rfid技术及其应用

RFID技术及其应用摘要：介绍RFID的发展、存在的问题、工作原理、分类以及其在各行业的应用。一、RFID技术的发展及其存在的问题射频识别即RFED (Radio Frequency Identification)技术，乂称电子标签、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, 而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。非接触性、自动化、高效、抗污染耐用、数据量大、安全性高是RFED的重 要特征。目前即ID技术己经广泛运用于管理、交通、安全、物流等领域，正是 因为RFID技术的应用，工作效率得到了大幅度的提高、成本也得以降低、经济 可持续发展、人民生活水平越来越高。由此可见，随着当今世界科技的高速发展， RFID必将有更广阔的前景。RFED技术是直接继承雷达的概念，并由此发展起来的一种断的自动识别技 术。1948年，哈利斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了 RFED的理 论基础，成为RFID的理论领域的不朽之作。在过去的半个多世纪里，RFID的发展经历了以下儿个阶段，如果按照十年 为一时期，可以划分如下：19411950年。雷达的改进和应用催生了 RFED技术，1948年奠定了 RFLD 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。19711980年。RFLD技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFED技 术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。1981-1990年。RFLD技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出 现。19912000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。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, 规模应用行业不断扩大,RFID技术的理论得到了丰富和完善。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。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大范围使用RFLD 和美国军方宣布军需物品均使用RFID来进行识别与跟踪，极大地推动了 RFLD 的研究与应用。虽然RFID技术拥有着不错的发展潜力，但在管理和技术上依旧存在着问题, 需要通过合理的办法加以解决，主要包括以下问题：(1) 标准统一五大标准组织包括国际标准化组织(ISO)、美国的EPC Global.日本的 Ubiquitous ID、AIM和IP-X。我国也在积极地制定即ID标准，在制定标准的过 程中，以其他组织的标准为基础，充分考虑国情和中国市场的优势，制定“以应 用为主”的新标准。(2) RFLD软件的发展与完善RFED应用软件是企业的核心，它为企业提供了平台去处理大量的数据，但 是目前大多数厂商都把发展重心集中到了 RFID的芯片技术上，忽视了 RFID的 应用软件开发，这势必会造成技术无法合理衔接的问题，会影响到企业的生产效 率降低以及成本增高。(3) 安全保障RFED目前己在一些需要保密的领域有所涉及，这需要RFID技术能够在安 全方面提供足够的保障。现在存在的安全隐患就是即ID感应器中的唯一标识很 容易被恶意复制，如果不加以注意，很可能成为潜在的危险。(4) 成本降低条形码得到广泛运用的主要原因在于条形码的成本比较低廉，而对于即ID 电子标签来说，想要与条形码竞争，就必须进一步的将成本降低，否则可能无法 真正的替代条形码。二、RFID系统概述2.1 RFID的组成如图1所示，即ID系统主要包括电子标签、阅读器、天线和应用软件四部图1.RFID系统的组成1. 电子标签电子标签(ElectronicTag),主要由标签天线和芯片组成，乂被称为智能标签 (Smart Label)o如图2所示，系统运行时，标签在接收到阅读器发出的信号后会 将内并保存的数据发送给阅读器，其中部分以直流电源的形式为电路工作提高能 量，另一部分则反射回阅读器。电子标签有被动标签、主动标签和半主动标签之分。由于被动标签成本低, 并且不需要电池，所以是最常使用的标签。而主动标签与半主动标签都有一块电 池为标签提供能量，区别在于主动标签是使用电池来对标签上的电路进行供电, 而半主动标签是利用阅读器的磁场激活标签之后，标签将存储在内部的数据发回 给阅读器，电池只是完成一些标签内的简单电路工作，因此半主动标签比主动标 签具有更长的使用寿命。电子标签图2.阅读器查询标签示意图2. 阅读器阅读器一般包括发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电源等部分。其 主要负责标签的读取与写入工作。它可以单独或者存在于其他系统中，通过天线 获取从标签返回的数据信息，处理后传给中间件。阅读器主机通常包括控制模块、 射频收发模块和接口模块。控制模块在接收数据缓存的同时，也实现了发送到电子标签的命令的波形编 码、回波信号的解码、读写命令流程控制和差错控制等。射频收发模块主要完成 控制模块传来的控制命令的运行，向电子标签发送数据的载波调制，以及对回波 信号进行解调处理，并将处理后的回波基带信号送到控制模块。接口模块用于实 现阅读器与外部的传感器、控制器以及应用系统主机之间的输入和输出通信。3. 天线天线可以置于阅读器中，也可以与阅读器天线接口相连，是为标签和阅读器 提供射频信号空间传播的设备。按照一般意义上来说，发射天线和接收天线应该 是分离的，但是基于收发分离技术的存在，可以使一副天线同时完成发射和接收 工作。