RFID技術(shù)的分析及應(yīng)用研究

河南科技學(xué)院 李曉娟 秦國(guó)慶

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RFID技術(shù)的分析及應(yīng)用研究

河南科技學(xué)院 李曉娟 秦國(guó)慶

【摘要】射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）作為一種新興的非接觸式物體識(shí)別技術(shù)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。文中論述了RFID系統(tǒng)組成及工作原理；介紹了低頻系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、超高頻和微波系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)給出了低頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)基于變壓器模型的電感耦合工作圖、超高頻和微波系統(tǒng)基于雷達(dá)模型的電磁反向散射耦合工作圖及基于有源標(biāo)簽的超高頻RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)通信模型，并結(jié)合實(shí)際情況討論了各個(gè)頻段在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。從而讓人們對(duì)RFID技術(shù)更加全面深入了解，從而使之得到更好地應(yīng)用和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】射頻識(shí)別技術(shù)；讀寫(xiě)器；電感耦合；有源標(biāo)簽

0 引言

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），起源于上世紀(jì)90年代，是一種新興的物體非接觸式識(shí)別技術(shù)。它主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻通信的方式在物體與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行信息交換，以此來(lái)識(shí)別不同的物理對(duì)象。RFID技術(shù)一經(jīng)產(chǎn)生就主要用于識(shí)別物體，相比于其它的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（如條形碼）其最突出的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)線(xiàn)通信，射頻標(biāo)簽只要在接受器的作用范圍內(nèi)就可以被讀取，同時(shí)還具有防偽、寫(xiě)入信息或更新內(nèi)存的能力。 RFID與其他的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（如WLAN、藍(lán)牙、紅外、ZIGBEE）相比最大的區(qū)別在于它的被動(dòng)工作模式，即利用反射能量進(jìn)行通信。

1 RFID系統(tǒng)組成及工作原理

通常射頻識(shí)別系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。對(duì)于每個(gè)部分來(lái)說(shuō)，其功能如下：（1）電子標(biāo)簽：作為一個(gè)存儲(chǔ)器，其上面存有物體的相關(guān)信息，通常被放置在物體內(nèi)，每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的ID號(hào)碼—UID； （2）讀寫(xiě)器：作為一個(gè)識(shí)別裝置，主要通過(guò)射頻技術(shù)與電子標(biāo)簽進(jìn)行信息交換，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式，讀卡器的發(fā)射信號(hào)功率要遠(yuǎn)大于電子標(biāo)簽反向散射回來(lái)的信號(hào)，而且與接收信號(hào)同頻率；（3）計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)：完成通信傳輸，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，有些系統(tǒng)還通過(guò)閱讀器的RS232或RS485接口與上位機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)讀寫(xiě)器處于工作模式，由天線(xiàn)發(fā)射足夠功率的射頻電磁波，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物體與讀寫(xiě)器靠近并處于讀寫(xiě)器的射頻覆蓋范圍內(nèi)時(shí)， RFID標(biāo)簽被激活并向讀寫(xiě)器發(fā)送出自身信息；讀寫(xiě)器接收并解調(diào)來(lái)自標(biāo)簽的射頻信號(hào)，將其送給計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算做出相應(yīng)的處理和控制，并發(fā)出指令信號(hào)。

2 RFID系統(tǒng)的分類(lèi)及應(yīng)用范圍

RFID系統(tǒng)按照工作頻率定義，可分為低頻系統(tǒng)（LF）、高頻系統(tǒng)（HF）、超高頻（UHF）和微波系統(tǒng)（MW）。

2.1 低頻系統(tǒng)

我們將工作頻率介于30-300KHz的系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為低頻系統(tǒng)。其典型的應(yīng)用頻點(diǎn)主要有125KHz、133KHz，基于這些頻點(diǎn)都有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，一般個(gè)人不能采用。針對(duì)該系統(tǒng)主要通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行工作，如圖1所示。

