RFID簡介

　　射頻（Radio Frequency，RF）指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，簡稱射頻識別技術(shù)，是從20世紀(jì)90年代興起的一種無線、非接觸方式的自動識別技術(shù)，是近幾年發(fā)展起來的前沿科技項目。早在RFID技術(shù)出現(xiàn)之前，最廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品識別技術(shù)是條形碼技術(shù)。進入21世紀(jì)后，由于條形碼技術(shù)存在的諸多問題，例如，讀取速度慢、存儲能力小、工作距離近、穿透性弱以及適應(yīng)性不強等，使其越來越不能滿足人們的需求。因此，RFID技術(shù)的出現(xiàn)改變了條形碼技術(shù)一統(tǒng)天下的局面。RFID技術(shù)不像條形碼那樣依靠“有形”的一維或二維幾何圖案來提供信息，而是通過芯片來提供存儲于其中的數(shù)量巨大的“無形”信息。RFID改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，利用無線射頻方式在閱讀器和標(biāo)簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的，具有壽命長、閱讀速度快、無磨損、環(huán)境適應(yīng)性強、抗干擾能力強，便于使用和防碰撞的優(yōu)點，可全天候、無接觸地完成自動識別、跟蹤與管理，且可穿透非金屬物體進行識別以及多目標(biāo)同時識別等優(yōu)點，其通信距離范圍可從幾厘米至幾十米遠，而且依據(jù)讀寫方式的不同，可以輸入數(shù)千字節(jié)的數(shù)字信息，具有極高的保密性。因此，RFID技術(shù)已逐漸成為自動識別技術(shù)中最優(yōu)秀和應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的技術(shù)之一。

　　RFID工作原理

　　典型的RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽（Tag）、RFID閱讀器（Reader）、天線3部分組成。

　　RFID標(biāo)簽

　　RFID標(biāo)簽又稱電子標(biāo)簽、射頻卡或應(yīng)答器，是類似貨物包裝上的條形碼功能，記載貨物的信息，是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，用以標(biāo)識目標(biāo)對象。當(dāng)給移動或非移動物體附上RFID標(biāo)簽，就意味著把“物”變?yōu)榱恕爸悄芪铩保涂梢詫崿F(xiàn)對不同物體的跟蹤與管理。

　　RFID標(biāo)簽是一種集成電路產(chǎn)品，是由耦合元件和專用芯片組成。

　　RFID標(biāo)簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數(shù)字控制和數(shù)據(jù)存儲體4部分。諧振回路是電子標(biāo)簽與外界的通信接口，它耦合閱讀器天線產(chǎn)生的磁場信號，為電子標(biāo)簽提供能量和數(shù)據(jù)。射頻接口將外接天線和內(nèi)部數(shù)字控制電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲體聯(lián)系起來，射頻接口電路接收天線耦合的閱讀器信號，使內(nèi)部電路從中獲得能量、時序和數(shù)據(jù)。數(shù)字控制電路主要包括狀態(tài)機、譯碼編碼、加密校驗、防沖突等模塊，實現(xiàn)命令編解碼、數(shù)據(jù)校驗，完成對射頻接口、數(shù)據(jù)存儲體的控制操作，完成協(xié)議所要求的功能。數(shù)據(jù)存儲體采用E2PROM，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的存放，可以根據(jù)具體要求進行讀/寫操作。

　　RFID標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于發(fā)送和接收射頻信號，實現(xiàn)和射頻天線間的通信。目前，125kHz、13.56MHz這兩個頻段的RFID芯片種類多、技術(shù)成熟且價格低廉。其中，13.56MHz的RFID標(biāo)簽是主流應(yīng)用產(chǎn)品，國外公司如TI、Philips、Atmel、EM等提供的產(chǎn)品占了大部分市場。

　　RFID標(biāo)簽采用3種數(shù)據(jù)存儲方式：電可擦可編程只讀存儲器（E2PROM）、鐵電隨機存取存儲器（FRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）。E2PROM寫入過程中功耗較大，使用壽命通常為10萬次。FRAM的基本原理是鐵電效應(yīng)，寫入功耗為E2PROM的1/100，寫入時間為E2PROM的1000，但由于生產(chǎn)方面的問題，使其至今未得到廣泛應(yīng)用。寫入SRAM寫入速度快，適用于微波系統(tǒng)，但需要不間斷供電才能保存數(shù)據(jù)。因此RFID技術(shù)通常采用E2PROM方式。RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)量通常在幾字節(jié)到幾千字節(jié)之間。但有一個例外，這就是1b RFID標(biāo)簽，進行“是”或“否”的應(yīng)答，在需要簡單監(jiān)控的場所是適合的，它的價格便宜，在百貨商場的商品防盜系統(tǒng)中獲得大量的應(yīng)用。

　　在自動識別管理系統(tǒng)中，每個RFID標(biāo)簽保存著一個物體的屬性、狀態(tài)、編號等信息，具有全球唯一的識別號（ID），在加工芯片時寫入，無法修改和偽造，保證安全性。RFID標(biāo)簽通常安裝在物體表面，具有一定的無金屬遮擋的視角。

　　RFID標(biāo)簽的主要電氣性能參數(shù)：工作頻率、讀/寫能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、信息數(shù)據(jù)存儲量、多標(biāo)簽識讀能力（也稱防碰撞能力或防沖突能力）、信息安全性能等。

　　RFID閱讀器

　　RFID閱讀器（Reader）又稱讀寫器或讀卡器，是讀取（或?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備。RFID閱讀器可以無接觸地讀取并識別RFID標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器一方面通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口、RS-232串口或USB接口與計算機相連，另一方面通過天線與RFID標(biāo)簽通信，將所讀取的標(biāo)簽信息傳送到計算機上，進行下一步處理。