4. 应用软件应用软件是RFID系统的一部分，是针对不同需求而进行开发的软件，它通 过阅读器对电子标签进行读写控制，将收集到的数据进行处理和统计。2. 2 RFID系统的工作原理RFED系统的工作原理是:电子标签进入读取区域时接受到阅读器发出的射 频信号而产生感应电流，并从中获得能量，将电子标签内部的数据信息通过内部 的天线发送回阅读器，阅读器接收到传来的信号后传送给信号处理模块，通过解 调和解码后将消息发送至主机应用系统进行数据处理，主机应用系统根据一定的 逻辑对电子标签进行核实，并根据配置参数进行相关的处理，之后发送指令给阅 读器完成读写操作七系统根据标签与阅读器之间的通信及能量感应方式分为电感藕合(Inductive Coupling)系统和电磁反向散射藕合(Backscatter Coupling)系统。电感耦合通过空 间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应定律;电磁反向散射藕合发射出的 电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，而电磁反向散射 耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。2. 3 RFID技术的物理机制2.3.1天线场区电子标签和阅读器通过各自的天线构建起二者之间的非接触式的信息传输 通道，这种空间信息的传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁 传播的基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场 之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次慕成反比，随着离开天线的距离增 大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，所以把此区域叫电抗近场区，它 的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区，按照离开天线距离的远 近乂把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区.因而，根据观测点距离天线的距 离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观测点距天线的距 离将天线周围的场划分为三个区域。1、无功近场区无功近场区乂称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场 区域。在该区域中电抗性储能场占支配地位，通常，该区域的界限取为距离儿天 线口径表面处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁 场的转换类似变压器中的电场、磁场之间的转换。如果在其附近还有其他的金属 物体，这些物体将会类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可将这些金 属看作组合天线的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功，只是互相 转换，因而将该区域称为无功近场区。2、辐射近场区辐射场区的电磁场己经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。按照离 开天线距离的远近乂把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中, 场区中辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关，天线 各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度是与天线的距离的函数。 对于通常的天线，此区域也称菲涅尔区。因为大型天线的远场测试距离很难满足， 因此研究该区域中场的角度分布对大型天线的测试非常重要。3、辐射远场区辐射远场区乂称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。 严格地讲，只有距离天线无穷远处才能到达天线的远场区。但在某个距离上，福 射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围内时，即把该点至无穷 远的区域称为天线远场区。天线的方向性图即指该辐射场的角度分布，因此远场区是天线辐射场区中最 重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离R = 式中，D为天线直径；入为天线波长；DA o对于天线而言，满足天线的最大尺寸L小于波长入时，天线周围只存在无 功近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为土，超过了这2n个距离，辐射场就占主要优势.一般满足L/入vvi的天线称为小天线。对标签和 识别系统而言，一般情况下，由于对标签尺寸的限制，以及读写器天线应用的尺 寸的限制，绝大多数情况下，采用L/入或L/入vi的天线结构模式；因而天 线的无功近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。有关天线场区的划分，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的 能力以电磁波的形式向外传播，无功近场中的辐射能量以磁场、电场的形式相互 转换并不向外传播;另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线越近， 场强越强。