從圖1可以看出，讀寫(xiě)器想要讀取標(biāo)簽上物體的相關(guān)信息，必須將標(biāo)簽置于讀寫(xiě)器天線(xiàn)的覆蓋范圍內(nèi)，由于標(biāo)簽為無(wú)源標(biāo)簽，讀寫(xiě)器需要發(fā)射足夠高的功率來(lái)激活標(biāo)簽。對(duì)低頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有閱讀距離短、成本低等特點(diǎn)，比較適合低速、近距離識(shí)別應(yīng)用，主要應(yīng)用于早期的門(mén)禁系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)收費(fèi)和車(chē)輛管理系統(tǒng)、汽車(chē)防盜系統(tǒng)等。常見(jiàn)的基于該頻段的電子標(biāo)簽外形主要有卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀等。

圖1 基于變壓器模型的電感耦合工作圖

2.2 高頻系統(tǒng)

我們將工作頻率介于3-30MHz的系統(tǒng)稱(chēng)為高頻系統(tǒng)。其典型的應(yīng)用頻點(diǎn)主要有13.56MHz。針對(duì)該頻點(diǎn)也有眾多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)予以支持，一般個(gè)人也不能采用。針對(duì)該系統(tǒng)一般也采用無(wú)源標(biāo)簽，其工作方式同低頻系統(tǒng)相似，如圖1 所示，其能量主要從讀寫(xiě)器電感耦合線(xiàn)圈的輻射場(chǎng)中獲得，帶有標(biāo)簽的物體想要被讀寫(xiě)器識(shí)別，必須將其位于讀寫(xiě)器天線(xiàn)輻射的區(qū)域內(nèi)，物體與讀寫(xiě)器之間的距離一般小于1m。

對(duì)于高頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其工作頻率高，因此，可以選用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。其天線(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便制成標(biāo)準(zhǔn)卡片形狀，典型應(yīng)用包括：電子車(chē)票、電子身份證、消費(fèi)POS機(jī)、考勤機(jī)、水電表、M1卡、CPU卡等。

2.3 微波系統(tǒng)

我們將工作頻率介于300MHz-3GHz或大于3GHz的系統(tǒng)稱(chēng)為微波系統(tǒng)，其典型工作頻點(diǎn)為：433.92MHz 、902-928MHz、2.45GHz、5.8GHz。由于其傳輸功率大，速度快，該系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽兩類(lèi)。目前市面上出現(xiàn)的比較成功的微波射頻識(shí)別產(chǎn)品主要集中在以下兩個(gè)系統(tǒng)：

（1）基于無(wú)源標(biāo)簽的902-928 MHz射頻識(shí)別系統(tǒng)

針對(duì)該類(lèi)系統(tǒng)的電子標(biāo)簽為無(wú)源電子標(biāo)簽，從讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻波束中獲取能量，其工作方式如圖2所示。

圖2 基于雷達(dá)模型的電磁反向散射耦合指示圖

從圖2可以看出，讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波方向固定，只有當(dāng)標(biāo)簽置于其范圍內(nèi)時(shí)，才能進(jìn)行信息的交換，識(shí)別距離相對(duì)較近，典型情況為4-6m。與有源標(biāo)簽相比，具有成本低、不需要維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。該射頻識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用在物流、供應(yīng)鏈管理、停車(chē)場(chǎng)管理等領(lǐng)域。

（2）基于有源標(biāo)簽的2.45GHz、5.8GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)

針對(duì)該系統(tǒng)的電子標(biāo)簽，其內(nèi)部裝有電池，不再需要從讀寫(xiě)器獲

得能量，本身就能夠?yàn)樽约旱墓ぷ魈峁┠芰?。其工作模型如圖3所示：

圖3 基于有源標(biāo)簽的超高頻RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)通信模型

該系統(tǒng)一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離（0-100m），不需要讀寫(xiě)器有太大的發(fā)射功率；不足之處是電池的壽命有限（3-10年），體積較大、成本較高，不適合在惡劣環(huán)境下工作；該射頻識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用在人員進(jìn)出管理、高速公路收費(fèi)等領(lǐng)域。

不同頻段的RFID對(duì)日常生活中的材料有不同的特性，如表1所示：

表1 不同頻率的RFID對(duì)常用材料的特性

3 結(jié)語(yǔ)

作為一項(xiàng)新技術(shù)手段，射頻識(shí)別技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近幾年在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到飛速發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，RFID技術(shù)將推動(dòng)我國(guó)自動(dòng)識(shí)別行業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，其應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

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作者簡(jiǎn)介：

李曉娟（1986—），女，碩士研究生，河南科技學(xué)院助教，研究方向：圖像處理與模式識(shí)別。