　　由于頻率范圍、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，各種閱讀器會有很大的區(qū)別和差異，但是所有的閱讀器在上述功能上是很相似的。

　　（1）發(fā)送通道：對載波信號進行功率放大，向RFID標(biāo)簽傳送操作命令及輸入數(shù)據(jù)。

　?。?）接收通道：接收RFID標(biāo)簽傳送至閱讀器的響應(yīng)及數(shù)據(jù)。

　?。?）載波產(chǎn)生器：采用晶體振蕩器，產(chǎn)生所需頻率的載波信號，并保證載波信號頻率穩(wěn)定度。

　?。?）時鐘產(chǎn)生電路：通過分頻器形成工作所需的各種時鐘。

　?。?）MCU：微控制器是閱讀器工作的核心，完成收發(fā)控制、向RFID標(biāo)簽發(fā)命令及輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)讀取與處理、與高層處理應(yīng)用系統(tǒng)的通信等工作。

　?。?）天線：與RFID標(biāo)簽形成藕合交聯(lián)。

　　RFID閱讀器的主要功能是控制射頻模塊向RFID標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接受RFID標(biāo)簽的應(yīng)答，對RFID標(biāo)簽的識別信息進行處理。

　　（1）查閱RFID標(biāo)簽中當(dāng)前儲存的數(shù)據(jù)信息；

　?。?）控制射頻模塊向RFID標(biāo)簽發(fā)射讀取信號；

　　（3）接受標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的識別信息進行處理；

　　（4）向空白RFID標(biāo)簽中寫入欲儲存的數(shù)據(jù)信息；

　?。?）修改（重新輸入）RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息；

　?。?）與后臺管理計算機進行信息交互。

　　RFID閱讀器有專用閱讀器和通用閱讀器兩種。專用讀寫器專門為某種用途設(shè)計，是不具備再開發(fā)功能的專用獨立裝置，它本身已具備某種完整的固定用途，使用方式和功能在出廠前已由廠家設(shè)置，用戶可以根據(jù)應(yīng)用情況做小范圍設(shè)定。通用閱讀器本身并不限于某種固定用途，主要針對標(biāo)簽的讀寫操作，可以進行二次開發(fā)。

　　天線

　　天線（Antenna）是在RFID標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號，即RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。

　　RFID天線可分為標(biāo)簽天線和閱讀器天線兩種類型。這兩種天線因工作特性不同，在設(shè)計上關(guān)注重點也有所不同。對于標(biāo)簽天線，著重考慮天線的全向性、阻抗匹配、尺寸、極化、造價，以及能否提供足夠能量驅(qū)動RFID芯片等方面；對于閱讀器天線，考慮更多的是天線的方向性、天線頻帶等因素。由于RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)簡單，而且有全向性要求，提高其天線的增益很困難，因此，系統(tǒng)的天線增益主要落在閱讀器天線上，商用閱讀器天線一般采用平板天線，增益可達到9dB。為了提高閱讀器天線的方向性增益，可采用天線陣的方法，天線陣具有靈活的波束方向和更窄的波束寬度，可以減少閱讀器向非目標(biāo)區(qū)域輻射，提高識讀距離，降低閱讀器間相互干擾，是閱讀器天線發(fā)展的一個重要方向。

　　在RFID閱讀器與標(biāo)簽通信時，閱讀器既是發(fā)射機，也是接收機，而且發(fā)射和接收都采用相同的頻率。RFID閱讀器的射頻前端必須將發(fā)射和接收的電磁波進行分離，分離的辦法與閱讀器天線結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的結(jié)構(gòu)決定不同的分離方式。閱讀器天線一般可采用兩種結(jié)構(gòu)：單天線結(jié)構(gòu)和雙天線結(jié)構(gòu)。

　　閱讀器的兩個天線采用不同極化方向，或左旋極化（LHCP），或右旋極化（RHCP）。若閱讀器發(fā)射左旋極化波，當(dāng)它被反射回來的時候，反射波將是右旋極化方向，采用極化天線方式的射頻前端，其隔離度可以達到20dB以上，比單天線結(jié)構(gòu)的分離能力強，常被應(yīng)用在一些較高檔的閱讀器中，但該方式需要兩個天線，布置和安裝都不太方便，另外因多了一個天線，使其成本上升，所以在實際應(yīng)用中，不如單天線結(jié)構(gòu)的閱讀器普及。

　　為保證天線的正常工作，要求天線的尺寸必須與傳播波的波長一致，天線可以是無源器件，也可以是有源器件。在實際應(yīng)用中，天線的設(shè)計參數(shù)是影響RFID系統(tǒng)識別范圍的主要因素。高性能的天線不僅要求具有良好的阻抗匹配特性，還需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的特點對方向特性、極化特性和頻率特性等進行專門的設(shè)計和安裝。

　　閱讀器在區(qū)域內(nèi)通過天線發(fā)射射頻信號，形成電磁場，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸。

　　當(dāng)RFID表情進入該區(qū)域時，接收閱讀器的射頻信號，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使RFID表情獲得能量被激活，并將自身編碼等信息通過標(biāo)簽內(nèi)置發(fā)射天線向閱讀器發(fā)送。

　　系統(tǒng)接收天線接收到從RFID標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理。

　　主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

　　RFID標(biāo)簽所存儲的電子信息代表了待識別物體的標(biāo)識信息，相當(dāng)于待識別物體的身份認(rèn)證，從而射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)了非接觸物體的識別目的。

　　RFID系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。目前，長距離RFID系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響RFID系統(tǒng)讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的射頻輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、標(biāo)簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和標(biāo)簽的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。