2.3.2能量耦合射频识别系统中标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统中一个重要 的指标。通常情况下，这种作用的距离定义为标签与读写器之间能够可靠交换数 据的距离。根据射频识别系统作用距离，标签天线与读写器天线之间的耦合可以 分为三类:密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。1、密耦合系统密耦合系统的典型作用距离小于1cm，是利用射频标签与读写器天线无功近 场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输通道工作的。工作频 率局限在10MHZ以下。耦合能量大，安全性较高。2、遥耦合系统遥耦合系统的典型作用距离可以达到1米，和密耦合系统一样，遥耦合系统 是利用射频标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合构成无接触的空间信 息传输通道工作的。但相对于密耦合系统来说，遥耦合系统由于识别距离增大, 导致电磁泄漏增大，耦合获得的能量就比较小。典型工作频率为13.56MHZ,2. 4 RFID系统的分类根据系统功能的不同，可以将RFID系统分为四类:EAS系统、物流控制系 统、便携式数据采集系统和定位系统。1.EAS系统EAS被称为电子物品监视器，是一种放置在物品出入口的RFED系统，一般 用于图书馆、库房、商店等地方。具体的实现过程是首先需要把EAS标签粘贴 在物品上，当物品被按照合理地方式取走时，在结算处会有一个装置将EAS标 签去除绑定，通过这种方式物品就可以带走了;如果物品被非法取走，当经过门 口时，装置就会自动检测到尚未去除绑定的EAS标签，而发出报警信号。EAS技术目前己经广泛地运用于商店、图书馆、超市等地，在具有人性化的同时，也有效地防止了盗窃的发生，可以说对人们的日常生活产生了非常重要 的意义。2.物流控制系统在物流控制系统中，电子标签粘贴在物品上，可以随处移动，而RFED阅读 器则需要固定的一个特定的区域，与RFID应用系统直接相连。当物品经过阅读 器时，阅读器便会自动扫描物品上的标签，并将数据上传至RFID应用系统进行 分析和统计。3. 便携式数据采集系统便携式数据采集系统多为手持的形式，设备集成了 RFID阅读器，此种设备 具有较大的灵活性，在读取数据的同时通过射频数据采集(Radio Frequency Data Communication, RFDC)方式实时地向RFID应用系统传输数据。4. 定位系统定位系统主要用于加工行业、仓储以及对于车辆等的定位。阅读器采用集成 的形式安装在固定的场所，而电子标签通过粘贴的形式附着在物品、车辆上，当 电子标签经过阅读器时，阅读器就能将电子标签内部存储的信息进行及时地读取, 并传输给RFLD应用系统，由此实现定位的功能。三、RFID技术的应用RFEDR的应用范围相当广泛，最常见的应用领域有囹：2.1用于门禁保安管制射频卡可用于门禁保安系统，且一卡可以多用。如可作工作证、出入证、停 车卡、宾馆住宿卡以及旅游护照等。其目的都是为了识别人员的身份、安全管理 与收费等。其好处是为了简化出入手续，提高工作效率、安全保护等。一般，只 要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡，进出入口有一台读写器，人员出入时 就会自动识别身份，非法闯入者会报警。在安全级别要求高的地方，还可以结合 人体生物特征识别，如指纹、掌纹、人脸等特征存入射频卡。企、事业单位或家庭还可将射频卡(电子标签)用来保护和跟踪财产。一般， 将电子标签贴在物品上面，如贴在计算机、传真机、复印机、重要文件资料或其 它实验室设备与用品等上。这就可以自动跟踪管理这些有价值的财产，可以跟踪 一个物品从某一建筑物离开，或者是用报警的方式限制物品离开某地，结合GPS 定位系统还可以对货柜车、货舱等进行有效的跟踪。2. 2用于汽车防盗用于汽车防盗系统一般采用二种方法：（1）将含有特定码字的射频卡封装到汽车钥匙当中，读写器装在汽车上。当这种钥匙插入到点火器中时，读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不 到射频卡发送来的特定信号，汽车的引擎将不会发动。显然，这种电子验证的方 法，使汽车的中央计算机容易防止短路点火。（2）司机自己带射频卡，读写器安装在座椅的背部，发射范围至少在司机 座椅55厘米内。当读写器读取到有效的ID号时，系统发出三声鸣叫，然后汽车 引擎才能启动。如果司机离开汽车，且车门敞开引擎也没有关闭，这时读写器就 需要读取另一有效ID号；若司机将射频卡带离汽车，读写器读不到有效ID号, 引擎就会自动关闭，罪犯想开就触发报警装置。2. 3用于电子物品监视系统EAS电子物品监视系统即EAS （Electronic Article Surveillance）的目的是 防止商品被盗。该系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为1比特（即开或关） 的射频卡（或称电子标签）以及安置在超市出口处的读写器。如果商品己付钱购 买，销售人员会用专用工具拆除电子标签（尤其服装），或用磁场来使标签失效， 或直接破坏标签本身的电特性；若商品未付钱想拿出超市，会被读写器探测到, 并同时报警。显然，这种EAS系统会被广泛使用。四、参考文献1 王爱玲，盛小宝.RFID技术及应用.中国物资出版社.2007.52 游战清，李苏剑等.无线射频识别技术（REDD）理论与应用.北京:电子工 业出版社，2005.1 113 （德）Klaus Finkenzeller著.陈大才等译.射频识别（RFID）技术.第二版.北京:电子工业出版社，2001.12小1254 张波，李帏笳.21世纪自动识别技术RFID的原理、应用及其发展.信息与电 脑，2012.