣泛。

　　射頻識別技術RFID（Radio Frequency Identification Technology）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。

　　RFID系統的組成

　　最基本的RFID系統由三部分組成：

　　電子標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；當受無線電射頻信號照射時，能反射回攜帶有數字字母編碼信息的無線電射頻信號，供閱讀器處理識別。閱讀器(Reader)：有時也被稱為查詢器、通訊器或稱為讀出裝置，用以產生發射無線電射頻信號并接收由電子標簽反射回的無線電射頻信號，經處理后獲取標簽數據信息，有時還可以寫入標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；微型天線(Antenna)：在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

　　RFID系統的工作原理

　　RFID系統在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，電子標簽中保存有約定格式的電子數據。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發送出自身編碼等信息，被讀取器讀取并解碼后送至電腦主機進行有關處理。

　　圖1就是RFID感應技術的基本原理圖。在電磁場系統中，閱讀器（Reader）發出一個電磁（EM）波，電磁波以一個球形波向前傳播。電子標簽位于電磁場中，淹沒在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個點上，可用的能量的大小與該點距發射機的距離有關。

　　由上可知，閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內產生一個合適的能量場以激勵電子標簽。

　　在當前有關的射頻約束下，在歐洲的大部分地區各向同性有效輻射功率限制在500mW，這樣的輻射功能在870MHz，可近似達到0.7米。在美國、加拿大以及其他一些國家，無需授權的輻射約束為各向同性輻射功率為4W，這樣的功率將會達到2米的閱讀距離。在獲得授權的情況下，在美國發射30W的功率將使閱讀區增大到5.5米左右。

　　RFID系統的工作頻率

　　通常閱讀器發送時所使用的頻率被稱為RFID系統的工作頻率。常見的工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz及13.56MHz等等。

　　低頻系統一般指其工作頻率小于30MHz，典型的工作頻率有：125KHz、225KHz、13.56M等，這些頻點應用的射頻識別系統一般都有相應的國際標準予以支持。其基本特點是電子標簽的成本較低、標簽內保存的數據量較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）、電子標簽外形多樣（卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性不強等。

　　高頻系統一般指其工作頻率大于400MHz，典型的工作頻段有：915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統在這些頻段上也有眾多的國際標準予以支持。高頻系統的基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內保存的數據量較大、閱讀距離較遠（可達幾米至十幾米），適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性。

　　RFID標簽類型

　　RFID標簽分為被動標簽(Passive tags)和主動標簽(Active tags)兩種。主動標簽自身帶有電池供電，讀/寫距離較遠時體積較大，與被動標簽相比成本更高，也稱為有源標簽，一般具有較遠的閱讀距離，不足之處是電池的壽命有限（3～10年）。

　　無源電子標簽內無電池，它接收到閱讀器（讀出裝置）發出的微波信號后，將部分微波能量轉化為直流電供自己工作，一般可做到免維護，成本很低并具有很長的使用壽命，比主動標簽更小也更輕，讀寫距離則較近，也稱為無源標簽。相比有源系統，無源系統在閱讀距離及適應物體運動速度方面略有限制。

　　集成固化式電子標簽內的信息一般在集成電路生產時即將信息以ROM工藝模式注入，其保存的信息是一成不變的；現場有線改寫式電子標簽一般將電子標簽保存的信息寫入其內部的存貯區，改寫時需要專用的編程器或寫入器，改寫過程中必須為其供電；現場無線改寫式電子標簽一般適用于有源類電子標簽，具有特定的改寫指令，電子標簽內保存的信息位于其中的存貯區。一般情況下改寫電子標簽數據所花費的時間遠大于讀取電子標簽所花費的時間。常規為改寫所花費的時間為秒級，閱讀花費的時間為毫秒級。

　　RFID識別系統類型

　　可以將RFID識別系統簡單地區分為三種類型，廣播發射式射頻識別系統、倍頻式射頻識別系統和反射調制式射頻識別。

　　廣播發射式射頻識別系統實現起來最簡單。這時電子標簽必須采用有源方式工作，并實時將其貯存的標識信息向外廣播，閱讀器相當于一個只收不發的接收機。這種系統的缺點是電子標簽因須不停地向外發射信息，對其自身而言費電，對環境而言造成電磁污染，同時系統不具備安全保密性。

　　倍頻式射頻識別系統實現起來有一定難度。一般情況下，閱讀器發出射頻查詢信號，電子標簽返回的信號載頻為閱讀器發出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回波信號提供了便利，但是，對無源電子標簽來說，電子標簽將收到的閱讀器發來的射頻能量轉換為倍頻回波載頻時，其能量轉換效率較低，提高轉換效率需要較高的微波技巧，這就意味著更高的電子標簽成本。同時這種系統工作須占用兩個工作頻點，一般較難獲得無線電頻率管理委員會的產品應用許可。

　　反射調制式射頻識別系統實現起來要解決同頻收發問題。系統工作時，閱讀器發出微波查詢（能量）信號，電子標簽（無源）收到微波查詢能量信號后將其一部分整流為直流電源供電子標簽內的電路工作，另一部分微波能量信號被電子標簽內保存的數據信息調制（ASK）后反射回閱讀器。閱讀器接收反射回的幅度調制信號，從中提取出電子標簽中保存的標識性數據信息。系統工作過程中，閱讀器發出微波信號與接收反射回的幅度調制信號是同時進行的。反射回的信號強度較發射信號要弱得多，因此技術實現上的難點在于同頻接收。

　　RFID應用鏈接

　　射頻識別技術已經被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。下面具體介紹幾種應用實例：

　　（1）鐵路貨車車號識別、集裝箱多式運輸

　　將RFID技術用于貨車車號自動抄錄，將貨車車號信息存放在電子標簽里，并將電子標簽安裝在貨車車體的表面，當貨車通過讀出點時，閱讀器通過天線接收電子標簽反射回的帶有貨車車號信息的電子信號。接收到的電子信號經過計算機處理后，自動顯示或打印出來，從而實現了貨車車號的自動識別，克服了人工抄錄造成的勞動強度高、出錯概率大、工作效率低等缺點。

　　（2）公路運輸收費管理

　　采用RFID技術后，安裝電子標簽的車輛能以200Km/H以內的速度通過收費口，讀出設備可快速、準確地記錄通過車輛的編號或帳戶信息，實現高速公路通行費的自動征收與管理。

　　（3）人員車輛出入管理

　　射頻識別系統可以應用于大型停車場、軍事重地、金融系統等地方的人員出入管理。將與名片大小相仿的電子標簽貼附在汽車風擋玻璃或掛在人的身上，當有人員或車經過閱讀器時，閱讀器即可快速、準確地記錄下所通過的車輛或人員信息及通過的時間。同時還可以對是否允許通過做出判斷，自動控制出入大門開關，做到出入嚴格管理。

　　（4）其它

　　射頻識別可廣泛應用于礦山、油田、化工廠、核工廠等一些重要、危險區域或單位。對出入人員進行自動登記，包括身份代碼、進出時間等，從而大大增加了安全系數。

　　射頻識別還可應用于博物館、商店、實驗室以及醫院病區管理，監視病人出入等。

摘自中國計算機用戶

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